基于微波光電技術多點定位時差接收系統

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

無源探測雷達無需發射信號,而是通過多點接收機接收目標自身輻射信號或目標的反射信號對目標實現探測和定位,其中到達時間差定位(TDOA)是無源探測雷達主要工作模式之一,該雷達在軍用上具有較好的“四抗”特性[1]。在民用雷達領域,飛機在起飛、降落階段,以及在機場的調度與停放時,基本處于一次雷達和二次雷達的盲區,此時利用多點無源探測雷達可以對此進行精確探測和定位,實現機場安全高效管理。多點無源探測雷達是現代機場場面監視雷達的發展方向之一,布站數量和基線設計對雷達探測性能有重要的影響,傳統的無源定位時差接收機在子站完成信號接收和時間測量,在中心站完成信號分選配對和定位。這種方案主要缺點是:子站設備相對復雜,制約了子站布站的靈活性和布站的數量,同時不利于子站間時間統一,影響了機場這種復雜環境下產品的使用性和定位的精度。

時差接收機涉及時間同步、增益一致性、帶寬及帶寬一致性、門限設計等,常規時差接收機諸多文獻已進行討論與分析,本文介紹了一種新穎的基于微波光電技術的機場場面監視雷達多點時差定位接收機。微波光子學是一項被認為為未來高性能雷達、電子戰系統提供一種非常具有吸引力的新技術領域,具有更遠的傳輸距離和更大的帶寬[2]。目標微波信號在中心站實現濾波、幅度檢測和時間測量,極大簡化了接收子站的架構,提高了系統靈活性、使用性和定位精度。

1 系統組成

基于多點定位的機場場面監視系統使用多個子站接收飛機上機載應答器發射的應答脈沖信號,通過分選配對組建同一目標應答脈沖到達不同的遠端接收子站的到達時間差方程組,實現對飛機目標的精確定位。作為機場附加系統,多點定位雷達子站布設選點有很強的約束性,為適應不同機場的應用環境,最大限度簡化子站的布站條件(如電源供給、基站建設與防護)。方案采用了微波光電接收機技術,接收子站只由一個可接收民航飛機二次雷達應答信號的全向天線和微波光電接收前端組成,微波光電接收前端把收到的二次雷達微波信號調制成載波為1 550 nm的光信號,通過長距離光纖送到中心站,微波光信號在中心站解調為微波電信號,進行幅度檢測和到達時間測量。該方案子站設備量小、功耗低,同時由于光纖長度對微波損耗不敏感,每千米約0.2 dB,因此子站布設比較靈活。各子站接收的信號在中心站同一高穩定基準時鐘進行時間采樣,因此時間精度較傳統的各子站分別進行時間采樣有明顯提高。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 基于微波光電接收多點定位雷達原理框圖

系統中設計了一個系統定標信號,通過遠程光纖送到輻射源天線上,對輻射源天線位置進行精確定位,實現系統定標。

2 微波光電接收

微波光電時差接收機在功能上主要由微波光電前端、傳輸光纖、后端光電解調、濾波檢測和信號時間采集等組成,其中光路設計是微波光電時差接收機設計重點。該光電時差接收機主要特點是時間同步精度高、子站簡單、遠程布站靈活,實現框圖如圖2所示。

圖2 微波光電接收機實現框圖

2.1 噪聲與動態范圍

噪聲系數直接影響雷達靈敏度,是微波光電時差接收機的重要指標,噪聲系數為

式中:F接收為微波光電時差接收機噪聲系數;F1,G1分別為光路前級(預選濾波和低噪聲放大器)噪聲系數和增益;F光路,G光路分別為光路(調制器、光纖和光解調器)噪聲系數和增益;F后級為光路后級(匹配濾波器、對數檢波器和數據采集)噪聲系數。光路噪聲系數和增益[3-4]為

式中,ID為探測器輸出電流平均值,RIN為激光器相對強度噪聲,R O和RLORD分別為系統匹配網絡和負載阻抗(為50Ω),CL和CD分別為激光器和探測器等效電容,RL為激光器阻抗(一般5～10Ω),RD為探測器電阻(一般為1～2 kΩ),η1為激光器轉換效率,α為光纖損耗,ηd為探測器轉換效率,玻耳茲曼常數k=1.38×10-23J/K,絕對溫度T=290 K,自由電子q=1.6×10-19J/V,s=jω=j2πf。

設計光路前級(預選濾波和低噪聲放大器)等效增益為35 d B,等效噪聲系數為1.8 d B,計算仿真得微波光電接收機噪聲系數為2.4 dB,實測噪聲系數為2.8 d B。

