搜索空情雷达加装旁瓣匿影系统的设计

王昱辉 漆先虎

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

针对对空搜索雷达实施电子干扰是军用飞机、弹道导弹等常用的突防手段[1]。由于搜索雷达天线波束宽度的典型值约为1～3°，所以雷达天线旁瓣宽度远大于主瓣宽度，且目标回波与干扰信号的入射方向不一定相同，故大部分干扰信号从天线旁瓣进入雷达中[2]。为了使得雷达不受旁瓣方向的低占空比干扰信号的影响而产生了旁瓣匿影系统。

1 旁瓣匿影的工作原理

雷达旁瓣匿影技术是一种用于抑制从雷达旁瓣进来的假目标等欺骗性干扰的技术。雷达旁瓣匿影系统的基本原理图如图1所示。系统除了雷达主天线和主通道之外，增加了一个参考天线和一个辅助通道。对参考天线的要求是其增益略大于雷达天线的任何旁瓣增益而远小于雷达天线主瓣增益，辅助通道一般与主通道相同[3]。基本工作原理是：在正常工作时，目标反射信号从雷达天线主瓣进入雷达，主通道输出信号比辅助通道输出信号大，比较器输出为“1”，门限电路打开，雷达完成正常的检测工作。当干扰信号从雷达天线旁瓣进入雷达时，辅助通道输出信号大于主通道输出信号，比较器输出为“0”，门限电路关闭，起到旁瓣匿影效果。整个系统的设备量小，性价比高[4]。

图1 旁瓣匿影系统基本原理图

2 加装旁瓣匿影设计

在原雷达系统大时宽脉冲压缩、变频等多种抗干扰体制或抗干扰手段的基础上，基于目前的技术状态和装备硬件情况，增加搜索雷达旁瓣匿影抗干扰措施，提高雷达抗远程支援干扰的能力。在搜索天线上加装参考天线及辅助接收机。参考回波经信号处理机采样处理，完成对目标信号的校准。搜索雷达信号处理机软件进行适应性改进，在门限检测时增加参考通道(辅助通道)门限处理，完成旁瓣匿影[5-6]。搜索雷达增加旁瓣匿影处理功能后，为保证旁瓣目标可靠匿影的同时，主瓣目标检测损失影响最低，旁瓣匿影参考天线增益略大于搜索天线最大旁瓣而远小于搜索天线主瓣，且辅助通道中设置可调节的检测门限，与搜索雷达自身的检测门限和恒虚警门限配合，可最大程度降低因旁瓣匿影处理所带来的检测损失，同时可更好保护搜索雷达主瓣弱小目标的检测，对原雷达性能影响较小。

加装旁瓣匿影后，搜索雷达组成框图如图2所示。

其中，参考天线和辅助接收机为加装设备，对搜索信号处理机进行接口扩展设计和软件适应性改进。

2.1 参考天线设计

受原搜索雷达尺寸影响，新增的参考天线只能利用雷达搜索天线系统的剩余结构空间合理放置，结构布局成为影响参考天线设计的关键因素。原搜索雷达天线衰减器波导端面与天线罩之间存在一狭长区域可用于安装参考天线，如图3所示，参考天线可在该结构尺寸条件下进行最优的电性能设计。

图3 参考天线安装区域

参考天线采用馈线直接耦合的多层微带天线形式，其几何结构示意图如图4所示。水平极化，阵面由6个单元组成一维线阵，其中方位维1单元，俯仰维6单元，能够满足结构设计要求。

图4 馈线直接耦合多层微带分层几何结构示意图

参考天线采用铝板作为背板固定天线，背板一侧设计四个紧固块，上面开有和搜索天线波导法兰相同直径的螺钉孔，这样可以利用搜索天线原有的螺钉将参考天线背板进行固定，既充分利用原有器材又能节省空间，保证了参考天线的稳固结构安装。

原搜索天线正常工作时，其天线阵面安装基座采用了13.5°的上仰角度，参考天线受结构安装尺寸限制，采用与原搜索天线保持阵面平行安装方式。为保证参考天线在水平0°～15°保持其法线指向为7.5°，参考天线通过改变不等相馈电实现电扫6°。经过工程设计后，参考天线满足系统需求。参考天线接口为一个SMA射频接口，用于将接收的回波信号传输给辅助接收机。经过设计与仿真，参考天线方位维方向图与搜索天线方向图相对关系对比图如图5所示[7-8]。

图5 方位维参考天线与搜索天线方向图相对关系

2.2 辅助接收机设计

辅助接收机主要用于搜索雷达进行旁瓣匿影处理时，对参考天线回波信号进行下变频处理和线性放大，其设计采用成熟技术，电气原理上与原搜索雷达收发模块接收部分保持一致，对结构和电气接口进行适应性设计，以满足系统使用需求。

