经典雷达资料-第20章 测高和三坐标雷达-2.doc

792第20章 测高和三坐标雷达堆积波束雷达堆积波束雷达把同时形成的接收波束在仰角上垂直堆积起来，并在方位上机械旋转，以实现搜索和三坐标目标位置的测量。目标被单个发射波束所照射，该波束足够宽，以便能覆盖包含目标的接收波束的主波瓣。在这样的雷达中，通过幅度比较技术实现仰角的估计，且利用此技术可比较两个或多个相邻的同时仰角接收波束中目标距离处的回波幅度。因此，这种技术是通用同时波束转换技术的特例，即利用距离、仰角的输入值，由计算机查表确定目标的高度。这种方法的灵敏度取决于堆积波束的相互间距，用于形成波束的孔径照射和相对于波束轴线位置的目标到达仰角，以及其他与设备有关的误差来源。应当提及的是，即使在晴好天气的情况下，下述因素在一定程度上对堆积波束雷达整个测高性能也有很大的影响，即雷达设计时所采用的抗杂波的MTI和多普勒处理。当它的主瓣照射到地球表面，接收到地球表面杂波回波的这些对于堆积波束中最低的波束尤为重要。但是取决于杂波的严重性，这种情况对于堆积波束中所有的波束也是重要的。这是因为堆积波束雷达的仰角方向图基本上是单向的方向图，受接收仰角方向图的控制。这样，阻止雷达高波束照射地杂波或海杂波的仰角副瓣是（单向的）仰角接收副瓣，因为发射波束的主瓣必须宽到足以在仰角上覆盖所有的接收波束。这不同于笔形波束扫描雷达，在这种雷达中，发射仰角副瓣和接收仰角副瓣的乘积可防止雷达的高波束接收地杂波。在良性的地杂波应用中，实现堆积波束雷达的经济方法是在堆积波束中不带MTI或多普勒处理而把这种处理留给了单个的余割平方接收检测波束。AN/TPS43雷达是广泛应用的堆积波束作战雷达的例子。它部署于20世纪70年代，是一种可移动的陆基S波段雷达，曾在美空军战术空中指挥系统（TACS）中广泛用于空中监视。这种雷达使用多喇叭馈源照射，以每分钟6圈转动的反射面天线在仰角上产生6个堆积的接收波束。该雷达的原始型采用线电子注行波速调管，产生射频峰值功率为MW的6.5ms简单脉冲，测量距离为240n mile，并可用6种平均值为250Hz的重复频率工作。堆积接收波束在方位上的波束宽度为1.1，其仰角波束宽度以6个波束覆盖总计有20的仰角范围。这种雷达的后期型号提供了脉冲压缩和改进的MTI波形和处理13。AN/TPS75雷达是具有平面阵列低副瓣天线的升级型。堆积波束雷达的另一个例子是S713 Martello，如图20.2（a）所示是L波段可移动的包含8个波束的堆积波束雷达。S713 Martello运用中频（IF）处理在仰角上形成接收波束堆积；工作时，形成余割平方形发射波束且在接收时形成和处理8个窄波束；第9个形状为余割平方的接收波束用以监视和检测；和常规的2D雷达一样确定方位和距离；通过对相邻的堆积仰角波束中接收信号的强度进行内插运算以确定目标仰角，从而完成测高；天线阵列高为10.6m，宽为6.1m，由60个中央馈电的行组成，每行有32个辐射单元；装有60个接收机，用以把接收到的射频信号下变频为中频；方位波束宽度是2.8；发射管产生10ms的脉冲，其峰值射频功率为3MW，平均射频功率为8kW；测量距离为256n mile，仰角范围高达30，高度范围为100kft；以6r/min速度旋转；生产厂家声称对于100n mile处的小型战斗机，其测高精度达1000ft。该雷达还有固态发射机型S723雷达，具有较短和较宽的阵列，且可提供包含6或8个波束的堆积波束，方位波束宽度为1.4；在仰角上具有较宽的波束，其总仰角覆盖范围为20；固态发射机由40个模块组成，可产生150ms的脉冲，总射频峰值功率为132kW，平均功率高达5kW。据生产厂家称，该雷达对100n mile处的小型战斗机测高精度为1 700ft14。（a） S713 Martello堆积波束3D雷达（由Marconi公司提供）图20.2 3D雷达实例堆积波束和相位控制混合使用的雷达是RAT31S，是一种S波段3D雷达，通过相位控制个仰角上堆积的波束，以便覆盖监视的空域。