雷达手册第3版(中文)_第3章 机载动目标显示(ATMI)雷达

第3章3.1采用机载MTl技术的系统机载动目标显示(AMH)雷达机载搜索雷达最初是为远程侦察机探测舰艇研制的.第二次世界大战后期,美国海军研制了几种机载预警(AEW)雷达,用于探测从舰艇天线雷达威力区之下飞近特遣舰队的低空飞行飞机.在增大对空和对海面目标的最大探测距离方面,机载平台的优点是显而易见的,只要考虑下述情况就很清楚了.高度为100英尺的天线桅杆,其雷达视线距离只有12n埘le;而与其相比,飞机高度为25000英尺时,雷达视线距离则为195nmile.航空母舰搭载的E-2D飞机(见图3.1)使用机载预警雷达作为它的机载战术数据系统中的主要传感器.为能检测海杂波和地杂波背景中的小型空中目标需要这种视界很宽的雷达.由于其首要任务是检测低空飞行的飞机,因此这种雷达就不能靠抬高天线波束的仰角来消除杂波.AMH雷达系统就是在考虑这种情况下开发出来的[1~3],它/门与第2章中探讨的用于地面雷达的Mn系统相似[]4~6].●图3.1带有旋转夭线罩的E-2D机载预警机机载预警雷达的任务要求有360.方位角覆盖和具有远距离探测能力.需要360.角方位覆盖是因为一般要求机载预鹑雷达系统在预先不知道空中目标位置的情况下首先实施探测.机载预警雷达系统通常是左低频段中开发的ぉ这可以通过查看监视雷达的距离方程式得到理解:几删=之」芪-:.:(3.1)-(4尢)斌杞乙(S/~)o口式中,乙是扫描时问:口是监视空域覆盖要求(方位角与仰角的积).只要雷达(在方位和俯仰上)的波束宽度小于监视区域,这个方程式就不与频率直接相r一第3章机载动目标显示(AMn)雷达.107.关.但是,这个方程中的主要参数是与频率相关的.特别是较低频率通常在低空目标和(对某些目标类型的)目标RCS的传播损耗方面具有优势.结果导致机载预警雷达系统频率在超高频L波段和S波段上开发.在截击机火控系统中,AMⅡ雷达系统还被用来捕捉和跟踪目标.在这种应用中,雷达仅需抻制指定目标附近的杂波.因此,可以在目标所处的距离和角度扇形区内将雷达优化.MⅡ系统也可以装在侦察机或战术歼击机上用来探测地面运动的车辆.高平台高度`机动性`高速度的环境条件及对尺寸`质量`功耗的限制对AMTl雷达设计师提出了一系列独特的问题.本章将专门探讨机载条件下特有的对这些问题的考虑.3_2覆盖范围的考虑搜索雷达一般要求有360.方位角覆盖.这种覆盖范围在飞机上是很难达到的,其原因在于将天线突出于机外安装将会产生大的空气阻力`稳定性和结构方面的问题.当要求大垂直覆盖范围时,飞机机身和垂直安定面将使天线方向图变形和受遮挡.对战术要求的分析可看出,可能只需要覆盖一定的扇形区即可.但是这个扇形区相对于机头方向应该在整个360.范围内可以定位.这样才能满足下列各种情况下对覆盖范围的要求,即反转航线`遇强风有大偏航角`相对于风定位地面轨迹`非标准工作状态及进出基地时仍然工作的覆盖要求.然而在20世纪叩年代和21世纪之初已研制出了许多可以在机载乎合上实现相控阵能力的系统.诺德鲁普.格鲁曼公司在波音737-7⑽飞机上为澳大利亚“楔尾计划’’研制的多功能电扫阵列(MESA)雷达就是一个例子(见图3.2).正在为E-2D(海军E-X飞机的后续型号)飞机上的AN|APY-g雷达开发一种将机扫和电扫结合的替代解决方案.3.3图3.2天线安装在机身上的波音力7-7⑽“楔尾飞机AMTl性能驱动因素AMn系统性能主要取决于杂波回波运动(平合运动`天线扫描运动和杂波内部运动)产生的效应`用于提高目标检测和杂波最大对消的处理技术,以及雷达硬件稳定性的限制.108.雷达手册(第三版)等.本章将讨论运动效应及各种处理技术的性能.3.4平台运动和高度对MTl性能的影晌MH可以区分空中动目标和固定的地或海杂波.然而,在飞行状态下,杂波相对飞机是运动的.可用诸如TACCAR(时间平均杂波相参机载雷达)的技术补偿杂波平均径向速度.