機場場面監視雷達反雜波性能分析?

沈 杰,晏 勇

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230088;2.民航西南空管局，四川成都610202)

0 引言

機場場面監視雷達對目標的監視不需要被監視目標的合作，具備全天時全天候監視的能力，是提升機場運行效率，保證交通引導安全的重要設備。然而作為一次雷達與其他機場場面監視技術(二次雷達、ADS-B、多點定位等)相比其缺點也是顯而易見的:雷達波束照射范圍內的無用回波影響目標的檢測，因此機場場面監視雷達必須進行反雜波設計[1-2]。

1 主要功能

根據國際民航組織規定，機場場面監視雷達應具有檢測機場活動區域(跑道和滑行道)運動、靜止目標的能力，還需具有一定的非活動區域(如停機坪、維修區等)目標監視能力，具有一定的目標識別能力，能夠提供超過1 Hz的數據率，能夠快速、可靠、精確地探測到機場場面上飛機和機動車輛的運動狀況。具體功能包括:

(1)幫助管制員及時清晰地了解場面上靜止和運動的飛行器及車輛的位置、動態;

(2)雷達信息可用于對交叉口的飛行器/車輛發布指令避免交通沖突和擁堵，并為飛行器選擇合理路線，并可用于判斷跑道是否被占用;

(3)必要時為飛行器、救援車輛等提供緊急狀況下的導航信息[3]。

2 主要雜波

從機場場面監視雷達功能看，其監視區域為整個機場場面區域，該區域內除飛機、汽車等我們關心的目標還存在來自機場場面區域內跑道、滑行道、停機坪、草地、環場路等的反射回波和氣象回波[4]。

下面以一種Ku波段機場場面監視雷達為例對機場場面監視雷達的主要雜波加以分析，該雷達主要指標如表1所示。

表1 一種機場場面監視雷達的主要指標

(1)地雜波強度分析

機場區域內跑道、滑行道、停機坪、草地、環場路等的后向反射回波統稱為地雜波，可用雷達照射面積內所有離散目標的總散射截面積σc表示:

式中，σ0和γ都是表面散射率，是與雷達無關的參數，兩者主要區別在于采用的雷達照射面積S不同，前一個S為雷達波束(照射立體角Ω)在R處的截面積，后一個S為雷達波束在R處的截面積在地面的投影面積，故σ0=γ×sinθ。從雷達手冊查得混凝土路面γ最大值為-30 dB，草地最大值為-15 dB[5]，而有資料認為機場活動區域跑道、滑行道、停機坪表面比普通混凝土路面更光滑，其γ值在-55 dB左右[6]。

擦地角θ為

式中，Re表示地球等效半徑，取8 493 km;ha和R分別為雷達架設高度和目標的距離，取值范圍見表1。

S是雷達波束(照射立體角Ω)在地面的投影面積，在擦地角θ較小的條件下，S=ΔR×secθ×Δφ×R，具體幾何關系如圖1所示。ΔR和Δφ表示距離和方位分辨單元，取值見表1。

圖1 雷達照射面積示意圖

對σs=2m2的目標，按混凝土路面γ最大值為-30 dB，草地最大值為-15 dB計算雜信比σc/σs，結果如圖2所示。

圖2 地雜波強度曲線

不考慮建筑物，機場區域內草地反射強度最大，σc/σsmax=-18.5 d B。

(2)雨雜波的強度分析

氣象對雷達的影響主要表現在兩個方面，一是電磁波穿過氣象區域產生的衰減，二是氣象顆粒對電磁波散射產生的氣象雜波。由于霧顆粒尺寸遠小于雨滴尺寸，其散射面積遠小于雨的散射面積，故存在于機場場面監視雷達監視區域的氣象雜波主要來自雨，下面重點分析雨雜波。

雨雜波為體雜波，在雷達的分辨單元中，有許多雨滴，設第i個雨滴的雷達散射面積為σi。那么，雷達分辨單元內的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

