一種寬開高靈敏度雷達偵察技術研究

趙 玉袁鵬鵬居 易

(中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101)

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展,越來越多的新體制雷達具有低截獲概率(LPI)、信號瞬時帶寬越來越寬和信號脈內(nèi)特征復雜度越來越高等特點,這就對雷達偵察裝備的性能提出了更高要求,以滿足對新體制雷達的偵察需求,為后續(xù)對抗提供有力支持和保障。因此研究如何實現(xiàn)瞬時寬帶寬且偵察靈敏度高的偵察技術是雷達偵察領域的重要研究方向。本文將介紹一種寬開高靈敏度雷達偵察技術,該技術適用于實際雷達偵察裝備的設計工作。

1 雷達偵察體制

雷達偵察技術主要用于對環(huán)境中雷達信號的實時截獲、參數(shù)測量、分選和識別。根據(jù)雷達偵察裝備所采用的測頻、測向技術的不同,測向可以分為模擬多波束比幅測向、數(shù)字多波束比幅測向、干涉儀比相測向等;測頻分為寬開瞬時測頻、單比特測頻和數(shù)字信道化測頻等。常見的雷達偵察裝備主要由測頻+測向天線、微波電路、信號接收及測量電路、數(shù)據(jù)處理電路以及電源等部分組成。雷達偵察裝備根據(jù)使命任務及布置平臺的不同,采用的測向、測頻體制各部分的組成也有很大差異,艦載平臺多采用多波束比幅測向(如美國的SLQ-32偵察系統(tǒng)),機載告警偵察系統(tǒng)多采用干涉儀測向體制。

1.1 模擬多波束比幅測向體制

采用模擬多波束比幅測向體制的偵察裝備主要包括多波束測向天線(多數(shù)為喇叭陣或者透鏡)、寬開測頻天線、微波接收、測頻接收機、測向接收機、后端分選識別、顯示控制及電源,其設備組成示意圖如圖1所示。測頻接收機主要有單比特測頻接收機、瞬時測頻接收機或數(shù)字信道化測頻接收機等。其工作流程為:后端控制電路接收到顯控下發(fā)的工作命令后,測頻接收機從測頻天線檢測到外界雷達信號并測量信號的載頻、脈寬、幅度等參數(shù),測向接收機接收前端多路測向天線經(jīng)對數(shù)視頻檢波放大器(DLVA)處理后的視頻信號,進行方位參數(shù)測量并接收測頻接收機的頻率碼等信息,最終形成雷達輻射源脈沖描述字(PDW)送后端進行分選識別,識別處理結(jié)果送顯示控制進行最終顯示。該技術體制具有成熟度高、設備量適中、環(huán)境適應能力強等優(yōu)點,其主要缺點是難以同時實現(xiàn)寬開+高靈敏度偵察。

圖1 模擬多波束比幅測向體制裝備組成示意圖

1.2 數(shù)字多波束比幅測向體制

基于數(shù)字多波束比幅測向的偵察系統(tǒng)主要由陣列天線(接收組件)、波束控制及饋電、微波接收、數(shù)字波束形成、參數(shù)測量、分析識別和顯示控制等部分組成,其組成示意圖如圖2所示。該偵察體制的顯著優(yōu)點是靈敏度高(超過-100 dBm 以上),可以實現(xiàn)方位、俯仰二維測向等;但同時也具有設備量大、技術復雜度高、成本貴等缺點,且瞬時工作帶寬一般不超過1 GHz,如果想具有更寬的瞬時帶寬,其設備量、實現(xiàn)難度和成本均將急劇增大。

