平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究.pdf
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1、第37卷 第2期2023年4月空 天 预 警 研 究 学 报Journal of Air&Space Early Warning ResearchVol.37 No.2Apr.2023收稿日期:2023-04-30作者简介:董鹏曙(1965-),男,教授,主要从事雷达装备发展与运用研究通信作者:杨遵立(1990-),男,助教,主要从事雷达装备发展与运用研究E-mail:平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究董鹏曙,杨遵立,谢幼才,向龙(空军预警学院,武汉 430019)摘要:针对平流层飞艇载有源雷达辐射功率大、能源供给受限、难以全天时工作问题,提出了一种有源无源一体化雷达系统设计方案该系统基于
2、圆阵天线的外辐射源雷达可与综合脉冲孔径雷达共用天线、馈线、接收、信号处理等设备,只需融合外辐射源雷达信号处理软件及配置资源即可,不需要额外增加硬件仿真分析表明,通过有源无源一体化雷达设计,不仅拓展了系统工作模式,而且还改善了系统可用度,提高了系统探测效能关键词:平流层飞艇;综合脉冲孔径雷达;外辐射源雷达;圆阵天线;一体化中图分类号:TN958文献标识码:A文章编号:2097-180X(2023)02-0105-05平流层飞艇具有悬空高度高、滞空时间长、载荷能力强、视线距离远等特点,非常适宜于搭建空中目标预警监视系统1-2平流层飞艇自身是多个系统的融合体,包括飞艇、环境感知、姿态控制、飞行控制、
3、电源管理和通信导航等,不仅技术要求高,而且费用巨大,单个飞艇的费用达数千万元3-4为了提高作战效能,基于平流层飞艇的预警监视系统不应是单一手段的探测系统,而应是多种手段综合运用的探测系统文献5提出平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达(SIAR)系统,通过平台升空和多输入多输出(MIMO)处理,提高系统探测能力;但存在辐射功率大、能源供给受限、难以全天时工作问题文献6提出基于圆阵天线的飞艇载外辐射源雷达系统,通过接收第三方照射的散射信号,提高系统反侦抗扰能力;但存在依赖性强、探测性能降低的问题为此,本文提出了一种平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统,即将外辐射源雷达与 SIAR融合的设计方案,给出了系统性
4、能分析1相关理论1.1SIAR探测原理SIAR 系统组成框图5如图 1 所示(DBF 为数字波束形成)假设发射阵和接收阵都为圆形稀布阵,发射阵元数为Mt,接收阵元数为Mr发射激励信号源e(t)是宽度为Te的脉冲,经过编码网络C(t)调制后,成为不同载频的信号,分别送往各发射阵元设Ck为第 k 个发射信号频率编码,Ck-Mt-1/20Mt-1/2,f0为载频中心频率,Df为发射信号之间的频率间隔,发射信号总带宽B=MtDf,第k个阵元的辐射信号Sk(t)为Sk(t)=rect(t)exp(j2fkt)k=01Mt-1(1)式中,rect(t)=1|t|Te/20其他;fk为第 k 个阵元发射信号
5、的频率,表示为fk=f0+CkDf当TeDf为整数时,则各阵元的信号彼此正交,不会在空间叠加形成波束,发射能量覆盖是全向的理论上可以证明,采用任何一组傅里叶变换正交基做发射信号的频率调制,就可产生空间不形成波束的全向能量照射72233MtOCk(t)接收前端与A D转换Mr11接收D B F 多普勒滤波脉冲综合目标检测与跟踪发射阵子接收阵子Ck+1(t)e(t)图 1SIAR 系统组成框图对空中远场区点目标T,与天线阵列中心的距离为R0,方位角为0,仰角为0假设脉冲宽度较大,可忽略阵面上的包络时延差,则第i(i=01Mr-1)个接收阵元的接收信号xi(t)为xi(t)=i=0Mr-1rect(
