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机载预警雷达的技术原理

发布时间:2019-10-02 12:53 来源:未知 编辑:admin

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  1. 预警机系统由载机与飞行保障分系统、任务电子分系统和地面保障分系统三部分组成。任务电子分系统是以下八个分系统的总称,即

  其中,监视雷达是整个预警机系统的最主要传感器,预警机的绝大部分功能都依靠监视雷达提供的信息来完成。

  2. 众所周知,由于受到地球曲率和地形遮挡的影响,地面雷达存在低空探测盲区。如果仅考虑地球曲率的影响,雷达视距Rmax与天线高度ha、目标飞行高度ht之间存在如下关系:

  假设巡航导弹在海上的飞行高度为10米,速度为1马赫,雷达天线分钟的预警时间。因此,架高天线不仅无法从根本上解决岸/海基雷达的低空探测盲区问题,而且会严重影响雷达的机动能力。为此,把地面/舰载预警雷达搬到飞机、气球等升空平台上是必然的选择。

  3. 将雷达从地面和舰上搬到高速运动的飞机上,不仅使雷达的体积、重量与天线形式受载机的容积、载荷与天线安装条件的限制,而且导致AEW雷达的杂波环境具有以下特色:

  雷达对低空和海面目标是下视方式观察,目标背景上有地面或不平静海面产生的强反射杂波,杂波功率远远大于目标回波功率。只有在很平静的海面上,雷达波以较小的角度照射时,海面呈镜面反射,基本不产生后向散射杂波;

  雷达随载机一起高速运动,使得地/海杂波即使是由固定地物产生的,仍有多普勒频移 。其中,v是载机的飞行速度,是雷达发射信号波长,是雷达波的指向与载机航向的夹角。根据多普勒频移公式,由于与载机航向的夹角不同,波束中心与波束边缘的杂波谱会有差异,这就形成了杂波多普勒频谱的一定宽度。

  4. AEW雷达天线的主瓣和旁瓣照射到地/海面都会产生杂波。常见的机载雷达下视杂波谱与目标回波信号多普勒谱分布情况如下图:

  从图中可以看出,当目标回波从天线主瓣进入时,只要目标与载机有相对运动速度(目标的多普勒频率不与高度线杂波重合),而且此速度值又与天线主瓣杂波的相对速度不重合,则仍有可能通过频率滤波分离和提取目标回波。AEW雷达就是通过这一基本原理实现下视情况下的目标检测的。

  5. AEW雷达必须采用多种工作体制,以适应不同的目标类型及所处的杂波环境:

  当目标的距离大于雷达的地平线距离时,目标回波的时延大于任何地/海面杂波时延,此时AEW雷达可以采用与地面警戒雷达一致的低重频脉冲体制,通过简单地设置距离波门达到杂波抑制的目的。

  当目标的距离小于雷达的地平线距离时,除雷达主瓣不触及地/海面的仰视工作方式,和目标背景为平静水面两种特殊情况外,目标回波与强杂波在时域重叠,只能依靠频域滤波实现杂波抑制,也就是必须采用脉冲多普勒(PD)体制。

  当目标的距离小于雷达的地平线距离时,对于海面运动速度较低,而雷达散射截面积(RCS)又很大的舰船,由于海杂波相对地杂波较弱,AEW雷达一般采用普通低重频脉冲体制。为了提高积累后的信杂比,常采用载频捷变实现脉冲间海杂波的去相关。

  6. 地平线距离内的飞机、巡航导弹等各类飞行器的探测是AEW雷达面临的主要任务,因此,PD体制是AEW雷达的最主要工作模式。PD模式可根据采用的脉冲重复频率(PRF)的高低分为低重频、中重频和高重频三种类型,它们在构成上和技术上都有差异。

  7. 低重频PD体制的脉冲重复周期T(=1/RPF)对应的距离Rt(=cT/2)大于雷达的最大作用距离Rm。低重频PD体制的特点是:目标回波时延对应目标的真实距离,不存在距离模糊,但目标回波的多普勒频率会出现以RPF为周期的模糊,产生速度模糊。当目标的模糊多普勒频率落在主瓣杂波频谱范围内时,为了抑制主瓣杂波设置的频率滤波器也会滤除目标回波,使得目标被主瓣杂波遮挡。为了消除速度模糊和主瓣杂波遮挡,低重频PD模式必须采用3个以上不同的PRF顺序工作。E-2C的监视雷达就是采用低重频PD体制。

