機載相控陣雷達戰術性能飛行檢驗的相關理論

邢志川 李淑華

(海軍航空工程學院青島校區 青島 266041)

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機載相控陣雷達戰術性能飛行檢驗的相關理論

邢志川 李淑華

(海軍航空工程學院青島校區 青島 266041)

介紹了機載相控陣雷達的主要工作方式,分析了機載相控陣雷達戰術性能飛行驗證的參數,討論了機載相控陣雷達戰術性能飛行檢驗的統計科目和統計方法,對機載相控陣雷達戰術性能飛行檢驗中的數據處理進行了簡要的探討,為飛行試驗方案的設計和相關標準的建立打下基礎。

相控陣; 戰術性能; 飛行檢驗

Class Number TN95

1 引言

由于采用了固態有源自適應相控陣天線技術和自適應時空二維信息處理技術,相控陣雷達由于其原理性的特點相對于其他傳統體制的雷達具有一定的優勢。同時,機載雷達作為需要被攜帶在飛機上的雷達,其體積和功能有一定的限制。那么,傳統的機載雷達的飛行檢驗方法對于機載相控陣雷達來說,不能完全的適用。研究科學合理的檢飛方法對于相控陣雷達的研制和裝備來說至關重要。本文將從戰術性能參數、相控陣雷達工作方式、飛行檢驗方法、數據處理分析等角度出發探討機載相控陣雷達的戰術性能飛行檢驗的相關理論,為飛行試驗方案的設計和更進一步的研究打下基礎。

2 機載相控陣雷達戰術性能飛行驗證的參數

任何一部雷達都有其一定的技術參數,這些技術參數直接影響著雷達的戰術性能,比如雷達接收機的靈敏度,雷達的距離分辨力,角度分辨力以及天線增益與雷達工作波長有關,在發現概率相同的情況下,隨著脈沖積累數的增加,作用距離也會增大,此外,脈沖重復頻率越高,天線掃描引起的背景起伏越小,抗干擾的能力越強。而分析技術參數得到的戰術性能與雷達在實際戰情下的戰術性能作對比分析是機載相控陣雷達的飛行檢驗過程的重要內容之一,因此,有必要從飛行檢驗的角度對雷達的主要戰術性能進行簡單的探討。

1) 作用距離

可分為最大作用距離和最小作用距離,可由雷達方程直接得出,但是對于飛行檢驗的目的而言,需要設定一定的實體目標,分析機載雷達對這些實體目標的探測距離統計分布。這里的實體目標不僅包括突防的真實目標,如飛機和彈頭等,也包括其他的實體裝置,如干擾裝置和其他無源誘餌艙等。同時,相控陣雷達波束掃描的快速性與信號能量分配的靈活性使得雷達作用距離可以在相當程度上調整,且搜索狀態下和跟蹤狀態下的作用距離也不相同,由此可安排多架次的飛行試驗,全面地檢驗這一型號的機載相控陣雷達在不同工作方式情況下探測不同目標的能力。

2) 測量精度

是與雷達接收機在噪聲背景中進行測量時所能達到的、潛在的最小測量誤差相對應的,通常可分為雷達對目標距離的測量精度和雷達對目標角度的測量角度,簡稱為測距精度和測角精度,測距精度決定于信號的瞬時帶寬及信噪比,測角精度決定于天線波束寬度及信噪比。天線波束越窄,雷達測量精度越高,從提高數據率、提高測角精度和從抗角度欺騙干擾能力考慮,多數的機載相控陣雷達采用單脈沖的測角方法,即通過形成兩個天線方向圖,對它們所收到的回波信號的幅度或相位進行比較,再通過內插法來確定目標偏離中心位置的角度。此外,相控陣雷達還可以設置對重點目標的測角工作模式,通過對在重點目標方向上增加天線波束駐留時間,即增加觀測次數以及減小波束躍變,實現同軸跟蹤等來提高測角精度。

3) 分辨力

可分為角度分辨力、距離分辨力、橫向距離分辨力和速度分辨力。雷達的空間分辨力決定于雷達天線波束在方位與仰角上的半功率點寬度,波束寬度選擇除了角度分辨力的考慮外,往往更多地決定于獲得更高天線增益、更高測角角度的要求,由于相控陣天線具有波束形狀捷變能力,因此角分辨力也可根據需要適當加以調整。相控陣雷達的距離分辨力與機掃雷達一樣,決定于采用的信號瞬時帶寬,相控陣雷達有多種工作模式,在不同工作模式下,由于信號波形的不同,因而距離分辨力也不同。在采用瞬時寬帶信號的前提下,可以利用目標自身的旋轉或目標圍繞雷達視線的旋轉產生的目標上各散射點的多普勒頻移差,獲得目標的橫向距離分辨力。

