機載相控陣火控雷達的技術(shù)特征及干擾研究分析論文
機載火控雷達的主要作用是測定目標的空間位置，提供給火控系統， 通過(guò)制導武器對目標實(shí)施攻擊。相控陣機載火控雷達是采用相控陣天線(xiàn)的機載火控雷達。它是一種電子掃描雷達， 由計算機控制， 用電子的方法實(shí)現天線(xiàn)波束指向在空間的轉動(dòng)或掃描的電掃雷達系統，克服了機械掃描雷達慣性延遲的不足， 波束靈活， 能迅速而精確地控制和變換波束形狀、數目和掃描圖形， 使得機載相控陣火控雷達實(shí)現了同時(shí)多目標跟蹤和攻擊、同時(shí)多功能和低截獲概率能力， 并降低了的自身的雷達截面積， 可提高飛機的作戰能力和戰場(chǎng)生存能力。
1 相控陣天線(xiàn)原理
相控陣天線(xiàn)有多種形式， 如線(xiàn)陣、平面陣、圓陣、圓柱形陣列、球形陣和共形陣等， 但都是從陣列天線(xiàn)發(fā)展起來(lái)的。陣列天線(xiàn)通常由多個(gè)偶極子天線(xiàn)單元組成，偶極子天線(xiàn)具有近似的無(wú)方向性天線(xiàn)方向圖， 天線(xiàn)增益很低， 在自由空間內增益只有6dB 左右， 為了獲得較高的增益， 將多個(gè)偶極子天線(xiàn)單元按一定的規則排列在一起， 形成一個(gè)大的陣列天線(xiàn)。
N 個(gè)帶有移相器的相同單元的線(xiàn)性陣列天線(xiàn)， 相鄰單元間隔為d。與直線(xiàn)陣相垂直的方向為天線(xiàn)陣的法線(xiàn)方向， 稱(chēng)為“基本軸”。設各單元移相器輸入端均為等幅同相饋電， 且饋電相位為零。各個(gè)移相器能夠對饋入信號產(chǎn)生0～2π 的相移量， 按單元序號的增加其相移量依次為Ф1、Ф2、Ф3、…、ФN-1、ФN。
(1)當目標處于天線(xiàn)陣法線(xiàn)方向時(shí)，要求天線(xiàn)波束指向目標，即波束峰值對準目標。由陣列天線(xiàn)的原理可知， 只要各單元輻射同相位的電磁波， 則波束指向天線(xiàn)陣的法線(xiàn)方向。根據陣列天線(xiàn)這一結論， 若對相控陣天線(xiàn)中各個(gè)移相器輸人端同相饋電， 那么， 各個(gè)移相器必須對饋人射頻信號相移相同數值(或均不移相)， 才能保證各單元同相輻射電磁波，從而使天線(xiàn)波束指向天線(xiàn)陣的法線(xiàn)方向。換句話(huà)說(shuō)， 各個(gè)移相器的相移量， 應當使相鄰單元間的相位差均為零， 天線(xiàn)波束峰值才能對準天線(xiàn)陣的法線(xiàn)方向。
(2)在目標位于偏離法線(xiàn)方向一個(gè)角度θ0時(shí)，若仍要求天線(xiàn)波束指向目標， 則波束掃描角(波束指向與法線(xiàn)方向間的夾角) 也應為θ0。倘若波束指向與電磁波等相位面垂直， 即波束掃描一個(gè)θ0角度， 則電磁波等相位面也將隨之傾斜、見(jiàn)圖中M′M 方向， 它與線(xiàn)陣的夾角也為θ0。這時(shí)， 各單元就不應該是同相輻射電磁波， 而需要通過(guò)各自的移相器， 對饋入射頻信號的相位進(jìn)行必要調整。
首先討論單元1 與單元2 的移相器對饋入射頻信號的
相移情況。假設單元1 與單元2 的移相器分別對饋入的
射頻信號相移了Ф1
和Ф2， 那么單元1 輻射的電磁波到達
等相位M′點(diǎn)的相位為Ф1， 而單元2 輻射的電磁波由于在
空間多行程一段距離AB， 故到達等相位面時(shí)的相位為：
φ2=2π/λ ·d·sinθ0
根據等相位條件， 在等相位面上則有：
φ1=φ2=2π/λ ·d·sinθ0
設兩單元的相位差為Ф， 上式可寫(xiě)成：
φ=φ2-φ1=2πλ ·d·sinθ0
即兩單元的相位差Ф， 補償了兩單元波程差引起的相位差， 使得兩單元輻射的電磁波在θ0方向能夠同相相加， 得到最大值， 即波束指向了θ0方向。同樣的分析可以得出單元2 與單元3 之間的相位差也為Ф：
φ1=φ3=2π/λ ·d·sinθ0