这种雷达应用了单脉冲来测定目标的高度，以每分钟510转的速率旋转13.2ft2的阵列，同时产生覆盖21仰角范围的一个三接收波束的堆积。该阵列被划分为3个垂直的部分，每部分阵列产生各自的波束，并在指定的仰角覆盖区域内受相位控制15。笔形波束扫描雷达适合于高交通量情况，能达到三坐标立体覆盖的另一种雷达是笔形波束扫描雷达。这种类型的最常用的雷达通过应用天线馈电技术获取大的立体覆盖范围。该技术使窄笔形波束在方位上旋转的同时，在仰角覆盖范围内进行电扫描，形成与电视光栅扫描相似的方位-仰角扫描模式。对于空域监视任务，电扫描可提供机电扫描器所不能提供的灵活性和性能。这些优点包括：（1）较短的空域帧监视时间；（2）高度灵活、计算机可编程的波形-仰角时间关系及能量管理；（3）对移动平台和动目标，如地面车辆、船只和飞行器进行电子补偿；（4）宽阔且灵活的仰角覆盖范围，包括仰角上的高捷变的波束位置、随距离方位而变的可编程的仰角覆盖范围、在宽范围内保持良好的波束位置及对波束分布随方位而变的精确控制均对低仰角波束的性能尤为重要。频率扫描雷达应用于空中监视任务的早期3D雷达技术之一是频率扫描。频扫阵列运用一段传输线（通常为波导）的相位频率相关特性来扫描笔形波束16。波导在阵列的一侧（或两侧）或后面折叠成蛇状以便在靠近安放天线单元的位置处提供输出抽头。发射或接收的射频频率的可控变化在口径面上产生不同的相位变化梯度，从而通过电控的方法使波束指向所需的仰角。脉间频率扫描的实现可通过连续地从一个脉冲到下一个脉冲改变发射机和接收机的频率，或者在脉冲内发射线性调频脉冲（LFM）或连续的子脉冲序列（每个子脉冲的频率间有步进跳变），并通过处理在仰角上堆积的每一个接收波束（每个波束对应子脉冲频率之一），以实现脉“内”频率扫描17。AN/SPS39S波段舰载雷达通过由线源馈电的抛物柱面反射天线产生使波束在仰角上实现电扫描所必须的相位随频率的变化。此雷达采用平面阵列天线后升级为AN/SPS52C雷达18，如图20.2（b）所示。脉内频扫方法也应用在AR3D S波段监视雷达上，并发射线性调频脉冲通过接收机内的频率鉴别提取目标高度信息19。美国海军陆战队的AN/TPS32雷达、美国海军舰载的AN/SPS48雷达和320系列雷达都是包含小型频扫堆积波束的S波段三坐标监视雷达的例子。此小型堆积波束再通过步进扫描来覆盖仰角监视空域2021。作为测高技术的仰角频扫波束的应用是通用的顺序波束转换技术的一种形式。在顺序波束转换技术中，对来自相邻的顺序形成波束的幅度进行比较以估计目标的仰角。这种类型的雷达可达到的仰角精度低于堆积波束雷达和相扫单脉冲雷达等使用同时波束转换雷达的仰角精度。产生这种情况有几个基本的原因。其中的一个原因是为了控制波束需要不同的频率，从而导致目标回波的幅度波动。这就降低了在多波束目标回波中可用的目标角度信息的质量。通过在每个波束中使用多频率分集子脉冲的非相参积累来平均掉目标波动的效应可以补偿上述影响。然而，分集子脉冲的频率间隔必须在足以降低目标幅度波动的同时，又不致引起有太大的波束控制，在一些应用中很难对此进行折中。顺序波束转换角度估计技术也易受时变或幅度调制干扰（如闪烁干扰）的攻击。频扫雷达中，射频频率与仰角一一对应的状况限制了它在频率捷变进行电子反干扰领域中的应用。这也限制了它在波形时间和能量管理上的灵活性。电控相控阵列使设计者可摆脱这些束缚。（b） AN/SPS52C舰载频扫3D雷达（由Hughes 飞机公司提供）图20.2（续） 3D雷达实例 相控阵雷达用电子控制位于阵列天线行馈源输出端的移相器能实现在仰角上扫描或控制笔形窄波束。这种方法在各种3D雷达测高技术中最为灵活，对除波束扫描之外的用途，能充分利用频带，并可使波形和波束位置相互完全独立。可以和相扫阵列一起使用的测高技术包括各种相参同时波束转换（单脉冲-多脉冲* 作者使用“多脉冲（multipulse）”术语以参照20.3节讨论的目标角估计技术，将多脉冲发射的单脉冲和、差通道（I和Q）的目标回波样本相参地结合起来。和相位干涉）技术，以及幅度比较顺序波束转换技术。