  由高度线杂波与旁瓣杂波组成的近距离杂波不干扰中远距离上的目标检测,可以降低雷达系统对天线C雷达天线dB;

  对近距离回波(包括杂波和目标)可在接收机前端采用灵敏度-时间控制(STC)电路抑制其幅度值,从而降低回波的动态范围,既便于后续的数字处理,又减少了近距离强杂波引起的虚警。

  一般需采用脉冲压缩技术,以便在有限的峰值发射功率下,用低重频仍能得到足够的平均发射功率,满足雷达探测威力的需要;

  频率上严重模糊。测定目标径向速度必须有几个不同的PRF。同时,旁瓣杂波谱宽度远大于PRF,旁瓣杂波在频域上多重叠加,虽然近距离旁瓣杂波不干扰中远距离目标的检测,但对近距离的巡航导弹之类的小RCS目标的检测会带来较大影响;

  主瓣杂波可能遮挡目标,当PRF由雷达的威力决定以后,遮挡概率与主瓣杂波谱宽度成正比,当遮挡概率很高时,即使使用几个不同的PRF也可能导致雷达无法正常工作。因此,根据多普勒频率的表达式,作用距离很远的机载低重频PD雷达要求采用飞行速度较低的载机并工作在较低的频段,E-2C正是如此;

  低速运动的地面车辆目标会出现在频域全周期内,不能用简单的方法滤除,会对陆上飞行器的检测带来大量的虚警。因此,低重频PD体制不适宜机载雷达对地工作。尽管采用了一些补救措施,E-2C的对地观测性能仍然不佳就是这个道理。

  高重频PD体制的RPF大于所有目标和杂波的多普勒频率。因此频域上不存在模糊,但由于脉冲重复周期T对应的距离Rt远小于雷达的最大作用距离Rm,目标与杂波在距离上都是模糊的。同时,由于雷达在发射脉冲时不能接收信号,当目标距离对应的时延正好是脉冲重复周期的整数倍时,雷达接收不到目标回波,导致大量的探测盲区。为了解距离模糊和消除探测盲区,高重频PD雷达也必须采用3个以上的PRF。E-3预警机的监视雷达对地工作模式就是采用高重频PD体制。

  地面低速车辆目标只出现在高度杂波或主瓣杂波峰值附近,很容易滤除,不会形成假目标干扰。因此,高重频PD体制适合机载雷达对地工作。

  由于距离上严重模糊,由旁瓣进入的近距离强杂波多次叠加,使得旁瓣杂波谱电平较高,目标径向速度不很高时会落在旁瓣杂波区,对检测不利。因此,机载高重频PD雷达对从后半球跟进的目标探测距离较小。为了提高旁瓣杂波区的目标检测性能,要求雷达天线雷达天线的旁瓣电平平均值达到了-60dB;

  由于距离上的多次重叠,无论是主瓣杂波电平还是旁瓣杂波电平都比较高,如发射机的频率稳定度不高,则导致整个杂波谱扩散,严重影响目标检测。高重频PD对发射机的频率稳定度提出了严格要求;

  由于距离模糊的存在,不能象低重频PD雷达那样在接收机前端采用STC电路抑制近距离强杂波,因此要求接收机和后续数字处理电路须有很大的动态范围;

  为了解距离模糊和消除探测盲区,必须把发射脉冲串分成不同PRF的组,每组脉冲发射后,要等到雷达作用距离最远处的目标回波到达后才能进行频谱分析与滤波处理,信号处理器须将远距离回波未达到前的若干周期切除,在这些周期中的发射脉冲对信号检测是不起作用的,称之为填充脉冲。这些周期称为杂波暂态时间。存在填充脉冲或杂波暂态时间是高重频PD雷达信号处理中的一项检测损失。

  中重频PD体制的PRF介于低重频体制和高重频体制之间,既存在距离模糊又存在速度模糊,同样必须通过变PRF解距离模糊和速度模糊,并避免目标回波信号在时域被发射脉冲遮挡和在频域被主杂波遮挡。中重频PD体制的突出特点是对各种方向进入的目标都基本具有同样的探测威力,优缺点是低重频和高重频PD体制的折中。英国曾研制的“猎迷”预警机雷达就采用中重频PD体制。