圖2 數(shù)字多波束比幅測向體制裝備組成示意圖

1.3 干涉儀比相測向偵察體制

干涉儀比相測向體制具有設備量小、測向精度高、組陣形式多樣、可二維測向等諸多優(yōu)點,在電子偵察領域具有重要地位。該體制是通過測量雷達信號的相位信息從而獲得信號的來波方向。雖然其在設備量、測向精度等方面有其自身的優(yōu)勢,但是當環(huán)境中存在多徑傳輸時,干涉儀測向系統(tǒng)往往會產(chǎn)生方位增批現(xiàn)象,另外受限于天線形式等因素其系統(tǒng)靈敏度提升困難。通常采用干涉儀比相測向體制的偵察裝備,其組成如圖3所示。其主要由干涉儀天線陣、微波變頻、數(shù)字信道化接收機、分選識別和顯示控制等部分組成,圖3中的干涉儀天線為一維陣列,如需實現(xiàn)二維測向,則天線為二維陣列。

圖3 干涉儀測向體制組成示意圖

2 一種寬開高靈敏度偵察系統(tǒng)設計

經(jīng)上一節(jié)的分析比較,可以看出數(shù)字多波束比幅測向體制可以實現(xiàn)高靈敏度偵察,但是難以實現(xiàn)瞬時帶寬寬開,干涉儀測向體制靈敏度難以提升。本文設計的寬開高靈敏度偵察系統(tǒng)要求方位瞬時360°寬開,頻率瞬時覆蓋8～18 GHz,靈敏度優(yōu)于-75 dBmi,天線需平面化安裝。針對上述要求,采用模擬多波束比幅測向技術實現(xiàn)方位瞬時360°寬開,測頻使用數(shù)字瞬時測頻技術實現(xiàn)頻域?qū)掗_。其組成原理框圖如圖4所示,即測頻采用1/4全向天線(每個天線覆蓋90°方位范圍),經(jīng)微波前端接收后變頻送測頻接收機測頻;測向天線陣接收測向信號經(jīng)測向接收前端DLVA 處理后送測向接收機,最終形成PDW 送后端分選與識別。

圖4 總體組成框圖

2.1 總體設計

本文設計的寬開高靈敏度接收系統(tǒng)主要由天線陣、測頻接收前端、測向接收前端、測頻接收機、測向接收機及后端的分選與識別和顯示控制部分組成。下面主要從影響偵察靈敏度的天線陣、測向接收前端和接收機等方面進行重點介紹。

2.2 天線設計技術

偵察設備的天線設計主要取決于系統(tǒng)的測向精度、靈敏度等指標以及安裝尺寸要求等。對于采用多波束比幅測向系統(tǒng)的天線,其方向圖可用高斯型近似表示,天線的波束寬度(由單元數(shù)決定)對系統(tǒng)測向精度起著決定性的作用,同時也影響著系統(tǒng)靈敏度。常用的多波束比幅測向系統(tǒng)天線陣多采用柱透鏡天線陣或恒波束喇叭陣,圖5給出了幾種常見的多波束天線陣示意圖。當安裝平臺尺寸較大、系統(tǒng)測向精度要求不高時可采用圓陣喇叭陣(喇叭數(shù)量一般不超過32個),當系統(tǒng)測向精度要求較高時可采用直線喇叭陣+羅特曼透鏡或柱透鏡天線陣形式。

圖5 常用天線陣組成示意圖

天線單元數(shù)越多,波束寬度則越窄,天線的增益也越高。如圖5所示,采用圓陣喇叭陣或者柱透鏡天線陣,不容易實現(xiàn)平面化安裝,對有平面化安裝要求的平臺則不適用。可以采用直線喇叭陣+羅特曼透鏡的方式實現(xiàn)平面化安裝,同時可以在360°方位范圍內(nèi)實現(xiàn)更多的測向波束數(shù),使得系統(tǒng)的測向精度和靈敏度指標更高。本文設計的寬開高靈敏度偵察系統(tǒng)測向天線陣采用直線喇叭陣+羅特曼透鏡,測頻采用角錐喇叭天線。其天線方向圖仿真結(jié)果如圖6所示,由圖可以看出測向天線增益約為16 d B,測頻天線增益大于5 d B(±45°范圍內(nèi))。

