趙 玉，徐海洋，邵文建

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

目前采用毫米波制導(dǎo)的導(dǎo)引頭越來(lái)越多，常見的有“長(zhǎng)弓海爾法”低空導(dǎo)彈、AGM-65導(dǎo)彈等[1]，近年來(lái)隨著毫米波低截獲導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展，其對(duì)艦船等目標(biāo)的威脅越來(lái)越大，需要發(fā)展毫米波高靈敏度偵察設(shè)備對(duì)其進(jìn)行先期預(yù)警，以便引導(dǎo)毫米波干擾設(shè)備進(jìn)行有效干擾。目前毫米波頻段雷達(dá)偵察裝置的靈敏度普遍不高，不能滿足對(duì)低截獲導(dǎo)引頭偵察距離的需求，因此需要研究毫米波高靈敏度雷達(dá)偵察技術(shù)。本文介紹一種適用于實(shí)際裝備的毫米波高靈敏度雷達(dá)偵察技術(shù)。

1 雷達(dá)偵察技術(shù)

雷達(dá)偵察技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外界雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)的截獲、測(cè)量、分選與識(shí)別。為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，其常見的雷達(dá)偵察裝置主要由天線、微波接收、參數(shù)測(cè)量、信號(hào)分選與識(shí)別和電源等部分組成，根據(jù)所采用的偵察測(cè)向、測(cè)頻體制的不同，各部分的組成也有很大差異。常用的雷達(dá)偵察測(cè)向體制有多波束比幅測(cè)向、干涉儀比相測(cè)向等，測(cè)頻體制有寬開瞬時(shí)測(cè)頻、單比特測(cè)頻以及信道化測(cè)頻等。

1.1 模擬多波束比幅測(cè)向偵察技術(shù)

常見的模擬多波束比幅測(cè)向技術(shù)的系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括多波束測(cè)向天線、測(cè)頻天線、微波變頻、對(duì)數(shù)視頻檢波放大、瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)、多波束比幅測(cè)向接收機(jī)以及后端的分析識(shí)別部分。其中天線陣可以為喇叭陣，也可以采用透鏡形式的天線。瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)可以用單比特測(cè)頻接收機(jī)或數(shù)字信道化測(cè)頻接收機(jī)代替。其基本工作流程為：測(cè)頻接收機(jī)從測(cè)頻天線支路檢測(cè)到外界雷達(dá)信號(hào)后，送觸發(fā)波門，啟動(dòng)多波束比幅測(cè)向接收機(jī)測(cè)向，測(cè)頻接收機(jī)測(cè)量信號(hào)的載頻、脈寬、幅度等參數(shù)，測(cè)向接收機(jī)接收前端測(cè)向天線支路經(jīng)對(duì)數(shù)視頻檢波放大處理后的視頻信號(hào)，進(jìn)行方位參數(shù)并最終形成雷達(dá)輻射源脈沖描述字(PDW)送后端分選識(shí)別處理。該技術(shù)體制具有成熟度高、設(shè)備量適中、環(huán)境使用能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是靈敏度受限于測(cè)頻支路的靈敏度。如采用瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)測(cè)頻，則靈敏度一般在-60 dBm以下；采用數(shù)字信道化接收，其靈敏度可達(dá)到-75 dBm，但是其工作瞬時(shí)帶寬目前一般為1 GHz，不滿足頻率寬開偵察需求；采用單比特測(cè)頻，則靈敏度可達(dá)到-70 dBm左右，對(duì)于偵察低截獲的毫米波導(dǎo)引頭，仍不滿足需求。

圖1 模擬多波束比幅測(cè)向技術(shù)組成示意圖

1.2 數(shù)字多波束比幅測(cè)向偵察技術(shù)

通常數(shù)字多波束比幅測(cè)向的系統(tǒng)組成如圖2所示，主要有陣列天線、波束控制及饋電、濾波放大變頻、數(shù)字波束形成(DBF)和參數(shù)測(cè)量+分析識(shí)別等部分組成。其顯著優(yōu)點(diǎn)為可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度偵察，靈敏度可以達(dá)到-100 dBm以上，但該偵察體制存在技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備量大、成本高等缺點(diǎn)，且瞬時(shí)工作帶寬不超過(guò)1 GHz，一般為幾十MHz到幾百M(fèi)Hz。