这项技术试图使来自主瓣杂波的最大回波以零多普勒频率为中心,从而用同样以零多普勒频率为中心的简单MTl滤波器就可以消除主瓣杂波.如图3.3所示,杂波的视在径向速度为r,ぉr卢。sd.式中,rg是平台地速,即相对于地面的飞行速度:d是到地面上一点的视线与飞机速度矢量之间的夹角.图3.4所示为沿地面相等径向速度的轨迹.为使该图归一化,假定地面为一平面,归一化的径向速度r^=r,/rg表示为方位角扑l归一化地面距离似丌的函数,此处汀是飞机高度./A点J目标图3.3几何关系图.喃是夭线指向角:d是视线角:汐是偏离天线中心线的角度:rg是飞机地速:K是点目标的径向速度:r乃为沿天线中心线(瞄准线)的径向速度:眇。是天线方位角:伊是方位角lR是到点日标的地面距离l玎是飞机高度与天线指向角劭所确定的等径向速度「J(见图3.3)对应的单一杂波多普勒频率不同,雷达“看到的是一段连续速度区间.这就形成了一定距离上的频谱,其形状由与地面相交的天线方向图`杂波的反射率及波束中的速度分布所决定.此外,因为在特定方位角F上r,是随距离变化的,所以频谱的中心频率和形状也是随距离和方位角晌变化的.当天线指向前方时,主要效应是由嘞随距离变化而引起的中心频率的相应变化.当天线指向与飞机垂直时,主要效应是天线波束宽度内的速度分布.以上两者分别称为斜距效应和平台运动效应.第3章机载动目标显示(AMn)雷达0]020_30405旷30.0.950.970_98O_gg0.9950.997图3.4作为飞机距离高度比拟N和方位角伊的函数的归一化等径向速度r,/rg的轨迹.109.剥艇褂麦誓勒褊移鹄彩晌天线瞄准线的速度r3是沿天线中心线(瞄准线)方向上的地速分量,为-r卢。s劭.如果杂波面和飞机在旯一个平面(共面)上,则这个分量等于-r卢。s矿。,而与距离无关.实际瞄准线速度与共面的瞄准线速度之比值定义为归一化瞄准线-速度比.VBR二cos｀=cos_o-(32)cos旷。式中,咖是天线中心线偏离水平面的俯角.图3.5是弯曲地球上的不同飞行高度下,归一化瞄准线-速度比与斜距的关系曲线.对小于15nmile的斜距来说,变化是很急剧的.嫣R″o_gggg-5ooo’loooo’2oooo’o.ggg3oooo’4oooo'0.95O_gOo2o4o6o8o1oo12o14o凡-″(nmile)图3,5对不问的飞机高度,归一化瞄准线速度比vBR与斜距尤,和飞机高度″之差的关系曲线人们希望杂波频谱的中心落在AMⅡ滤波器的凹口(即最小响应区)内以得到最大的杂波抑制.这只要把雷达信号的中频或射频偏移一个量即可完成,该偏移量等于杂波频谱的平均多普勒频率.雷达移动时,由于杂波的中心频率随距离和方位变化,故需采用诸如下面所述的芏ACCAR之类的开环或闭环控制系统,使滤波器凹囗跟踪多普勒偏移频率.图3.6(a)所示为已知天线响应的接收杂波谱示例.图3.6(b)所示为TACCAR频率偏//%尹:IlIII/I///|;彡////!|/////冫/冫=〈/〈〉/彡_]//////__厂__彡氵_冫《三三王二二二_+士二_!_|l.l10.雷达手册(第三版)移将主瓣杂波转移到零多普勒.60N芸40心20口rO篇颓-20-40--750-500-250025多普勒(Hz)(a)没有TACCAR频率偏移图3.6⌒40N芒中20OO_乙弱_20鼷啊40_2500多普勒(Hz)(b)有TACCAR频率偏移由天线方向图得到的杂波功率谱密度(PSD)||聊|眺撇相麴载卸|`.,[撕腓|,`:麻省理工学院林肯实验室最初是为解决AMn雷达问题而研制时间平均杂波相干机载雷达的.对时间平均杂波相干机载雷达的要求和实施随使用的杂波对消处理类型而变化.在试用了许多其他的方法后,他们发现,如果用杂波回波而不是用发射脉冲来相锁雷达的杂波滤波器,就能使杂波中心位于滤波器阻带内.由于散射体位置在方位上是分布的,杂波相位在不同距离单元间是变化的.因此有必要在尽量长的间隔内来平均杂波回波.时间平均杂波相干机载雷达这个名称用来描述杂波回波谱中心对准零滤波器频率.