依此類(lèi)推， 任意兩單元的相位差都相同。這就是說(shuō)， 通過(guò)移相器的調整， 使得各單元輻射電磁波的相位按其序號依次導前一個(gè)Ф， 分別為Фb、Ф2=Ф1+Ф、Ф3=Ф1+2Ф、…、ФN=Ф1+﹙N-1﹚Ф，使電磁波的.等相位面向左傾斜， 波束方向偏離天線(xiàn)陣法線(xiàn)方向向左一個(gè)θ0角度。
同理， 通過(guò)移相器的調整， 若各單元輻射電磁波的相位按其序號的增加依次滯后一個(gè)Ф， 分別為Ф1、Ф2=Ф1-Ф、Ф3=Ф1-2Ф、…、ФN=Ф1-﹙N-1﹚Ф，則電磁波的等相位面向右傾斜， 波束指向偏離天線(xiàn)陣的法線(xiàn)方向向右一個(gè)θ0角。由前面的公式可得出θ0與Ф 的定量關(guān)系為：
θ0=arcsin (λφ/2πd )
此式表明， 在雷達工作波長(cháng)與單元之間的間距d 一定的情況下， 波束指向角θ0隨Ф 而變化。只要控制移相器使各單元間產(chǎn)生相同的相移增量， 并且其大小和正負又是可變的， 則波束就可以在范圍內掃描。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， 控制移相器對饋入射頻信號產(chǎn)生的相移， 即可改變電磁波等相位面的位置， 從而改變天線(xiàn)波束的指向， 達到掃描的目的。這就是相控陣天線(xiàn)實(shí)現電掃描的基本原理。
2 相控陣雷達技術(shù)特征
2.1 天線(xiàn)波束快速掃描能力
天線(xiàn)波束快速掃描能力是相控陣雷達主要技術(shù)特點(diǎn)。這一特點(diǎn)來(lái)自于陣列天線(xiàn)中各天線(xiàn)單元通道內信號傳輸相位的快速變化能力。正是由于相控陣天線(xiàn)的波束快速掃描的技術(shù)特點(diǎn)使得相控陣火控雷達具有高搜索數據率、高跟蹤數據率、多目標搜索與跟蹤、實(shí)現多種雷達的功能。
2.2 天線(xiàn)波束形狀捷變能力
天線(xiàn)波束形狀捷變能力是指相控陣天線(xiàn)波束形狀的快速變化能力。天線(xiàn)波束形狀捷變能力使相控陣天線(xiàn)可快速實(shí)現波束賦形和實(shí)現空時(shí)二維自適應處理(STAP)�？諘r(shí)二維自適應處理(STAP)是相控陣雷達在空域與頻域同時(shí)實(shí)現對雜波干擾進(jìn)行抑制的方法， 用于機載相控陣火控雷達抑制地面雜波。機載雷達在強地物背景中檢測目標， 采用距離門(mén)多普勒濾波方法， 對每一個(gè)要檢測的距離單元， 即可能存在目標的距離單元， 通過(guò)多普勒濾波器組對目標回波進(jìn)行頻譜分析， 從速度上分辨目標與雜波， 而在不同角度上與不同距離上地物的雜波頻譜是不同的， 與雷達載機飛行速度及姿態(tài)有關(guān)， 而且地物雜波信號是由與被檢測單元同樣距離的所有天線(xiàn)主瓣與副瓣照射的地物信號疊加而成， 主瓣雜波對目標回波的信號的遮蔽最大。要檢測雷達主瓣照射區內某一距離單元內是否存在目標， 首先在每一天線(xiàn)單元或子天線(xiàn)級別上， 對該單元的接收信號進(jìn)行頻譜分析， 即頻域濾波， 然后對每一個(gè)濾波器的輸出在進(jìn)行自適應空域濾波， 即實(shí)現自適應能力方向圖形成， 在該濾波器最大值對應的角度上形成接收方向圖凹口。就是對回波信號的每一個(gè)多普勒頻率分量， 分別形成各自的天線(xiàn)方向圖，方向圖的最大值均指向預定要檢測或跟蹤目標的方向，而這些方向圖凹口則分別對準產(chǎn)生該多普勒頻率的強地物所在方向。
2.3 空間功率合成能力
空間功率合成能力使相控陣機載火控雷達實(shí)現了發(fā)射電磁波能量的低峰值功率、高脈沖能量和高平均功率， 提高其探測性能。
陣列天線(xiàn)的每一個(gè)單元通道或每一個(gè)子天線(xiàn)陣上設置一個(gè)發(fā)射信號功率放大器， 依靠移相器的變化， 使發(fā)射天線(xiàn)波束定向發(fā)射， 既將各單元通道或各子陣通道中的發(fā)射信號聚焦于某一空間方向。
2.4 多波束形成能力