4) 數據率

數據率定義為雷達對威力范圍內的目標提供一次信息所需時間的倒數,是相控陣雷達的一個重要戰術指標。由于相控陣雷達既要完成搜索,又要實現多目標跟蹤,因此需要區分搜索數據和跟蹤數據率,它們分別是搜索間隔時間與跟蹤間隔時間的倒數。由于相控陣雷達需要搜索的區域可以按重要性等區分為多個搜索區,例如,重點搜索區、非重點搜索區,因而可以在不同的搜索區分配不同的搜索時間,總的搜索時間是在各個搜索區域所花費的時間之和。此外,在搜索過程中還要不斷加上跟蹤所需要的時間,這將導致對同一空域進行搜索的間隔時間加長,因而導致搜索數據率的降低。在多目標跟蹤情況下,按目標重要性或其威脅度可以有不同的跟蹤采樣間隔時間。這些情況使得數據率這一指標在相控陣雷達信號資源分配和工作方式安排中成為一個重要的控制參數。

5) 抗干擾能力

雷達通常在各種自然干擾和人為干擾的條件下工作,其中主要是敵方施放的干擾,包括無源干擾和有源干擾。這些干擾最終作用于雷達終端設備,嚴重時可能使雷達失去工作能力。相控陣雷達在抗干擾能力上有更大的潛力,這些潛力的發揮有賴于相關工作方式的合理安排。

6) 處理多批目標的能力

相控陣雷達的一個特點是具有實時跟蹤多個空間目標的能力。當雷達在搜索狀態下發現目標,作出目標存在的報告后,必須對其進行確認、截獲,然后轉入跟蹤狀態,在對已截獲的目標進行跟蹤的同時,繼續在搜索空域內進行搜索,以期發現新的目標。相控陣雷達處理多批目標的能力,可以實現觀察、監視目標空域中可能存在的多批目標,并且在受到敵方無源干擾與有源干擾的對抗情況下,為保持一定的檢測和工作能力,可以有效針對增加的虛假目標。

3 機載相控陣雷達的工作方式

上文介紹了機載相控陣雷達的主要戰術性能參數,在討論機載相控陣雷達戰術性能飛行檢驗方法之前,有必要對相控陣雷達的工作方式進行簡要的介紹。

1) 搜索工作方式

相控陣雷達的搜索工作方式有:分區搜索與重點空域的搜索、同時對遠區及近區進行搜索、多波束同時搜索。

2) 跟蹤工作方式

相控陣雷達的跟蹤工作方式有:跟蹤加搜索工作方式(TAS)、邊跟蹤邊搜索工作方式(TWS)。

3) 工作方式的能量管理

工作方式的能量管理有:按目標遠近及其目標反射面積大小進行信號能量管理、搜索與跟蹤狀態之間的信號能量分配、波束駐留數的選擇等。

4 機載相控陣雷達戰術性能飛行檢驗的統計科目和統計方法

飛行檢驗的目的是在地面模擬實驗的基礎上,進一步驗證雷達在空中環境中的各種性能參數,在機載相控陣雷達的檢飛過程中,需要檢驗載機不同飛行航跡、雷達不同工作方式、探測不同目標情況下的相控陣雷達的各種戰術性能,具體如下:

1) 作用距離檢飛

統計科目:邊搜索邊跟蹤方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離;跟蹤加搜索方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離;分區搜索方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離;增程方式下上視迎頭探測距離、上視迎頭跟蹤距離、上視尾追探測距離、上視尾追跟蹤距離、下視迎頭探測距離、下視迎頭跟蹤距離、下視尾追探測距離、下視尾追跟蹤距離。空/地狀態下的檢飛內容邊搜索邊跟蹤方式下的探測距離和跟蹤距離;搜索加跟蹤方式下的探測距離和跟蹤距離。

統計方法:統計試驗總次數,統計每次探測到目標的作用距離,建立直方圖,然后通過計算得到相應的統計量,包括均值、標準差和置信區間等。在計算置信區間時,需要設定一定的顯著性水平?,由此,要對試驗樣本進行分布擬合檢驗,在大樣本條件下,可以事先假設發現目標距離的統計分布服從非零均值的正態分布。

