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      雷達(dá)陣地雜波測(cè)量和動(dòng)態(tài)STC建立方法

      2014-01-01 03:18:32
      現(xiàn)代雷達(dá) 2014年4期
      關(guān)鍵詞:子陣雜波接收機(jī)

      張 峰

      (南京電子技術(shù)研究所, 南京210039)

      0 引言

      雷達(dá)回波包括目標(biāo)回波、雜波回波和干擾回波等。雷達(dá)雜波包括面雜波和體雜波,面雜波主要包括地雜波和海雜波,體雜波主要包括云、雨雜波和箔條干擾等。雷達(dá)地雜波的大小取決于雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和照射地面參數(shù)。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)包括距離、工作波長(zhǎng)、發(fā)射功率、距離分辨率、波束寬度(照射面積、角度分辨率)、波束指向和天線極化方式等。地面參數(shù)一般指地面反射系數(shù),包括導(dǎo)電率、介電常數(shù)和地面粗糙度[1]。

      一般來(lái)說(shuō),地面導(dǎo)電率和介電常數(shù)越大,地面越粗糙,則反射系數(shù)越大,地物回波越強(qiáng)。布滿森林和灌木的丘陵回波明顯高于光禿禿的丘陵回波。地面濕度越大,則介電常數(shù)越大,造成反射的回波越強(qiáng)。對(duì)相同的地物環(huán)境,地物回波在下雨時(shí)會(huì)比天氣干燥時(shí)強(qiáng)。

      地面、海面、箔條干擾、云雨所產(chǎn)生的雜波特性與熱噪聲相似,其幅度和相位都是隨機(jī)起伏的,一般情況下,具有瑞利分布函數(shù)特性,但其頻譜特性比白噪聲窄得多。雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響等同于接收機(jī)的基底噪聲,會(huì)造成雷達(dá)有效探測(cè)的目標(biāo)淹沒(méi)在雜波中而不能正常檢測(cè),或降低目標(biāo)檢測(cè)概率。

      由于隨風(fēng)而動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生一定的相移,造成雷達(dá)照射波束發(fā)射頻譜的展寬,所以主要由森林、灌木和草地等覆蓋的地面比沙漠、戈壁等覆蓋地面回波頻譜更寬,并且在大風(fēng)速條件下,地雜波頻譜展寬更大。

      利用動(dòng)目標(biāo)回波和固定地物回波的多普勒頻移特性不同進(jìn)行雜波抑制,通常采用動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)或脈沖多普勒(PD)檢測(cè)方法抑制地物雜波的影響。

      1 雷達(dá)靜態(tài)STC對(duì)地雜波的抑制效果分析

      雷達(dá)進(jìn)行全程搜索時(shí),如果接收機(jī)通道增益較高,同樣接收機(jī)靈敏度也較高,則近程雜波會(huì)使接收機(jī)飽和,造成地雜波頻譜的大大展寬,使得雷達(dá)不能很好地抑制地雜波,而無(wú)法檢測(cè)目標(biāo)回波;如果把接收機(jī)通道增益調(diào)得太低,雖然近程雜波回波不過(guò)載,但接收機(jī)靈敏度太低,影響遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)的檢測(cè)。為了解決這個(gè)矛盾,現(xiàn)代雷達(dá)一般采用數(shù)字靈敏度時(shí)間控制(STC)[2]電路。在每個(gè)發(fā)射脈沖之后,隨時(shí)間在射頻(RF)、中頻(IF)或在接收機(jī)前端的饋線中通過(guò)數(shù)控衰減器對(duì)接收機(jī)通道增益進(jìn)行某種規(guī)律的控制,近距離時(shí)可降低接收機(jī)通道增益和靈敏度,遠(yuǎn)距離時(shí)保持原來(lái)的增益和靈敏度,以保證正常發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)小目標(biāo)信號(hào)回波。

      數(shù)字STC電路具有控制靈活,控制信號(hào)可隨雷達(dá)周?chē)沫h(huán)境預(yù)先或?qū)崟r(shí)編程的特點(diǎn),可以有效地提高接收機(jī)的抗過(guò)載能力。對(duì)射頻和中頻衰減盡量采用先射頻衰減,再中頻衰減的方式進(jìn)行數(shù)控衰減器控制,防止接收機(jī)系統(tǒng)前端飽和。

      常規(guī)雷達(dá)一般采用靜態(tài)STC,一般預(yù)先設(shè)置一組或幾組靜態(tài)STC曲線。根據(jù)式(1)、式(2)、式(3),可得到雷達(dá)全程理論靜態(tài)STC。實(shí)際靜態(tài)STC曲線要綜合考慮接收機(jī)衰減器調(diào)節(jié)范圍和好的工程實(shí)現(xiàn),圖1為三坐標(biāo)雷達(dá)的一條靜態(tài)STC曲線。