機場場面監視雷達的主要目標是中近場區域目標,兼顧遠程探測,要求接收機有較大的動態范圍,系統通過控制微波光電調制器激光器的偏置電平實現微波光電調制器的最大線性度。控制偏置電平主要有兩種方式,即導頻信號反饋控制和光功率反饋控制,為避免導頻信號對接收機的干擾,方案采用了光功率反饋控制。

2.2 多通道時間穩定性

微波光電接收機前端與后級距離最長設計為20 km,噪聲干擾及溫度變化將影響微波光電接收機時間穩定性,多通道長期時間穩定性可以通過系統定標進行校準,系統更關注短期時間穩定性,如圖3所示,從實驗結果來看,常溫下4小時5 km光路時延最大變化約為0.5 ns。雷達系統更關注短期時間穩定性,光纖的時延變化為非平穩隨機過程,采用阿倫方差進行短期穩定性評估,即每相鄰兩個值進行均方差(時間最小間隔為2 s,共采樣6 999點),再進行平均,實測5 km光路時延短期穩定性約為0.004 ns。

2.3 時間定標

時間定標由時間內定標和時間系統定標組成。基于微波光電的時差接收機在中心站完成數據采集和時間測量,而時差接收機定位測量原理是測量目標信號到達不同接收子站之間的時間差,因此系統需對不同接收機(接收機天線端口到數據采集)的處理時間進行校準,該校準由內定標完成,由中心站發出一個時間定標脈沖信號,通過光電鏈路送到各接收子站信號輸入端口,通過接收機鏈路后在中心站進行對比測量。為保證路徑一致,采用波分復用技術使微波光電信號上行、下行通過同一光纖鏈路,其中接收信號光鏈路采用1 550 nm波長,定標信號光鏈路采用1 310 nm波長。

內定標只能對多子站接收機處理時間進行定標,無法對系統時間定位精度進行定標,定位精度涉及到系統諸多參數設定與穩定性,如基線設計、接收機參數一致性、門限檢測設計、時間測量與定位方程等,這種定標將采用系統時間定標,即在一已知位置點上發射一脈沖信號,由系統對此信號進行接收、定位,實現系統定標。時間測量定標工作原理如圖4所示。

圖3 微波光電接收機時間穩定性實驗結果

2.4 研究結果

應用該微波光電接收機的機場場面監視雷達在合肥新橋機場已完成多項探測、定位實驗,場面飛機定位精度優于5 m,微波光電接收機實現的主要技術指標如下:

工作頻率:1 090 MHz

噪聲系數:≤2.8 dB

瞬時動態:≥75 dB

正切靈敏度:≤-93 dBm

最大布站距離:20 km

子站數量:12

多通道穩定性:±0.5 dB,±30°(內定標后)

時差測量精度:≤3 ns

系統研制樣機如圖5所示。

圖4 多點定位時差接收機時間定標框圖

圖5 機場場面監視雷達微波光電接收機研制樣機

3 結束語

微波光子學是一項被認為為未來高性能雷達、電子戰系統提供一種非常具有吸引力的新技術領域,光子無質量、無電荷,不受外部電磁場影響,并具有更遠的傳輸距離和更大的帶寬,因此微波光電接收具有超遠程的微波信號傳輸能力,無電磁泄漏,不易被截獲和干擾,在陣列雷達、多基地雷達以及遠程無人值守雷達等領域正得到廣泛的關注[5]。基于微波光子學的多點定位機場監視雷達具有設備簡便、布站靈活、定位精度高等優點,其主要作用是實現機場中近場區域飛機監視、定位與調度,未來可實現產業化提高機場綜合安全管理能力。從實驗結果來看,該雷達作用距離可達250 km,因此該系統微波光電時差接收技術同樣可很好應用于軍事領域的無源探測與跟蹤雷達,提高雷達系統綜合對抗能力。

[1]孫仲康.單多基地有源無源定位技術[M].北京:國防工業出版社,1996.

[2]方立軍,馬駿,柳勇,等.一種大型分布式陣列雷達頻率與相位同步[J].雷達科學與技術,2017,15(1):85-88.FANG Lijun,MA Jun,LIU Yong,et al.Frequency and Phase Coherence in Large Distributed Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2017,15(1):85-88.(in Chinese)

[3]COX C H III,BETTS G E,JOHNSON L M.An Analytic and Experimental Comparisonof Direct and External Modulation in Analog Fiber-Optic Links[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,1990,38(5):501-509.

[4]朱偉道,朱少林,席虹標.模擬信號光纖傳輸系統的噪聲系數分析[J].光通訊技術,2011(6):60-63.

[5]方立軍,李佩,馬駿,等.基于微波光電技術的未來數字陣列構想[J].雷達科學與技術,2013,11(6):583-586.FANG Lijun,LI Pei,MA Jun,et al.An Idea for Future Digital Array Radar Based on Microwave Optoelectronics[J].Radar Science and Technology,2013,11(6):583-586.(in Chinese)