主動雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻段選擇

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 李 強(qiáng)

主動雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻段選擇

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 李 強(qiáng)

介紹了主動雷達(dá)導(dǎo)引頭總體設(shè)計(jì)中，工作頻率的選擇對導(dǎo)引頭戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)性能的影響。針對作用距離和探測精度兩種關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與工作頻段選擇之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了主動雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻段選擇的建議。

雷達(dá)導(dǎo)引頭；工作頻段；作用距離；探測精度

1.引言

雷達(dá)導(dǎo)引頭是一種安裝在導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部前端的無線電探測裝置，根據(jù)工作體制一般可分為主動、半主動、被動和復(fù)合等幾種。其中主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的任務(wù)是在雜波和干擾背景中檢測目標(biāo)信號，并從中提取出位置參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)等信息[1]。主動雷達(dá)導(dǎo)引頭具有跟蹤目標(biāo)距離遠(yuǎn)，跟蹤角速度大，導(dǎo)引精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作頻段、工作波形和工作體制設(shè)計(jì)，決定了導(dǎo)引頭的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能[2]。在諸多技術(shù)指標(biāo)當(dāng)中，作用距離和探測精度指標(biāo)可以作為評估主動雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)優(yōu)劣的兩個(gè)基本條件[3]。由于受到戰(zhàn)斗部安裝空間的限制，主動雷達(dá)導(dǎo)引頭較低的功率孔徑積制約了作用距離等性能指標(biāo)。本文就工作頻段的選擇對作用距離和探測精度的影響進(jìn)行分析并給出了初步研究結(jié)果。

2.工作頻段

由于彈載平臺的內(nèi)部空間及載重量有限，其對主動雷達(dá)系統(tǒng)的首要要求是體積小、重量輕，因此雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻率一般都選擇比較高的頻段。常用的主動雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻段有C頻段（4GHz-8GHz）、X頻段（8GHz-12GHz）、Ku頻段（12GHz-18GHz）、Ka頻段（27GHz-40GHz）、W頻段等（75GHz-110GHz）。選擇較低的工作頻段時(shí)，作用距離一般較遠(yuǎn)，因?yàn)樵诘皖l段易于獲得更高的功率孔徑積。另一方面，選擇高的工作頻段，可以完成對距離和位置等的精確測量，因?yàn)楦叩念l率可以提供更寬的帶寬（提高距離精度和分辨率），以及在給定物理尺寸時(shí)更窄的波束寬度（提高角精度和角分辨率）。工作頻段的選擇對導(dǎo)引頭雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有很大的影響，下文就從作用距離和探測精度兩種關(guān)鍵指標(biāo)入手，對雷達(dá)工作頻段的選擇進(jìn)行分析。

3.作用距離

根據(jù)雷達(dá)方程，主動雷達(dá)導(dǎo)引頭在無雜波區(qū)的最大作用距離為：

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率，Gt和Gr分別為導(dǎo)引頭天線發(fā)射增益和接收增益，λ為工作波長，σ為探測目標(biāo)的雷達(dá)截面積（RCS），k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為標(biāo)準(zhǔn)室溫，B為接收機(jī)帶寬，F(xiàn)n為接收機(jī)的噪聲系數(shù)，D0為檢測因子，Ls為系統(tǒng)總損耗。

從雷達(dá)方程中可以看到，工作頻率的選擇對導(dǎo)引頭作用距離的大小有著重要的影響，并體現(xiàn)在多個(gè)計(jì)算參數(shù)中。峰值功率Pt由導(dǎo)引頭天線陣面可容納的天線單元數(shù)以及單元峰值功率共同決定，其中最大可容納天線單元數(shù)和工作波長λ直接相關(guān)。雷達(dá)工作頻段越高，波長越小，相同天線陣面面積可容納的天線單元數(shù)就越多（天線單元間距約半個(gè)波長）。但單個(gè)組件的峰值功率并沒有隨著頻率的增高而線性變大，因此峰值功率和工作頻段之間不是簡單的正反比關(guān)系。隨著雷達(dá)收發(fā)組件技術(shù)的發(fā)展，峰值功率也在逐步變大。

天線增益G可以表示為：

式中Ae為考慮了天線孔徑效率的等效天線面積。因此，GtGr與工作波長的四次方λ4成反比，在其他參數(shù)條件不變的情況下，選擇更高的工作頻段，可以獲得更高的天線增益，從而獲得更遠(yuǎn)的作用距離。

目標(biāo)的雷達(dá)截面積σ除了與目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、表面介質(zhì)、極化方式和目標(biāo)姿態(tài)角等因素有關(guān)以外，也和主動雷達(dá)的工作波長有關(guān)。雷達(dá)截面積的起伏是頻率的函數(shù)，與峰值功率的情況類似，也不能用正反比來簡單概括。

在給定檢測概率及虛警概率的情況下（檢測因子D0固定），接收機(jī)帶寬和噪聲系數(shù)相同時(shí)，k和T0為常數(shù)，最小可檢測信號功率與工作頻段的選擇沒有直接對應(yīng)關(guān)系，可以作為常數(shù)來考慮。需要注意的是，主動雷達(dá)導(dǎo)引頭工作在不同頻段時(shí)，工作帶寬、噪聲系數(shù)和檢測因子也不盡相同。

系統(tǒng)損耗Ls包括傳輸和接收的損耗、天線波束形狀損耗以及各種信號處理損耗等。雷達(dá)導(dǎo)引頭工作在不同的頻段，電磁波傳播中受到的大氣衰減和雨衰也都不同。為了盡可能減小損耗對作用距離的影響，工作頻段常選擇在大氣衰減較小的電磁波“傳播窗口”周圍（Ka頻段，中心頻率選擇為35GHz；W頻段，中心頻率選為94GHz）。下表給出了常用的幾種導(dǎo)引頭工作頻段下大氣衰減的對比。