6、t-0)expj2fi(t-0)exp(j2fiD)(2)式中,0为目标与阵中心的时延,D为目标与各阵元相对与阵中心的时延差各接收阵元接收到的信号经放大和 AD 转换后,先进行 DBF 处DOI:10.3969/j.issn.2097-180X.2023.02.005空 天 预 警 研 究 学 报2023年106理,方位上形成所需的多个接收波束;然后通过多普勒滤波把总的信号按载频分离为Nt路,每一路做相位调整(补偿D)、求和,得到距离维上被压缩的回波,脉冲宽度为Te/Nt这就是综合脉冲与综合孔径将匹配滤波器调控到所需距离和方位进行空时匹配滤波的过程1.2外辐射源雷达探测原理外辐射源雷达利用商业
7、无线电信号作为照射源来探测目标,选取合适的辐射源与接收圆阵天线可构成预警监视系统发射站、接收站和运动目标构成的双基地雷达的平面几何关系8-9如图 2 所示fvTxLPRxRrRttr图 2双基地雷达的平面几何关系设Tx和Rx分别表示该外辐射源雷达的辐射源和接收站;L为基线长度;v为探测目标移动速度;=r-t为双基地角,它是以目标为顶点,外辐射源、接收站与目标连线之间的夹角;t和r分别表示为双基地平面上以外辐射源和接收站为坐标原点的目标方位角(也称为双基地平面上的目标视角);为目标速度方向与双基地角平分线的夹角;Rt和Rr分别为外辐射源和接收站到目标的距离由余弦定理可得R2t=R2r+L2-2R
8、rLcos(-r)(3)令信号由外辐射源经过目标前向散射到接收站的距离和R=Rt+Rr,代入式(3),可得Rr=(R2-L2)/(2(R+Lcosr)=L(1-e2)/(2e(1+ecosr)(4)式中e=L/R为等距离和椭圆的离心率外辐射源选定后,直达波方向是确定的,基线长度也是确定的假设辐射源参考信号和目标反射信号到达接收站的时间间隔为,则有R-L=c(5)式中c为光速米波圆阵天线通过 DBF 处理,形成直达波束,对准外辐射源,接收参考信号;同时形成多个探测波束,覆盖探测空域,接收目标反射的回波信号利用参考信号和回波信号进行相关处理,求得相关峰值对应的时延10,通过解算可求出R、Rt、Rr
9、1.3圆阵同时多波束测角假设有 M 个阵元,均匀分布在半径为r的圆周上,其示意图如图 3 所示波束静态方向图函数可表示6为B()=m=0M-1wmexpj2r-1coscos(-m)(6)式中,wm为第m个阵元加权系数,一般用于波束整形(副瓣抑制);为波长;和分别为目标回波的方位角和俯仰角;m为阵元空间采样间隔,在均匀分布圆阵列中m=2m/M231MzxyrO图 3圆阵天线布置示意图若在接收时需要调整波束指向,则需要给每一个阵元输出附加一定的相位因子,假设波束指向设定为(00),则波束方向图函数变为B()=m=0M-1wmexpj2-1rcoscos(-m)-cos0cos(0-m)(7)式(
10、7)可进一步改写为B()=m=0M-1wmWDBF(m)expj2-1rcoscos(-m)(8)式中WDBF(m)为波束形成时每一个阵元所需要的相位因子,可表示为WDBF(m)=exp-j2-1rcos0cos(0-m)(9)利用 DBF 同时形成多个接收波束,通过相邻两个波束进行比幅内插测角,可以确定接收信号所在方位角,实现目标的定位,圆阵多波束全向覆盖示意图如图 4 所示3 0 02 7 01.00.80.60.43 3 02 4 02 1 01 8 01 5 01 2 09 06 03 00图 4圆阵多波束全向覆盖示意图设天线阵列增益为Ga,天线单元增益为Ge,则圆阵天线增益可表示为G
