天线方向图畸变对机载雷达探测性能影响分析

匡云连,蒋柏峰

(中国电子科学研究院，北京 100041)

天线方向图畸变对机载雷达探测性能影响分析

匡云连,蒋柏峰

(中国电子科学研究院，北京 100041)

天线方向图作为雷达探测性能的输入，由于受到雷达收发通道幅相特性、天线阵面形变及载机平台近场散射等因素的影响而产生畸变，最终作用于雷达的探测性能。本文主要分析受机身影响的天线方向图畸变对机载雷达探测性能的影响。影响机载雷达探测性能的主要性能指标包括雷达空间覆盖盲区、速度盲区、最小可检测速度、最大作用距离及探测精度等，本文通过分析雷达探测性能指标，建立了畸变前后的探测性能分析参数模型，分析了天线方向图的电性能指标(波束宽度、上翘角、副瓣电平、增益等)变化前后的雷达探测性能。仿真及分析结果表明：实际工程中，天线方向图畸变对机载雷达探测性能的分析是必不可少的； 俯仰波束的压缩增大了雷达的近程盲区，上翘角影响了雷达的速度盲区，方向性系数、副瓣电平、主瓣宽度影响了雷达探测作用距离、探测精度和分辩特性。

天线方向图；畸变；机载雷达；探测性能

0 引 言

雷达天线的电性能指标(如增益、副瓣电平、波束指向等)与雷达系统的战术、技术指标密切相关，很大程度上决定了雷达的探测性能。雷达天线安装在飞机平台上，受到载机平台对天线辐射的耦合和散射作用，引起天线方向图的畸变。文献[1]～[2]采用了不同的测量方法计算雷达天线受机身扰动后的方向图，并未分析受扰后的方向图对雷达探测性能的影响。文献[3]分析了机载脉冲多普勒雷达探测性能的主要指标，并未分析天线方向图对雷达探测性能主要指标的影响。文献[4]仅分析了平均副瓣对雷达探测距离的影响，并未全面分析方向图的其他指标对雷达探测性能的影响。文献[5]分析了杂噪比与雷达作用距离的关系，并未考虑天线的电性能指标对作用距离的影响。文献[6]分析了高斯杂波背景下天线副瓣对系统改善因子的影响，没有将最终影响投影到雷达的探测性能上。

本文首先分析了天线方向图畸变后，波束指向角上翘、半功率波束宽度变窄及副瓣电平变化等天线电性能的变化，对雷达探测性能的空间覆盖盲区、速度盲区、最大作用距离、雷达探测精度等性能指标的影响，然后提出了一个天线方向图畸变与雷达探测性能的评估模型，为以后工程上分析方向图畸变对探测性能提供理论指导。

1 雷达空间覆盖盲区

雷达探测盲区主要包括顶空盲区和低空盲区及机身、机翼遮挡盲区等。本文主要讨论天线方向图畸变后，雷达波束在俯仰方向上的覆盖范围发射改变而造成的雷达波束覆盖盲区，如图1所示。

图1 雷达顶空盲区和低空盲区示意图

雷达顶空盲区和低空盲区作用距离范围为

(1)

Δh为载机与目标机的高度差，φ为波束在俯仰上覆盖范围。

假定雷达下视探测海面目标，无畸变及由于俯仰波束宽度的变化引起的雷达低空盲区距离具体数值见表1。

表1 雷达下视盲区数值

从表1中看到，雷达俯仰波束的变化会导致雷达下视盲区的变化。无畸变时，雷达下视盲区为41 km；俯仰波束展宽为5°时，其下视盲区将近27 km；俯仰波束宽度压缩5°时，下视盲区为76 km。理想情况下，雷达的威力覆盖范围由雷达最小探测距离和最大探测距离来确定，雷达最小作用距离为雷达显示屏上测定目标的最近距离，主要受到雷达发射脉冲宽度及收发转换时间约束、目标与载机的相对高度、俯仰波束宽度及机身遮挡等因素影响。由于俯仰上波束的压缩带来的近程盲区高于雷达最小探测距离，降低了雷达的有效探测距离。当然，俯仰上波束的展宽会导致大量的近程杂波进入雷达接收机，需采取有效的近程杂波抑制方法以扩展雷达的探测范围。

2 雷达速度盲区

(2)

λ为雷达工作波长。根据几何关系

(3)

式中cosα=cosθcosφ，将式(2)代入到式(3)得

(4)

图2 天线阵列与杂波散射单元的几何关系

则目标径向速度为

(5)

