摘要：随着现代化战争低空突防兵器的快速发展和我国低空空域的逐步开放，人民防空对低空、超低空预警能力提出了迫切需求。本低空预警雷达使用先进的相控阵技术对分布式T/R组件进行波束控制实现俯仰向扫描，通过垂直多波位扫描及波位内和差波束测角的能力提升测高精度。系统采取8个仰角波束的波位分配方式，为了保证足够的脉冲积累数，低波束采用三组6脉冲滤波器的MTD处理，高波束采用3脉冲MTI处理。在处理算法上，我们采用高杂波改善因子的设计与算法，用杂波图、多种门限检测改善低、慢、小目标检测性能，最终研制一套侧重低空小目标观测的三坐标监视雷达。
关键词：相控阵；波束控制；和差波束；三坐标雷达
Performance Analysis of Low-altitude Early Warning Radar based on Phased Array Technology
Wu Jun
Anhui Suncreate Electronics Co.，Ltd.，Hefei，230000
Abstract With the rapid development of low-altitude defense weapons in modern warfare and the gradual opening of low-altitude airspace in China，civil air defense has placed an urgent need for low-altitude and ultra-low-altitude early warning capabilities.Advanced phased array technology is employed in this low-altitude early warning radar and beamforming is implemented by the distributed T/R components to achieve scanning in pitch.A higher precision measurement is obtained by using vertical multi-wave scanning and the ability of intra-wavelength and the sum & difference beamforming.The system adopts the wave position distribution mode of 8 elevation beam.In order to ensure sufficient pulse accumulation number，the low beam adopts the MTD processing of three groups of 6-pulse filters，and the high beam adopts 3-pulse MTI processing.The design and algorithm with high clutter improvement factor，clutter map and multiple threshold detection is used in the processing algorithm to improve the performance of dim target detection.Finally，a three-coordinate surveillance radar focused on low-altitude small-object targets was developed.
Keywords Phased Array；Beamforming；Sum & Difference Beamforming；Three-coordinate Radar
1 前言
随着科技的发展，现代化战争中出现了低空突防兵器，以及随着我国经济及社会的发展及低空空域的逐步开放，人民防空和大型活动场所均有周界防范、立体安防监视的市场需求。并且在我国低空区域开放政策实施的同时，低空飞行器也在爆发式增长。为了防止一些非合作目标以及危险目标误闯入进近区域或机场净空区，需要一种探测设备能够精确监视低空区域内的低慢小目标。
探测低慢小目标的方式有很多，包括光电探测、无线电探测、雷达探测等。光电探测中的成像探测对天气和光线具有强烈的依赖性[1]；对于基于红外特征的红外搜索与跟踪系统，低信噪比的红外弱小目标检测是其核心难题[2]；无线电探测手段只有在被探测目标支持配合的情况下才能使用，不适用于非配合或有意隐藏的目标。所以全球很多国家纷纷投身于低慢小目标探测雷达技术的开发，国内也有多家公司或研究所在研发该技术，但大多数均处于论证和预研阶段，未取得关键性进展。其中球载雷达对于低空和超低空的小目标具有较强的探测能力，但探测平台的升高使杂波强度成为球载雷达探测目标尤其是小目标不可避免的负面影响，并且雷达平台的运动也对探测性能产生较大的制约[3]。相控阵技术是现在被广泛研究和大力发展于雷达中的一种技术，由于其具有多波束控制、波束捷变和快速扫描等能力，给低空目标的检测提供了新的方案，可以实现同时对多个方向进行目标搜索[4]。
本雷达在X波段基于相控阵的无惯性电扫描捷变波束及自适应工作模式获得雷达的时间、能量资源的最合理自适应运用，以较短的时间完成警戒空域的搜索任务。该雷达在方位向采用机械扫描，俯仰向采用一维相扫方式，通过垂直多波位扫描及波位内和差波束测角的能力提升测高精度。针对本雷达应用环境特点，在降低虚警率前提下提升对近程小RCS目标的检测概率，专门设计了一种高数据率工作模式。系统通过增大转速以获取更高的数据率，但转速提高，波束驻留时间必然减少，低虚警率又必须有足够的积累脉冲数。为了保证虚警控制率，低空波位设计三组6脉冲MTD处理。本雷达拟设计6rpm、12rpm、24rpm等三种运行模式。
