【相控阵教程】第十讲-相控阵雷达指标体系介绍

原创 云脑智库 2022-08-18 00:00


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编者注:本文主要介绍相控阵系统的主要技术指标概念及体系,不同相控阵系统指标略有差异,这里不做大而全的分析汇总,谅解!如有错误,请联系老刘更正,也欢迎业内人士一起交流讨论!本文仅作抛砖引玉之用,具体项目具体分析!有需要的朋友也可以加老刘微信一起讨论!

By 相控阵老刘

本文:16822字,预计阅读时间40分钟


第十讲 相控阵雷达指标体系介绍

开始正文之前,我们还是先介绍下雷达基本知识,方便对系统有个基本的认识,资深从业者可以略去本部分内容介绍!

一、雷达的基本原理

雷达最初被军方用来检测敌机,在战争期间是一个重要的传感器被各方使用。如今,它被广泛用于自适应巡航控制以及自动驾驶中的障碍物检测。下面让我们看一下它的工作原理、优缺点以及如何检测物体的位置和速度。

1.1 为什么雷达有用?

在自动驾驶汽车中,雷达用于自动驾驶时是一种出色的互补传感器,可以解决其他传感器的一些弱点。像Tesla或Comma.ai之类的公司使用RADAR与摄像头相结合来确保系统能正常工作,并获得了出色的传感器融合模块。

总而言之,雷达可以直接测量物体的速度,并且可以在白天,夜晚,雨天,雾天,大雪等不同场景下工作,而其他传感器可能会遇到问题。
1.2 雷达如何工作

a)Introduction

雷达利用无线测距,通过发出电磁(EM)波,该电磁波在遇到障碍物时会反射回来。由于它使用电磁波工作,因此可以在任何条件下工作。

我们必须了解的一件事是,我们正在处理电磁波,就像在高中物理中一样。

每个波都有一个波长,一个频率,一个振幅和一个相位。

处理这些波形将帮助我们找到障碍。

b)FMCW

有许多不同类型的雷达,下节中,我们将详细介绍,这里强调的一个最常用的一种被称为FMCW-调频连续波。该波看起来像这样:这是一个称为锯齿的信号,其频率可以随时间增加或减少。

FMCW雷达的硬件主要包括以下部件:

  • 频率合成器-一种将波设置为正确频率的装置。

  • 功率放大器—一种放大信号的东西,以便RADAR可以在远距离(300m)看到。

  • 天线—一种将电能转换为电磁波的东西,该电磁波被发送到特定的方向并被反射(返回到天线)。

  • 混频器-有助于频移的功能。

  • 处理器-就像在任何计算机中一样,处理器可以帮助进行计算,我们甚至可以处理信号来进行机器学习,聚类,跟踪等。


1.3 我们可以检测到每个物体吗?
当发射的波到达物体时;它反映了。但是如何反映的?大家会注意到,物体并不总是完全反射回雷达的天线。反射指数称为雷达横截面(RCS), 用于目标的几何形状、雷达的方向、频次、靶材识别。RCS是一种考虑了所有这些因素的指标。

现在考虑一下隐形飞机的以下图像。这种类型的飞机可能完全未被RADAR探测到,这是因为其几何形状设计可将波向其他方向偏转,其光滑的表面以及旨在吸收波的非反射性涂料,因此它们不会返回发射器。

由于反射率和其他因素,可以使用RADAR对障碍物进行分类。


1.4 如何估算障碍物的范围
当我们想使用雷达时,涉及许多不同的方程式。实际上,这是100%的信号处理。但是,数学很简单,在数学上并不难。假设我们前面有辆汽车,我们需要知道它与我们之间的距离。

  • 我们知道信号的速度,因为它在空中传播。c = 3×10⁸

  • 我们可以测量信号返回时间:T。那么,达到目标所需的时间为T / 2。

  • 范围只是R = c * T / 2

1.5 如何估算物体的速度?

这就是所谓的多普勒效应

如大家所见,几个波完全不同。
  • 红波是雷达发射的信号

  • 顶部的蓝波是正在接近的车辆反射波-波长很小。

  • 底部的蓝色波是远离我们的车辆反射波-波长很大。

当我们计算频率偏移时,我们可以确定车辆的速度和方向:这称为多普勒效应。

多普勒频移方程!
我们知道:
  • fD-频率偏移(已测量,未保留详细信息)
  • λ—波长
因此,我们可以确定车辆的速度ν。


1.6 如何解释这种现象
雷达的输出没有任何逻辑信息,它只显示了波动。我们在此波中唯一可以看到的是幅度和频率。利用快速傅立叶变换(FFT)将该波转换为可解释的信号。

一旦进入频域,我们可以注意到一些波在不同的频率处反射,并将它们与其他波分开。每个峰代表检测到的障碍。
1.7 噪声问题
雷达是一种非常复杂的传感器,对于一个障碍RADAR可能输出5或6次检测。没有障碍物时出于一些未知原因,雷达可能也会显示了一些检测结果。我们称之为噪音。噪音来自各种事物,苏打水可以反射一些波,让他并看起来像是障碍物。为了过滤噪声,我们使用一种称为SNR或信噪比的度量。雷达输出波和振幅。幅度越高,检测的可能性越高。

1.8 聚类和检测
最后,我们能够检测到障碍物并估算其速度。但是我们得到的仅仅是反射波,这要归功于FFT。我们可以输出许多结果,并且可能需要对输出进行聚类。

聚类算法是基于距离计算的算法,例如欧几里得聚类或K均值聚类。

1.9 结论

雷达是一个非常强大的工具。由于噪音,它不能真正在自动驾驶环境中单独使用。但它可以与相机或LiDAR结合使用,功能非常强大。它可以在许多条件下工作,并且可以直接估算范围和速度。通过一些工作,它甚至可以进行物体的分类,目前华为主推的自动驾驶就是采用了激光雷达的完美案例。
二、雷达的主要技术指标、应用、分类和抗干扰技术

