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发信人: champaign (原野), 信区: ECE
标  题: [转载] 三坐标多功能雷达的新发展
发信站: 紫丁香 (Sat Oct  9 21:28:15 1999), 站内信件

【以下文字转载自 Green 讨论区】
【原文由 dragon 所发表】
三坐标多功能雷达的新发展
现代海军在战场上受到的威胁大多来自性能不断提高的飞机和导弹等空中目标，对付这
些威胁的关键是采用集成式自适应防御系统，例如三坐标多功能雷达(3D MFR)及其自身
防御导弹。
对目标的检测和跟踪是通过武器支持系统实施攻击的基础。与光导传感器系统相比，雷
达可以在恶劣气象条件下进行远程作战控制。这种雷达系统必须完成以下主要任务：
①同时对众多目标进行完全立体搜索、跟踪、识别和分类(如飞机、直升机、海面舰艇、
掠海式武器等)；
②根据威胁等级评估来指挥武器系统，引导已方导弹，控制杀伤力评价；
③在高杂波干扰和严重ECM条件下完成所有多模式功能。
在这方面，常规武器系统通常是配装一部独立的雷达进行监视，另外还有一部或更多雷
达用于各个目标的跟踪。机扫反射器天线在这两个系统中的应用非常广泛，周期性的和
低的数据更新率。不良的武器控制能力是它们的不利因素。
同时执行一个以上的功能的能力要求设计可符合以上要求的MFR雷达。
1 脉冲雷达和分辨率单元
雷达原理的基本形式是使用天线系统向空间发射电磁脉冲。这里所研究的雷达一般工作
在1～10GHZ的频率上。发射的一部分脉冲在经目标反射后由共用天线接收，目标的位置
由天线波束的方向性确定，距离则通过测量脉冲到达目标和返回所需要的时间不推出。

分辨率单元(cell)在距离上由雷达脉冲宽度来确定，在角度上由天线波束宽度决定(见图
1)。一般来讲，要获得较优的角分辨率并不象距离分辨率那么容易。
在实际应用中，最为重要的是选择最佳分辨率单元。单元在宽度表示可区分两个目标的
最小距离和角度。例如，接收到的0.5μsec压缩脉冲大约200ft的距离分辨率。既使采用
1°那么窄的波束，在10英里的距离上测量角分辨率也不会优于大约三分之一英里的距离
。所以，在单元内飞行的架数，飞机是不可能完全识别并区分出来的。
天线波束扫描的空间产生了一串确定的分辨率单元，目标是可以穿越的。目标通过单元
串的雷达跟踪韧性则有赖于天线波束灵活的取样策略。
现代雷达系统的理论基础是巧妙的取样策略和复杂的单元特征评估，这会实现对极小的
快速目标的检测，至少是获得可靠跟踪。
使用3D MFR是满足实际要求的方法，其特点在于：
①电控天线波束，扫描半球空间；
②有先进的信号处理技术，可在距离上对返回脉冲分类，滤除杂波，测出多普勒频移，
完成自动目标检测等。
2 自适应有源相控阵
平面相控阵天线可提供将波束从空间一个位置快速移向另一位置的能力。阵列是采用数
百个或上千个辐射单元以四分之一个波长为间隔而排列在正规矩形平面上的。其中每个
单元均可发射和接收雷达脉冲。波束的形状和方向通过在每个单元上控制脉冲的相对相
位和辐度而确定的。经过适当改变相位后，仅有波束方向是电控的。这种方法使用无源
相控阵雷达，它包括中央RF发射机，行波管或半导体放大器等。RF是通过网络分发至各
单元的。
有源相控阵天线对脉冲的辐度则提供了一种附加的独立控制能力。所以，每个单元都配
装有一个发射/接收组件(TRM)，这些组件就是有源阵列的关键部件。获得TRM的基础是砷
化镓微波单片集成电路(GaAs-MMIC)的研究和发展，例如某些电路单元象大功率放大器、
低噪声放大器、移相器、转换器等的出现。
使用TRM技术可提供以下几个优势：
①宽的带宽(超过30%)允许大范围改变频率，以降低不需要的多路径效应和异常传播；
②较低的RF峰值功率和较长的负载周期(最大30%)可以实现长脉冲、高PRF和复杂的波形
；
③由于采用了冗余结构，减少了运行费用，在系统性能开始受损前允许最多10%的TRM出
现故障。
可以想像，有源相控阵技术在与特别的信号处理技术相结合以后，将可能体现出最重要
的优点和潜力。
3 先进的信号处理技术
雷达信号处理通常是以可提供灵活波形的相干发射机为基础的。实际上，它一般都是通
过削波脉冲(来自频率高度稳定的连续波)来实现的。而且，这还需要相干接收路径，例
如多普勒选择处理。
虽然数字处理器功率已有显著增长，但为使用有源MFR的固有灵活性而需要的软件也对系
统的成本和复杂性产生了较大的影响。目前已投入研制的是可编程信号处理器(PSP)，以
提供标准雷达软件，便于多模式运行。
接收到脉冲的数字过程基本方法是：
A/D变换以传播高动态距离，I/Q处理，匹配滤波、脉冲压缩、恒虚警率、最后是自动检
测等。
根据相控阵雷达的潜力，这些标准过程必须进行改进。与自适应有源阵列雷达相结合，
关于新模式的数字过程必须完成以下任务：
①基于子台阵技术的数字波束形成(DBF)，这会导致，
②形成多个波束，进行搜索与跟踪；
③将零位对准干扰源方向，从而实现自适应干扰抑制；
④极优的角分辨率。
波形捷变和脉冲重复频率(PRF)可提供：
①由ISAR(逆合孔径雷达)进行目标分类，以产生目标的雷达图象，例如飞机和海面舰艇
、导弹等，
②JEM(喷气式发动机的调制)，以便评估接收自喷气式飞机的雷达回波给出的发动机调制
。