圖2 數(shù)字多波束比幅測(cè)向技術(shù)組成示意圖

1.3 干涉儀比相測(cè)向偵察技術(shù)

干涉儀測(cè)向技術(shù)由于其設(shè)備量小且具有高測(cè)向精度，使其在電子偵察中有著重要意義[2]，它是通過(guò)測(cè)量信號(hào)的幅度或者是相位等信息從而獲得信號(hào)的來(lái)波方向[3]。雖然它在設(shè)備量、測(cè)向速度等方面有其自身的優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)環(huán)境中有同時(shí)到達(dá)信號(hào)，尤其是信號(hào)存在多徑傳輸時(shí)，基于干涉儀測(cè)向體制的測(cè)向方法往往會(huì)造成方位增批現(xiàn)象，另外受限于天線形式等因素，靈敏度難以提升。通常數(shù)字多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)組成如圖3所示，其主要由干涉儀天線、微波變頻、數(shù)字信道化接收機(jī)和后端的分選識(shí)別等部分組成。

2 一種高靈敏度毫米波偵察技術(shù)

圖3 干涉儀測(cè)向技術(shù)組成示意圖

經(jīng)第1節(jié)的分析比較可以看出，適合實(shí)現(xiàn)毫米波高靈敏度偵察的為多波束比幅測(cè)向技術(shù)，考慮到設(shè)備量、成本等因素，通常采用模擬多波束比幅測(cè)向技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫米波高靈敏度偵察。目前基于該技術(shù)的毫米波偵察技術(shù)的工作原理框圖如圖4所示，即測(cè)頻采用半全向(或全向)天線，經(jīng)微波前端接收后變頻送測(cè)頻接收機(jī)測(cè)頻；測(cè)向天線陣接收測(cè)向信號(hào)經(jīng)測(cè)向接收前端(DLVA)處理后送測(cè)向接收機(jī)，最終形成PDW送后端分選與識(shí)別，該技術(shù)的靈敏度受限于測(cè)頻支路，難以提升。本文針對(duì)毫米波頻段外界信號(hào)特點(diǎn)(密度低，目標(biāo)少)提出一種毫米波高靈敏度偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2.1 總體設(shè)計(jì)

該高靈敏度毫米波偵察技術(shù)的設(shè)計(jì)思路是基于目前外界毫米波頻段的作戰(zhàn)目標(biāo)主要為毫米波導(dǎo)引頭，其同時(shí)存在的數(shù)量不多。該技術(shù)的總體設(shè)計(jì)組成如圖5所示，主要由天線陣，接收前端組件，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，變頻、測(cè)頻接收機(jī)，多波束比幅測(cè)向接收機(jī)及后端的分選與識(shí)別部分組成。

當(dāng)系統(tǒng)加電初始化后，天線陣接收外界n路射頻信號(hào)后送接收前端組件，前端組件對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大功分后，一路送DLVA檢波為視頻信號(hào)，輸出至測(cè)向接收機(jī)；另一路送開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。測(cè)向接收機(jī)對(duì)接收到的視頻進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)測(cè)向結(jié)果將信號(hào)所對(duì)應(yīng)天線波束號(hào)送開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)選擇對(duì)應(yīng)波束后送測(cè)頻接收機(jī)進(jìn)行測(cè)頻；測(cè)頻接收機(jī)將測(cè)量的頻段等信息送測(cè)向接收機(jī)進(jìn)行配對(duì)，形成PDW送后端進(jìn)行分選與識(shí)別；當(dāng)測(cè)向接收機(jī)檢測(cè)到其他天線波束上有信號(hào)時(shí)，通過(guò)控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)再將測(cè)頻信號(hào)選擇出后，經(jīng)變頻送測(cè)頻接收機(jī)，該系統(tǒng)測(cè)向接收機(jī)通過(guò)流水測(cè)向，接收測(cè)頻接收機(jī)輸入的頻率等信息，最終匹配成目標(biāo)PDW。其總體工作流程如圖6所示。下面對(duì)各部分的組成及原理進(jìn)行介紹。

圖6 工作流程框圖

2.2 天線陣設(shè)計(jì)