2.1 雷达的频段和战术指标

a)雷达的工作频率

按照雷达的工作原理,不论发射波的频率如何,只要是通过辐射电磁能量和利用从目标反射回来的回波,以便对目标探测和定位,都属于雷达系统工作的范畴。常用的雷达工作频率范围为220MHz~35000MHz,实际上各类雷达工作的频率在两头都超出了上述范围。例如天波超视距(OTH)雷达的工作频率为4MHz或5MHz,而地波超视距的工作频率则低到2MHz。在频谱的另一端,毫米波雷达可以工作到94GHz,激光雷达工作于更高的频率。工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大。

雷达的工作频率和整个电磁波频谱如图示,实际上绝大部分雷达工作于200MHz至10GHz频段。
目前在雷达技术领域里常用频段的名称,用L、S、C、X等英文字母来命名。这是在第二次世界大战中一些国家为了保密而采用的,以后就一直延用下来,我国也经常采用。
电磁波波长与频率的对应关系为

f·λ=c

式中:f为频率,单位Hz;λ为波长,单位m;c为光速,且c=3.0×108m/s

表:雷达频段与频率和波长的对应关系
各个频段的主要应用范围见下表所示:

表:雷达频段的一般使用方法

下面简单罗列下相关雷达指标,从战术和技术两个层面介绍,关于指标的具体概念,感兴趣的朋友可以参考本公众号重磅分享的十三五雷达技术丛书!
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b)雷达的主要战术指标
1) 观察空域:雷达方位观察空域、仰角观察空域、最大探测高度、最大作用距离和最小作用距离。观察空域的大小取决于雷达辐射能量的大小
2)观察时间和数据率:观察时间是指雷达用于搜索整个空域的时间,它的倒数称为搜索数据率,对同一目标相邻两次跟踪之间的间隔时间称为跟踪间隔时间,其倒数为跟踪数据率。
3)测量精度:测量精度是指雷达所测量的目标坐标与其真实值的偏离程度,即二者的误差。
4)分辨力:分辨力是指雷达对空间位置接近的点目标的区分能力。
5)抗干扰能力:抗干扰能力是指雷达在干扰环境中能够有效地检测目标和获取目标参数的能力。
c)雷达的主要技术指标
1)天馈线性能:天线孔径,天线增益、天线波瓣宽度、天线波束的副瓣电平、极化形式、馈线损耗和天馈线系统的带宽等。
2)雷达信号形式:雷达信号的形式主要包括工作频率、脉冲重复频率PRF、脉冲宽度、脉冲串的长度、信号带宽、信号调制形式等。
3)发射机性能:发射机性能主要包括峰值功率、平均功率、功率放大链总增益、发射机末级效率和发射机总功率。
4)接收机性能:接收机性能主要包括接收机灵敏度、系统噪声温度、接收机工作宽带、动态范围、中频特性等、
5)测角方式:测试方式主要分为振幅法和相位法两类测角方式,还有天线波束的扫描法。
6)雷达信号处理:动目标显示和动目标检测的系统改善因子、脉冲多普勒滤波器的实现方式与运算速度要求、恒虚警率处理和视频积累方式等。
7)雷达数据处理能力:对目标的跟踪能力、二次解算能力、数据的变换及输入/输出能力。

2.2 雷达的应用与分类

a)军用雷达
军用雷达按战术来分有以下主要类型:
1)预警雷达(超远程雷达):预警雷达主要任务是发现洲际导弹,以便及早发出警报。特点是作用距离远达数千公里,至于测定坐标的精确度和分辨力是次要的。目前应用预警雷达不但能发现导弹,而且可用以发现洲际战略轰炸机。
2)搜索和警戒雷达:其任务是发现飞机,一般作用距离在400KM以上,有的可达600KM。对于测定坐标的精确度、分辨力要求不高。对于担当保卫重点城市或建筑物任务的中程警戒雷达要求有方位360°的搜索空城。
3)引导指挥雷达(监视雷达):这种雷达用于对歼击机的引导和指挥作战,民用的机场调度雷达亦属这一类。其特殊要求是:对多批次目标能同时检测;测定目标的三个坐标。要求测量目标的精确度和分辨力较高,特别是目标间的相对位置要求较高。
4)火控雷达:控制火炮(或地空导弹)对空中目标进行瞄准攻击,因此要求:能够连续而准确地测定目标的坐标;迅速地将射击数据传递给火炮(或地空导弹)。这类雷达的作用距离较小,一般只有几十公里,但测量的精度要求很高。
5)制导雷达:和火控雷达同属精密跟踪雷达,不同的是制导雷达对付的是飞机和导弹:测定它们的运动轨迹;同时再控制导弹去攻击目标。制导雷达要求能同时跟踪多个目标,并对分辨力要求较高。这类雷达天线的扫描方式往往有其特点,并随制导体制而异。
6)战场监视雷达:这类雷达用于发现坦克、军用车辆、人和其他在战场上的运动目标。
7)机载雷达

这类雷达除机载预警雷达外,主要有下列数种类型:

  • 机载截击雷达:当歼击机按照地面指挥所命令,接近敌机并进入有利空域时,就利用装在机上的截击雷达,准确地测量敌机的位置,以便进行攻击。它要求测量目标的精确度和分辨率高。

  • 机载护尾雷达:用来发现和指示机尾后面一定距离内有无敌机。这种雷达结构比较简单,不要求测定目标的准备位置,作用距离也不远。

  • 机载导航雷达:装在飞机或舰船上,用以显示地面或港湾图像,以便在黑夜和大雨、浓雾情况下,飞机和舰船能正确航行。这种雷达要求分辨力较高。

  • 机载火控雷达:20世纪70年代后的战斗机上火控系统的雷达往往是多功能的。它能空对空搜索和截获目标,空对空制导导弹,空对空精密测距和控制机炮射击,空对地观察地形和引导轰炸,进行敌我识别和导航信标的识别,有的还兼有地形跟随和回避的作用,一部雷达往往具有七八部雷达的功能。对于机载雷达共同的要求是体积小、重量轻、工作可靠性高。