载机速度v=125 m/s，Ψ=30°，γ=60°，vT=250 m/s，θ=45°，φ=0.2°，无上翘角变化时，目标检测到的径向速度为-25 m/s，受到方向图畸变，目标检测的径向速度呈余弦曲线变化，波束上翘角变化对雷达可检测速度的变化如图3所示。

图3 雷达目标可检测速度随上翘角变化

从图3中看到，无上翘角变化时，目标径向速度为-25 m/s,目标可检测；若存在上翘角变化时，目标径向速度呈余弦曲线变化：若目标径向速度大小低于雷达最小可检测速度时,目标落入速度盲区，不能有效检测；同时，上翘角导致雷达检测的目标径向速度大小与实际的目标径向速度存在差值，需要进行补偿。

3 雷达最小可检测速度

机载预警雷达最小可检测速度依赖于主杂波谱宽，主杂波谱宽度越宽，雷达可检测速度越低。杂波多普勒频率表达式为

(6)

根据式(3)，得到距离单元上由方位波束宽度引起的频谱宽度为

(7)

若θ∈(0π)取“+”，否则取“-”。则目标最小可检测速度为

(8)

式中κ为比例常数，与滤波器凹口宽度有关，本文取κ=2。根据式(8)，方位维波束宽度及波束俯仰角指向影响雷达最小可检测速度。

载机速度v=125 m/s，Ψ=30°，γ=60°，θ=45°，φ=0.2°，方位维波束覆盖范围中心指向±10°，杂波多普勒宽度受到上翘角的影响如图4所示。杂波主瓣多普勒宽度存在不同程度的展宽。

图4 雷达目标可检测速度随上翘角变化

4 最大作用距离

自由空间，雷达作用距离主要受噪声限制，表达式为

(9)

式中：Pav为平均功率；λ为工作波长；σt为目标的雷达散射截面积；Gt为天线的发射增益；Gr为天线的接收增益；N为接收机噪声功率；Fn为噪声系数；Ls为系统损耗；(S/N)req为检测所需最小信噪比。

杂波和噪声环境下，雷达的最大作用距离为

(10)

Creq为检测单元剩余杂波功率。若存在天线方向图畸变时，即天线的方向性系数、波瓣宽度、波束指向等发射变化，此时雷达距离方程为

(11)

(12)

方向图畸变后的噪声功率为

(13)

方向图畸变前后，雷达接收机噪声功率为

(14)

根据式(14)可知，天线波束宽度影响噪声功率强度。方位向主瓣宽度压缩，则天线波位数增多，导致每个波位的积累脉冲数降低，杂波滤波器宽度的增加同时带来噪声功率的增加，具体如图5。

图5 噪声功率受方向图畸变影响

方向图畸变后的剩余杂波功率为

(15)

假设天线方向图畸变前后，杂波滤波器对副瓣杂波的改善程度不变，则畸变前后剩余杂波功率为

(16)

仅考虑平均副瓣变化对雷达作用距离的影响，则上式可以简化为

(17)

则畸变前后雷达作用距离的表达式为

(18)

若假设无方向图畸变时剩余杂噪比为-2 dB,某雷达天线方向图电性能指标(天线阵列后视)受机身影响见表2。从表中看到，天线方向图畸变严重影响雷达的作用距离。

5 分辨特性

受到天线方向图畸变，雷达的方位分辨力和速

表2 天线方向图畸变的参数

度分辨力都会发生变化。雷达方位分辨力主要决定于天线方位面的3 dB波束宽度，具体表达式为

(19)

式中κ为比例常数。从式(19)中看到，波束宽度的压窄可以提高雷达的方位分辨能力。PD体制的雷达速度分辨能力主要取决于多普勒处理器的宽度，与雷达的波束驻留时间有关，具体表达式为

(20)

比较式(19)和式(20)，雷达的角度分辨率与速度分辨率相互矛盾，波束宽度展宽，降低空间方位分辨率，提高速度分辨率，具体数值见表3。从表3中看到，机头遮挡时，方位面半功率波束宽度降低，方位分辩力提高了0.139Δθ，速度分辨力降低了0.162Δv。因此，工程中应根据实际情况，综合考虑方位分辩力和速度分辨力，合理地分析天线方向图畸变的影响。

表3 天线方向图畸变对分辨特性影响

6 探测精度

6.1 测距精度

测距精度为测距误差、距离量化误差、噪声引起测距误差、多路径反射引起的测距误差等误差共同作用的结果，主要考虑噪声引起的测距误差。噪声引起的测距误差为

(21)

