機(jī)載雙基地雷達(dá)雜波調(diào)諧試飛技術(shù)研究

陳安 于天超 陳翱

摘 要：文章基于機(jī)載雙基地雷達(dá)空間位置關(guān)系，分析了對應(yīng)的雷達(dá)回波信號和多普勒譜的展寬度特性，并提出了在飛行試驗(yàn)中如何利用航線和速度的調(diào)整進(jìn)而控制地面散射雜波因天線波束寬度而引起的多普勒頻譜的展寬，實(shí)現(xiàn)對地面慢速目標(biāo)進(jìn)行有效檢測。

關(guān)鍵詞：機(jī)載雙基地雷達(dá)；雜波調(diào)諧技術(shù)；慢速目標(biāo)檢測

引言

雙基地雷達(dá)即“使用處于不同位置的天線進(jìn)行發(fā)射和接收的雷達(dá)”（1982年IEEE標(biāo)準(zhǔn)）。雙基地雷達(dá)是單基地雷達(dá)的擴(kuò)展，單基地雷達(dá)是雙基地雷達(dá)的一種特例。通常，發(fā)/收共用天線或發(fā)/收天線相距不遠(yuǎn)的雷達(dá)稱為單基地雷達(dá)，而雙基地雷達(dá)的發(fā)射和接收天線是遠(yuǎn)距離分置的，因此在許多方面與單基地雷達(dá)相比較有其自身特殊性。

機(jī)載雙基雷達(dá)一般采用遠(yuǎn)發(fā)近收的工作模式，即將發(fā)射機(jī)部署在遠(yuǎn)離戰(zhàn)場的后方區(qū)域，而將接收器安裝在無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV）上并部署于前線空域或敵方領(lǐng)空中。因此，機(jī)載雙基地雷達(dá)不僅擁有機(jī)載單基雷達(dá)的優(yōu)勢，如：寬廣的監(jiān)視范圍，良好的機(jī)動(dòng)性和規(guī)避地物遮擋的能力，還有利于提高雷達(dá)自身的生存能力及在目標(biāo)檢測方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

文章主要分析了機(jī)載雙基地雷達(dá)地雜波分布、信號回波的多普勒頻率和利用雜波調(diào)諧技術(shù)進(jìn)行地面散射雜波消除的試飛方法。

1 機(jī)載雙基地雷達(dá)的幾何關(guān)系和多普勒參數(shù)分析

在空載雙基地雷達(dá)中，發(fā)射站、接收站位于空中，地雜波的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面雙基地雷達(dá)的強(qiáng)度。此外，收發(fā)站均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，地雜波的多普勒頻率變得很復(fù)雜。收發(fā)主波束覆蓋的距離單元上的多普勒頻率將展寬、地面或低空目標(biāo)淹沒在雜波中。

典型的機(jī)載雙基地雷達(dá)場景的幾何配置關(guān)系如圖1所示，它給出了收、發(fā)天線相位中心與雜波散射體之間的幾何關(guān)系。為了推導(dǎo)空載雙基地雷達(dá)的多普勒頻率，我們選取圖1的坐標(biāo)系。XY平面為地平面，接收站位于坐標(biāo)原點(diǎn)，基線位于X軸上。Y軸為指北坐標(biāo)系的北方向，目標(biāo)T至接收站和發(fā)射站的距離與指北坐標(biāo)系的夾角分別為Rr、Rt、？茲r、？茲t，Rr、Rt在XY平面投影長及與YX平面的夾角分別為R'r、R't、？準(zhǔn)r、？準(zhǔn)t。我們可以認(rèn)為接收站、發(fā)射站和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向平行于YX 平面，運(yùn)動(dòng)速度大小以及與Y軸的夾角分別為vr、vt、vT、？啄r、？啄t、？啄T。接收站、發(fā)射站的飛行高度為hr、ht。雙基地雷達(dá)中，只有在等距離和橢圓上的目標(biāo)才能位于同一距離單元。

圖1 機(jī)載雙基地雷達(dá)空間幾何示意圖

假定雷達(dá)回波的總路徑長為S，則雷達(dá)檢測的多普勒頻移將是路徑的時(shí)間變化率與發(fā)射波長之比。

（1）

如假設(shè)接收站、發(fā)射站和目標(biāo)到坐標(biāo)原點(diǎn)的矢量為rr、rt、rT，目標(biāo)至接收站、目標(biāo)至發(fā)射站的單位矢量為UrT、UtT，則多普勒頻率fd為接收路徑和發(fā)射路徑變化率之和，將發(fā)射站、接收站與目標(biāo)連線矢量在視線方向上進(jìn)行分解可以得到其矢量表達(dá)式如（2）所示：