2) 測量精度檢飛

統計科目:空-空狀態下的單目標跟蹤時的測距精度、空-空狀態下的單目標跟蹤時的測角精度、空-空狀態下的單目標跟蹤時的測速精度、空-空狀態下的多目標跟蹤時的測速精度、空-空狀態下的多目標跟蹤時的跟蹤精度、空-空狀態下的多目標跟蹤時的測距精度、空-地狀態下的測距精度。

統計方法:利用真值測量設備和被試雷達同時、同步對目標進行測量,對所得的測量數據進行比較,統計和計算出雷達的精度,而統計和計算是針對測量誤差進行的,雷達測量誤差服從正態分布,因此,按正態分布的隨機變量來確定檢飛的技術參數,并按計算平穩隨機函數指標的方法計算測量精度。

3) 分辨率檢飛

統計科目:空-空狀態下的角分辨力、空-空狀態下的距離分辨力、空-空狀態下的速度分辨力、空-地狀態下的角分辨力、空-地狀態下的距離分辨力、空-地狀態下的速度分辨力。

統計方法:根據驗證科目設定一定的航線,分析處理獲得的GPS信息、雷達視頻記錄儀記錄的數據以及數據采集記錄系統記錄的目標信息,計算出空中目標的距離分辨力、角度分辨力。

4) 抗干擾能力檢飛

統計科目:搜索階段,發現目標的距離統計分布、多個距離點外成功發現目標的比率、目標檢測概率和距離的關系曲線;截獲階段的目標截獲時間;跟蹤階段,對目標建立粗跟的距離統計分布、成功建立粗跟的比率、對目標建立精跟的比率、對目標建立精跟的距離統計分布、成功建立精跟的比率、信噪比和距離的關系曲線、指定距離段內跟蹤精度、不丟失目標的最遠距離;失蹤和再截獲階段,目標發生失蹤的概率、發生失蹤后重新獲取的比率。

統計方法:給機載相控陣雷達設定不同的干擾樣式,在數理統計的基礎上,統計雷達在探測目標信息不同階段時的各種指標參數,檢驗雷達的抗干擾能力。

5 機載相控陣雷達戰術性能飛行檢驗中的數據處理

在機載相控陣戰術性能檢飛過程中,為更好地分析試驗得到各種性能參數,需要對統計的數據進行一定的處理。

1) 誤差分析

檢飛過程中,不可避免地會存在誤差。雷達畫面信息顯示和真實測量設備的采樣間隔的不同,載機和目標的相對運動導致存在相對運動誤差;數據處理中,涉及到地理坐標系、空間直角坐標系、高斯平面直角坐標系等不同坐標系的轉換,由于采用的轉換模型和修正算法存在差異,導致存在坐標轉換誤差;在進行人工判別時,存在判讀誤差;雷達數據處理會存在一定的延遲,導致存在延遲誤差。這些誤差,可以通過對試驗數據的梳理和數理統計加以分析。

2) 抗干擾效果的評估

對于相控陣雷達抗干擾評估問題的研究,和其他評估問題一樣,遵循一定的步驟。首先分析評估對象及其所處的環境,其次建立評估指標體系,然后選取合適的評估方法,最后驗證與分析評估結果,從而形成綜合模型。目前,抗干擾能力的評估方法有很多,發展的趨勢是從人工賦權的主觀評估到主客觀相結合的評估方法,從目前較為宏觀的綜合評估逐步發展到對每一評估指標都進行深入的微觀分析,國內外普遍的做法是對這些過程進行分布式地建模與仿真。

6 結語

目前,隨著機載相控陣雷達技術的發展,越來越多的新型飛機上將裝備相控陣雷達,迫切地需要對相控陣雷達這一新型雷達的飛行檢驗過程建立國家軍用標準。本文從不同角度探討了機載相控陣雷達戰術性能檢飛過程中的相關問題,對這一過程中相關標準的建立有一定的參考價值。

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Airborne Phased Array Radar Tactical Performance Flight Test

XING Zhichuan LI Shuhua

(Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041)

The paper introduces the main working mode of airborne phased array radar, analyses airborne phased array radar’s tactics performance flight test parameters, discusses the airborne phased array radar’s tactical performance statistical accounts of the flight testing and statistical methods, makes a brief discussion on tactical performance flight test for airborne phased array radar data processing and lays a foundation for the flight test programme related to the design and establishment.

phased array, tactics performance, flight test

2015年1月3日,

2015年2月28日 作者簡介:邢志川,男,碩士,工程師,研究方向:軍用飛行器天線設計。李淑華,男,碩士,教授,研究方向:軍用飛行器天線設計。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.002