機載預警雷達最小可檢測速度試飛方法

王懷軍, 劉 波, 陳春暉, 吳 洪, 賈軍帥

(空軍研究院， 北京 100085)

0 引言

預警機是實現空基預警探測和指揮引導的骨干力量，其核心傳感器為機載預警雷達。機載預警雷達普遍為脈沖多普勒體制，通過檢測目標運動引起的多普勒頻移來發現目標[1]。現代戰場目標種類繁多，呈現出高速、高空、高機動、低速(主要指相對于預警機位置的低徑向速度)、低空、低散射(或輻射)等多種特征[2]。針對低速目標，由于地/海雜波的影響和雷達多普勒速度盲區的存在，當目標徑向速度低于最小可檢測速度時，目標無法被雷達檢測，航跡跟蹤將會中斷[3]。因此，最小可檢測速度是機載預警雷達的一項重要戰術指標。

最小可檢測速度通常采用兩種檢驗手段，一是仿真試驗，通過仿真產生低速目標注入雷達接收機，模擬驗證預警雷達最小可檢測速度；二是試驗試飛，配試飛機與預警機按一定航線飛行，實際檢驗雷達最小可檢測速度。由于仿真試驗不是在真實目標環境和地理環境中進行檢驗，驗證的充分性有限，在條件具備的情況下，應盡可能地采用試飛方式進行檢驗。

本文針對機載預警雷達最小可檢測速度試驗試飛方法開展研究，通過雷達雜波頻譜分析推導了主雜波譜寬、速度盲區和最小可檢測速度的關系，在此基礎上進行了飛行航線設計和數據處理方法論述，最后進行了仿真分析驗證。

1 基本原理

脈沖多普勒(PD)體制雷達的工作原理是基于雷達回波的多普勒效應，即根據運動目標回波與雜波背景在多普勒頻率或速度上的差別來檢測目標。由于機載預警雷達安裝在運動平臺上，其雜波頻譜是比較復雜的，不僅存在主瓣雜波、副瓣雜波，還存在副瓣波束近似垂直入射、反射形成的高度雜波[4]，具體如圖1所示。

圖1 PD雷達雜波頻譜

圖1中雜波頻譜主要包括副瓣雜波、高度雜波和主瓣雜波，其中主瓣雜波的強度最大，可能比熱噪聲強70～90 dB。在主瓣雜波的范圍內，目標回波信號通常無法和主瓣雜波對抗，如圖1所示。因此，對于一些慢速或是相對雷達切向運動的目標，當其回波的多普勒頻率落入主瓣雜波存在的多普勒頻率范圍內時，目標無法被檢測到，這通常被稱為“速度盲區”[5]。

速度盲區由主瓣雜波的頻譜寬度決定，可按圖2所示幾何關系來計算。

圖2 雜波和雷達的幾何關系示意圖

圖2中v為雷達平臺飛行速度，β為雷達天線波束寬度，天線波束掃描的方位角為θ，俯仰角為γ。令fdc為主雜波多普勒頻率，可表示為

(1)

式中，λ為雷達信號波長。令θ0表示天線波束中心方位掃描角，由式(1)可知，主瓣雜波中心頻率fdc0和波束兩個邊緣對應的主雜波頻率fdc1和fdc2可表示為

(2)

當0<θ0<π時，主雜波譜寬Δfdc可表示為

(3)

當θ0為0或π時，即對應預警機機頭或機尾方向時，主雜波譜寬Δfdc可表示為

由式(3)可知，主瓣雜波譜寬與飛行平臺速度、雷達信號波長、天線波束寬度、天線掃描角等有關。對于典型機械掃描雷達，在其飛行平臺速度、雷達信號波長和天線波束寬度一定的條件下，主瓣雜波譜寬主要隨天線掃描的方位角和俯仰角而變化。在特定距離和高度上(即給定俯仰角γ)，當天線掃描到正側視時(sinθ0=1)，主瓣雜波譜寬達到最大值，相應最小可檢測速度也應變得最差。

由式(2)和式(4)可知，當機載預警雷達波束機械轉動掃描到預警機的機頭或機尾方向時，主雜波頻譜的中心頻率最大，兩邊緣的頻率相等且最小，呈現出中心對稱特點，這時的主雜波譜寬最小，相應最小可檢測速度也將達到最優。

2 試飛方法

最小可檢測速度試飛方法的核心是確定試飛航線和數據處理方法，下面就主要針對這兩個方面進行討論。

2.1 試飛航線設計

由上面分析可知，機載預警雷達的最小可檢測速度在不同方位角和俯仰角上亦不同，但考慮到實際情況，不可能每個角度都進行試飛檢驗。為節省試飛架次，試飛航線可以選取雷達主瓣雜波譜寬最大和最小兩個地方來檢驗雷達最小可檢測速度。為此，針對典型機械掃描體制機載預警雷達，設計以下兩種試飛航線，如圖3所示。

