搜索空情雷達(dá)加裝旁瓣匿影系統(tǒng)的設(shè)計

王昱輝 漆先虎

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

針對對空搜索雷達(dá)實(shí)施電子干擾是軍用飛機(jī)、彈道導(dǎo)彈等常用的突防手段[1]。由于搜索雷達(dá)天線波束寬度的典型值約為1～3°，所以雷達(dá)天線旁瓣寬度遠(yuǎn)大于主瓣寬度，且目標(biāo)回波與干擾信號的入射方向不一定相同，故大部分干擾信號從天線旁瓣進(jìn)入雷達(dá)中[2]。為了使得雷達(dá)不受旁瓣方向的低占空比干擾信號的影響而產(chǎn)生了旁瓣匿影系統(tǒng)。

1 旁瓣匿影的工作原理

雷達(dá)旁瓣匿影技術(shù)是一種用于抑制從雷達(dá)旁瓣進(jìn)來的假目標(biāo)等欺騙性干擾的技術(shù)。雷達(dá)旁瓣匿影系統(tǒng)的基本原理圖如圖1所示。系統(tǒng)除了雷達(dá)主天線和主通道之外，增加了一個參考天線和一個輔助通道。對參考天線的要求是其增益略大于雷達(dá)天線的任何旁瓣增益而遠(yuǎn)小于雷達(dá)天線主瓣增益，輔助通道一般與主通道相同[3]。基本工作原理是：在正常工作時，目標(biāo)反射信號從雷達(dá)天線主瓣進(jìn)入雷達(dá)，主通道輸出信號比輔助通道輸出信號大，比較器輸出為“1”，門限電路打開，雷達(dá)完成正常的檢測工作。當(dāng)干擾信號從雷達(dá)天線旁瓣進(jìn)入雷達(dá)時，輔助通道輸出信號大于主通道輸出信號，比較器輸出為“0”，門限電路關(guān)閉，起到旁瓣匿影效果。整個系統(tǒng)的設(shè)備量小，性價比高[4]。

圖1 旁瓣匿影系統(tǒng)基本原理圖

2 加裝旁瓣匿影設(shè)計

在原雷達(dá)系統(tǒng)大時寬脈沖壓縮、變頻等多種抗干擾體制或抗干擾手段的基礎(chǔ)上，基于目前的技術(shù)狀態(tài)和裝備硬件情況，增加搜索雷達(dá)旁瓣匿影抗干擾措施，提高雷達(dá)抗遠(yuǎn)程支援干擾的能力。在搜索天線上加裝參考天線及輔助接收機(jī)。參考回波經(jīng)信號處理機(jī)采樣處理，完成對目標(biāo)信號的校準(zhǔn)。搜索雷達(dá)信號處理機(jī)軟件進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，在門限檢測時增加參考通道(輔助通道)門限處理，完成旁瓣匿影[5-6]。搜索雷達(dá)增加旁瓣匿影處理功能后，為保證旁瓣目標(biāo)可靠匿影的同時，主瓣目標(biāo)檢測損失影響最低，旁瓣匿影參考天線增益略大于搜索天線最大旁瓣而遠(yuǎn)小于搜索天線主瓣，且輔助通道中設(shè)置可調(diào)節(jié)的檢測門限，與搜索雷達(dá)自身的檢測門限和恒虛警門限配合，可最大程度降低因旁瓣匿影處理所帶來的檢測損失，同時可更好保護(hù)搜索雷達(dá)主瓣弱小目標(biāo)的檢測，對原雷達(dá)性能影響較小。

加裝旁瓣匿影后，搜索雷達(dá)組成框圖如圖2所示。

其中，參考天線和輔助接收機(jī)為加裝設(shè)備，對搜索信號處理機(jī)進(jìn)行接口擴(kuò)展設(shè)計和軟件適應(yīng)性改進(jìn)。