  • 无线电测高仪:装置在飞机上,是一种连续波调频雷达,用来测量飞机离开地面或海面的高度。

  • 雷达引信:这是装置在炮弹或导弹头上的一种小型雷达,用来测量弹头附件有无目标,当距离缩小到弹片足以击伤目标的瞬间,使炮弹(或导弹头)爆炸,提高了击中目标的命中率。

b)民用雷达

在民用雷达方面,列举出以下一些类型和应用:

1)气象雷达:即观察气象的雷达,用来测量暴风雨和云层的位置及其移动路线。
2)航行管制(空中交通)雷达:在现代航空飞行运输体系中,对于机场周围及航路上的飞机,都要实施严格的管制。航行管制雷达兼有警戒雷达和引导雷达的作用,故有时也称为机场监视雷达,它和二次雷达配合起来应用。二次雷达地面设备发射询问信号,机上接到信号后,用编码的形式,发出一个回答信号,地面收到后在航行管制雷达显示器上显示。这一雷达系统可以鉴定空中目标的高度、速度和属性,用以识别目标。
3)宇宙航行中用雷达:这种雷达用来控制飞船的交会和对接,以及在月球上的着陆。某些地面上的雷达用来探测和跟踪人造卫星。
4)遥感设备:安放在卫星或飞机上的某种雷达,可以作为微波遥感设备。主要感受地球物理方面的信息,由于具有二维高分辨力而可对地形、水资源、冰覆盖层、农业森林、地质结构及环境污染等进行测量和地图描绘。也曾利用此类雷达来探测月亮和行星(雷达天文学)。此外,在飞机导航,航道探测(用以保证航行安全),公路上车速测量等方面,雷达也在发挥其积极作用。
c)雷达分类
1)按照功能分类

按照雷达的功能,把主要的军用雷达分为搜索雷达和跟踪雷达两大类。

  • 搜索雷达:任务是在尽可能大的空域范围内,尽可能早地发现远距离军事目标,主要用于警戒等目的。搜索雷达必须满足两个要求:很远的探测距离和很大的覆盖空域。

  • 跟踪雷达:主要用于武器控制,为武器系统连续地提供对目标的指示数据,也用于导弹靶场测量等方面。如炮瞄雷达、导弹制导雷达、航天飞行器轨道测量雷达等。

2)按照雷达信号形式分类
  • 脉冲雷达:此类雷达发射的波形是矩形脉冲,按一定的或交错的重复周期工作,这是目前使用最广的。

  • 连续波雷达:此类雷达发射连续的正弦波,主要用来测量目标的速度。如需同时测量目标的距离,则往往需对发射信号进行调制,例如,对连续的正弦信号进行周期性的频率调制。

  • 脉冲压缩雷达:此类雷达发射宽的脉冲波,在接收机中对收到的回波信号加以压缩处理,以便得到窄脉冲。目前实现脉冲压缩主要有两种。线性调频脉冲压缩处理和相位编码脉冲压缩处理。脉冲压缩能解决距离分辨力和作用距离之间的矛盾。20世纪70年代研制的新型雷达绝大部分采用脉冲压缩的体制。此外还有脉冲多普勒雷达、噪声雷达、频率捷变雷达等。

3)按照其他方式分类
  • 雷达承载平台:地面雷达、机载雷达、舰载雷达、星载雷达。

  • 角跟踪方式:单脉冲雷达、圆锥扫描雷达、隐蔽锥扫雷达等。

  • 测量目标参量:测高雷达、两坐标雷达、三坐标雷达、测速雷达、目标识别雷达等。

  • 信号处理方式:各种分集雷达(频率分集,极化分集等等)、相参或非相参积累雷达、动目标显示雷达、合成孔径雷达等。

  • 天线扫描方法:机械扫描雷达、相控阵雷达、频扫雷达等。

2.3 雷达对抗

在现代战争中,每一个作战装备和作战人员都会因其在战争中的地位和作用而受到多种雷达和武器系统的威胁、杀伤。如图所示的一架作战飞行中的军用飞机,可能会同时遭受到敌方数种雷达、杀伤武器的威胁。如果它及所在方不能有效地对抗敌方诸多的威胁雷达和武器系统,则其不仅不能完成预定的作战任务,甚至不能保证自己的生存。

图:军用飞机所面临的雷达威胁示意图
a)雷达对抗是取得军事优势的重要手段和保证

由于在各种现代武器系统中,雷达仍然是信息获取和精确制导领域中最重要的装备,特别是在广大的作战地域内,及时、准确、全面地获取各种目标信息,雷达的作用是不可取代的。破坏了雷达的正常工作,也就破坏了整个武器系统的重要信息来源,很可能使其成为“聋子”、“瞎子”。

b)雷达对抗技术是改善武器系统和军事目标生存与发展条件的有效手段

越南战争中,美军综合采用了多种雷达对抗措施,曾一度使地空导弹的杀伤概率降到2%,防空火炮的杀伤概率降到0.5%以下;