辅助接收机主要构成为接收通道，包括低噪放、下变频、中频放大以及相关电源等电路，工作示意图如图6所示。

图6 辅助接收机工作示意图

辅助接收机以来自一分二功分器的一路信号作为本振信号，与从参考天线接收到的射频信号一起进入混频器，下变频后获得的中频信号经滤波、三级放大、再滤波后输出到搜索信号处理机进行采样处理。其工作原理框图如图7所示。

图7 辅助接收机原理框图

辅助接收机安装于搜索雷达电子箱校准网络16功分器背面空余空间处，既合理利用了空间，又不影响其它系统，其安装位置与参考天线间距不足30cm，减小了射频回波传输损耗。

辅助接收机电气接口设计主要包括以下接口：

1)供电：DC 10v，九芯插座连接，由搜索前置功放模块供电输入提供；

2)本振信号输入：来自一分二功分器，SMA同轴电缆连接，频综输出本振经一分二功分器后，一路连接到辅助接收机，另一路连接到前置功放模块；

3)射频信号输入：来自参考天线，SMA同轴电缆连接；

4)中频信号输出：SMA同轴电缆连接，输出到搜索信号处理机采样处理板。

经过工程设计后，辅助接收机的达到的主要技术参数满足系统需求。

2.3 信号处理机改进设计

搜索雷达信号处理机由3块6UcPCI板卡构成。一块是全局控制板，主要完成对外通讯以及相关的数据处理、控制等工作；一块为定时接口板，用于产生所有的定时信号和对外通信接口，主要包括CPI、PRF、频综定时信号、波控机定时信号、与频综通信信号、与波控机通信信号；一块采样处理板，用来AD采样、数字下变频、数字波束形成、数字脉冲压缩、MTD、CM、CFAR、旁瓣匿影、点迹凝聚、接收通道幅相校正、发射通道相位校正等处理，最后获得目标的检测结果[9-11]。搜索雷达信号处理机组成原理框图如图8所示。

图8 搜索雷达信号处理机组成原理框图

对搜索雷达信号处理机采样处理板进行接口扩展设计和软件适应性改进。增加1路辅助接收机通道信号输入接口，用于旁瓣匿影功能的处理。原采样处理板采用了三片ADS5272具备共24路AD处理能力，实际板卡仅使用了17路数据的AD采样，包括16路收发系统中频回波和1路相位测试中频采样处理。改进设计后，采样处理板将使用端子代号为1131.07-XP03：3的接口作为辅助接收机AD采样通道进行接入。

采样处理板软件上继承大部分原有功能模块，针对搜索雷达增加辅助接收机通道信号输入等进行软件适应性改进，实现的功能主要包括：18路数据的AD采样、数字下变频(DDC)、数字波束形成(DBF)、数字脉冲压缩(DPC)、动目标检测(MTD)、杂波图(CM)、单元平均恒虚警(CFAR)、和差单脉冲测俯仰角、点迹凝聚、发射相位校正、接收通道幅相校正。功能框图见图9所示。

图9 采样处理板功能框图

3 旁瓣匿影效果测试

在信号源输出干扰信号条件下，首先关闭搜索雷达旁瓣匿影功能，在搜索空情终端PPI界面上观察搜索雷达干扰点迹，通过调节信号源输出幅度到合适数值，以使旁瓣方向(即信号源方向以外)存在大量干扰。通过搜索空情终端控制搜索雷达开启旁瓣匿影抗干扰功能，并调节旁瓣匿影门限，在搜索空情终端界面上观察到旁瓣方向的干扰点迹被抑制，且旁瓣匿影门限越高，抑制的干扰越多。雷达在关闭旁瓣匿影时检测到的目标，当打开旁瓣匿影时也能检测到。图10为从搜索空情终端看到的干扰与匿影效果对照图。

图10 搜索空情终端看到的干扰与匿影效果对照图

4 结束语

本文利用雷达搜索天线系统的剩余结构空间加装了参考天线和辅助接收机以及对搜索雷达信号处理机软件进行适应性改进，并且辅助通道中设置可调节的检测门限与搜索雷达自身的检测门限和恒虚警门限配合，从而在实现旁瓣匿影功能的同时可最大程度降低因旁瓣匿影处理所带来的检测损失。试验结果表明该设计的旁瓣匿影效果显著而且可更好保护搜索雷达对主瓣弱小目标的检测，对原雷达性能影响较小。目前存在大量的现役雷达不具备旁瓣匿影功能，可以根据需要，以本文为借鉴，加装旁瓣匿影系统以提高雷达的抗干扰性能。