相控陣雷達通過(guò)波束轉換控制信號可以方便地在一個(gè)重復周期內形成多個(gè)指向不同的發(fā)射波束和接收波束。用同一個(gè)孔徑可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨立的波束， 即將一部分面陣對應產(chǎn)生一個(gè)波束， 另一部分面陣對應產(chǎn)生另一個(gè)波束， 各個(gè)波束又可以具有不同的輻射功率、波束寬度、目標駐留時(shí)間、重復頻率和重復照射次數等。各個(gè)波束可以實(shí)現統一控制和分別控制， 用于對目標的一般搜索、重點(diǎn)搜索和跟蹤。
2.5 強抗干擾能力
相控陣雷達天線(xiàn)波束的快速掃描、天線(xiàn)波束形狀捷變、自適應空間濾波、自適應空時(shí)處理能力以及多種信號波形的工作方式， 使得相控陣雷達在體制上具有強的抗干擾潛在性能。在相控陣雷達中又采用了單脈沖測角技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)、頻率分集技術(shù)、頻率捷變和自適應旁瓣抑制技術(shù)， 進(jìn)一步提高了其抗干擾性能。
相控陣機載火控雷達具有高增益和低副瓣的天線(xiàn)陣列， 副瓣電平可達-50~-40dB， 由于副瓣電平低， 可以使雷達少受相鄰頻段雷達的互擾， 使掩護式干擾機的等效干擾功率增大， 給干擾機制造增加困難， 提高了雷達的抗干擾能力; 主瓣波束很窄、掃描方式迅速靈活， 使偵察接收機可接收的脈沖數少而難以實(shí)現跟蹤， 低副瓣技術(shù)的采用， 又要求偵察接收機靈敏度高， 動(dòng)態(tài)范圍大，信號測定瞬時(shí)迅速， 使得偵察工作難以進(jìn)行; 波束調零技術(shù)的采用， 使其易于對抗針對雷達天線(xiàn)副瓣的干擾。
3 對相控陣機載火控雷達的干擾研究
對相控陣機載雷達的干擾要從雷達原理、電子對抗原理等方面入手， 從原理角度分析相控陣機載火控雷達自身固有的弱點(diǎn)， 才能找到對應的干擾辦法。從原理上講， 機載相控陣火控雷達有如下弱點(diǎn)： 一是對所有的電子信號， 只要在雷達設備的通帶內的信號， 它不分敵我， 都能接收; 二是不論雷達采用什么樣的信號處理方式， 只要干信比達到一定值時(shí)， 它就不能干擾和有用信號的混合體中， 提取有用信號; 再一方面雖然相控陣雷達天線(xiàn)副瓣低， 而且還可以采取副瓣調零等措施， 但是它的天線(xiàn)副瓣仍然不可能為零， 副瓣電平是客觀(guān)存在的， 副瓣干擾有機可乘。
相控陣機載火控雷達實(shí)質(zhì)也是一部雷達設備， 也要遵循雷達的基本工作原理， 也具有上述弱點(diǎn)， 因此只要是在雷達接收通道通帶內的無(wú)線(xiàn)電信號， 都能進(jìn)入到雷達， 無(wú)法回避; 其次提高進(jìn)入接收通道的電信號(包含有用信號和干擾信號)干擾信號能量，只要干信比達到一定值時(shí)， 雷達就不能從干擾和有用信號的混合體中提取有用信號， 直接影響雷達對目標的探測。根據上述分析， 可采用以下方法實(shí)施電子干擾。
(1)由于天線(xiàn)副瓣的存在，因此通過(guò)增大干擾機功率，可進(jìn)行副瓣干擾; 或者直接對雷達實(shí)行寬帶噪聲干擾。強干擾信號進(jìn)入雷達的接收通道可降低雷達接收信號的的信噪比， 直至接收機達到飽和狀態(tài)， 破換雷達接收機的正常工作。
(2)從戰術(shù)層面采用多機干擾，協(xié)同工作。相控陣雷達具有自適應空間濾波能力， 能自適應地在干擾方向形成天線(xiàn)方向圖零點(diǎn)， 因此， 單部干擾機無(wú)法對其形成有效的干擾。但是從原理角度分析自適應空間濾波需要自適應地計算空間矢量， 而計算空間矢量需要空間取樣， 也要消耗計算時(shí)間， 即自適應時(shí)間。采用兩部或兩部機載干擾設備協(xié)同使用， 分時(shí)輪流工作， 即可破壞雷達自適應空間濾波的精確性和穩定性， 從而達到有效干擾的目的。
4 結束語(yǔ)
機載火控雷達的干擾與抗干擾是矛和盾的關(guān)系， 二者在對抗過(guò)程中不斷的發(fā)展、提高。相控陣機載火控雷達技術(shù)先進(jìn)， 優(yōu)勢明顯， 但是并非無(wú)懈可擊， 只要找準其弱項與不足， 干擾方法得當， 總能見(jiàn)效。
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