海湾战争中,美军的F-117A隐形轰炸机出动数千架次,执行防空火力最强地区的轰炸任务,在强大的电子干扰掩护下,竟然无一损失。

2.4 雷达抗干扰技术

a)对雷达的电子侦察及雷达反侦察技术

电子战对雷达的电子侦察包括:雷达情报侦察、雷达对抗支援侦察、雷达寻的和警告、引导干扰、辐射源定位。

雷达主要的反侦察措施:设计成低截获概率雷达、控制雷达开机时间、控制雷达工作频率、隐蔽雷达和新式雷达的启用必须经过批准、适时更换可能被敌方获悉的雷达阵地、设置假雷达,并发射假雷达信号

b)电子干扰

雷达干扰是指利用雷达干扰设备发射干扰电子波或利用发射、散射、衰减以及吸波的材料反射或衰减雷达波,从而扰乱敌方雷达的正常或降低雷达的效能。

雷达干扰能造成敌方雷达迷盲,使其不能发现目标或引起判读错误,不能正确实施告警;另外,它还能造成雷达跟踪出错,使武器系统失控,威力不能正常发挥。

c)雷达干扰技术
1)天线方面

A、当有一部远距离的干扰机干扰雷达时,如果设法保持极低的天线旁瓣,则可防止干扰能力通过旁瓣进入雷达接收机。

B、采用窄的天线波束带宽,采用高增益天线去集中照射目标,并“穿透”干扰。

C、采用随机性的电子扫描防止欺骗干扰机与天线扫描同步。

D、旁瓣相消技术用来抑制通过天线旁瓣进入的高占空比和类噪声干扰。

2)发射机方面

主要是适当地利用和控制发射信号的功率、频率和波形。

A、 增加有效辐射功率

这是一种对抗有源干扰的强有力的手段,此方法可增加信号/干扰功率比。如果再配合天线对目标的“聚光”照射,便能明显增大此时雷达的探测距离。雷达的发射要采用功率管理,以减小平时雷达被侦察的概率。

B、发射概率

在发射概率上可采用频率捷变或频率分集的办法,前者是指雷达在脉冲与脉冲间或脉冲串与脉冲串之间改变发射频率,后者是指几部雷达发射机工作于不同的频率而将其接收信号综合利用。这些技术代表一种扩展频谱的电子抗干扰方法,发射信号将在频域内尽可能展宽,以降低被敌方侦察时的可检测度,并且加重敌方电子干扰的负荷而使干扰更困难。

C、 发射波形编码

波形编码包括脉冲重复频率跳变、参差及编码和脉间编码等。所有这些技术使得欺骗干扰更加困难,因为敌方将无法获悉或无法预测发射波形的精确结构。

脉内编码的可压缩复杂信号,可有效地改善目标检测能力。它具有大的平均功率而峰值功率较小;其较宽的带宽可改善距离分辨力并能减小箔条类无源干扰的反射;由于它的峰值功率低,使辐射信号不易被敌方电子支援措施侦察到。因此,采用此类复杂信号的脉冲压缩雷达具有较好的电子反对抗性能。

3)与接收机、信号处理机有关的电子抗干扰

A、 接收机抗饱和

经天线反干扰后残存的干扰如果足够大,则将引起接收处理系统的饱和。接收机饱和将导致目标信息的丢失。因此,要根据雷达的用途研制主要用于抗干扰的增益控制和抗饱和电路。而已采用的宽-限-窄电路是一种主要用来抗扫频干扰,以防接收机饱和的专门电路。

B、信号鉴别

对抗脉冲干扰的有效措施是彩页脉宽和脉冲重复频率鉴别电路。这类电路测量接收到脉冲的宽度和重复频率后,如果发现和发射信号的参数不同,则不让它们到达信号处理设备或终端显示去。

C、 信号处理技术

现代雷达信号处理技术已经比较完善,例如用来消除地面和云雨杂波的动目标显示和动目标检测,对于消除箔条等干扰是同样有效的。除了上述相参处理外,非相参处理的恒虚警率电路可以用提高检测门限的办法来减小干扰的作用。在信号处理机中获得的信号积累增益是一种有效的电子抗干扰手段。

除以上提到的之外,今年还出现其他几种有效的雷达抗干扰技术:

  • 低截获概率雷达技术
  • 稀布阵综合脉冲孔径雷达技术
  • 无源探测技术
2.5  雷达反辐射导弹技术

由于发辐射导弹的出现,使得雷达面临着严重威胁,雷达面对这些威胁,采取的对抗措施有:

  • 提高雷达空间、结构、频率、时间及极化的隐蔽性
  • 瞬间改变雷达辐射脉冲参数
  • 将发射机和接收机分开装置
  • 尽量降低雷达带外辐射与热辐射
  • 将雷达设计成低截获概率雷达
  • 雷达采用超高频和甚高频波段

使用有源或无源诱饵,使ARM不能击中目标,或施放干扰,破坏和扰乱ARM的导引头工作。

  • 用附加辐射源和诱饵发射机
  • 雷达组网反ARM
  • 施放各种调制有源干扰
2.6 雷达反低空入侵技术

低空或超低空突防对雷达性能造成的影响有:地形遮挡、多径效应、强表面杂波

雷达反低空突防措施有:

  • 设计反杂波性能优良的低空监视雷达
  • 研制利用电离层折射特性的超视距雷达
  • 提高雷达平台高度来增加雷达水平视距,延长预警时间
  • 发挥雷达群体优势来对付低空突防飞行目标
2.7 雷达反隐身技术

飞行器的反隐身技术主要包括外形设计、涂覆电波吸收材料和选用新的结构材料等方法。隐身飞机的隐身效果不是全方位的,它主要是减小从正前方附近,水平±45°,垂直±3°,范围照射时的后向散射截面,而目标其他方向,特别是前向散射RCS明显增大,因此可以采用在空间不同方向接收隐身目标散射波进行空间分集来发现它。另一方面,涂覆的吸波材料有一定的频带范围,通常是2~18GHz,也就是说,涂覆的吸波材料对长的波长是无效的。当飞行器尺寸和工作波长可以相比时,其RCS进入谐振区,外形设计对隐身的作用会明显下降。这就是说,米波或更长波长的雷达具有良好的反隐身能力。以上表明,可从频率域进行反隐身。

反隐身技术可能采用的一些技术手段:

1)发挥单基地雷达的潜力

为弥补目标RCS下降所造成的探测距离的缩短,应采用提高雷达发射功率和天线孔径乘积,采用频率、极化分集,优化信号设计和改善信号处理等措施。如用相控阵雷达,则较容易实现上述要求并可增强电子战能力。

