一种宽开高灵敏度雷达侦察技术研究

赵 玉袁鹏鹏居 易

(中国船舶集团有限公司第八研究院,江苏 扬州 225101)

0 引言

随着现代信息技术的飞速发展,越来越多的新体制雷达具有低截获概率(LPI)、信号瞬时带宽越来越宽和信号脉内特征复杂度越来越高等特点,这就对雷达侦察装备的性能提出了更高要求,以满足对新体制雷达的侦察需求,为后续对抗提供有力支持和保障。因此研究如何实现瞬时宽带宽且侦察灵敏度高的侦察技术是雷达侦察领域的重要研究方向。本文将介绍一种宽开高灵敏度雷达侦察技术,该技术适用于实际雷达侦察装备的设计工作。

1 雷达侦察体制

雷达侦察技术主要用于对环境中雷达信号的实时截获、参数测量、分选和识别。根据雷达侦察装备所采用的测频、测向技术的不同,测向可以分为模拟多波束比幅测向、数字多波束比幅测向、干涉仪比相测向等;测频分为宽开瞬时测频、单比特测频和数字信道化测频等。常见的雷达侦察装备主要由测频+测向天线、微波电路、信号接收及测量电路、数据处理电路以及电源等部分组成。雷达侦察装备根据使命任务及布置平台的不同,采用的测向、测频体制各部分的组成也有很大差异,舰载平台多采用多波束比幅测向(如美国的SLQ-32侦察系统),机载告警侦察系统多采用干涉仪测向体制。

1.1 模拟多波束比幅测向体制

采用模拟多波束比幅测向体制的侦察装备主要包括多波束测向天线(多数为喇叭阵或者透镜)、宽开测频天线、微波接收、测频接收机、测向接收机、后端分选识别、显示控制及电源,其设备组成示意图如图1所示。测频接收机主要有单比特测频接收机、瞬时测频接收机或数字信道化测频接收机等。其工作流程为:后端控制电路接收到显控下发的工作命令后,测频接收机从测频天线检测到外界雷达信号并测量信号的载频、脉宽、幅度等参数,测向接收机接收前端多路测向天线经对数视频检波放大器(DLVA)处理后的视频信号,进行方位参数测量并接收测频接收机的频率码等信息,最终形成雷达辐射源脉冲描述字(PDW)送后端进行分选识别,识别处理结果送显示控制进行最终显示。该技术体制具有成熟度高、设备量适中、环境适应能力强等优点,其主要缺点是难以同时实现宽开+高灵敏度侦察。

图1 模拟多波束比幅测向体制装备组成示意图

1.2 数字多波束比幅测向体制

基于数字多波束比幅测向的侦察系统主要由阵列天线(接收组件)、波束控制及馈电、微波接收、数字波束形成、参数测量、分析识别和显示控制等部分组成,其组成示意图如图2所示。该侦察体制的显著优点是灵敏度高(超过-100 dBm 以上),可以实现方位、俯仰二维测向等;但同时也具有设备量大、技术复杂度高、成本贵等缺点,且瞬时工作带宽一般不超过1 GHz,如果想具有更宽的瞬时带宽,其设备量、实现难度和成本均将急剧增大。

图2 数字多波束比幅测向体制装备组成示意图

1.3 干涉仪比相测向侦察体制

干涉仪比相测向体制具有设备量小、测向精度高、组阵形式多样、可二维测向等诸多优点,在电子侦察领域具有重要地位。该体制是通过测量雷达信号的相位信息从而获得信号的来波方向。虽然其在设备量、测向精度等方面有其自身的优势,但是当环境中存在多径传输时,干涉仪测向系统往往会产生方位增批现象,另外受限于天线形式等因素其系统灵敏度提升困难。通常采用干涉仪比相测向体制的侦察装备,其组成如图3所示。其主要由干涉仪天线阵、微波变频、数字信道化接收机、分选识别和显示控制等部分组成,图3中的干涉仪天线为一维阵列,如需实现二维测向,则天线为二维阵列。

图3 干涉仪测向体制组成示意图

2 一种宽开高灵敏度侦察系统设计

经上一节的分析比较,可以看出数字多波束比幅测向体制可以实现高灵敏度侦察,但是难以实现瞬时带宽宽开,干涉仪测向体制灵敏度难以提升。本文设计的宽开高灵敏度侦察系统要求方位瞬时360°宽开,频率瞬时覆盖8～18 GHz,灵敏度优于-75 dBmi,天线需平面化安装。针对上述要求,采用模拟多波束比幅测向技术实现方位瞬时360°宽开,测频使用数字瞬时测频技术实现频域宽开。其组成原理框图如图4所示,即测频采用1/4全向天线(每个天线覆盖90°方位范围),经微波前端接收后变频送测频接收机测频;测向天线阵接收测向信号经测向接收前端DLVA 处理后送测向接收机,最终形成PDW 送后端分选与识别。

图4 总体组成框图

2.1 总体设计

本文设计的宽开高灵敏度接收系统主要由天线阵、测频接收前端、测向接收前端、测频接收机、测向接收机及后端的分选与识别和显示控制部分组成。下面主要从影响侦察灵敏度的天线阵、测向接收前端和接收机等方面进行重点介绍。