相控阵雷达在当今武器市场中变得越来越普通，这要归因于目标和环境的威胁不断地升级和变化。AN/TPS59 L波段雷达是具有相位扫描控制仰角波束的远程三坐标战术机动雷达。该雷达是为美国海军陆战队研制的。在对空监视雷达中，其独特之处在于它首先使用了全固态发射机。此雷达的固态发射机以各行发射机单元的形式分布在天线口径上，总发射功率仅在空间远场瞄准波束中合成。平面阵列天线由54行水平带状线线阵组成，54行中的每一行包含它自己的固态收发组件。该收发组件由额定射频峰值功率为1kW的固态发射机、集成电源、低噪声接收机、移相器、收发开关和逻辑控制单元组成，且全部安装在天线上。1530ft2的平面阵列馈源结构在接收时可产生双轴单脉冲波束集，即一个和波束与两个差波束，一个附加的列馈为最低角波束位置提供了特殊的的低角度测高能力。馈源产生一对偏斜的和波束，它们被小心地放置在仰角上并作为单脉冲对其进行处理。此技术使多路径的影响为最小。其基本的精度性能将在20.3节中讨论。1.63.2的单脉冲波束集在-119的范围内进行电控相扫2224。这种雷达的固定型是AN/FPS117 SEEK IGLOO雷达（如图20.2（c）所示）和GE592雷达。与AN/TPS59雷达类似，这两种雷达都是分布式口径的固态雷达，使用了具有44行2424ft2阵列天线和附加的数字信号处理。GE592/FPS117雷达的方型孔径阵列产生2.2（方位）2（仰角）的双轴单脉冲波束集2528。（c）AN/FPS117固定站固态相扫3D雷达（由通用电气公司提供）图20.2（续） 3D雷达实例主要部署在欧洲并为北大西洋公约组织（NATO）使用的HADR雷达是一种陆基三坐标波段相控阵雷达。它在仰角上使用相扫，在方位上采用机械旋转。该雷达的12.516ft2平面阵列以r/min的速率旋转，一个1.45（方位）1.9（仰角）的笔形波束可扫过12个远程搜索波束位置和个MTI仰角波束位置。该雷达的测量范围是距离为250n mile、仰角为20、方位为360及高度为120kft。目标的高度由运用仰角上相邻波束的顺序波束转换技术测出29。远程机载三坐标警戒雷达的一个重要例子是用在E3A飞机上的AW ACS（机载预警和控制系统）的AN/APY1 S波段雷达。由于AN/APY1雷达的垂直口径宽度有限，所以其仰角波束相对较宽。因而和那些地面雷达相比，这种雷达所达到的测高精度不是很好。数字波束形成雷达对雷达具有相当吸引力的技术是数字波束形成技术。作为测量目标高度的技术，数字波束形成包括放置在垂直单元阵或单元行的每个单元上的接收机。通过对模/数变换后接收机的输出进行数字加权和线性组合，产生仰角上的一个接收波束堆积或单个扫描的接收波束。按照这种方式，数字波束形成雷达是堆积波束雷达的一个特例，实现数字波束形成雷达的技术比常规的堆积波束技术有若干优点。数字波束形成技术提供的主要优点是用于电子抗干扰的波束方向图的完全自适应控制。数字波束形成雷达的设计者面临的与测高有关的主要挑战是，开发一种技术以便在包括主瓣在内存在干扰时，在实现自适应对消的情况下仍能保留单脉冲比。单脉冲波束对或堆积波束易于用数字方法产生，但测高精度要依赖于对（自适应的）测高波束的相对方向图的精确、清晰地了解。20.2 从雷达测量值中算出高度在雷达中，目标的高度一直是一个导出量而不是直接测量出来的值。这是因为雷达只能测量目标回波的距离和到达的角度。陆基雷达从目标回波的距离（时间）和仰角坐标测量值推导出目标的高度。舰船、飞机或太空卫星上的雷达要求把与天线相关的三坐标测量值转换到惯性参考系统来作为高度计算的一部分。利用雷达测量值进行精确的高度计算必须考虑下列因素的影响，即在所需的参考坐标系统中雷达天线的位置和方向、地球曲率、大气的折射特性及地表反射特性。而且，如果目标高度以当地的地形作为参考点，那么必须考虑目标下面可能的不规则地形的高度。通过把内部校准测量值考虑到距离和角度估计算法中也能部分抵消某些系统内部设备误差的影响。平面地表近似对于很近距离的目标，平面地表近似可以给出目标高度的足够好的估计，即 （20.1）式中，ha为雷达