2)超视距后向散射雷达

这是一种工作在3~30MHz短波频段,利用电离层返回散射传播机理,实现对地平线以下超远程(700~3500km)运动目标进行探测的新体制陆基雷达。超视距后向散射雷达探测距离远,覆盖面积大,单部雷达60°扇面覆盖区可达百万平方公里,可对付有人或无人驾驶的轰炸机、空对地导弹和巡航导弹之类的喷气式武器的低空突袭,特别是,可对洲际导弹发射进行早期预警是其突出的优点。

3)双/多基地雷达

双基地雷达工作的基本特点,由于双基地雷达的发射系统和接收系统分置的距离较远,这就产生了双基地雷达不同的测量坐标系和技术实现的复杂性。

4)冲击雷达和极宽频带雷达

由于这类雷达其频带极宽,因而提供了一种从频率域反隐身的可能途径。

5)雷达网的数据融合技术

雷达网数据融合是提高雷达网预警能力和实现情报处理自动化处理的重要途径和关键技术。研究雷达网数据融合问题,对建设我国具有较高自动化水平的国防预警系统具有重要的意义。

三、相控阵雷达的指标体系

3.1 相控阵雷达的主要战术指标

雷达的观测空域是我们需要明确的重要指标之一。也是开始后续雷达设计的关键。

1)作用距离

作用距离是方位俯仰的观察范围,包括最小作用距离和最大作用距离。最小作用距离制约雷达信号波形的设计,为了发挥相控阵雷达中固态功率放弃器件的平均功率的潜力,大多采用较长的脉冲宽度信号,需要在信号波形的的设计与所要求的最下作用距离之间进行折中选择。而雷达的最大作用距离则很大程度上影响雷达系统设计的多项技术指标的选择。


在系统设计时,一把按照雷达的主要功能、目标的RCS等以及发现概率、平均的虚警时间等要求来确定雷达的最大作用距离,然后在分别讨论在不同的工作模式下,按照观察目标RCS的不同分别计算雷达的作用距离,并确定相应的信号波形和信号的能量分配。

根据公式我们知道,雷达的最大作用距离受到雷达功率孔径积的限制,在某种工作方式下雷达的作用距离很远,但是在其他工作方式下则可能降低。

雷达的观察空域分方位观察空域和俯仰观察空域,我们先讨论下方位观察空域。

a)方位观察空域

方位观察空域是指当天线阵面不动的时候,天线波束在方位角上的扫描范围。对于机械扫描天线而言,其方位观察范围取决于天线机械扫描的范围,通常是360度,或者采用扇扫的形式,观测比较小的空域。

相控阵天线能够在二维进行相位扫描,天线波束能够在俯仰和方位上都进行扫描,如果同时天线在方位上还能够360度做机械转动,如果相控阵天线方位扫描的角度过大会导致天线波束的展开,增益下降,从而影响雷达的探测距离。因此一般的相控阵雷达波束扫描的方位不会超过60度,典型的值在正负45度,与精密测量的雷达,天线波束在俯仰和方位扫描的范围都不到,一般在正负15度或者30度,个别的在正负10度的范围,这时候天线比较具备机械的转动能力。

对于固定阵面的相控阵雷达,一般采用多个阵面的方法增加观察空域,比如一个阵面正负60度,两个阵面可以扩展到180或者240度,三到四个阵面实现360度全覆盖。

一般而言,对于远距离的目标,方位观察空域可以比较小,如果雷达观察的目标比较近的话,方位观察的空域不宜过小。

方位扫描角度越大,阵元单元间距就越小,同样天线口径下,天线单元数目就越多。

图:雷达方位俯仰示意图

b)仰角观察空域

仰角观察范围是雷达波束在仰角上的覆盖范围或者扫描范围。

对于在方位上做一维扫描的相控阵雷达而言,其仰角的方位取决于雷达天线波束在仰角上的形状。这对于大多数的二坐标雷达而言,其仰角波束形状是具有余割平方形状,这种形状是为了保证合理的利用雷达功率,使不同高度的目标的回波强度基本相同,由基本雷达方程就可以推导出来。

对于在仰角上做1维相扫的相控阵雷达而言,仰角的观察范围就是天线波束在仰角上的相位扫描范围。

对于大多数的远程空间目标探测雷达而言,由于要求有很大的仰角观察范围,天线阵面一般都倾斜一定的角度A,这个倾斜角度一般小于45度,如果倾角选为45°,雷达在俯仰上能够实现最大60°的扫描的话,那么俯仰的范围就是0°到105°,能够实现对过顶目标的探测。

2)测量参数(位置、运动、特征参数、信号检测/目标参数测量)

信号检测和目标参数测量时两个两个任务。最大作用距离反映雷达信号检测的能力,最大跟踪距离以及测量精度反映了雷达参数测量能力。

  •   对相控阵三坐标雷达,目标位置参数包括在测量时间目标所在位置相对于雷达站位置的方位,仰角和距离,以极坐标的形式测量,经过经坐标变换到笛卡尔坐标坐标系统中的三维坐标参数。

  •   目标运动参数即反映目标运动特性的参数,该类参数包含目标的径向速度、径向加速度、角速度、角加速度或有关目标航向、航速及其变化的参数。测量这些参数对维持目标的稳定跟踪,确定目标轨道有重要作用。

 对观察外空目标的远程或超远程相控阵三坐标雷达来说,测量目标运动参数对确定空间目标轨迹(如确定卫星目标的六个轨道参数),确认目标变轨,对空间目标进行登录和编目是必不可少的。

由于外空目标距离远、飞行速度高,远程/超远程相控阵雷达对定轨精度要求很高,因此,在信号波形与工作方式设计时往往要求有直接测量目标回波多普勒频移及其变化率,即测量目标速度与加速度的能力。

  •  其他目标特征参数主要指相控阵雷达测量的反映目标构造、外形、姿态、状态、用途(如是否为失效载荷)及其他目标特性的特征参数。要测量的这些特征参数多半是从目标回波信号的幅度、相位、频谱和极化特性及它们随时间的变化率中提取的。例如,目标回波信号的幅度起伏,频谱特性和极化特征等。或者采用逆合成孔径ISAR的方式实现对目标的成像,获取目标的雷达反射特性。

