一種毫米波高靈敏度雷達偵察技術研究

趙 玉，徐海洋，邵文建

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

目前采用毫米波制導的導引頭越來越多，常見的有“長弓海爾法”低空導彈、AGM-65導彈等[1]，近年來隨著毫米波低截獲導引頭技術的發展，其對艦船等目標的威脅越來越大，需要發展毫米波高靈敏度偵察設備對其進行先期預警，以便引導毫米波干擾設備進行有效干擾。目前毫米波頻段雷達偵察裝置的靈敏度普遍不高，不能滿足對低截獲導引頭偵察距離的需求，因此需要研究毫米波高靈敏度雷達偵察技術。本文介紹一種適用于實際裝備的毫米波高靈敏度雷達偵察技術。

1 雷達偵察技術

雷達偵察技術主要實現對外界雷達目標信號的截獲、測量、分選與識別。為實現該技術，其常見的雷達偵察裝置主要由天線、微波接收、參數測量、信號分選與識別和電源等部分組成，根據所采用的偵察測向、測頻體制的不同，各部分的組成也有很大差異。常用的雷達偵察測向體制有多波束比幅測向、干涉儀比相測向等，測頻體制有寬開瞬時測頻、單比特測頻以及信道化測頻等。

1.1 模擬多波束比幅測向偵察技術

常見的模擬多波束比幅測向技術的系統組成如圖1所示，主要包括多波束測向天線、測頻天線、微波變頻、對數視頻檢波放大、瞬時測頻接收機、多波束比幅測向接收機以及后端的分析識別部分。其中天線陣可以為喇叭陣，也可以采用透鏡形式的天線。瞬時測頻接收機可以用單比特測頻接收機或數字信道化測頻接收機代替。其基本工作流程為：測頻接收機從測頻天線支路檢測到外界雷達信號后，送觸發波門，啟動多波束比幅測向接收機測向，測頻接收機測量信號的載頻、脈寬、幅度等參數，測向接收機接收前端測向天線支路經對數視頻檢波放大處理后的視頻信號，進行方位參數并最終形成雷達輻射源脈沖描述字(PDW)送后端分選識別處理。該技術體制具有成熟度高、設備量適中、環境使用能力強等特點，其主要缺點是靈敏度受限于測頻支路的靈敏度。如采用瞬時測頻技術測頻，則靈敏度一般在-60 dBm以下；采用數字信道化接收，其靈敏度可達到-75 dBm，但是其工作瞬時帶寬目前一般為1 GHz，不滿足頻率寬開偵察需求；采用單比特測頻，則靈敏度可達到-70 dBm左右，對于偵察低截獲的毫米波導引頭，仍不滿足需求。

圖1 模擬多波束比幅測向技術組成示意圖

1.2 數字多波束比幅測向偵察技術

通常數字多波束比幅測向的系統組成如圖2所示，主要有陣列天線、波束控制及饋電、濾波放大變頻、數字波束形成(DBF)和參數測量+分析識別等部分組成。其顯著優點為可以實現高靈敏度偵察，靈敏度可以達到-100 dBm以上，但該偵察體制存在技術復雜、設備量大、成本高等缺點，且瞬時工作帶寬不超過1 GHz，一般為幾十MHz到幾百MHz。

圖2 數字多波束比幅測向技術組成示意圖

1.3 干涉儀比相測向偵察技術

干涉儀測向技術由于其設備量小且具有高測向精度，使其在電子偵察中有著重要意義[2]，它是通過測量信號的幅度或者是相位等信息從而獲得信號的來波方向[3]。雖然它在設備量、測向速度等方面有其自身的優勢，但是當環境中有同時到達信號，尤其是信號存在多徑傳輸時，基于干涉儀測向體制的測向方法往往會造成方位增批現象，另外受限于天線形式等因素，靈敏度難以提升。通常數字多波束比幅測向系統組成如圖3所示，其主要由干涉儀天線、微波變頻、數字信道化接收機和后端的分選識別等部分組成。

2 一種高靈敏度毫米波偵察技術

圖3 干涉儀測向技術組成示意圖

經第1節的分析比較可以看出，適合實現毫米波高靈敏度偵察的為多波束比幅測向技術，考慮到設備量、成本等因素，通常采用模擬多波束比幅測向技術實現毫米波高靈敏度偵察。目前基于該技術的毫米波偵察技術的工作原理框圖如圖4所示，即測頻采用半全向(或全向)天線，經微波前端接收后變頻送測頻接收機測頻；測向天線陣接收測向信號經測向接收前端(DLVA)處理后送測向接收機，最終形成PDW送后端分選與識別，該技術的靈敏度受限于測頻支路，難以提升。本文針對毫米波頻段外界信號特點(密度低，目標少)提出一種毫米波高靈敏度偵察系統設計方案。