2.1 參考天線設(shè)計

受原搜索雷達(dá)尺寸影響，新增的參考天線只能利用雷達(dá)搜索天線系統(tǒng)的剩余結(jié)構(gòu)空間合理放置，結(jié)構(gòu)布局成為影響參考天線設(shè)計的關(guān)鍵因素。原搜索雷達(dá)天線衰減器波導(dǎo)端面與天線罩之間存在一狹長區(qū)域可用于安裝參考天線，如圖3所示，參考天線可在該結(jié)構(gòu)尺寸條件下進(jìn)行最優(yōu)的電性能設(shè)計。

圖3 參考天線安裝區(qū)域

參考天線采用饋線直接耦合的多層微帶天線形式，其幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。水平極化，陣面由6個單元組成一維線陣，其中方位維1單元，俯仰維6單元，能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

圖4 饋線直接耦合多層微帶分層幾何結(jié)構(gòu)示意圖

參考天線采用鋁板作為背板固定天線，背板一側(cè)設(shè)計四個緊固塊，上面開有和搜索天線波導(dǎo)法蘭相同直徑的螺釘孔，這樣可以利用搜索天線原有的螺釘將參考天線背板進(jìn)行固定，既充分利用原有器材又能節(jié)省空間，保證了參考天線的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)安裝。

原搜索天線正常工作時，其天線陣面安裝基座采用了13.5°的上仰角度，參考天線受結(jié)構(gòu)安裝尺寸限制，采用與原搜索天線保持陣面平行安裝方式。為保證參考天線在水平0°～15°保持其法線指向?yàn)?.5°，參考天線通過改變不等相饋電實(shí)現(xiàn)電掃6°。經(jīng)過工程設(shè)計后，參考天線滿足系統(tǒng)需求。參考天線接口為一個SMA射頻接口，用于將接收的回波信號傳輸給輔助接收機(jī)。經(jīng)過設(shè)計與仿真，參考天線方位維方向圖與搜索天線方向圖相對關(guān)系對比圖如圖5所示[7-8]。

圖5 方位維參考天線與搜索天線方向圖相對關(guān)系

2.2 輔助接收機(jī)設(shè)計

輔助接收機(jī)主要用于搜索雷達(dá)進(jìn)行旁瓣匿影處理時，對參考天線回波信號進(jìn)行下變頻處理和線性放大，其設(shè)計采用成熟技術(shù)，電氣原理上與原搜索雷達(dá)收發(fā)模塊接收部分保持一致，對結(jié)構(gòu)和電氣接口進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，以滿足系統(tǒng)使用需求。

輔助接收機(jī)主要構(gòu)成為接收通道，包括低噪放、下變頻、中頻放大以及相關(guān)電源等電路，工作示意圖如圖6所示。

圖6 輔助接收機(jī)工作示意圖

輔助接收機(jī)以來自一分二功分器的一路信號作為本振信號，與從參考天線接收到的射頻信號一起進(jìn)入混頻器，下變頻后獲得的中頻信號經(jīng)濾波、三級放大、再濾波后輸出到搜索信號處理機(jī)進(jìn)行采樣處理。其工作原理框圖如圖7所示。

圖7 輔助接收機(jī)原理框圖

輔助接收機(jī)安裝于搜索雷達(dá)電子箱校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)16功分器背面空余空間處，既合理利用了空間，又不影響其它系統(tǒng)，其安裝位置與參考天線間距不足30cm，減小了射頻回波傳輸損耗。