3)测量精度(角度、距离)

测量精度指的是在接收机噪声背景中进行测量时所能实现的最小测量误差相对应的,即雷达潜在的测量精度,在干扰环境下,雷达测量精度要求不同。

三坐标雷达之关心距离方位和仰角,其指标中只提距离和角度的测量精度。

对于空间目标监视的相控阵雷达而言,其主要任务是测量空间目标的轨道参数,通过测量目标飞行轨迹的一个弧段中不同时刻的位置参数,获得目标的6个轨道根数,每一次测量的弧段越长,取样次数越多,每一次测量所获得的有关目标的方位、仰角、距离数据的精度就越高,对空间目标定轨的精度就越高。

通过判断轨道参数,就能判断区分目标的是卫星还是弹道导弹,因为卫星的轨道与地球是没有交点的,而弹道导弹的轨道与地球是有交点的,如果是导弹就可以 预报其落点、推算其发射点。

距离测量的精度决定于信号的带宽以及信噪比,角度测量的精度决定于天线波束宽度和信噪比。

4)分辨率(距离、空间、横向距离分辨率)

相控控阵雷达的距离分辨率决定于信号的瞬时带宽,对于采用脉冲压缩信号的的雷达,采用脉冲压缩技术,能够实现大的信号脉冲宽度,实现高的平均功率,同时实现脉冲压缩之后的窄脉冲,实现距离高分辨,如果信号带宽为B,则脉冲压缩后的脉冲宽度为1/B 对应的距离分辨率为 C/2B。

空间分辨率又称角分辨率,其取决于雷达天线在方位和俯仰上的半功率点波束宽度。

横向距离分辨率主要指采用逆合成孔径ISAR成像的雷达,通过对目标上时间的观察,进行天线空间的合成,形成对目标方位向的虚拟大口径,实现对目标的横向高的距离分辨,ISAR一般都采用大的瞬时带宽实现对目标高分辨成像,目前X频段1G带宽的雷达能够实现对目标亚米级的分辨,Ka频段2G带宽的的ISAR雷达能够实现对目标的分米级的分辨。

跟踪雷达方程:

相控阵雷达的一个特点就是能够实时跟踪多个目标。当雷达在搜索状态下发现目标后,做出目标存在的报告,必须对其进行确认、截获,然后转入跟踪状态,对已经截获的目标进行跟踪的同时,继续在搜索空域内进行搜索,以发现新的目标。

空间目标监视雷达处理多目标的能力对雷达工作方式的设计、搜索跟踪状态下的数据率、跟踪精度都有重要影响,其在技术上决定于雷达控制计算机和雷达数据处理计算机的能力以及雷达所能提供的能量。跟跟踪雷达方程,我们知道,用于跟踪目标数目越多,用于的跟踪照射的信号能量需求就越多。

因此根据雷达的任务不同,确定合理的雷达要跟踪的最大目标数目,也是雷达设计的重要内容。

5)数据率

数据率也是雷达一个重要的战术指标,它是指雷达在1秒内对目标进行数据采用的次数,在雷达中通常也用数据采样间隔,即数据率的倒数来描述。数据率体现了相控阵雷达一些重要指标的相互关系,对其设计有重要影响。因为相控阵阵雷达既要完成搜索又要实现对目标的跟踪,需要区分搜索数据率和跟踪数据率,而雷达搜索又可以按照重要性 区分为多个搜索区,如重点搜索区、非重点搜索区,所以可以在不同的搜索区分辨不同的搜索时间,即使用不同的数据率。

在多目标跟踪的情况下,按照目标重要性或者威胁程度采用不同的跟踪采样间隔时间,数据率指标在相控阵雷达信号资源分配和工作方式安排与控制上起着十分重要的作用。这部分我们在相控阵雷达的跟踪雷达方程中有介绍。此外,相控阵雷达还应将具有一定的抗干扰能力和生存能力。雷达在设计之初就要考虑雷达的抗电磁干扰和抗反辐射武器攻击的问题。

最后,雷达使用性能和使用环境在实际的设计中也需要综合考虑,使用性能主要包括雷达的可维护性,可靠性的。使用环境主要考虑选址的问题,海基雷达考虑防潮的问题等,是否需要安装防护罩,是否需要建立屏蔽网,这些都是相控阵雷达需要考虑的战术指标。


3.2 相控阵雷达的主要技术指标

相控阵雷达的技术指标主要分为两类:系统方案指标和分系统指标。

1)指标分类

空间探测相控阵雷达的主要技术指标分两类:一类为分配给相控阵雷达各个分系统的指标,例如,相控阵列天线、馈线分系统、发射机分系统、接收机分系统、信号处理、数据处理分系统、终端显示分系统、通信传输分系统、控制监测分系统、电源保障、环境控制与保障分系统等的指标;

另一类为有关雷达系统方案的技术指标,如波段选择、天线方案、信号波形、发射机型式、测角方法等等。由于空间探测相控阵雷达所承担任务的重要性及技术复杂性,第二类技术指标的确定在系统设计的初期阶段更显重要。

2)波段选择
  • 探测目标

由于影响波段选择的因素很多,因此,常常需要作反复比较才能最后确定。不同目标的雷达反射面积(RCS)与雷达信号波长有关。在雷达视线上具有同样投影物理尺寸的不同目标,其RCS相差可能达到几十万倍。由于不同形状和尺寸的空间目标的RCS与雷达波长有密切关系,故应将雷达方程看成信号频率或波长的函数,相控控阵雷达要观察的主要目标,需要作目标RCS的仿真计算和模型测试。

  • 工作方式(搜索、跟踪、成像任务)