由于这顼技术能够补偿各类系统单元漂动及因海流`箔条`气象杂波引起的平均多普勒频率偏移,因此它不仅可用于机载雷达,也用于舰载和地面雷达中.图3.7是时间乎均杂波相干机载雷达的原理框图.杂波误差信号通过测量杂波回波的脉间相移曰_得出,它是一个非常灵敏的误差信号.经平均的误差信号控制压控相干主振荡器(COMO),它决定雷达的发射频率.相干主振荡器的频率,经如图3.7中所示的自动频率控制(AFC)环路,受控于系统基准振荡频率.当无杂波时,这提供一个稳定的频率基淮.一个来自飞机惯性导航系统和天线伺服系统的输入信号提供了一个预测的多普勒频移.这些输入使时问平均杂波相参机载雷达系统能提供一个窄带的校正信号.由于杂波信号的噪声特性`要控制系统跨过弱杂波回波区的需要及不对真实目标多普勒频移响应的要求,使得控制系统通常跟踪特定雷达距离问隔内的方位变化.这个间隔的最大距离的选择应使杂波成为这一问隔内的主要信号.最小距离的选择应能排除平均频率与所关心区域内的频率明显不同的那些信号.提供这种频率偏移的另外方法可以用数字激励器,或者在接收端实施.在某些应用中,必须运用多个控制环路,每一环路覆盖一个特定的距离间隔或者按距离改变偏移频率.如在接收端(而不是发射端)实现频率偏移这就是可能的.在任一给定的距离上,滤波器凹点实际处于某一个频率上,而杂波频谱的中心却处于另一个频率上.两频率之差产生一个多普勒偏移误差,如图3.8所示.杂波频谱将伸入更多的滤波器通频带内,于是杂波改善因子将变坏.如果MH滤波器是诸如空-时自适应处理(在本章后面讨论)的自适应滤波器,则对时间平均杂波相干机载雷达控制回路所要求的精度可以放宽.这是因为自适应滤波器将调整到接收信号并优化杂波对消.中●辶,/;第3章机载动目标显示(AMH)雷达.|l|.[丽上变频器::::::::溪-亻i+儿下变频器=丈,+大+大+几图3.7时间平均杂波相参机载雷达控制环路信号流程框图在没有自适应调整的情况下,图3.9所示为对不同杂波频谱宽度,单延迟和双延迟对消器的改善因子/与凹点偏移误差对PRF之比的关系曲线.值得庆幸的是,在偏移误差最大的探测范围的前向扇区内,平台运动的频谱很窄.对频谱宽度为PRF3H的输入杂波频谱双延迟对消器,当偏移误差为PRF的l弘时,可获得的改善为26dB.如果雷达频率为10GHz`PRF为lkHz`地速为580kn,则凹口必须保持在0.29拙之内,即0.005rg内.7o″(/]口|.三d图3.8频率多普勒偏移误差的影响(_PRF)_汜来自导航系统刁一:柏拍舀●︶小囿郗缗:一一2冫图3.9上oo.oo1o_oo2o,oo5o_o1o.o2o_o3o.o5o.o7o_l口妍对应于不同杂波频谱宽度J.时,改善因子氵与归一化多普勒偏移误差J,之间的关系曲线lllIl|6_=/I|/l/ll|_●●■●lt丶|llUCぉU,lUUll``J`\一_\``-~~~~~~k■L~●丶L●______.vuu.v-cJ-一一广一rぉ___`_____ぉ____`一一\_`丶丶`\~~~●L*4一ぉぉ啊一-/○l○.○=CdAAA_迄```.丶怎\`\`丶`■丶丶hl__一--一`_●\_``弋丶丶|il``_丶廾=nnln一`一``仃_=○○○丶二`-~\\丶氵丶l一_\一\`-\●\\●●C\\lOO.O=`丶丶丶I``u.``\\\一O.O=,d`丶\丶li丶`300.0=cd|丶|LlI更双ぉ吏单---迟:迟:|丶\XぉU_UUll/````丶丶l__I_.lll|l丶||||HI__[丨石石氩2冗(″儿)丶-〈二y:|‘瓤:Hri|uU少肝洲_/l____`___-'_/_`●_~|_]il___延迟后r疒_+厂,⌒L追V大/C.112.雷达手册(第三版)因为这些要求及平台运动频谱的宽度,使参差PRF系统首先必须根据保持阻带来进行选择,而不是根据使通带变平来选择.同样,高阶延迟滤波器(有反馈或无反馈)也是根据阻带抑制度来综合的.极限情况是