SMR系統設計中的頻率分析*

王金峰

(華東電子工程研究所，安徽 合肥230088)

機場場面監視雷達 SMR(Surface Movement Radar)是一種主動式微波監視設備，系統對機場場面目標的監視不需要與監視目標合作，是一種重要的非合作目標監視設備。同時，雷達的工作性能不受外部光照的影響，具備全天時監視的能力；基于電磁波具有的云、雨、霧等介質穿透能力，而具備全天候監視的能力[1-3]。因此，SMR既可作為全天時、全天候的機場場面監視手段單獨使用，獲得機場場面的高更新頻率動/靜目標實時場景畫面，也可將所監視到的信息與ADS-B、二次雷達、MLAT等獲得的合作目標監視信息進行系統綜合。基于以上特性，SMR不僅在機場場面導航與控制系統(SMGCS)中得到了廣泛的應用，也是先進機場場面導航與控制系統(A-SMGCS)的重要組成部分[4]。

由于機場場面上運行繁忙，飛行器和車輛多且距離較近，因此，SMR不僅要求具有較高的距離分辨率(≤6 m)，還要求具有很小的方位向波束寬度(≤0.35°)，進而獲得區分臨近目標的能力。同時，為了獲得場面上的實時態勢，SMR的刷新頻率一般為1 Hz，即天線需要1 s轉一圈。另一方面，作為低能見度氣象條件下機場場面監視的重要傳感器，SMR的系統設計必須考慮氣象因素的影響。SMR系統設計的參數指標如表1所示。

表1 SMR系統設計參數

在雷達系統設計中波段的選擇不僅決定了雷達系統的性能，也決定了系統的實現方式及所需的關鍵技術。本文針對SMR系統的特點，從天線尺寸、系統損耗、雨衰及雨雜波等方面對SMR系統波段進行了分析。

1 系統頻率分析

SMR是一部高分辨率、全天時、全天候實時監視的機場場面監視設備。系統工作頻率的選擇不僅需要考慮系統設計的內部因素(如發射機功率、天線長度等)，還需要注重外部環境（如雨衰、雨雜波等）的影響。

1.1 天線

由于機場內飛行器、車輛密度較大，為了避免機場場面上飛行器、車輛的碰撞，保障機場運行的安全及運行效率，需要對場面上的物體進行精確定位。對于SMR就要求其具有較高的方位向分辨率，以增加雷達系統對目標的方位向分辨能力。由天線理論可知，水平向波束寬度與天線長度的關系可表示為：

其中，θ為水平向波束角(單位：rad)，C為電磁波的傳播速度，f為雷達系統的工作頻率，D為天線的水平向長度，k為不同波束形狀時的主瓣展寬因子。不同工作頻率時，場面監視雷達系統實現0.33°水平向波束寬度所需的天線長度如圖1所示，由圖可見，隨著雷達工作頻率的增加，需要的天線也就越短。當工作頻率為16 GHz(Ku波段)時，系統需要 4.1 m的天線；而 9 GHz(X波段)時，系統的天線長度需要達到7.023 m。

圖1 頻率與天線長度曲線

另一方面，由于SMR需要實時監視場面上的態勢，最低要求更新率為1 Hz，即需要天線的轉速最小為60轉/min。高轉速下天線尺寸越大形變量越難控制，抗風能力越差。

因此，頻率越高，SMR系統天線的設計和加工難度越小，同時對天線伺服系統的要求越小，易于天線與伺服系統的設計和成本控制。

1.2 雨衰

降雨對電磁波的衰減源于雨滴對電磁能量的吸收和散射。一般系統設計中可根據國際電信聯盟無線電通信部(ITU-R)給出的雨衰模型進行計算。由于SMR的工作距離一般較小 (＜10 km)，降雨分布可假設為均勻分布，則雙程雷達回波的雨衰損耗可表示為：

γR=2Krα(2)其中，r為降雨量(mm/h)，K和α為雨衰的統計特性估計。由于采用圓極化電磁波時，不對稱散射體(如飛機、車輛等)的回波與圓形對稱散射體(如雨滴等)的回波不同，有利于降雨條件下的目標檢測。因此，在SMR中一般采用圓極化電磁波。此時，K和α可表示為：

根據ITU-R P383-3建議書給出的不同頻率時的雨衰系數(如表 2所示)，對不同降雨量、不同工作頻率時的雨衰進行計算，計算結果如圖2所示。由圖可見，當降雨量為16 mm/h、工作頻率為16 GHz時，系統每公里雨衰比9 GHz時強1.69 dB，需要更多的工作功率來彌補雨衰的影響。可見，系統的工作頻率越高，場面監視雷達系統設計中需要的工作功率遠大于系統晴天時工作所需的工作功率。因此，SMR系統設計中選擇較小的工作頻率有利于降低系統的發射功率，降低成本和提高可靠性。