2 相控阵技术
相控阵雷达是目前最先进的雷达体制之一，这种雷达分为有源相控阵和无源相控阵两类。有源相控阵雷达的辐射能量在天线阵面上产生，无需大功率发射机，馈线网络简洁，降低了复杂的收发通道损耗，通过电磁波空间相干合成定向波束，提高了雷达系统的效率[5]。
2.1 分布式T/R组件
本雷达采用有源相控阵技术体制，能够搜寻、探测覆盖空域内飞行物等目标的距离、方位、高度和速度等信息。本雷达天线结构紧凑，阵面空间较小。如图 1所示，整个阵面由8个4通道T/R模块构成。系统采用分布式T/R组件技术，单路T/R组件峰值功率为10W，具有输出功率低，电路设计简单，无需功率合成等优点，同时无需设计复杂的馈线系统，收发损耗低。雷达由多个独立的T/R组件模块组成，少数T/R组件失效对系统性能的影响不大，可靠性很高。这种“故障软化”特性对现代雷达是十分重要的，具有非常高的任务可靠性。
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图 1 雷达天馈及T/R组件配置图
发射信号时，雷达终端发送控制和模式等工作指令，信号处理收到工作指令发出相应的时序，DDS根据时序代码形成需要的中频调制信号，该信号和频率源产生的本振信号一起进入收发通道进行上变频，变成射频调制信号，进入功放进行功率放大，再送到和差波束网络（内含1：8功分器），分成8路发射信号，分别送入8个四通道T/R组件模块。发射信号经T/R组件发射支路放大共输出32路发射信号至32根波导线源，通过同时馈电在空间形成发射波束。
接收信号时，32根波导线源接收到的回波信号通过T/R组件接收支路的放大，进入和差波束网络，形成和、差两个波束，分别送到两路接收通道中，进行下变频放大输出两路中频回波信号，送入相应的信号处理器。
2.2 波束控制
由雷达波控分系统发出数字移相器控制码控制发射波束的空间指向，天线通过转台伺服在方位面做机械扫描的同时，在俯仰面进行一维相扫，完成雷达系统探测能量的辐射。
以基本T/R模块为基础，波控系统控制的对象T/R组件设计成模块形式，每个T/R模块包含4个T/R单元，整个天线阵面的T/R模块数量是8个，共需控制32个T/R单元。控制原理如下：
a）波控系统收到信号处理送来的同步串口指令，解出雷达系统的工作模式、波位号和频率码；
b）根据这些参数计算出32个T/R单元所需要的发射、接收相位和衰减码；
c）把相位值和衰减码转换成控制码分别送给8个T/R组件模块。
另外再配合时序和电源的控制信号，完成T/R单元的布相控制任务[6]。
2.3 和差波束
系统通过垂直多波位扫描及波位内和差波束测角的能力提升测高精度。波位内和差、波束测高是通过将天线行馈分组，获得俯仰维双相位中心两路回波信号，经合差网络后形成两相位中心的矢量合与差回波。分别接收后比较两个波束回波的相位可以判断目标偏离和波束交叠轴线的方向，并求得两通道幅度差通过查表的办法估算出目标偏离该波束轴线角度[7]。
3 辐相标校
雷达系统具备自动校正功能，通过开关网络将校正信号送到相应的馈线校正通道，采用行波馈源对发射通道和接收通道进行矩阵反演法校正[8]。该系统具有发射校正、接收校正和辐相校正三种标校模式，实现对发射相位一致性以及接收幅相一致性标校，确保收、发波束指向正确，准确获取探测目标的空间位置。另外，对T/R组件或馈线器件、连接电缆更换时，能够对更换后的器件及时定标，确保输出/输入幅度、相位的一致性。
3.1 发射校正
发射校正时，第n个T/R组件的发射支路接通，其余T/R组件接通负载态，信号由发射通道耦合到校正网络，系统和接收机对该支路信号进行采样并处理得出幅度和相位信息。按照上述步骤对每一个发射通道进行逐一采样，将采样结果送给波控分系统，在波束形成时用户对雷达发射移相码和衰减码继续进行修正。
3.2 接收校正
接收校正时，信号从天线校正网络输入端注入，并在网络中形成行波，此时，第n个T/R组件的接收支路接通，其余T/R组件相应的开关断开，即设为负载态（不发射也不接收），雷达系统和接收机对该支路信号进行采样并处理得出幅度和相位信息。按照上述步骤对每一个接收通道进行逐一采样，将采样结果送给波控分系统，在波束形成时用户对雷达接收移相码和衰减码继续进行修正。
3.3 辐相校正
接收通道辐相校正在每个周期实时自动进行，接收机产生一个测试信号，该测试信号通过开关控制输入至和差网络耦合口中，通过和差网络的耦合输出两路信号，分别对应和通道和差通道，信号处理根据两个通道的I、Q信号计算出相位差以及幅度差并输出至终端分系统，终端点迹处理软件根据和、差通道的相位差以及幅度差带入测高公式中进行计算，以修正提高系统的测高误差。
4 工作模式
本雷达方位向采用机扫的方式覆盖360°，俯仰向采用分时多波束电扫的方式，对32路T/R组件进行相位控制，形成不同形状、不同指向的发射和接收波束进行空域搜索，覆盖360°方位、0～30°仰角的空域范围。
表 1 雷达8个仰角波束信息
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图 2 8个波位覆盖图（9570MHz）
针对本雷达应用环境特点，在降低虚警率前提下提升对近程小RCS目标的检测概率，专门设计了一种高数据率工作模式。虚警控制一直是情报雷达的重点和难点，增大转速以获取更高的数据率，但转速提高，波束驻留时间必然减少，低虚警率又必须有足够的积累脉冲数。系统采取8个仰角波束的波位分配方式，如下表 1为俯仰波束信息，图 2为8个波位覆盖图。为了保证足够的脉冲积累数，低空波位设计三组6脉冲MTD处理，高波束采用3脉冲MTI处理。