      圖1 靜態(tài)STC曲線示意圖

      雷達(dá)在不同陣地,即使同一陣地在不同氣象等條件下,實(shí)際雜波強(qiáng)度不可預(yù)計(jì),常常會(huì)造成接收通道飽和,引起地雜波頻譜的大大展寬,從而使雷達(dá)不能很好地抑制地雜波,造成雜波剩余太多,雷達(dá)錄取性能下降;或者設(shè)置的STC衰減太大,造成雷達(dá)小目標(biāo)探測(cè)能力下降。

      現(xiàn)在有些雷達(dá)的靜態(tài)STC曲線可采用手動(dòng)方式現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整,雜波剩余狀況略有改善,但一般只對(duì)雜波較大的某一方位設(shè)置靜態(tài)STC曲線,其他方位同樣會(huì)出現(xiàn)小目標(biāo)探測(cè)能力下降的問(wèn)題。如對(duì)所有方位、仰角均手動(dòng)設(shè)置STC曲線,工作量太大,很難完成。

      雷達(dá)最大輸入動(dòng)態(tài)范圍Din計(jì)算方法為

      式中:σ0=0.000 32/λ0,σ0為面雜波反射系數(shù),λ0為雷達(dá)波長(zhǎng);c為光速,c=3×108m/s;τ為脈壓后脈沖寬度;Rmax為最大作用距離;Rmin為最小作用距離;θ0為方位波束寬度,單位為rad;ξ為最大方位掃描角;LBS為波束形狀損失;σt為目標(biāo)RCS;σc為雜波面積;S/N為單一脈沖檢測(cè)信噪比。

      若式(1)的Rmin改為R,即為距離R處輸入動(dòng)態(tài)范圍DRin,輸出動(dòng)態(tài)范圍為Dout(線性動(dòng)態(tài)范圍),即可得到距離R處的STC值DRSTC

      2 雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC對(duì)地雜波的抑制效果分析

      雷達(dá)到達(dá)陣地后,如果有方法自動(dòng)測(cè)量覆蓋范圍內(nèi)所有方位和仰角的實(shí)際雜波強(qiáng)度,建立不同方位、仰角、距離的雷達(dá)陣地雜波圖,應(yīng)用一定的算法,計(jì)算出不同方位、仰角、距離的動(dòng)態(tài)STC值,建立雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC曲線,則可解決靜態(tài)STC帶來(lái)的問(wèn)題。

      一般情況下,對(duì)雷達(dá)方位覆蓋可根據(jù)方位波束寬度進(jìn)行等分,也可略大于波束寬度;仰角覆蓋可根據(jù)搜索仰角波位進(jìn)行分層;距離上的分段一般根據(jù)接收機(jī)EPROM存儲(chǔ)量進(jìn)行劃分,不需全程進(jìn)行STC設(shè)置,因?yàn)檫h(yuǎn)區(qū)不需通道增益調(diào)整。STC衰減的最小量化單元越精細(xì)越好,但從工程實(shí)現(xiàn)上,一般情況下最小量化單位為1 dB或2 dB對(duì)系統(tǒng)已足夠。

      例如,雷達(dá)方位波束寬度1.2°,360°方位覆蓋,仰角搜索波位13個(gè),最大作用距離400 km,最小作用距離15 km,可建立的動(dòng)態(tài)STC為方位256等分,仰角分為13層,距離按4 km進(jìn)行量化,STC衰減最小量化刻度1 dB。該雷達(dá)實(shí)測(cè)陣地雜波如圖2所示。采用靜態(tài)STC曲線雜波剩余情況如圖3所示,采用動(dòng)態(tài)STC雜波剩余情況如圖4所示。

      圖2 雷達(dá)實(shí)測(cè)陣地雜波

      圖3 雷達(dá)靜態(tài)STC雜波剩余情況

      圖4 雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC雜波剩余情況

      采用動(dòng)態(tài)STC后單圈雜波剩余由約600個(gè)減為約50個(gè),雜波抑制效果明顯改善。若結(jié)合雷達(dá)剩余雜波圖進(jìn)行雜波濾除,基本可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全程自動(dòng)錄取。

      下面分別介紹模擬相控陣?yán)走_(dá)和數(shù)字陣列雷達(dá)陣地雜波圖測(cè)量和動(dòng)態(tài)STC建立方法。

      3 模擬相控陣?yán)走_(dá)動(dòng)態(tài)STC建立方法

      模擬相控陣?yán)走_(dá)是指相控陣天線發(fā)射波束和接收波束采用強(qiáng)制饋電或空間饋電集中形成[3]。模擬相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)系統(tǒng)分為集中式接收機(jī)和分布加集中式接收機(jī)。集中式接收機(jī)是指饋電網(wǎng)絡(luò)形成接收波束后才進(jìn)入接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)放大和變頻。分布加集中式接收機(jī)是指在饋電網(wǎng)絡(luò)中先進(jìn)行接收信號(hào)的部分放大,在接收波束形成后進(jìn)行合成接收信號(hào)的放大和變頻。

