雷达科学与技术
主办单位:中华人民共和国信息产业部
国际刊号:1672-2337
国内刊号:34-1264/TN
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机载双基地雷达杂波调谐试飞技术研究

  摘 要:文章基于机载双基地雷达空间位置关系,分析了对应的雷达回波信号和多普勒谱的展宽度特性,并提出了在飞行试验中如何利用航线和速度的调整进而控制地面散射杂波因天线波束宽度而引起的多普勒频谱的展宽,实现对地面慢速目标进行有效检测。


  关键词:机载双基地雷达;杂波调谐技术;慢速目标检测


  引言


  双基地雷达即“使用处于不同位置的天线进行发射和接收的雷达”(1982年IEEE标准)。双基地雷达是单基地雷达的扩展,单基地雷达是双基地雷达的一种特例。通常,发/收共用天线或发/收天线相距不远的雷达称为单基地雷达,而双基地雷达的发射和接收天线是远距离分置的,因此在许多方面与单基地雷达相比较有其自身特殊性。


  机载双基雷达一般采用远发近收的工作模式,即将发射机部署在远离战场的后方区域,而将接收器安装在无人机(Unmanned Aerial Vehicle,简称UAV)上并部署于前线空域或敌方领空中。因此,机载双基地雷达不仅拥有机载单基雷达的优势,如:宽广的监视范围,良好的机动性和规避地物遮挡的能力,还有利于提高雷达自身的生存能力及在目标检测方面具有其独特的优势。


  文章主要分析了机载双基地雷达地杂波分布、信号回波的多普勒频率和利用杂波调谐技术进行地面散射杂波消除的试飞方法。


  1 机载双基地雷达的几何关系和多普勒参数分析


  在空载双基地雷达中,发射站、接收站位于空中,地杂波的强度远远大于地面双基地雷达的强度。此外,收发站均处于运动状态,地杂波的多普勒频率变得很复杂。收发主波束覆盖的距离单元上的多普勒频率将展宽、地面或低空目标淹没在杂波中。


  典型的机载双基地雷达场景的几何配置关系如图1所示,它给出了收、发天线相位中心与杂波散射体之间的几何关系。为了推导空载双基地雷达的多普勒频率,我们选取图1的坐标系。XY平面为地平面,接收站位于坐标原点,基线位于X轴上。Y轴为指北坐标系的北方向,目标T至接收站和发射站的距离与指北坐标系的夹角分别为Rr、Rt、?兹r、?兹t,Rr、Rt在XY平面投影长及与YX平面的夹角分别为R'r、R't、?准r、?准t。我们可以认为接收站、发射站和目标的运动方向平行于YX 平面,运动速度大小以及与Y轴的夹角分别为vr、vt、vT、?啄r、?啄t、?啄T。接收站、发射站的飞行高度为hr、ht。双基地雷达中,只有在等距离和椭圆上的目标才能位于同一距离单元。


  图1 机载双基地雷达空间几何示意图


  假定雷达回波的总路径长为S,则雷达检测的多普勒频移将是路径的时间变化率与发射波长之比。


  (1)


  如假设接收站、发射站和目标到坐标原点的矢量为rr、rt、rT,目标至接收站、目标至发射站的单位矢量为UrT、UtT,则多普勒频率fd为接收路径和发射路径变化率之和,将发射站、接收站与目标连线矢量在视线方向上进行分解可以得到其矢量表达式如(2)所示:


  (2)


  根据式(2),将对应速度标量在LOS方向上进行分解后,可得出机载双基地雷达对地面移动目标的多普勒频率的标量表达式:


  (3)


  由图1可知,收发站的高度一般hr、ht为几公里,与目标到收发站的距离相比很小。在进行低掠射角地杂波仿真时,hr/Rr、ht/Rt较小。此时cos?准r≈1、cos?准t≈1,所以收发站高度对空-地双基地雷达的多普勒频率的影响在实际情况中可以忽略不计。当目标为地杂波且不考虑地面的树木、水面等的微小移动时,地面的运动速度vT≈0,则式(3)简化为:


  (4)


  2 机载双基地雷达杂波调谐技术分析


  在单基地机载雷达由于载机平台运动对雷达天线口径的影响可以分解成两个分量:一个是口径的法向(即径向),另一个是与法线正交(即切向)。前者产生的杂波多普勒频率中心的移动,后者则会造成杂波谱的展宽,其本质是由于雷达波束照射区域范围内,载机切向速度在非法线方向存在一定的速度分解分量。其中对于单基地机载雷达切向运动产生的频移为:


  (5)


  参考图1的几何关系,可推导出双基机载雷达杂波展宽特性如下:


  (6)


  因此双基机载雷达可以通过控制发射站和接收站平台的速度和航向来控制地面散射杂波由于天线波束宽度而引起的多普勒频谱的展宽。这一作用称为“杂波调频”。当预警机雷达系统要兼作SAR观察地面目标时,可以利用“杂波调谐”的技术调整发射站和接收站的航线和速度,使之对于地面观察区的杂波多普勒频展最小,此时该地区上慢速运动的目标信号可不被地杂波频谱所掩蔽,因而可以进行有效检测。


  3 计算机仿真


  采用计算机仿真的方法验证机载双基地雷达杂波杂波调谐技术的可实现性,假设发射载机的速度为200米/秒,发射站和目标之间距离为10公里,接收站距离目标为5公里,图2分别模拟了发射站航向与真北交角分别为0°、30°、60°、90°的情况下不同的接收站的速度、航向组合条件下多普勒频率量的等高线图。从图中可以看出通过调节接收站的速度和航线可以控制地面散射杂波由于天线波束宽度而引起的多普勒频谱的展宽,从而实现对地面慢速目标的检测。


  4 结束语


  当机载双基地雷达可以利用上述“杂波调谐”技术,在试飞过程中通过调整发射和接收载机的飞行航线和速度,使之对于地面观察区的杂波多普勒谱的展宽最小,此时该雷达照射范围内的慢速运动的目标可不被地杂波频谱掩蔽因而可以进行有效检测,该特征在文章中也通过计算机仿真进行了有效的验证。


  参考文献


  [1]陆军,郦能敬,曹晨,等。预警机系统导轮(第二版)[M].国防工业出版社。


  [2]冯坤菊。临近空间双基地雷达系统研究[D].西安:空军工程大学,2009:37-59.


  [3]王炎,吴曼青,等。空载双基地雷达地杂波模拟[J].系统工程与电子技术,2000(22):3.


  作者简介:陈安(1979-),男,工程师,现从事机载雷达及电子战试飞研究。


  于天超(1984-),男,工程师,现从事机载雷达及电子战试飞研究。


  陈翱(1971-),男,高级工程师,现从事机载雷达及电子战试飞研究。


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