除了常规雷达的搜索和跟踪任务以外，该雷达还可提供一些新的功能，如在不同范围内
的距离和角度上的搜索等。而且，有些专用的波形还可同时使用，如无地杂波的远程和
有地杂波的近程。
对低信号图(Signature)目标的捕获和跟踪可通过分析不同的目标参数例如距离，雷达截
面积，多普勒频移等并使用插入功能来获得。
4 海军的舰上应用
上文所描述的技术性能和运行特点并不是当前现用MFR雷达可以获得的全部功能。由于受
雷达成本和复杂性的限制，有适度性能恶化的MFR比较容易得到实现。下文将列出一些新
投入服役的3D MFR实例，阵列天线采用的形式有好几种。图2给出了关于立体搜索方法的
策略。
仅能在垂向平面电扫的笔形波束相控阵天线还需要在方位上采取机械对准，以扫描空间
。
a)俯仰电扫，方位机扫；
b)波束在圆锥内电扫，方位机扫；
c)4个固定相位阵列，采用4个独立的波束扫描空间
Daimler-Benz宇航公司生产的TRS—3D雷达就是一种可用于海上多模式捕获、监视和武器
分配的3D MFR。该雷达为无源相控阵，由高度稳定的相干发射机(5GHz波段)驱动，并具
有固态激励级和TWT输出级。天线辐射单元可极化捷变或任意水平极化，另外还有IFF(敌
我识别)和导航天线。由于该雷达的天线和处理系统采用了组件化设计，因此很容易满足
用户的距离、分辨率和精度要求，适宜于巡逻艇、小型护卫舰和大型护卫舰、驱逐舰等
的应用。
SMART多波束三坐标雷达系列是由Signaal公司研制的，最新型为SMART—L，它是为远程
检测目的而设计的。天线阵列由24个微波带状线天线组成，发射时使用16个，由固态放
大器驱动。在接收雷达脉冲期间，每个微波带状线均被分配给一个接收机通道，馈入数
字波束形成网络，在0～70°的俯仰覆盖上可同时形成14个波束。这种多重波束在方位上
采用机械对准，用单一波束提供3D目标信息。其中较大的天线孔径和精确的多普勒滤波
是很显著的，这使该雷达具备对小型“隐身”空中目标的中距离检测能力。
Alenia/Marconi公司推出的EMPAR雷达同样是一种无源相控阵天线，但是笔形波束在两个
直角座标即方位和俯仰上均为电扫。另外还有辅助高速机械旋转，以确保可靠的目标捕
获和跟踪。相干发射机可在5GHz波段通过TWT设备产生RF能量。为单脉冲评估而设计的接
收路径可在方位和仰角上测量精确的目标数据，所以已方导弹可获得精确跟踪和引导(如
有必要)。按照设计，EMPAR雷达能够装配在大、中吨位的舰船上。
来自洛克希德· 马丁公司的AN/SPY—1雷达为无源相控阵雷达，有4个固定阵面，每个天
线阵面的波束均为电控，覆盖四分之一个半球空间，这种静态配置不需要方位上的机械
运动；所有4个波束可单独控制在期望的空间方向上。SPY—1这种唯一的形式能够支持远
程“标准”导弹系统(SM)。由于该雷达的天线配置比较独特，可在空间任意位置引导多
个导弹。
Signaal公司的APAR雷达具有相同的功能，天线由4个非旋转阵面组成，每个阵面包括30
00个TRM。APAR雷达可支持使用10GHz波段的半主动寻的导弹(海麻雀系列和SM)，完成引
导和照射功能。对空中目标的仪表检测距离为最大150km。APAR雷达系统的研制是由Sig
naal公司(负责系统、天线和数据处理部分)，DASA公司(波形发生器和信号处理部分)以
及NORTEL公司(TRM部分)合作完成的。
在有源相控阵技术领域，Plessey公司的MESAR样机处在世界领先地位，该机工作在3GHz
波段。许多成功地外场试验均证明了有源子阵列天线的固有潜力。以这种样机为基础，
SAMPSON有源阵列雷达已完成了护卫舰的配装工作。在有源天线技术的研究方面，这里还
必须提及欧洲的AMSAR(机载多功能固态有源阵列雷达)计划。AMSAR计划是有源相控阵雷
达在战斗机应用上的技术演示方案，其工作频率为10GHz，适于导弹控制应用。由于雷达
在战斗机上的应用还受机载环境的技术限制，整个研究还涉及有源天线技术在许多方面
的可能性，这使AMSAR成为了有源阵列天线其它派生应用技术发展的推动力。AMSAR计划
同样也是法国、德国和英国军方之间的协作项目，主要合同商是GTDAR(即GEC公司、Tho
mson公司、Dasa公司组成的机载雷达研制集团)。

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         ------没有比人更高的山，
                   没有比脚更长的路。

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