輔助接收機(jī)電氣接口設(shè)計主要包括以下接口：

1)供電：DC 10v，九芯插座連接，由搜索前置功放模塊供電輸入提供；

2)本振信號輸入：來自一分二功分器，SMA同軸電纜連接，頻綜輸出本振經(jīng)一分二功分器后，一路連接到輔助接收機(jī)，另一路連接到前置功放模塊；

3)射頻信號輸入：來自參考天線，SMA同軸電纜連接；

4)中頻信號輸出：SMA同軸電纜連接，輸出到搜索信號處理機(jī)采樣處理板。

經(jīng)過工程設(shè)計后，輔助接收機(jī)的達(dá)到的主要技術(shù)參數(shù)滿足系統(tǒng)需求。

2.3 信號處理機(jī)改進(jìn)設(shè)計

搜索雷達(dá)信號處理機(jī)由3塊6UcPCI板卡構(gòu)成。一塊是全局控制板，主要完成對外通訊以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、控制等工作；一塊為定時接口板，用于產(chǎn)生所有的定時信號和對外通信接口，主要包括CPI、PRF、頻綜定時信號、波控機(jī)定時信號、與頻綜通信信號、與波控機(jī)通信信號；一塊采樣處理板，用來AD采樣、數(shù)字下變頻、數(shù)字波束形成、數(shù)字脈沖壓縮、MTD、CM、CFAR、旁瓣匿影、點(diǎn)跡凝聚、接收通道幅相校正、發(fā)射通道相位校正等處理，最后獲得目標(biāo)的檢測結(jié)果[9-11]。搜索雷達(dá)信號處理機(jī)組成原理框圖如圖8所示。

圖8 搜索雷達(dá)信號處理機(jī)組成原理框圖

對搜索雷達(dá)信號處理機(jī)采樣處理板進(jìn)行接口擴(kuò)展設(shè)計和軟件適應(yīng)性改進(jìn)。增加1路輔助接收機(jī)通道信號輸入接口，用于旁瓣匿影功能的處理。原采樣處理板采用了三片ADS5272具備共24路AD處理能力，實(shí)際板卡僅使用了17路數(shù)據(jù)的AD采樣，包括16路收發(fā)系統(tǒng)中頻回波和1路相位測試中頻采樣處理。改進(jìn)設(shè)計后，采樣處理板將使用端子代號為1131.07-XP03：3的接口作為輔助接收機(jī)AD采樣通道進(jìn)行接入。

采樣處理板軟件上繼承大部分原有功能模塊，針對搜索雷達(dá)增加輔助接收機(jī)通道信號輸入等進(jìn)行軟件適應(yīng)性改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：18路數(shù)據(jù)的AD采樣、數(shù)字下變頻(DDC)、數(shù)字波束形成(DBF)、數(shù)字脈沖壓縮(DPC)、動目標(biāo)檢測(MTD)、雜波圖(CM)、單元平均恒虛警(CFAR)、和差單脈沖測俯仰角、點(diǎn)跡凝聚、發(fā)射相位校正、接收通道幅相校正。功能框圖見圖9所示。

圖9 采樣處理板功能框圖

3 旁瓣匿影效果測試

在信號源輸出干擾信號條件下，首先關(guān)閉搜索雷達(dá)旁瓣匿影功能，在搜索空情終端PPI界面上觀察搜索雷達(dá)干擾點(diǎn)跡，通過調(diào)節(jié)信號源輸出幅度到合適數(shù)值，以使旁瓣方向(即信號源方向以外)存在大量干擾。通過搜索空情終端控制搜索雷達(dá)開啟旁瓣匿影抗干擾功能，并調(diào)節(jié)旁瓣匿影門限，在搜索空情終端界面上觀察到旁瓣方向的干擾點(diǎn)跡被抑制，且旁瓣匿影門限越高，抑制的干擾越多。雷達(dá)在關(guān)閉旁瓣匿影時檢測到的目標(biāo)，當(dāng)打開旁瓣匿影時也能檢測到。圖10為從搜索空情終端看到的干擾與匿影效果對照圖。

圖10 搜索空情終端看到的干擾與匿影效果對照圖

4 結(jié)束語

本文利用雷達(dá)搜索天線系統(tǒng)的剩余結(jié)構(gòu)空間加裝了參考天線和輔助接收機(jī)以及對搜索雷達(dá)信號處理機(jī)軟件進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，并且輔助通道中設(shè)置可調(diào)節(jié)的檢測門限與搜索雷達(dá)自身的檢測門限和恒虛警門限配合，從而在實(shí)現(xiàn)旁瓣匿影功能的同時可最大程度降低因旁瓣匿影處理所帶來的檢測損失。試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計的旁瓣匿影效果顯著而且可更好保護(hù)搜索雷達(dá)對主瓣弱小目標(biāo)的檢測，對原雷達(dá)性能影響較小。目前存在大量的現(xiàn)役雷達(dá)不具備旁瓣匿影功能，可以根據(jù)需要，以本文為借鑒，加裝旁瓣匿影系統(tǒng)以提高雷達(dá)的抗干擾性能。