式中：τ为压缩后的脉冲宽度；n为等效积累脉冲数；γscnr为检测信杂噪比。

检测信杂噪比可以表示为

(22)

则天线方向图畸变前后，雷达检测信杂噪比的变化为

(23)

接收端回波的信号功率表达式为

(24)

式中Gp为信号处理增益。

则方向图畸变前后，信号功率的比为

(25)

根据式(14)、式(17)和式(25)得到

(26)

则测距精度的变化为

(27)

具体测距精度变化见表4。

6.2 测角精度

测角精度与测角方法及检测信噪比有关，忽略其他因素对测角精度的影响，主要考虑噪声引起的测角误差。

采用单脉冲测角时，噪声引起的测角误差

(28)

ne为检测次数。则方向图畸变前后，测角精度变化为

(29)

具体测角精度变化见表4。

6.3 测速精度

雷达测速精度计算表达式为

(30)

则方向图畸变前后，测角精度变化为

(31)

具体测速精度变化见表4。

6.4 小结

通过上述分析，探测精度(测距精度、测角精度和测速精度)主要与信号检测信杂噪比有关，天线方向图畸变的电性能参数极大的影响雷达探测精度。某雷达天线方向图电性能指标(天线阵列后视)受机身影响见表4。从表4中看到，受到天线方向图畸变的影响，测距误差、测角误差及测速误差都有一定程度的增大。

表4 天线方向图畸变的参数

7 结 语

通过分析，本文得到以下结论：

(1)天线方向图电性能参数影响雷达的空间覆盖盲区、雷达速度盲区、雷达最小可检测速度、雷达最大作用距离、分辨特性及探测精度等主要性能指标；

(2)给出天线方向图畸变的电性能参数值(波束宽度、上翘角、副瓣电平、增益等)，则可以计算雷达探测性能指标的变化值；

(3)本文对天线的设计及雷达探测性能的分析有参考意义。

[1] 陆军,赵辉.缩比模型法测试载机对雷达天线方向图影响.2011年全国微波毫米波会议论文集(下册)

[C].2011年: 1452-1455.

[2] 赵辉，晏璎.高阶矩量法计算机身对雷达天线方向图影响[J].微波学报,2012.

[3] 焦广伦，陆军.机载脉冲多普勒雷达探测性能的评估[J].电视技术,2009,49(11):80-84.

[4] 董鹏署，金加根，谢幼才等.天线副瓣对雷达探测的影响研究[J].雷达科学与技术,2014(12):112-115.

[5] 林华，刁东生.杂波下机载雷达探测距离评估技术研究[J].中国电子科学研究院学报,2009(3):317-319.

[6] 林幼权.机载预警雷达天线副瓣对系统改善因子的影响[J].现代雷达,1995(5):61-68.

Antenna Pattern Distortion Effect on Airborne Radar Detection Performance

KUANG Yun-lian,JIANG Bai-feng

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing, China 100041)

Antenna pattern as the input of radar detection performance, due to the radar transceiver channel amplitude and phase characteristics, antenna array deformation and the platform near-field scattering the antenna pattern produce distortion, the influence of such factors as the final effect on radar detection performance. This article mainly analysis antenna pattern distortion with the influence of the fuselage effect on the performance of airborne radar. The main performance indicators the airborne radar detection performance including radar space covers the blind area, speed blind area, the minimum detectable velocity, maximum effective distance and the detecting precision and so on, in this paper, by analyzing the radar detection performance, the detection performance analysis model is established before and after the distortion, analyzes the change of radar detection performance with the performance index of the antenna pattern (beam width and sidelobe level and gain, etc.). Simulation and analysis results show that the actual project, the antenna pattern distortion analysis of airborne radar detection performance is essential; Longitudinal beam compression increases the short-range radar blind area ,the newborn influence on the speed of radar blind area, the directivity , sidelobe level and main lobe width, affect the radar detection range, accuracy and determine characteristics.

Antenna pattern; Distortion; Airborne radar; Detection performance

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.019

2017-06-26

2017-08-09

匡云连(1988—) ，女 湖南人，工程师，主要研究方向为雷达信号处理技术；

E-mail：shoulian410@163.com

蒋柏峰(1987—) ,男, 博士，主要研究方向为阵列信号处理、无源雷达信号处理技术。

TN957.2

A

1673-5692(2017)04-432-06