圖3(a)為平行航線，配試飛機與預警機的航線相互平行。預警機采用長距離跑道形航線，陪試飛機采用短距離折返航線，兩機先相向平行飛行，配試飛機穿越機載預警雷達的速度盲區，穿出盲區后即掉頭追趕預警機(配試飛機速度一般遠大于預警機)，以同向飛行方式穿越機載預警雷達速度盲區，而后即掉頭與預警機再次相向飛行。以此往復，采集多次樣本數據。圖3(b)為垂直航線，配試飛機與預警機的航線相互垂直。預警機仍采用長距離跑道形航線，陪試飛機則采用短距離U形往復航線，來回多次穿越機載預警雷達速度盲區，同樣為了采集更多樣本數據。

(a) 平行航線

2.2 數據處理方法

在試飛過程中需要記錄的數據主要包括機載預警雷達探測配試飛機的點、航跡數據，配試飛機和預警機的位置、速度等信息。由于當配試飛機即將進入或穿出機載預警雷達速度盲區時，雷達對目標的檢測會中斷或重新出現。根據記錄的雷達點、航跡數據，查找雷達檢測中斷和重新出現時刻，而后找出該時間處相應的配試飛機和預警機的位置信息，其相對關系可簡要描述為圖4所示。

圖4 配試飛機和預警機的位置關系

圖4中假定配試飛機沿y軸方向運動，速度為Vt,相對預警機的視向角為α，配試飛機和預警機的位置分別為(xt,yt,zt)和(xr,yr,zr)。由此，雷達最小可檢測速度Vmin可通過下式計算：

Vmin=Vtcosα=

(5)

上述的數據處理過程如圖5所示。

圖5 數據處理流程圖

圖5中數據查找是通過雷達點、航跡數據，找出配試飛機穿越雷達盲區前后雷達檢測中斷和重新出現時刻。雷達點、航跡可能存在異常數據，需要在數據查找之前先進行異常數據剔除，可參照相關國軍標進行處理，對于有明確理由解釋的異常數據可直接剔除，或按三倍標準差原則進行剔除。由于配試飛機和預警機的位置信息在時間上可能是不重合的，這就需要對它們進行時間對準，可以預警機位置信息的時間為基準，對配試飛機位置信息進行插值。而后，將配試飛機和預警機的位置信息變換到同一直角坐標系，如圖4所示。然后，根據式(5)計算出機載預警雷達的最小可檢測速度。對于機載預警雷達同一方位取得的多個最小可檢測速度值可進行統計平均，作為檢驗值。

3 仿真分析

為進一步分析前面討論的最小可檢測速度試飛方法，下面通過仿真實驗進行說明。仿真實驗中假設配試目標飛機(通常選用戰斗機)運動速度為300 m/s，預警機飛行速度為150 m/s，機載預警雷達的最小可檢測速度分別設置為10,30和50 m/s，雷達以機械轉動方式掃描，轉速為6 r/min。試飛航線采用平行飛行航線，實驗結果如圖6～圖9所示。

圖6 位置結果(10 m/s)

圖9 速度結果

圖6～圖9分別為機載預警雷達設置3個不同最小可檢測速度情況下與配試飛機的相對位置關系和速度盲區情況，其中預警機一直沿著長度約250 km的航線飛行，配試飛機首先與預警機相向飛行，可以看到雙機交錯過程中配試飛機進入雷達速度盲區，雷達將丟失配試飛機信息；配試飛機穿越雷達速度盲區后折返，追趕預警機再次進入雷達速度盲區，雷達將再次丟失配試飛機信息。圖6中雷達的最小可檢測速度最小，對應的速度盲區也最小。圖8中雷達的最小可檢測速度最大，相應的速度盲區也最大。圖7則介于圖6和圖8之間。由于追趕飛行時的相對速度較小，所以配試飛機將有較長一段距離處于雷達盲區。

圖7 位置結果(30 m/s)

圖8 位置結果(50 m/s)

圖9為配試飛機相對雷達的徑向速度與預警機位置的關系圖。可以看出，配試飛機兩次穿越雷達速度盲區過程中的徑向速度變化情況。圖中配試飛機徑向速度的變化曲線與雷達3個最小可檢測速度直線分別構成4個相交點，即為最小可檢測速度的4個實驗結果，如表1所示。

表1 仿真實驗結果

表1為仿真實驗獲得的分別對應3個最小可檢測速度的4個實驗值。由于雷達轉速為6 r/min，當預警機與配試飛機相向運動時，雷達單個掃描周期(10 s)產生的位置變化為4.5 km，同向運動時的位置變化為1.5 km，所以可以看到相向運動獲得的測量值①和②的誤差較大，同向運動的測量值③和④的誤差較小，但通過算術平均就可得到較為穩定的最小可檢測速度實驗結果。

4 結束語

最小可檢測速度直接影響機載預警雷達的低速目標檢測和跟蹤性能，應該在實際試驗試飛中進行充分有效的檢驗。本文針對機載預警雷達最小可檢測速度試飛檢驗問題開展研究，首先分析了主雜波譜寬、速度盲區和最小可檢測速度的關系，在此基礎上設計了兩種飛行航線，將配試飛機與預警機飛行航線相互平行或垂直，以實現目標徑向速度跨“零點”，從而檢驗出雷達最小可檢測速度。最后仿真結果亦表明，提出的方法可用于機載預警雷達最小可檢測速度試飛。