1、第16章 機(jī)載動(dòng)目標(biāo)顯示（AMTI）雷達(dá)FRED M. STAUDAHER16.1 采用AMTI技術(shù)的系統(tǒng)機(jī)載搜索雷達(dá)最初是為遠(yuǎn)程偵察機(jī)探測(cè)艦艇研制的。第二次世界大戰(zhàn)后期，美海軍研制了幾種機(jī)載預(yù)警（AEW）雷達(dá)，用來探測(cè)從艦艇雷達(dá)天線威力區(qū)之下飛近特遣艦隊(duì)的低空飛機(jī)。在增大對(duì)空和對(duì)海面目標(biāo)的最大檢測(cè)距離方面，機(jī)載雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，只要了解下述情況就很清楚了，高度為100ft的天線桅桿，其雷達(dá)視線距離只有12n mile，而與其相比，飛機(jī)高度為10 000ft時(shí)，雷達(dá)視線距離則為123n mile。神風(fēng)突擊隊(duì)襲擊造成多艘哨艦的損失引起了機(jī)載自主探測(cè)與控制站的設(shè)想，后來這種系統(tǒng)發(fā)展成為一種用

2、于洲際防空的邊界巡邏機(jī)。E2C航空母艦艦載飛機(jī)（如圖16.1所示）使用機(jī)載預(yù)警雷達(dá)作為其機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的主要傳感器。這種雷達(dá)的視界很寬，用于檢測(cè)海雜波和地雜波背景中的小飛機(jī)目標(biāo)。由于其首要的任務(wù)是檢測(cè)低空飛行的飛機(jī)，因此這種雷達(dá)就不能靠抬高天線波束的仰角來消除雜波。AMTI雷達(dá)系統(tǒng)就是在這種情況下發(fā)展起來的13，與前一章中探討的地面雷達(dá)的MTI系統(tǒng)相似146。圖16.1 帶有旋轉(zhuǎn)天線罩的E2C空中預(yù)警機(jī)在截?fù)魴C(jī)火炮控制系統(tǒng)中，AMTI雷達(dá)系統(tǒng)還可用來捕捉和跟蹤目標(biāo)。在這種場(chǎng)合中，雷達(dá)僅需抑制指定目標(biāo)附近的雜波。因此，在目標(biāo)所處的距離和角度扇形區(qū)內(nèi)可將雷達(dá)優(yōu)化到最佳狀態(tài)。MTI系統(tǒng)也可以裝在

3、偵察機(jī)或戰(zhàn)術(shù)殲擊-轟炸機(jī)上用來檢測(cè)地面運(yùn)動(dòng)的車輛。由于目標(biāo)速度低，因而采用較高的雷達(dá)頻率以獲得大的多普勒頻移。因?yàn)楸尘半s波通常很強(qiáng)，故這些雷達(dá)能夠有效地采用非相參MTI技術(shù)。高空、高機(jī)動(dòng)、高速度的環(huán)境條件及尺寸、重量、功耗的限制給AMTI雷達(dá)設(shè)計(jì)者帶來了一系列的特殊問題。本章將專門探討機(jī)載條件下如何處理這些特殊問題。16.2 覆蓋范圍的考慮搜索雷達(dá)一般要求有360°方位角覆蓋。這個(gè)覆蓋范圍在飛機(jī)上是很難達(dá)到的，其原因在于：天線突出機(jī)外安裝將會(huì)增大阻力；使穩(wěn)定性變差；使結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。當(dāng)要求擴(kuò)大垂直覆蓋范圍時(shí)，飛機(jī)機(jī)身和垂直安定面將使天線方向圖變形和受遮擋。從戰(zhàn)術(shù)要求的分析來看，只需要

4、覆蓋一定的扇形區(qū)即可。但是這個(gè)扇形區(qū)相對(duì)于機(jī)頭方向應(yīng)該在整個(gè)360°范圍內(nèi)可以變換。這樣才能滿足下列各種情況下對(duì)覆蓋范圍的要求，即改換航線、遇強(qiáng)風(fēng)有大偏流角、與風(fēng)有關(guān)的地面跟蹤、非標(biāo)準(zhǔn)飛行狀態(tài)及進(jìn)出基地的覆蓋要求。16.3 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和高度對(duì)MTI性能的影響MTI應(yīng)能區(qū)分出空中動(dòng)目標(biāo)和固定的地或海雜波。然而，在飛行狀態(tài)下，雜波是相對(duì)于飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的?？捎弥T如TACCAR（時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)）的技術(shù)補(bǔ)償雜波平均徑向速度。如圖16.2所示，雜波的視在徑向速度Vr =-Vgcosa。式中，Vg為飛機(jī)地速，即相對(duì)于地面的飛行速度；a為到地面一點(diǎn)的視線與飛機(jī)速度矢量之間的夾角。圖16.3為沿地