（2）

根據(jù)式（2），將對應(yīng)速度標(biāo)量在LOS方向上進(jìn)行分解后，可得出機(jī)載雙基地雷達(dá)對地面移動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率的標(biāo)量表達(dá)式：

（3）

由圖1可知，收發(fā)站的高度一般hr、ht為幾公里，與目標(biāo)到收發(fā)站的距離相比很小。在進(jìn)行低掠射角地雜波仿真時(shí)，hr/Rr、ht/Rt較小。此時(shí)cos？準(zhǔn)r≈1、cos？準(zhǔn)t≈1，所以收發(fā)站高度對空-地雙基地雷達(dá)的多普勒頻率的影響在實(shí)際情況中可以忽略不計(jì)。當(dāng)目標(biāo)為地雜波且不考慮地面的樹木、水面等的微小移動(dòng)時(shí)，地面的運(yùn)動(dòng)速度vT≈0，則式（3）簡化為：

（4）

2 機(jī)載雙基地雷達(dá)雜波調(diào)諧技術(shù)分析

在單基地機(jī)載雷達(dá)由于載機(jī)平臺運(yùn)動(dòng)對雷達(dá)天線口徑的影響可以分解成兩個(gè)分量：一個(gè)是口徑的法向（即徑向），另一個(gè)是與法線正交（即切向）。前者產(chǎn)生的雜波多普勒頻率中心的移動(dòng)，后者則會(huì)造成雜波譜的展寬，其本質(zhì)是由于雷達(dá)波束照射區(qū)域范圍內(nèi)，載機(jī)切向速度在非法線方向存在一定的速度分解分量。其中對于單基地機(jī)載雷達(dá)切向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻移為：

（5）

參考圖1的幾何關(guān)系，可推導(dǎo)出雙基機(jī)載雷達(dá)雜波展寬特性如下：

（6）

因此雙基機(jī)載雷達(dá)可以通過控制發(fā)射站和接收站平臺的速度和航向來控制地面散射雜波由于天線波束寬度而引起的多普勒頻譜的展寬。這一作用稱為“雜波調(diào)頻”。當(dāng)預(yù)警機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)要兼作SAR觀察地面目標(biāo)時(shí)，可以利用“雜波調(diào)諧”的技術(shù)調(diào)整發(fā)射站和接收站的航線和速度，使之對于地面觀察區(qū)的雜波多普勒頻展最小，此時(shí)該地區(qū)上慢速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)信號可不被地雜波頻譜所掩蔽，因而可以進(jìn)行有效檢測。

3 計(jì)算機(jī)仿真

采用計(jì)算機(jī)仿真的方法驗(yàn)證機(jī)載雙基地雷達(dá)雜波雜波調(diào)諧技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性，假設(shè)發(fā)射載機(jī)的速度為200米/秒，發(fā)射站和目標(biāo)之間距離為10公里，接收站距離目標(biāo)為5公里，圖2分別模擬了發(fā)射站航向與真北交角分別為0°、30°、60°、90°的情況下不同的接收站的速度、航向組合條件下多普勒頻率量的等高線圖。從圖中可以看出通過調(diào)節(jié)接收站的速度和航線可以控制地面散射雜波由于天線波束寬度而引起的多普勒頻譜的展寬，從而實(shí)現(xiàn)對地面慢速目標(biāo)的檢測。

4 結(jié)束語

當(dāng)機(jī)載雙基地雷達(dá)可以利用上述“雜波調(diào)諧”技術(shù)，在試飛過程中通過調(diào)整發(fā)射和接收載機(jī)的飛行航線和速度，使之對于地面觀察區(qū)的雜波多普勒譜的展寬最小，此時(shí)該雷達(dá)照射范圍內(nèi)的慢速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)可不被地雜波頻譜掩蔽因而可以進(jìn)行有效檢測，該特征在文章中也通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行了有效的驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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[3]王炎，吳曼青，等.空載雙基地雷達(dá)地雜波模擬[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2000（22）：3.

作者簡介：陳安（1979-），男，工程師，現(xiàn)從事機(jī)載雷達(dá)及電子戰(zhàn)試飛研究。

于天超（1984-），男，工程師，現(xiàn)從事機(jī)載雷達(dá)及電子戰(zhàn)試飛研究。

陳翱（1971-），男，高級工程師，現(xiàn)從事機(jī)載雷達(dá)及電子戰(zhàn)試飛研究。