      3.1 集中式接收機(jī)動(dòng)態(tài)STC建立方法

      對(duì)于集中式接收機(jī),最大輸入動(dòng)態(tài)范圍Din一般為90 dB~100 dB,輸出動(dòng)態(tài)范圍Dout一般為50 dB ~60 dB??紤]到強(qiáng)雜波的影響,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),STC的設(shè)計(jì)范圍DSTC一般設(shè)置為

      其中,DSTC的射頻STC值DRFSTC和中頻STC值DIFSTC一般對(duì)半設(shè)置。

      一般情況下,在接收機(jī)不設(shè)置STC時(shí),近距離通道會(huì)飽和??稍O(shè)計(jì)一路對(duì)數(shù)放大接收機(jī),在不設(shè)置STC時(shí),近距離通道也不會(huì)飽和,可用于測(cè)量近距離強(qiáng)雜波信號(hào)。

      采用對(duì)放接收機(jī)測(cè)量距離R處陣地雜波,計(jì)算動(dòng)態(tài)STC值DRSTC的方法如下:

      首先,統(tǒng)計(jì)對(duì)放通道遠(yuǎn)端非雜波區(qū)的噪聲基底平均值DN,一般取遠(yuǎn)端16個(gè)距離采樣單元回波進(jìn)行平均。

      然后,測(cè)量對(duì)放通道輸入回波與輸出回波的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在接收機(jī)對(duì)放通道前端灌入連續(xù)波信號(hào),調(diào)整輸入信號(hào)強(qiáng)度,測(cè)量輸出信號(hào)變化。假定輸出信號(hào)增加1個(gè)量化刻度,輸入信號(hào)強(qiáng)度增加X(jué)。

      雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)機(jī),進(jìn)行雜波測(cè)量,若對(duì)放通道在距離R處雜波回波幅度為Sout,則接收機(jī)輸入端的雜噪比CNR為

      通過(guò)式(1)計(jì)算出距離R處輸入基本動(dòng)態(tài)范圍

      距離R處考慮陣地雜波輸入動(dòng)態(tài)范圍為

      若雷達(dá)的輸出動(dòng)態(tài)范圍為Dout,則距離R處的動(dòng)態(tài)STC值為

      假定動(dòng)態(tài)STC最小量化單位為1 dB,若DRSTC大于0 dB,則按STC的最小量化單位量化取大,動(dòng)態(tài)STC測(cè)量值4.5 dB,則量化為5.0 dB;若DRSTC小于等于0 dB,動(dòng)態(tài)STC值設(shè)為0 dB。

      采用對(duì)放通道測(cè)量動(dòng)態(tài)STC,天線旋轉(zhuǎn)一圈即可完成測(cè)量。

      3.2 分布加集中式接收機(jī)動(dòng)態(tài)STC建立方法

      分布加集中式接收機(jī)示意圖如圖5所示,天線陣面包含m個(gè)天線子陣,每個(gè)子陣由n個(gè)天線單元組成,每個(gè)天線單元連接1個(gè)單元接收機(jī)。

      圖5 分布加集中式接收機(jī)示意圖

      通道接收機(jī)最大輸入動(dòng)態(tài)范圍Din見(jiàn)式(1)。子陣接收機(jī)的最大輸入動(dòng)態(tài)范圍DSA[3]為

      單元接收機(jī)最大輸入動(dòng)態(tài)范圍DAL[3]為

      單元和子陣接收機(jī)輸入動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)通道接收機(jī)已減小很多。因此,對(duì)于分布加集中式接收機(jī),一般單元級(jí)進(jìn)行RF回波的LNA放大,不設(shè)置射頻數(shù)字衰減器;子陣級(jí)進(jìn)行RF回波二次放大,設(shè)置0.5DRFSTC射頻衰減;波束形成后在通道接收機(jī)進(jìn)行RF回波放大和下變頻,設(shè)置0.5DRFSTC射頻衰減和全部的DIFSTC中頻衰減。對(duì)此類接收機(jī)可在通道接收機(jī)設(shè)置一路對(duì)數(shù)放大接收通道用于動(dòng)態(tài)STC的測(cè)量。

      距離R處動(dòng)態(tài)STC值DRSTC的測(cè)量方法如下:

      在陣面前方對(duì)雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波信號(hào),調(diào)整輸入信號(hào)強(qiáng)度,測(cè)量輸出信號(hào)變化。假定輸出信號(hào)增加1個(gè)量化刻度,輸入信號(hào)強(qiáng)度增加X(jué)。

      其他步驟同集中接收機(jī)動(dòng)態(tài)STC建立方法,即可完成對(duì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC的測(cè)量。

      4 數(shù)字陣列雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC建立方法

      數(shù)字陣列雷達(dá)包括子陣數(shù)字化和單元數(shù)字化雷達(dá)。子陣數(shù)字化雷達(dá)在子陣接收機(jī)進(jìn)行接收信號(hào)的數(shù)字化,完成數(shù)字波束形成,接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖6所示;單元數(shù)字化雷達(dá)在單元接收機(jī)進(jìn)行接收信號(hào)的數(shù)字化,完成數(shù)字波束形成,接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖7所示。

      圖6 子陣數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)示意圖

      圖7 單元數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)示意圖

      對(duì)于子陣數(shù)字化雷達(dá),單元接收機(jī)一般不設(shè)置射頻衰減器,所有射頻和中頻衰減器放置在子陣接收機(jī)。按式(1)、式(2)、式(3)、式(10)建立子陣數(shù)字化雷達(dá)的理論靜態(tài)STC圖。

      對(duì)于單元數(shù)字化雷達(dá),按式(1)、式(2)、式(3)、式(11)計(jì)算單元數(shù)字化雷達(dá)的理論靜態(tài)STC圖。

      不論單元或子陣數(shù)字化雷達(dá),不可能在每個(gè)單元或子陣設(shè)置對(duì)放通道進(jìn)行動(dòng)態(tài)STC的測(cè)量。單元或子陣數(shù)字化雷達(dá)距離R處的動(dòng)態(tài)STC值DRSTC的測(cè)量方法如下:

      假設(shè)STC最小量化刻度為1 dB,接收機(jī)輸出端最大幅度為Amax。

      首先,對(duì)接收機(jī)全程設(shè)置最大的STC衰減STCmax,距離R處的回波為ARSTCmax。若Amax/ARSTCmax≤1 dB,則距離R處的STC值設(shè)為STCmax;若Amax/ARSTCmax>1 dB,不進(jìn)行處理。

      然后,接收機(jī)全程設(shè)置STC衰減值為STCmax-1,距離R處的回波為ARSTCmax-1。若0<Amax/ARSTCmax-1≤1 dB,則距離R處的STC值設(shè)為STCmax-1;假如Amax/ARSTCmax-1>1 dB,不進(jìn)行處理。

      同理,順序?qū)邮諜C(jī)全程設(shè)置STC衰減值為STCmax-n,距離R處的回波為 ARSTCmax-n。若0<Amax/ARSTCmax-n≤1 dB,則距離 R處的STC值設(shè)為STCmaxn;假如 Amax/ARSTCmax-n>1 dB,不進(jìn)行處理。

      直至接收機(jī)全程設(shè)置STC衰減值為1 dB,距離R處的回波為ARSTC1。若0<Amax/ARSTC1≤1 dB,則距離R處的STC值設(shè)為1 dB;假如Amax/ARSTC1>1 dB,則距離R處的STC值設(shè)為0 dB。

      按上述步驟即可建立與陣地雜波相關(guān)的動(dòng)態(tài)STC圖。

      最后,把建立的動(dòng)態(tài)STC圖和理論靜態(tài)STC圖進(jìn)行比較,對(duì)于每個(gè)距離、方位、仰角單元的STC值按取大處理即可得到最終的動(dòng)態(tài)STC圖。

      同理,對(duì)于模擬陣?yán)走_(dá)也可采用上述方法建立動(dòng)態(tài)STC圖,但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)于作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間短的高機(jī)動(dòng)雷達(dá)不太適用。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      雜波抑制一直是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),隨著雷達(dá)自動(dòng)化、智能化要求越來(lái)越高,比較有效的措施是首先進(jìn)行陣地雜波測(cè)量,建立動(dòng)態(tài)STC防止接收機(jī)通道飽和,同時(shí)在信號(hào)處理或數(shù)據(jù)處理采用剩余雜波圖[4]進(jìn)行雜波的濾除。

      [1] Skolnik M I.Radar handbook[M].2nd ed.New York:McGraw-Hill,1990.

      [2] 丁鷺飛,耿富錄,陳建春.雷達(dá)原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.Ding Lufei,Geng Fulu,Chen Jianchun.Radar principle[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009.

      [3] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.Zhang Guangyi.Phased array radar technology[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2006.

      [4] 馬曉巖,向家彬.雷達(dá)信號(hào)處理[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1999.Ma Xiaoyan,Xiang Jiabin.Radar signal processing[M].Changsha:Hunan Science & Technology Press,1999.

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