表2 ITU-R P838-3給出的參數表

圖2 頻率與雨衰率變化曲線

1.3 雨雜波

雷達比光學或紅外傳感器不容易受到氣象的影響，但當雷達工作于高微波頻率時，氣象也會大大降低其性能。其中，遮擋有用目標的降水引起的后向散射雜波是主要的問題之一。

1.3.1雜波中的目標檢測

由信號檢測理論可知，對于雜波中的目標檢測，要從雷達回波中實現目標的檢測。目標的雷達散射面積σt與雜波的目標散射面積σc之比滿足：

其中，SCRmin為目標檢測的最低信雜比。因此，在目標散射面積一定的情況下，雜波σc越小，雷達的檢測性能也就越好。

1.3.2雨雜波的目標散射面積

在雷達分辨單元中，設第i個雨滴的雷達散射面積為σi。那么，雷達分辨單元內雨的雷達散射面積等于所有雨滴的散射面積之和，可表示為：

其中，vc為雷達分辨單元的體積，η為單位體積的雷達散射面積。對于確定的系統設計指標，雷達分辨單元的體積已定。因此，影響SMR雨雜波的因素僅取決于η。

由雨的直徑統計分布和雨的介電系數，氣象學家和雷達工程學家給出了單位體積雨的雷達后向散射系數與波長和降雨率的函數關系：

其中，T為溫度，f是以 GHz為單位的雷達頻率，r是以mm/h為單位的降雨率。該式表明雨雜波的強度與雷達工作頻率的四次方成正比關系。對不同降雨率、不同雷達工作頻率計算得到的單位體積內的雨雜波強度曲面如圖3所示。

圖3 單位體積內雨的雷達雜波強度

由圖3可見，隨著頻率由8 GHz增加到 18 GHz，雨雜波的強度不斷增強。由9 GHz(X波段)和16 GHz(Ku波段)的截面對比(如圖4所示)可見，當降雨量為 16 mm/h時，Ku波段(16 GHz)的單位體積雜波強度要比X波段(9 GHz)的強度強近 10 dB；X波段在16 mm/h的降雨條件下獲得的雷達檢測性能，當采用Ku波段時僅能用來應對4 mm/h的雨雜波。

另一方面，由于機場的地面多為硬化地面，降雨降落到地面后濺起的水花的統計分布與降雨的統計分布存在較大差異，因此，實際應用中Ku波段的雨雜波強度還會更強[2]。

由于頻率較高時的雜波較強，為了應對相同的降雨壞境，系統需要更復雜、更有效的雨雜波抑制方法，這也將增加系統的信號處理難度。

1.4 傳輸損耗

圖4 X波段與Ku波段雜波強度的對比

為了降低雷達視線上近距目標對遠距目標的遮擋效應，機場場面監視雷達的天線和伺服單元需要架高安裝。同時，為了便于系統的使用、維護和維修，場面監視雷達的微波發射/接收、數字處理等單元要安裝于電子設備室。發射/接收單元通過波導與天線相連，實現微波的輻射與接收。

電磁波沿波導傳播時，波導金屬壁的熱損耗和波導內填充的介質損耗必然引起能量或功率的遞減，且頻率越高，波導的衰減也越強。表3為標準矩形波導的波導傳輸損耗，實際損耗值遠大于表中的數值。根據表3的數值，可估算得到30 m塔臺高度時、9 GHz頻率條件下的損耗約為9.6 dB，16 GHz頻率時的損耗約為18 dB。

表3 波導損耗表

2 SMR系統設計

通過對天線、雨衰、雨雜波和傳輸損耗的分析，結合國際電信聯盟規定的雷達系統工作范圍，SMR系統的設計選擇9 GHz(X波段)為其工作頻率，針對表 1中 SMR系統的設計指標，系統主要參數如表4所示。

表4 SMR系統設計參數

本文從天線尺寸、雨衰、雨雜波及傳輸損耗四個方面分析了SMR工作頻率對系統設計的影響。由于SMR工作于低頻率波段時的雨衰較小，不必為降雨環境設計更強的發射功率，且雨雜波較弱，有利于目標的檢測，不容易出現漏警和虛警。另外，低頻率波段時SMR的傳輸損耗較小，發射/接收單元不必緊靠天線，可以采取更靈活的安裝方式。最后根據頻率分析的結果，給出了X波段SMR系統設計的主要參數。

[1]SKOLNIK M L.雷達系統導論[M].王德純，譯.北京：電子工業出版社，2010：4-12.

[2]金文.場面監視雷達的應用與發展[J].中國民用航空，2011，129(9)：48-50.

[3]李斌，張冠杰.場面監視雷達技術發展綜述[J].火控雷達技術，2010，29(2)：1-7.

[4]徐志城.機場場面監視雷達在空中交通管理環境中的作用及選擇[J].民航經濟與技術，1997，23(3)：59-60.