式中，Vc為雷達同時照射的體積，且

式中，T為環境溫度，取290°;f是以GHz為單位的雷達頻率，f取16 GHz;r是以mm/h為單位的降雨率，r取最大值16 mm/h。計算得ηmax=-27.95 dB(有資料η=-43 d B[4])。

對σs=2 m2的目標，雜信比σc/σsmax計算結果為4.48 dB。

3 反雜波措施

雷達威力一般以自由空間探測距離衡量，是在接收機熱噪聲和外界自然現象產生的噪聲背景下處理目標，不考慮來自外部的干擾和雜波。

在雜波背景下，探測距離較自由空間的下降，可按下式計算:

當輸出雜噪比為0 dB時，威力下降到自由空間的84%，當輸出雜噪比為-6 dB時，威力下降到自由空間的94%。一般而言在工程上，以雜噪比低于-6 dB作為可以基本忽略該雜波對探測威力影響的上限。

即雷達回波的信號雜波比滿足:

對本雷達當Pfa=10-6，Pd=0.9，采用頻率分集后，目標類型為SwerlingⅡ 型起伏目標，n=5時，S/N=9.36 dB[7]。

雷達反雜波設計就是通過對雷達信號形式、天線、接收機和信號處理的設計降低雜噪比，主要有兩個途徑:一是減小σc本身;二是根據有用目標和雜波的不同特性通過處理濾除雜波。

(1)地雜波

機場場面監視雷達作用距離遠小于地球等效半徑，對擦地角有sinθ≈ha/R，則σc=γ×sinθ×S≈γ×ha×ΔR×Δφ×secθ。

可見，γ越大雜波散射面積越大，架設越高雜波散射面積越大，雷達分辨面積越大雜波散射面積越大，另外當θ較小時，地雜波散射面積與距離無顯性關系，隨距離的變化不明顯。

γ由雷達照射面積內不規則表面的散射決定的，國外實驗數據表明，雷達工作頻率越低，同一表面的視在不平度越低，后向散射分量越少，即雷達工作頻率越低γ越小。

架設越高地雜波越強。因此，在滿足無遮擋的條件下，應盡量降低機場場面監視雷達架設高度。

另外，選擇高分辨率的設計也可以減小地雜波強度。

本雷達地雜波σc/σsmax=-18.5 dB≤-15.36 dB，即地物雜波(滑行道、草地等)對雷達檢測的影響可以忽略。

(2)雨雜波

根據公式

可見，η越大雜波散射面積越大，距離越大雜波散射面積越大，雷達分辨面積和垂直波束的乘積越大雜波散射面積越大。

η為單位體積內雷達散射面積。由雨的直徑統計分布和雨的介電系數確定。顯然η與雷達工作頻率的四次方成正比，隨著雷達工作頻率升高，在雨衰和雨雜波的共同作用下，雷達作用距離急劇下降。

由于雨雜波散射面積和距離的平方成正比，隨距離增大雜噪比對雷達威力限制越來越大。

本雷達對雨雜波所需的改善因子:

即對雨雜波的對消比大于19.84 dB時，目標檢測時才能不考慮雨雜波的影響。

普通雷達關心的目標是高速運動目標，可采用MTI、MTD濾波器將靜止的和低速的雜波濾除，由于機場場面監視雷達典型目標速度在0～125 m/s之間，而雜波fd值也在這個范圍內，濾波器使用受限。

由電磁波傳播理論，入射到圓形散射物上的圓極化入射波將以相反旋向的圓極化波的形式被反射，從而被原來輻射它的天線抑制。另一方面，當圓極化波入射到一個不對稱目標，如在飛機上時，發射的能量基本是在兩個極化旋轉方向上平均分配的。采用圓極化，由于非對稱目標反射的一半能量與發射的圓極化旋向相同，球形雨滴的圓極化回波是相反的極化方向，從而抑制雨雜波對目標的干擾，提高系統的信雜比，圓極化對雨雜波的抑制在17 dB左右[8]。