圖6 測向測頻天線仿真方向圖

2.3 微波測向前端設計

微波測向前端主要完成對天線端輸入射頻信號的放大、開關選擇、程控、視頻檢波等,其單路的工作原理框圖如圖7所示。

圖7 測向微波前端工作原理框圖

2.4 接收機設計

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣率的提高和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)數(shù)字信號處理能力的增強,數(shù)字信道化接收機的瞬時帶寬和靈敏度均有較大提升。美國BAE系統(tǒng)公司研制的數(shù)字信道化接收機,其瞬時帶寬超過500 MHz,被廣泛裝備到F35 和F22戰(zhàn)斗機。本文設計的接收機主要包括超寬帶測頻接收機和多波束比幅測向接收機設計兩部分,其組成如圖8所示,主要包括測量量化板、超寬帶測頻接收板、參數(shù)融合板和接口板等。

圖8 接收機組成框圖

超寬帶測頻接收板原理框圖如圖9所示,單路測頻射頻進入接收機,經(jīng)變頻后形成4 路0.5～4.5 GHz的中頻信號,經(jīng)高速模/數(shù)(A/D)采樣后送融合FPGA 處理形成頻率碼,因此超寬帶測頻接收的瞬時帶寬可達16 GHz。

圖9 超寬帶測頻接收原理框圖

2.5 主要技術指標計算分析

本文采用直線喇叭陣+羅特曼透鏡形成64路測向波束,下面對瞬時覆蓋帶寬、測向精度和靈敏度等指標進行分析計算。

本文的偵察系統(tǒng)測向接收機采用多波束比幅測向,其瞬時帶寬取決于DLVA 的帶寬,目前DLVA的瞬時帶寬可以覆蓋2～18 GHz,達到16 GHz;測頻接收機瞬時帶寬前文已經(jīng)分析,也可以達到16 GHz。

當天線單元數(shù)為64時,為5.625°,利用實際工程經(jīng)驗可以得到測向精度,達到1.5°(r.m.s)左右。下面計算接收機靈敏度:

式中:F 為噪聲系數(shù)(取6 d B);B 為射頻帶寬(取10 G);B 為視頻帶寬(取50 M);為識別系數(shù)(取3 dB)。

則計算得到測向接收機的靈敏度為-65 d Bm。由圖6可見天線的增益大于15 dB,則設計之后的系統(tǒng)測向靈敏度可達-80 dBm 以上。測頻支路采用超寬帶測頻接收機,其靈敏度為:

式中:P 為接收機靈敏度,單位為d Bm;為接收機中頻帶寬,單位為MHz;為接收機噪聲系數(shù),單位為d B;σ為檢測或處理所需要的最低信噪比,單位為dB。

根據(jù)本系統(tǒng)特性,要保證寬的瞬時帶寬,提高靈敏度只能從兩方面著手:一是減小接收機噪聲系數(shù),這方面的潛力是有限的;二是降低檢測信號所需的信噪比,通過采用適當?shù)臄?shù)字信號處理技術,提高處理增益,降低σ。本文設計的高靈敏度偵察系統(tǒng)中,頻帶寬取10 000 MHz,噪聲系數(shù)取10 d B,檢測信噪比σ取-9 dB,接收機靈敏度P 可以達到-73 dBm(-114+40+10-9)。測頻天線增益可以達到5 d B以上(8～18 GHz頻段),因此測頻支路靈敏度優(yōu)于-78 dBm,考慮到天線增益起伏等因素,系統(tǒng)整體靈敏度可達-75 dBm 以上,相比多數(shù)寬開偵察系統(tǒng)的靈敏度有較大提升。

3 結(jié)束語

本文從雷達偵察體制角度出發(fā),分析了模擬多波束、數(shù)字多波束和干涉儀比相測向等幾種測向體制的偵察設備組成及優(yōu)缺點,提出一種滿足平面化安裝要求的寬開高靈敏度雷達偵察技術及系統(tǒng),介紹了該偵察系統(tǒng)的天線、微波測向前端和接收機等部分的設計,最后對基于該技術的一種8～18 GHz頻段的偵察系統(tǒng)測向精度和靈敏度指標進行仿真分析和計算。該技術對于實現(xiàn)寬開高靈敏度偵察系統(tǒng)設計具有實際借鑒意義。