对担任搜索任务为主的雷达,由于监视空域大,作用距离远,要处理的目标数量多,宜选用较低的雷达工作频率。

目前国际上多数空间目标监视相控阵雷达,由于其作用距离均在几千米,因此,多采用UHF波段和P波段、L波段,以便充分利用加大天线口径的方法来增加雷达的作用距离。俄罗斯的大型空间监视相控阵雷达,多采用VHF波段,即更长的雷达信号波长,美国铺路爪工作于UHF和丹麦眼镜蛇雷达和改进的早期预警雷达工作于L频率。

该类型雷达能够进行远区域大范围的搜索探测,能够为具有更高测量精度的空间探测相控阵雷达提供引导数据。采用较长的波长或者较低的频率,在工程实现上的难度比较低,相控阵天线阵元幅度和相位的控制相对于更高频率的雷达也更加容易,在要求远距离预警、对目标定位精度不是非常高的情况,一般采用频率比较低的信号。

实现跟踪和成像功能的雷达需要具备对目标精密跟踪和精密成像的能力,一般选用波长较短S或者X甚至Ka频段,这一个可以在天线口径一定的情况下,提高雷达发射增益,相应的可增加跟踪作用距离,提高测量精度。

另外,实现对目标特性测量的雷达如ISAR雷达要实现对目标的一维或者二维成像,必须在采用高频率信号的基础上,使用大瞬时信号带宽,目前在L和S频率的相控阵能够实现200到500Mhz以上的瞬时带宽,在X波段能够实现1G以上带宽信号,机械扫描Ka频段上能够实现实现2G以上瞬时带宽。

  • 传播影响(电离层衰减、大气损耗和折射)
图:不同频段电磁波在大气传播中衰减
图:微波至可见光频段的电磁波辐射在大气中传输的每公里传输路径衰减曲线
图:电磁波辐射在晴朗天气所受大气衰减与频率的关系
图:不同波长上的大气衰减
图:雨雾衰减曲线

在信号波段的选择,也需要考虑电波传播的影响,电离层能够对电波衰减、大气中氧气和是传播与频率有关都是与频有关。当工作频率高于3GHz是必须考虑大气衰减。比如虚线是水蒸气衰减,在22.4Ghz和184Ghz,氧气对波的衰减在60GHz和118Ghz,当工作频率低于1Ghz,大气衰减可以忽略不计,当高于10Ghz是,大气传播衰减十分严重。

图:双程大气衰减曲线 (a)仰角0°时,(b)仰角5°时

随着高度的增加,大气衰减减小。实际雷达工作时的传播衰减是跟雷达的作用距离和目标高度有关,当工作频率增加,衰减加大,探测仰角降低,衰减减少。所以对于要求进行低仰角探测的雷达应尽量采用较低频率水平极化的信号。

3)相控阵天线的选择

相控阵天线形式多样,不同频率、不同应用场景选择各有差异,根据具体应用需求选择最佳天线形式。下面网上找了点相关天线,列举出来大家有个概念!


  • 扫描范围

图:相控阵天线坐标系
  • 馈电方式(强制馈电、空间馈电、组合馈电)

(a)

(b)

(c)

(d)

图:(a)空间馈电 (b)串联馈电 (c)并联馈电 (d)反射型空间馈电

强制馈电采用波导、同轴线以及微带线进行功率分配,将发射机的信号分配到各个阵面的天线单元上,接收时,功率相加网络将各个天线单元接收的目标回波信号传输给接收机。空间馈电方式实现了信号在空间进行功率分配与相加,即信号功率在空间同相叠加进行合成。

还有使用混合馈电或者组合馈电的方式,雷达在子阵级别上用空间馈电,在子阵之间用强制馈电,这种方式在结构上降低了天线阵面的深度,能够发挥波段和同轴线耐高功率的优点,能够提高雷达设计模块化程度。各种馈电方式优缺点不同,在实际工程中都有应用。

  • 有源阵列与无源阵列

图:空间馈电示意图

(a)线性阵列

(b)平面阵列

图:阵列排布形式 (a)线阵  (b)平面阵

图:波束扫描示意图

无源和有源相控阵雷达(Active Phased Array Radar。APAR)的天线阵基本相同 ,二者的主要区别在于发射/接收元素的多少。无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机,发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器,目标反射信号经接收机统一放大(这一点与普通雷达区别不大)。

有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件,每一个组件都能自己产生、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此,也使得有源相控阵雷达的造价昂贵,工程化难度加大。

  • 天线加权方案

    (1)幅度加权
图:均匀分布、泰勒分布和幅度加权

相控阵天线的副瓣性能是雷达系统的一个重要指标,它在很大程度上决定了雷达的抗干扰与抗杂波等的战术指标。由于空间探测相控阵雷达要求的雷达探测距离很远,首先希望在一定的天线口径条件下,能获得高的天线增益,要实现这一点,天线照射函数应是均匀的,即应采用等幅分布的天线照射函数。此时,天线方向图为辛格函数形状,能获得最大的天线增益,但天线副瓣高,第一副瓣为-13.2dB,而这与降低天线副瓣电平的要求相矛盾。

在相控阵天线中实现幅度加权的方法有两种,一是在馈线网络中采用等功率分配器,但在每一个天线单元通道中要采用衰减器;另一方法是采用不等功率分配器。前一种方法与后一种方法相比,功率分配网络易于设计和生产,但要有衰减器,且与后者比较天线增益有损失。后一种方法,不等功率分配器较复杂,设计和生产的功率分配器的品种增多,但与前者比较,由于没有衰减器,天线增益损失较少。对空间探测相控阵雷达来说,由于要求的雷达作用距离很远,应尽量减少天线增益损失,因此应优先选用不等功率分配器来实现幅度加权的方案。
(2)密度加权、相位加权
稀疏阵是在不明显改变阵列波束宽度的情况下去掉一些阵元,可以用满阵列的几分之一的阵元构造一个减低了增益的高方向性阵列。上一篇已经介绍了简单的线阵稀疏阵,接下来将要介绍稀疏平面阵,可以采用密度加权稀疏算法,遗传算法和模拟退火法等。
以529阵元稀疏圆阵为例:满阵为1156的圆阵,稀疏阵为528阵元