2.2 天线设计技术

侦察设备的天线设计主要取决于系统的测向精度、灵敏度等指标以及安装尺寸要求等。对于采用多波束比幅测向系统的天线,其方向图可用高斯型近似表示,天线的波束宽度(由单元数决定)对系统测向精度起着决定性的作用,同时也影响着系统灵敏度。常用的多波束比幅测向系统天线阵多采用柱透镜天线阵或恒波束喇叭阵,图5给出了几种常见的多波束天线阵示意图。当安装平台尺寸较大、系统测向精度要求不高时可采用圆阵喇叭阵(喇叭数量一般不超过32个),当系统测向精度要求较高时可采用直线喇叭阵+罗特曼透镜或柱透镜天线阵形式。

图5 常用天线阵组成示意图

天线单元数越多,波束宽度则越窄,天线的增益也越高。如图5所示,采用圆阵喇叭阵或者柱透镜天线阵,不容易实现平面化安装,对有平面化安装要求的平台则不适用。可以采用直线喇叭阵+罗特曼透镜的方式实现平面化安装,同时可以在360°方位范围内实现更多的测向波束数,使得系统的测向精度和灵敏度指标更高。本文设计的宽开高灵敏度侦察系统测向天线阵采用直线喇叭阵+罗特曼透镜,测频采用角锥喇叭天线。其天线方向图仿真结果如图6所示,由图可以看出测向天线增益约为16 d B,测频天线增益大于5 d B(±45°范围内)。

图6 测向测频天线仿真方向图

2.3 微波测向前端设计

微波测向前端主要完成对天线端输入射频信号的放大、开关选择、程控、视频检波等,其单路的工作原理框图如图7所示。

图7 测向微波前端工作原理框图

2.4 接收机设计

随着模数转换器(ADC)采样率的提高和现场可编程门阵列(FPGA)数字信号处理能力的增强,数字信道化接收机的瞬时带宽和灵敏度均有较大提升。美国BAE系统公司研制的数字信道化接收机,其瞬时带宽超过500 MHz,被广泛装备到F35 和F22战斗机。本文设计的接收机主要包括超宽带测频接收机和多波束比幅测向接收机设计两部分,其组成如图8所示,主要包括测量量化板、超宽带测频接收板、参数融合板和接口板等。

图8 接收机组成框图

超宽带测频接收板原理框图如图9所示,单路测频射频进入接收机,经变频后形成4 路0.5～4.5 GHz的中频信号,经高速模/数(A/D)采样后送融合FPGA 处理形成频率码,因此超宽带测频接收的瞬时带宽可达16 GHz。

图9 超宽带测频接收原理框图

2.5 主要技术指标计算分析

本文采用直线喇叭阵+罗特曼透镜形成64路测向波束,下面对瞬时覆盖带宽、测向精度和灵敏度等指标进行分析计算。

本文的侦察系统测向接收机采用多波束比幅测向,其瞬时带宽取决于DLVA 的带宽,目前DLVA的瞬时带宽可以覆盖2～18 GHz,达到16 GHz;测频接收机瞬时带宽前文已经分析,也可以达到16 GHz。

当天线单元数为64时,为5.625°,利用实际工程经验可以得到测向精度,达到1.5°(r.m.s)左右。下面计算接收机灵敏度:

式中:F 为噪声系数(取6 d B);B 为射频带宽(取10 G);B 为视频带宽(取50 M);为识别系数(取3 dB)。

则计算得到测向接收机的灵敏度为-65 d Bm。由图6可见天线的增益大于15 dB,则设计之后的系统测向灵敏度可达-80 dBm 以上。测频支路采用超宽带测频接收机,其灵敏度为:

式中:P 为接收机灵敏度,单位为d Bm;为接收机中频带宽,单位为MHz;为接收机噪声系数,单位为d B;σ为检测或处理所需要的最低信噪比,单位为dB。

根据本系统特性,要保证宽的瞬时带宽,提高灵敏度只能从两方面着手:一是减小接收机噪声系数,这方面的潜力是有限的;二是降低检测信号所需的信噪比,通过采用适当的数字信号处理技术,提高处理增益,降低σ。本文设计的高灵敏度侦察系统中,频带宽取10 000 MHz,噪声系数取10 d B,检测信噪比σ取-9 dB,接收机灵敏度P 可以达到-73 dBm(-114+40+10-9)。测频天线增益可以达到5 d B以上(8～18 GHz频段),因此测频支路灵敏度优于-78 dBm,考虑到天线增益起伏等因素,系统整体灵敏度可达-75 dBm 以上,相比多数宽开侦察系统的灵敏度有较大提升。

3 结束语

本文从雷达侦察体制角度出发,分析了模拟多波束、数字多波束和干涉仪比相测向等几种测向体制的侦察设备组成及优缺点,提出一种满足平面化安装要求的宽开高灵敏度雷达侦察技术及系统,介绍了该侦察系统的天线、微波测向前端和接收机等部分的设计,最后对基于该技术的一种8～18 GHz频段的侦察系统测向精度和灵敏度指标进行仿真分析和计算。该技术对于实现宽开高灵敏度侦察系统设计具有实际借鉴意义。