  预警机承担空中预警与指挥任务,需要测定目标的三维坐标。AEW雷达安装在飞机上,天线的高度尺寸受到限制,在测定目标高度上比地面三坐标雷达有更多的技术难点。AEW雷达的测高方法有两种,一种是测出目标相对载机的仰角,然后用载机惯导系统(INS)提供的导航数据计算目标的高度Ht:

  其中,H是载机高度,Rt是目标距离,是目标相对载机的仰角,是载机飞行中的倾斜角,Re是考虑电磁波折射效应后的等效地球半径,通常等于地球实际半径的4/3倍,约为8500km。

  通过控制天线振子间的相位使雷达波束在仰角上扫描,用最大回波法测定目标的仰角。E-3预警机的雷达采用这种测角方法,其测角均方误差约为俯仰波束宽度的1/10,精度不高,但当所引导的战斗机配备有较大探测威力(例如大于50km)的机载雷达时,这一误差对应于战斗机雷达的仰角误差在2以内,战斗机雷达仍能据此迅速截获目标。

  仰角上同时采用多个接收波束及相应接收通道,通过比较相邻通道收到的目标回波信号幅度测定目标仰角。A-50和“猎迷”都采用单脉冲测角,其测角均方误差约为俯仰波束宽度的1/20左右,比扫描测角提高了一倍,付出的代价是天线和接收系统都增加了复杂性。

  这些测角方法的精度都依赖于雷达的仰角波束宽度,因此,在天线高度受限的情况下,采用较高的工作频率(如E-3系列预警机的S波段)可望获得较高的测高精度。

  两种测定目标相对仰角的方法在测试低空目标的仰角时,都会因地/海面的多径反射干扰而失效,而低空目标又是预警机的重点探测对象,这是AEW雷达测高的主要难点。利用直射波与地/海面反射波在时延上的差异屏蔽反射波,可一定程度地消除多径干扰对低空目标仰角测量的影响。

  AEW雷达工作在较低频段时,由于仰角波束宽度大而不能采用上述两种方法较精确地测定目标仰角,此时可利用直射回波与地/海面的一次反射回波之间的距离差测定目标高度。该方法要求反射回波幅度较强,能与直射回波同样被检测到,这只有在反射面是较为理想的平静海面或平坦地面才有可能。E-2C预警机的雷达工作在UHF波段,只能采用这种方法测定目标高度,在高海情条件下基本不具备测高功能。

  AEW雷达必须根据自身特点,并根据所需探测目标及其所处的杂波环境的不同,有针对性地选取工作模式。以E-3预警机的AN/APY-1/2雷达为例,它将监视空域划分为32个扇区,每个扇区有7种工作模式可供选择,即:脉冲多普勒仰角不扫描工作方式、脉冲多普勒仰角扫描工作方式、超视距工作方式、对海工作方式、无源搜索工作方式、测试和维护工作方式、备份备用工作方式。

  AEW雷达天线一般安装在机身的上部,由于受到机身的遮挡,在机腹下存在很大的低空探测盲区,对巡航导弹和隐身飞机等小RCS目标也必须在较远的距离上完成探测,为此,必须尽可能增大雷达发射信号的功率孔径积,但受到飞机载荷的限制。天线面积的限制是显而易见的。雷达发射机的平均功率与发射机重量、耗电基本上成线性关系,因此,飞机载荷与供电能力限制了发射机的功率水平。即使雷达的发射信号功率孔径积足够大,巡航导弹和隐身飞机也可能因与雷达的相对速度较小而在频谱上落入旁瓣杂波区而无法发现。为了弥补现有预警机对巡航导弹和隐身飞机低空探测能力的不足,很多国家正在研制气球载预警雷达。

  相对地面情报雷达和普通机载PD雷达,AEW雷达的探测空域更广,需要同时掌握的目标批次更多,对雷达系统设计带来很多难题:

  ①分辨力与测量精度要求高。从多目标分辨的角度考虑,AEW雷达的距离和角度分辨力越高越好。但是,从有效收集目标回波能量增大探测距离的角度考虑,距离分辨率不能小于目标的距离向尺寸与波束驻留时间内目标可能移动的距离之和。经论证,对常规军事目标,AEW雷达的距离分辨率一般选为50~100m;角度分辨力受到天线尺寸的严格限制,而且对于方位向机械扫描天线,方位波束宽度太小不利于目标回波能量的收集,影响探测距离。折中需要与可能,AEW雷达的方位波束宽度约为1~3,俯仰波束宽度约为5~10。

  ②数据率要求高。虽然E-2和E-3系列预警机的雷达天线都象地面情报雷达一样,采用6转/分钟的方位向扫描工作方式,数据率为6次/分钟,但从监视和引导现代高机动性战斗机作战的角度考虑,数据率最好是12~15次/分钟,这一要求只有将来AEW雷达采用有源相控阵天线时才能达到。

  ③数据处理与显控更加复杂。AEW雷达的数据处理系统不仅要象地面警戒雷达一样完成目标位置参数计算、目标航迹关联和与二次雷达的信息融合等任务,还要接受电子侦察分系统与通信侦察分系统截获的情报,完成目标属性的分类和编目,并根据预先掌握的敌我双方武器系统的性能参数和制定的战术方案,实时引导我机遂行拦截或攻击。虽然单纯从当前计算机的处理能力来看,达到很大的数据处理容量和很快的数据速度都不是问题,但预警机的工作模式繁多,每个操纵员的能力有限,而预警机的载荷又决定了不可能设置太多的显控席位,使得预警机能够跟踪和引导的目标批次受到限制。

  相对地面警戒引导雷达和普通机载PD雷达,AEW雷达的目标自动检测与恒虚警率(CFAR)处理难度更大。主要原因有三个方面:首先,AEW雷达具有多种工作模式,必须针对每种工作模式设计不同的CFAR处理方法;其次,AEW雷达覆盖空域广,雷达时刻处于运动状态,使得地/海杂波的动态范围很大,统计特性变化快且难以准确建模;第三,AEW雷达需要同时掌握的目标批次多,CFAR处理需要考虑数目不定的多目标干扰。

  在交通发达地域(例如城市和高速公路),地面存在大量RCS较大的运动目标,如汽车、火车等,其速度可高达40~50米/秒,对存在速度模糊的中、低重频AEW雷达,这些地面运动目标形成的假目标数量可达成千上万,从而使数据处理器无法对真实目标跟踪形成航迹,如果不采取措施滤除地面运动目标,中、低重频AEW雷达的对地观测性能将大受影响。

  鉴于预警机在对空对海监视雷达网中的重要地位,AEW雷达必须具备很强的抗干扰能力,才能在现代电子战条件下保持遂行作战任务。雷达的抗干扰能力包括两个方面:一是雷达本身的发射功率强度与分辨力水平;二是雷达具备的抗干扰技术措施。

  AEW雷达从探测能力要求出发,通常具有很大的发射功率电平,E-3预警机雷达发射机的峰值功率达到兆瓦级,这是提高抗干扰能力的有利基础;

  AEW雷达采用PD体制,具有普通脉冲雷达所没有的高多普勒频率分辨力,不仅能够滤除目标信号谱线所在滤波器带宽以外的噪声和有源干扰,还能够滤除运动速度上有差异的消极干扰(如箔条、角反射体等);

  AEW雷达不仅从减小地/海杂波的要求出发,在设计上使用了较低或超低副瓣天线,而且象地面/舰载情报雷达一样,具备脉间和脉组频率捷变能力,使其具备很强的抗有源干扰的能力;

  为了对抗应答式欺骗干扰,AEW雷达采取了重频跳变和旁瓣消隐技术。重频跳变是AEW雷达为了解距离和速度模糊必须具备的。AEW雷达为了抑制从旁瓣进入的分立强杂波,增设了一个低增益全向辅助天线和一个辅助接收通道,这也使AEW雷达兼有了抑制从旁瓣进入的应答式欺骗干扰的能力;

  反辐射导弹的导引头也是以接收雷达的旁瓣辐射来截获雷达,并且要锁定在雷达的载频和重频上。因此,AEW雷达采用的超低副瓣、捷变频和重频跳变也都是抗反辐射导弹的措施。

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