表1 不同工作頻段下的衰減對比（未考慮波束仰角，3 mm/h雨量情況下）

從上表可以看出，隨著工作頻段的提高，衰減逐漸變大（特別是雨衰），導(dǎo)致探測距離變小。當(dāng)工作頻率超過20GHz時(shí)，大氣衰減及雨衰的影響顯著增大。工作波長減小帶來的增益變大，可能會隨著衰減的增加而消失。一般地，具有較高工作頻率的雷達(dá)導(dǎo)引頭，作用距離指標(biāo)相應(yīng)較低，由此對應(yīng)的總損耗并不一定大于工作于較低頻段的雷達(dá)導(dǎo)引頭。

4.探測精度

主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的另一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)是探測精度，主要包括測角精度、測距精度和測速精度。

4.1 測角精度

影響雷達(dá)導(dǎo)引頭測角誤差的因素有很多，可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。其中系統(tǒng)誤差包括：電軸標(biāo)定誤差、電軸漂移誤差、天線罩折射誤差、彈體擾動誤差等，系統(tǒng)誤差可通過校正或補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行修正。隨機(jī)誤差包括：熱噪聲誤差、目標(biāo)角噪聲誤差、幅度起伏誤差、雜波、干擾等。

角閃爍引起的測角誤差和目標(biāo)的尺寸以及探測距離有關(guān)，當(dāng)二者確定時(shí)，可以看作是常數(shù)。熱噪聲是導(dǎo)致雷達(dá)導(dǎo)引頭遠(yuǎn)距測角誤差的主要原因，雷達(dá)導(dǎo)引頭由熱噪聲引起的均方根角誤差為：

式中，θ3db為天線波束寬度，km為歸一化斜率，S/N為信噪比。根據(jù)導(dǎo)引頭的不同作戰(zhàn)應(yīng)用場景，也可以用信雜比S/C或信雜噪比S/ (C+N)來代替S/N。當(dāng)S/N固定時(shí)，測角精度由波束寬度來決定。天線波束寬度越窄，相應(yīng)的測角誤差就越小。相同天線尺寸和信噪比條件下，工作頻段越高，導(dǎo)引頭的測角精度越高。

4.2 測距精度

產(chǎn)生測距系統(tǒng)誤差的主要因素：零距離標(biāo)定誤差、光速不穩(wěn)定誤差、接收機(jī)延遲誤差和動態(tài)滯后誤差等。

產(chǎn)生測距隨機(jī)誤差的主要因素：熱噪聲誤差、雜波與干擾誤差、調(diào)制脈沖前沿抖動、距離量化誤差、距離閃爍誤差、距離-多普勒耦合誤差和動態(tài)滯后變化誤差等。

由雜波和噪聲引起的測距誤差可以表示為：

式中c為光速，τ為脈壓以后的脈沖寬度，其他參數(shù)同上式。導(dǎo)引頭工作在不同頻段時(shí)，如果脈沖寬度以及信雜噪比相同，測距精度沒有區(qū)別。影響測距精度的其他誤差都和工作頻段無關(guān)，可以看作是常數(shù)。

4.3 測速精度

產(chǎn)生測速系統(tǒng)誤差的主要因素：鑒頻器零位漂移誤差、接收機(jī)延遲變化誤差和動態(tài)滯后誤差等。

產(chǎn)生測速隨機(jī)誤差的主要因素：熱噪聲誤差、頻率穩(wěn)定性誤差、雜波與干擾誤差、目標(biāo)旋轉(zhuǎn)與內(nèi)部運(yùn)動誤差和動態(tài)滯后變化誤差等。

利用多普勒頻率進(jìn)行彈目相對徑向運(yùn)動速度的測量，雷達(dá)導(dǎo)引頭速度測量精度主要取決于PD處理的濾波器帶寬。這里不考慮采用相鄰多普勒頻道幅度輸出進(jìn)行內(nèi)插測速，只考慮數(shù)多普勒濾波器中心方式測速。濾波器帶寬由脈沖重復(fù)頻率和積累脈沖數(shù)共同決定，與導(dǎo)引頭的工作頻段選擇沒有直接關(guān)系。

5.結(jié)論

通過以上分析，工作頻段的選擇對主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的作用距離和探測精度有著重要的影響，選擇任何一種工作頻段都不可能使所有的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最佳。在實(shí)際雷達(dá)導(dǎo)引頭總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合多種指標(biāo)因素以及工作環(huán)境來確定工作頻段。當(dāng)主動雷達(dá)導(dǎo)引頭外形尺寸包絡(luò)和探測距離指標(biāo)確定時(shí)，若對探測精度要求越高，則優(yōu)先選擇更高的工作頻段（Ku頻段、Ka頻段和W頻段）。若需要獲得更遠(yuǎn)的雷達(dá)探測距離，考慮到高頻段帶來的高大氣衰減及雨衰，一般選擇較低的工作頻段（C頻段、X頻段）。另一方面，可以選擇雙工作頻段（C頻段+Ka頻段）來兼顧更遠(yuǎn)的作用距離和更高的探測精度。

[1]高烽． 雷達(dá)導(dǎo)引頭概論[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2010．

[2]王志誠,高烽．Ku波段與Ka波段主動雷達(dá)導(dǎo)引頭之比較[J]．制導(dǎo)與引信,2011(32)：11-34．

[3]湯曉云, 樊小景, 李朝偉． 相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭綜述[J]． 航空兵器, 2013(3)：25-30．

李強(qiáng)（1987—），男，安徽肥東人，博士，工程師，現(xiàn)供職于中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)、雷達(dá)信號處理、干擾抑制。