11、=GaGe(10)2有源无源一体化雷达系统本文将外辐射源雷达与 SIAR 有源雷达融合设计,提出一种平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统,分析能源约束条件下的系统工作模式第2期董鹏曙,等:平流层飞艇载有源无源一体化雷达系统研究1072.1SIAR有源探测和外辐射源雷达探测1)SIAR 有源探测SIAR 雷达方程5为R4max=MrMtAtDG22N(4)3kTsBFnLomin(11)式中,Mt、Mr分别为发射天线、接收天线阵元个数,At为每部发射组件的峰值功率,D为脉压比,G为单个阵元天线的增益,为发射信号波长,为目标散射截面积(RCS),N为相参积累脉冲数,k为玻尔兹曼常数,Ts为系统噪声温
12、度,B为SIAR系统的有效带宽,Fn为接收机噪声系数,L为总的损耗,omin为最小可检测信噪比2)外辐射源雷达探测外辐射源雷达实质上是收发分置的双基地雷达,最大距离积11为(RtRr)2max=PtGtGr2B()F2tF2rg(4)3kTsBnFnominLtLr=b4(12)式中,Pt为外辐射源发射功率,Gt为发射天线增益,Gr为接收天线增益,为外辐射源波长,B()为目标散射截面积,Ft和Fr为方向图因子;g为积累增益,k为波耳兹曼常数,Ts为接收机噪声温度,Bn为接收机检波器前的噪声带宽,Fn为雷达系统噪声系数,omin为接收机输出端最小可检测信噪比,Lt和Lr分别是发射和接收系统的损耗
13、;b 为系统退化到单基地雷达状态时的最大探测距离,定义为系统探测常数将式(12)进行变形并分离信号源参数,可得omin=PtGt4R2tB()Gr2F2tF2rg(4)2R2rkTsBnFnLtLr(13)定义t=PtGt/(4R2t)为外辐射源在目标位置的信号功率密度,t主要由外辐射源的发射功率、天线形式、外辐射源与目标距离决定可利用的外辐射源有FM广播、数字广播(DAB)、数字电视(DT-MB)、微波移动通信(GSM)信号、LTE 信号等123 个 FM 的外辐射源探测覆盖示意图如图 5所示假设 3 个照射源TX1、TX2、TX3分别位于y 轴上(0L0)、(0-L0)、(00),接收站位
14、于 x 轴上xyL0L0T X1(0,L0)T X2(0,-L0)T X3(0,0)R X(d,0)LLO图 53 个 FM 的外辐射源探测覆盖示意图(d0),照射源TX1和TX2到接收站的基线距离为L,则有L=(L02+d2)1/2,设 m 为基线长度和探测常数比值,则有m=L/b2.2有源无源一体化雷达系统设计SIAR 具有全向照射、波束驻留时间长、能量利用效率高等特点,其辐射功率大,能源消耗高而外辐射源雷达自身不辐射电磁波信号,通过接收目标反射的外辐射源信号实现目标定位,能源消耗低,不易被侦察系统发现,具有较强的战场生存能力将两者融合设计,电能充足时可以采用有源雷达工作模式,电能不足时可
15、以采用无源雷达工作模式,或根据作战需要灵活切换,以降低能源需求,提高系统探测效能选用调频电台作为照射源,采用软件无线电技术,外辐射源雷达可与平流层飞艇载 SIAR融为一体,共用 SIAR 的接收圆阵天线、接收前端及 AD 转换、信号处理、数据处理等设备,只需要增加外辐射源雷达配置资源和处理软件即可,不需要额外增加硬件该有源无源一体化雷达系统具有以下优势:SIAR 采用大口径、稀布圆形阵列天线发射正交频率编码信号,具备全时全向探测能力,能量利用效率比常规雷达更高SIAR 没有常规雷达所需的大功率伺服系统,降低了供电要求,在总能量一定的条件下可将这部分能量供给发射机,辐射更大的功率,可提高探测威力
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