另外，對氣象雜波這類慢起伏雜波，由于其時間和空間上的相關性較強，采用頻率分集可以對氣象雜波去相關，降低雜波起伏，使其分布更接近瑞利分布，這對場面監視雷達這種要求高發現概率的雷達尤為有利，本方案采用雙頻率分集方案，理論上可以得到和目標一樣4 dB的得益，且該得益與目標去相關得益是獨立起作用的。

采用了圓極化、頻率分集后對雨雜波的對消比為21.0 d B，超過要求的改善因子19.84 d B，理論上可以消除雨雜波對雷達檢測的影響，但實際雜波環境是極其復雜的，如在下雨條件下地面積水使地面反射率增大、反射回波的多路徑導致回波旋向多次改變而使極化得益失效等，可能造成雜波剩余，設計AMTI濾波器在強雜波條件下選用，該濾波器可以自動估計雜波的fd值，并且自適應的移動濾波器的凹口對準該fd值，從而濾除雜波，顯著降低虛警，改善畫面質量，但AMTI模式只適用于全相參體制的雷達，且會抑制與雜波相同fd的目標。

4 結束語

由于機場場面區域內跑道、滑行道、停機坪、環場路等都屬于比較光滑的區域，后向散射率較低，且機場場面監視雷達分辨率要求較高，分辨單元面積一般較小，只要設計得當，地雜波對目標檢測的影響可以忽略。

雖然與光學和紅外傳感器相比雷達受到氣象的影響較小，但為了利用較小的天線獲得高的方位分辨率，機場場面監視雷達一般工作于很高的微波頻率，此時氣象也會大大降低雷達性能，這也是早期工作于毫米波的機場場面監視雷達沒有得到廣泛應用的主要原因。隨著大尺寸高速天線設計等技術相繼成熟，真正得到廣泛應用的是Ku、X波段機場場面監視雷達。其中X波段機場場面監視雷達以價格便宜、反雜波性能好成為國內機場場面監視雷達主流。隨著固態發射技術、計算機技術和組網技術的發展，為獲得高的方位分辨率、低的生命周期成本和更好更方便的機場區域覆蓋，機場場面監視雷達開始朝更高工作頻率、固態、小型化、組網的方向發展。

從國外典型的機場場面監視雷達來看，圓極化、頻率分集(或頻率捷變)是對付氣象雜波的主要手段，考慮到現階段機場場面監視雷達已經不是獨立起作用，而是作為A-AMGCS的主要組成部分，能夠整合各類傳感器數據互為補充，部分相參體制的機場場面監視雷達采用信號處理技術(AMTI等)降低虛警率[9]。

[1]楊琳.美國FAA對機場安全的監管措施[J].中國民用航空，2012(10):26-30.

[2]危力青.空管監視系統展望[J].科學之友，2013(3):144-145.

[3]GALATI G，NALDI M，FERRI M.Airport Surface Surveillance with a Network of Miniradars[J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic System，1999，35(1):331-338.

[4]沈慧芳，賴宏慧.雷達相關雜波的建模與仿真研究[J].雷達科學與技術，2009，7(6):447-451.SHEN Hui-fang，LAI Hong-hui.Research on Modeling and Simulation of Radar Coherent Clutter[J].Radar Science and Technology，2009，7(6):447-451.(in Chinese)

[5]SKONIK M I.雷達手冊[M].謝卓，譯.北京:國防工業出版社，1978:2-57.

[6]PERL E.Review of Airport Surface Movement Radar Technology[C]∥2006 IEEE Conference on Radar，[s.l.]:[s.n.]，2006:692-695.

[7]BARTON D K.雷達系統分析與建模[M].南京電子技術研究所，譯.北京:電子工業出版社，2007:47-79.

[8]BROWN A K.A Review of Radar as a Sensor for Advanced Surface Movement Guidance and Control System(A-SMGCS)[C]∥IEE Aviation Surveillance Systems，London，UK:[s.n.]，2002.

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