实现相控阵夭线低副瓣要求的另一种常用方法是密度加权方案,密度加权天线阵实际是一种不等间距天线阵。一般的不等间距天线中各有源天线单元的间距是不相等的,靠近阵列中心的单元之间的间距小些,偏离阵列中心越远的单元,单元之间的间距越大,但各天线单元的激励电流的幅度是相同的。常用的密度加权天线阵中有源天线单元随机地安放在等间距栅格上。发射功率分配网络的各输出端(发射阵)或接收相加网络的各输人端(接收阵)只与有源天线单元相连接,而无源天线单元则只与吸收负载相连接。

 对相控阵列天线,如果在用于控制天线波束扫描的波束控制信号之外还将相位加权控制信号加到阵列中部分单元的移相器上,改变阵列大线单兀激励电流的相位,亦即改变阵列天线口径照射函数的相位分布,同样可得到幅度加权和密度加权的效果,降低天线波束的副瓣电平。

采用相位加权方法,相控阵天线的波束控制器给每一个移相器提供的控制信号是天线波束指向控制信号和相位加权控制信号之和。因此,在原有相控阵天线的基础上,只要改变波控数码,即可实现相位加权。除了用一位移相器进行相位加权外,还可用两位数字式移相器或多位数字式移相器进行相位加权。若原有相控阵列天线已用幅度加权,则相位加权可作为进一步降低大线副瓣的措施来使用。

图:相位加权矩阵
  • 信号波形的选择(雷达功能、工作模式)

雷达信号波形与雷达各分系统的技术指标关系密切,发射机、接收机、信号处理、终端显示均与其有密切关系。雷达信号波形的选择决定于许多因素,选择原则应是在充分保证工作方式需要的前提下尽可能减少不必要的信号波形种类,这有利于简化设计,减少不必要的软件开销,提高系统工作的可靠性。

雷达处于搜索状态时,宜采用大时宽和较窄带宽的信号.有利于提高雷达回波信号的信噪比,信号瞬时频带宽度较低可减少在整个搜索区内要处理的距离单元数目,从而减少信号处理的计算工作量。

当雷达处于跟踪状态时,采用具有大时宽带宽乘积的信号,可获得高的测距精度和距离分辨率,而信号处理所需的计算工作量,也因在一个雷达重复周期内只需处理位于较窄的跟踪波门内的回波,而不会明显增加,因而可保持与搜索状态工作时信号处理运算量的大体平衡,确保雷达信号处理能实时完成。

  • 发射机型式(固态功率器件、电真空器件)

 在空间探测相控阵雷达系统设计之初,首先考虑的往往是在保证雷达作用距离等战术指标得以满足的前提下,如何能根据提供大功率器件的现实条件,在要求的研制周期里完成任务。如果有提供固态功率器件的条件,为了发挥有源相控阵天线的优点,提高雷达系统的可靠性和可维护性,降低整个雷达发射机系统要求的初级电源,可优先采用固态发射机;反之,要是不具备或不完全具备大批量固态功率器件及固态发射组件的生产能力,则偏向采用电真空器件实现的发射机。

采用电真空发射机后要设法消除它的一个主要缺点—阵列中功率分配网络的损耗。可通过采用多部发射机的方案,使每部发射机只为一个子天线阵提供信号功率,从而减少了在功率分配网络中的损耗。

例如超过1000km以上的空间探测相控阵雷达的成本将极高,这时就可能不得不选择具有高功率输出能力的电真空器件。  在选择空间探测相控阵雷达发射机类型时,与选择其它雷达发射机一样样,发射机总效率、能提供的信号带宽、放大增益、相位噪声电平、调制方法、冷却方法、对初级电源的要求、工作寿命、可靠性、全寿命周期成本、体积和重量等中的一些指标都有可能影响发射机形式的选择。

  • 测角的方法(单脉冲测角法:幅度/相位)

空间探测相控阵雷达由于作用距离远、雷达重复周期长、要观测多批目标等原因,在搜索和跟踪状态,在每一个波束位置上雷达信号驻留时间都是很短的,例如只有2,3个重复周期,甚至只有一个重复周期,故只能采用单脉冲测角方法,以保证高的测角精度。    单脉冲测角方法可分为相位比较法和幅度比较法两种。两种方法都可以根据测量个脉冲回波信号在两个接收通道中的相位或幅度差异,再通过对目标角度进行内插,从而得到准确的角度参数。

相位比较法和幅度比较单脉冲测角方法,在理论上具有相同的潜在侧角精度,即决定于信号噪声比的测量精度。

单脉冲幅度比较方法又可以分为两类:一类是在普通单脉冲跟踪雷达中广泛使用的先由相控阵天线中的接收馈线网络形成和通道、方位差通道与仰角差通道,然后用和通道信号对差通道信号进行归一化处理,由此得到角误差信号,并根据角灵敏度函数,测出目标所在的角位置。

另一类则要求相控阵天线围绕发射波束最大值方向,形成4-5个接收波束(例如上、下、左、右、4个波束),同样通过直接比较它们输出信号的幅度,求出目标所在的角度。采用这种方法,需要的天线波束数目略有增加,但不需要普通单脉冲方法中的用和通道输出去对差通道输出进行归一化。这种直接比较相邻波束幅度的方法在理论上也具有同样的潜在测角精度。

更为详细的雷达知识非常复杂,这里仅作科普介绍,让大家对雷达及相控阵体制雷达有个初步的认识,下一讲,我将重点以一个案例为例介绍相控阵系统如何设计,本期就到这里了,欢迎转发、扩散,让更多的朋友参与到学习中来,一起交流!


参考文献:

1. 百度文库:雷达的主要技术指标、应用与分类和雷达对抗

2. 公众号:雷达学报

3. 书籍:相控阵雷达技术丛书

- The End

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