5、面等徑向速度的軌跡。為使該圖歸一化，假定地面為一平面，歸一化的徑向速度Vn=Vr /Vg為方位角y和歸一化地面距離R/H的函數(shù)。此處H為飛機(jī)高度。圖16.2 幾何關(guān)系圖a0為天線指向角；a為視線角；q 為偏離天線中心的角度；Vg為飛機(jī)地速；Vr為點(diǎn)目標(biāo)的徑向速度；VB為沿天線中心線（瞄準(zhǔn)線）的徑向速度；y 0為天線方位角；y 為方位角；R為到點(diǎn)目標(biāo)的地面距離；H為飛機(jī)高度圖16.3 隨飛機(jī)距離高度比R/H和方位角y 變化的歸一化等徑向速度Vr /Vg 的軌跡與天線指向角a0所確定的對(duì)應(yīng)于等徑向速度（如圖16.2所示中的VB）的單一雜波多普勒頻率不同，雷達(dá)“看到”的是一段連續(xù)速度區(qū)間。這就形成了

6、一定寬度的頻譜，其形狀由與地面相交的天線方向圖、雜波的反射率及波束中的速度分布所決定。此外，因?yàn)樵谔囟ǚ轿唤莥上Vr是隨距離變化的，所以中心頻率和頻譜形狀也是隨距離和方位角y0變化的。當(dāng)天線指向前方時(shí)，主要影響是由于a0隨距離變化而引起的中心頻率的相應(yīng)變化。當(dāng)天線指向與飛機(jī)垂直時(shí)，主要影響是天線波束寬度內(nèi)的速度分布以上兩者分別稱為斜距效應(yīng)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。斜距對(duì)多普勒偏移的影響天線瞄準(zhǔn)線的速度VB是沿天線中心線（瞄準(zhǔn)線）方向上的地速分量，用-Vgcosa0表示。如果雜波面和飛機(jī)在同一個(gè)平面（共面）上，則這個(gè)分量等于-Vgcosy 0，而與距離無關(guān)。實(shí)際瞄準(zhǔn)線速度與共面的瞄準(zhǔn)線速度之比值定義為歸一

7、化瞄準(zhǔn)線速度比 （16.1）式中，f0是天線中心線離開水平面的俯角。圖16.4為不同飛行高度下，歸一化瞄準(zhǔn)線速度比與斜距的關(guān)系曲線，其考慮了地球曲率。對(duì)小于15mile的斜距來說，這個(gè)變化是很急劇的。雜波頻譜的中心應(yīng)落在AMTI濾波器的凹口（即最小響應(yīng)區(qū)）以得到最大的雜波抑制。這只要把雷達(dá)信號(hào)的中頻或射頻偏移一個(gè)量即可完成。該偏移量等于雜波頻譜的平均多普勒頻率。雷達(dá)移動(dòng)時(shí)，由于雜波的中心頻率是隨距離和方位變化的，故需采用諸如下面所述的TACCAR之類的開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)，使濾波器凹口跟蹤多普勒偏移頻率。時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)（TACCAR）麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室最初是為解決AMTI雷達(dá)問題而

8、研制時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)的。在試用了許多其他的方法后，他們發(fā)現(xiàn)，如果用雜波回波而不是發(fā)射脈沖來鎖相雷達(dá)的雜波濾波器，就能使雜波中心位于濾波器阻帶內(nèi)。由于散射體位置在方位上的分布是不同的，雜波相位在不同距離單元間是變化的，因此有必要在盡量長(zhǎng)的間隔內(nèi)來平均雜波回波。其他處理方法，如相位比較對(duì)消曾在雷達(dá)（AN/APS70）中應(yīng)用?，F(xiàn)在，時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)技術(shù)被用來使雜波回波譜中心對(duì)準(zhǔn)零濾波器頻率。由于這項(xiàng)技術(shù)能夠補(bǔ)償因海浪、箔條、氣象雜波引起的平均多普勒頻率偏移，因此它不僅可用于機(jī)載雷達(dá)，也用于艦載和地面雷達(dá)。圖16.4 在不同的飛機(jī)高度下，歸一化瞄準(zhǔn)線速度比VBR與斜距RS和飛機(jī)高度H之

9、差的關(guān)系曲線圖16.5是時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)的原理框圖。雜波誤差信號(hào)通過測(cè)量雜波回波的脈間相移wdTp得出，它是一個(gè)非常靈敏的誤差信號(hào)。平均誤差信號(hào)控制壓控相參主振蕩器（COMO），它決定了雷達(dá)的發(fā)射頻率。相參主振蕩器的頻率，經(jīng)如圖16.5所示中的自動(dòng)頻率控制（AFC）環(huán)路，受控于系統(tǒng)基準(zhǔn)振蕩頻率。當(dāng)無雜波時(shí)，它提供一個(gè)穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)。從飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和天線伺服系統(tǒng)來的一個(gè)輸入信號(hào)提供一個(gè)預(yù)測(cè)的多普勒頻移。這些輸入為時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)提供一個(gè)窄帶校正信號(hào)。圖16.5 時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)控制環(huán)路信號(hào)流程框圖由于雜波信號(hào)的噪聲特性，需要有控制系統(tǒng)跨過弱雜波回波區(qū)并且要求不響應(yīng)