天線陣設(shè)計(jì)主要考慮因素為系統(tǒng)的測(cè)向精度指標(biāo)和靈敏度指標(biāo)要求。多波束比幅測(cè)向采用的天線方向圖可用高斯型近似表示[4]，檢波-對(duì)數(shù)放大器輸出電壓與接收信號(hào)功率的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，根據(jù)多波束比幅測(cè)向方程可得到方位角θ與兩相鄰波束接收功率的比值γ之間的關(guān)系：

(1)

式中：θ為入射波方向與兩波束中心線的夾角；θ0為天線單元-3 dB波束寬度的一半；θS為兩相鄰天線軸線之間的夾角；γ為相鄰天線通道接收信號(hào)的幅度之比(dB)。

為了分析測(cè)向誤差，對(duì)式(1)進(jìn)行全微分:

(2)

從式(2)可以看出天線的波束寬度(單元數(shù))對(duì)測(cè)向精度起著決定性的作用，因此天線陣設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的測(cè)向精度指標(biāo)決定了天線單元數(shù)。常用的天線陣主要有恒波束喇叭陣和柱透鏡天線陣，其組成示意圖如圖7所示，當(dāng)測(cè)向精度要求不高，天線單元數(shù)不多(一般不大于于32)時(shí)采用喇叭陣，當(dāng)測(cè)向精度要求較高時(shí)一般采用柱透鏡天線陣(一般不超過(guò)64路)。當(dāng)天線單元數(shù)越多，波束寬度則越窄，天線的增益也越高，一般32波束的天線陣，其單元天線增益約20 dB。

2.3 微波前端及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

微波接收前端主要完成對(duì)接收天線端射頻信號(hào)的放大、變頻后，功分送DLVA檢波和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其單路的工作原理框圖如圖8所示。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求為可將N路輸入的射頻信號(hào)根據(jù)控制命令任選m路輸出。

圖7 常用天線陣組成示意圖

圖8 微波前端工作原理框圖

2.4 主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算分析

下面以32元喇叭陣為例，其單元天線方向圖如圖9所示，對(duì)測(cè)向精度和靈敏度指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算。當(dāng)天線單元數(shù)為32時(shí)θ0為5.625°，利用實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及式(2)可以得到測(cè)向精度達(dá)到2°(rms)。下面利用式(3)來(lái)計(jì)算接收機(jī)靈敏度[5]：

P=-114+F+10lg(6.31BV+

(3)

式中：F為噪聲系數(shù)(取6 dB)；Br為射頻帶寬(取10 GHz)；Bv為視頻帶寬(取50 MHz)；D為識(shí)別系數(shù)(取3 dB)，則接收機(jī)的靈敏度為-65 dBm。

設(shè)計(jì)的天線增益約為20 dB，則設(shè)計(jì)之后的系統(tǒng)測(cè)向靈敏度可達(dá)-85 dBm；測(cè)頻支路采用單比特測(cè)頻，其靈敏度優(yōu)于-70 dBm，由于測(cè)頻和測(cè)向共用天線，因此測(cè)頻支路靈敏度由于-90 dBm，因此系統(tǒng)整體靈敏度可達(dá)-85 dBm，相比改進(jìn)之前有大幅度提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了幾種常用的雷達(dá)偵察技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出一種毫米波高靈敏度雷達(dá)偵察技術(shù)，給出了該技術(shù)的組成框圖、工作流程圖，并對(duì)天線陣、微波接收前端和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述，最后對(duì)該技術(shù)對(duì)應(yīng)的一種系統(tǒng)的測(cè)向精度和靈敏度進(jìn)行了指標(biāo)分析計(jì)算。該技術(shù)對(duì)于雷達(dá)偵察系統(tǒng)的研制具有實(shí)際參考意義。

[1] 盧再奇.彈載毫米波雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2002.

[2] 何曉明,趙波.基于數(shù)字干涉儀的無(wú)源測(cè)向技術(shù)研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2008，13(5)：460-463.

[3] 張瑜,李玲玲.多徑條件下雷達(dá)到達(dá)角的估計(jì)與仿真[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2004，19(2)：215-218.

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[5] 林象平.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社,1985.