2.1 總體設計

該高靈敏度毫米波偵察技術的設計思路是基于目前外界毫米波頻段的作戰目標主要為毫米波導引頭，其同時存在的數量不多。該技術的總體設計組成如圖5所示，主要由天線陣，接收前端組件，開關網絡，變頻、測頻接收機，多波束比幅測向接收機及后端的分選與識別部分組成。

當系統加電初始化后，天線陣接收外界n路射頻信號后送接收前端組件，前端組件對接收到的信號進行放大功分后，一路送DLVA檢波為視頻信號，輸出至測向接收機；另一路送開關網絡。測向接收機對接收到的視頻進行檢測，根據測向結果將信號所對應天線波束號送開關網絡，開關網絡選擇對應波束后送測頻接收機進行測頻；測頻接收機將測量的頻段等信息送測向接收機進行配對，形成PDW送后端進行分選與識別；當測向接收機檢測到其他天線波束上有信號時，通過控制開關網絡再將測頻信號選擇出后，經變頻送測頻接收機，該系統測向接收機通過流水測向，接收測頻接收機輸入的頻率等信息，最終匹配成目標PDW。其總體工作流程如圖6所示。下面對各部分的組成及原理進行介紹。

圖6 工作流程框圖

2.2 天線陣設計

天線陣設計主要考慮因素為系統的測向精度指標和靈敏度指標要求。多波束比幅測向采用的天線方向圖可用高斯型近似表示[4]，檢波-對數放大器輸出電壓與接收信號功率的對數成線性關系，根據多波束比幅測向方程可得到方位角θ與兩相鄰波束接收功率的比值γ之間的關系：

(1)

式中：θ為入射波方向與兩波束中心線的夾角；θ0為天線單元-3 dB波束寬度的一半；θS為兩相鄰天線軸線之間的夾角；γ為相鄰天線通道接收信號的幅度之比(dB)。

為了分析測向誤差，對式(1)進行全微分:

(2)

從式(2)可以看出天線的波束寬度(單元數)對測向精度起著決定性的作用，因此天線陣設計時系統的測向精度指標決定了天線單元數。常用的天線陣主要有恒波束喇叭陣和柱透鏡天線陣，其組成示意圖如圖7所示，當測向精度要求不高，天線單元數不多(一般不大于于32)時采用喇叭陣，當測向精度要求較高時一般采用柱透鏡天線陣(一般不超過64路)。當天線單元數越多，波束寬度則越窄，天線的增益也越高，一般32波束的天線陣，其單元天線增益約20 dB。

2.3 微波前端及開關網絡設計

微波接收前端主要完成對接收天線端射頻信號的放大、變頻后，功分送DLVA檢波和開關網絡，其單路的工作原理框圖如圖8所示。開關網絡的設計要求為可將N路輸入的射頻信號根據控制命令任選m路輸出。

圖7 常用天線陣組成示意圖

圖8 微波前端工作原理框圖

2.4 主要技術指標計算分析

下面以32元喇叭陣為例，其單元天線方向圖如圖9所示，對測向精度和靈敏度指標進行分析計算。當天線單元數為32時θ0為5.625°，利用實際工程經驗及式(2)可以得到測向精度達到2°(rms)。下面利用式(3)來計算接收機靈敏度[5]：

P=-114+F+10lg(6.31BV+

(3)

式中：F為噪聲系數(取6 dB)；Br為射頻帶寬(取10 GHz)；Bv為視頻帶寬(取50 MHz)；D為識別系數(取3 dB)，則接收機的靈敏度為-65 dBm。

設計的天線增益約為20 dB，則設計之后的系統測向靈敏度可達-85 dBm；測頻支路采用單比特測頻，其靈敏度優于-70 dBm，由于測頻和測向共用天線，因此測頻支路靈敏度由于-90 dBm，因此系統整體靈敏度可達-85 dBm，相比改進之前有大幅度提升。

3 結束語

本文分析了幾種常用的雷達偵察技術，在此基礎上提出一種毫米波高靈敏度雷達偵察技術，給出了該技術的組成框圖、工作流程圖，并對天線陣、微波接收前端和開關網絡設計進行了描述，最后對該技術對應的一種系統的測向精度和靈敏度進行了指標分析計算。該技術對于雷達偵察系統的研制具有實際參考意義。

[1] 盧再奇.彈載毫米波雷達目標識別實現技術研究[D].長沙：國防科學技術大學,2002.

[2] 何曉明,趙波.基于數字干涉儀的無源測向技術研究[J].中國電子科學研究院學報,2008，13(5)：460-463.

[3] 張瑜,李玲玲.多徑條件下雷達到達角的估計與仿真[J].電波科學學報,2004，19(2)：215-218.

[4] 趙國慶.雷達對抗原理[M].西安：西安電子科技大學出版社,1999.

[5] 林象平.雷達對抗原理[M].西安：西北電訊工程學院出版社,1985.