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图 3 三种模式下雷达覆盖图
表 2 雷达三种工作模式的探测威力表
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本雷达设计6rpm、12rpm、24rpm三种运行模式，在24 rpm的模式下，考虑提高重复频率，减小距离窗口的办法，探测威力虽然降低到24km，但依然能获取足够的积累脉冲数，达到低虚警的效果。雷达系统采用短脉冲＋长脉冲的双脉冲线性调频或非线性调频发射波形。其中长脉冲用于探测远距离目标，不同模式、不同波位按照探测距离的远近选择不同的脉宽；短脉冲统一设置为2μs，用于长脉冲的近距离补盲。雷达系统运行模式分为工作模式和校正模式两种，工作模式根据探测距离和驻留时间有三种模式，图 3为6rpm、12rpm、24rpm三种运行模式下，对于RCS=2m2目标的雷达覆盖图，探测威力如表 2所示。校正模式根据校正的类别分为发射、接收和辐相三种校正模式。
雷达通过监控系统将工作模式和操纵台命令等控制指令实时地发送给信号处理分系统，信号处理根据波束形状、驻留时间、触发周期、脉冲数、脉冲宽度、能量分配、当前时间等信息产生整机的工作时序。信号处理的波束形成单元和时序单元通过移相器控制每个辐射单元的相位来形成指定的发射波束或接收波束指向。
5 系统工作过程
5.1 发射脉冲
由于雷达采用固态T/R组件技术，为了达到探测威力要求，发射信号波形必须是长脉宽的线性调频或非线性调频信号。在信号处理中采用脉冲压缩技术，这样既能增加发射信号的平均功率，扩大雷达作用距离，又能保持雷达系统的距离分辨率，并有效降低邻近频带内的射频源干扰。为了防止接收前端烧毁，信号发射时接收通道被关闭，这将阻断长脉冲发射期间回波信号的接收，因此系统将有一定的近程盲区。为了消除近程盲区，雷达采用传统的长、短脉冲时序工作方式，根据不同的脉冲重复周期，依据发射机占空比要求，选择不同的脉宽和长短脉冲间隔。
5.2 回波处理
信号处理系统根据频综提供的基准时钟产生全机的工作时序，接收雷达70MHz中频回波数据，进行A/D采样，数字下变频形成数字正交I、Q信号；然后对I、Q信号进行数字脉压、MTD/MTI滤波、恒虚警处理、杂波图、滑窗检测，将目标初始参数通过网线送终端计算机进行软件化点迹提取、点迹凝聚，航迹处理并上报显控计算机。
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图 4 回波处理过程
另外，在处理算法上，采用高杂波改善因子设计与算法，用杂波图、多种门限检测，改善低、慢、小目标检测性能。点迹处理采用初始区、固定杂波区、慢动区、干扰区、追踪区处理，航迹处理采用不同区域起始、不同关联优化算法来降低虚警率。
本雷达是相控阵体制的三坐标雷达，由于目标与雷达的相对运动和雷达照射波束的主旁瓣关系，同一目标的回波会在相邻的距离、俯仰波束和方位分辨单元上都有体现。因此要提取有效的准确的目标信息，点迹处理要完成3个空间维度的凝聚。原始回波数据经过前端脉冲压缩、滤波、恒虚警等技术处理后，点迹提取主要涉及到在距离维上的距离凝聚处理、方位维上的方位凝聚处理、仰角上的目标测高处理。
6 研制结果分析
该X波段低空预警雷达除显示设备外均集成于天线或转台内，安装现场基站要求低，安装架设方便，可靠性高，如下图 5为低空预警雷达实物图。如图 6为通过系统终端显示界面观察的民航机场进出港航班监视图，图 7、图 8为本低空预警雷达对两种大疆M600和Mavic Pro无人机的监视效果图。表 2为三种模式下雷达的主要探测性能。
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图 5 雷达实物图
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图 6 民航机场进出港航班监视图
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图 7 大疆M600无人机监视效果图
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图 8 大疆Mavic Pro无人机监视效果图
表 2 三种模式下雷达主要探测性能
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7结束语
本系统研制的低空预警雷达主要搜索跟踪45km范围内低空空域（3km以下）内的飞机等空气动力目标，精确监视低空区域内的低慢小目标，显示、输出飞行目标的距离、方位、速度和高度信息，形成低空目标的三维运动态势。雷达采用先进的有源相控阵体制及高数据更新率，提供优异的低空、慢速、小目标监视能力，具备消费级无人机的探测能力。对相当于大疆M600型六旋翼无人机尺寸的目标探测威力大于8km；对于当前最小的超视距四旋翼无人机Mavic Pro检测距离为3km。该雷达具有较高的可靠性及目标全自动录取能力，将低空监视信息传递到情报系统进行集中处理、显示和转发，可广泛用于对重点区域周围非合作目标和危险目标进行监视防卫。
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论文作者:吴俊
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/29
标签：波束论文; 低空论文; 目标论文; 脉冲论文; 相控阵论文; 信号论文; 系统论文; 《基层建设》2020年第2期论文;