10、真實(shí)目標(biāo)的多普勒頻移，控制系統(tǒng)通常跟蹤給定雷達(dá)距離間隔內(nèi)的方位變化。這個(gè)間隔的最大距離應(yīng)選擇得使雜波成為這一間隔內(nèi)的主要信號(hào)。最小距離應(yīng)選擇得能排除平均頻率與所關(guān)心區(qū)域內(nèi)的頻率明顯不同的那些信號(hào)。在某些應(yīng)用中，必須運(yùn)用多個(gè)控制環(huán)路，每一環(huán)路覆蓋一定的距離間隔或者按距離改變偏移頻率。在任一給定的距離內(nèi)，濾波器凹點(diǎn)實(shí)際處于某一個(gè)頻率上，而雜波頻譜的中心卻處于另一個(gè)頻率上，兩頻率之差造成多普勒偏移誤差，如圖16.6所示，雜波頻譜伸入濾波器通頻帶內(nèi)愈多，改善因子變壞也愈大。圖16.6 多普勒偏移誤差的影響（fr = PRF）圖16.7為對(duì)應(yīng)于不同雜波頻譜寬度時(shí)，單路延遲和雙路延遲對(duì)消器的改善因子I與凹

11、點(diǎn)偏移誤差對(duì)PRF之比的關(guān)系曲線。值得慶幸的是，在偏移誤差最大的探測(cè)范圍的前向扇區(qū)內(nèi)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的頻譜是很窄的。對(duì)輸入雜波頻譜寬度為PRF的3%的雙路延遲對(duì)消器而言，當(dāng)偏移誤差為PRF的1%時(shí)，可獲得的改善為26dB。如果雷達(dá)頻率為10GHz、PRF為1kHz、地速為580kn時(shí)，則凹口必須保持在0.29kn之內(nèi)，即0.005Vg內(nèi)。圖16.7 對(duì)應(yīng)于不同雜波頻譜寬度s c時(shí)，改善因子I與歸一化多普勒偏移誤差s e之間的關(guān)系曲線這些要求及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)頻譜的寬度決定了參差PRF系統(tǒng)首先必須根據(jù)保持阻帶來進(jìn)行選擇，而不是根據(jù)使通帶變平來選擇的。同樣，高階延遲濾波器（有反饋或無反饋）也是根據(jù)阻帶抑制度來綜

12、合的。在極限情況下，采用窄帶濾波器組，其中每個(gè)濾波器有一個(gè)窄通帶，其余部分形成阻帶。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響對(duì)于機(jī)載雷達(dá)來說，當(dāng)q 和俯角f 0的值都比較小時(shí)，雜波散射體呈現(xiàn)的徑向速度與同一距離天線瞄準(zhǔn)線的徑向速度之差為 （16.2）式中，Vx為垂直于天線瞄準(zhǔn)線的速度水平分量；Vy為沿著天線瞄準(zhǔn)線的速度分量；q為偏離天線瞄準(zhǔn)線或包含瞄準(zhǔn)線的垂直面與地面交線的方位角。當(dāng)a0偏離航向若干個(gè)波束寬度時(shí)，相應(yīng)的多普勒頻率為 （16.3）這一現(xiàn)象構(gòu)成了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)雜波的功率頻譜，在方位上被天線雙程功率方向圖所調(diào)制。真實(shí)的頻譜可近似地用高斯頻譜表示 （16.4）當(dāng)q =qa/2時(shí)，天線雙程功率方向圖G4(q)為0.2

13、5。式中，qa為半功率點(diǎn)波束寬度，可用l/a近似表示；a為有效的水平口徑寬度，因此或 （16.5）式中，Vx和a為同一單位。這個(gè)數(shù)值低于其他作者45推導(dǎo)的數(shù)值。然而，這個(gè)數(shù)值卻與本章作者分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)天線方向圖較精確的分析是一致的。將所關(guān)注的雙程功率方向圖在指定點(diǎn)上與高斯近似式一致，可取得更精確的參量spm，用統(tǒng)計(jì)技術(shù)或擬合方向圖并用數(shù)值方法確定q的標(biāo)準(zhǔn)偏差。計(jì)算改善因子I時(shí)，把合成的剩余功率平均一下即可，這些剩余功率是將對(duì)應(yīng)于天線方向圖從零點(diǎn)到零點(diǎn)之間的每一特定q值上的信號(hào)矢量進(jìn)行相加而得到的。圖16.8為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)MTI改善因子的影響，說明改善因子是孔徑平面上口徑位移與脈間間隔TP之比

14、值的函數(shù)關(guān)系。位移5.4%將把雙路延遲改善因子減少到30dB。此時(shí)，如果系統(tǒng)的PRF為1000Hz、天線孔徑為10ft，相應(yīng)的位移速度則為540ft/s。對(duì)單路延遲系統(tǒng)，為得到不低于30dB的性能特性，位移必須保持在1.1%之內(nèi)。16.4 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的側(cè)視補(bǔ)償平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的有害影響可采用在物理手段或電子手段偏置孔徑平面上天線的相位中心711來消除，這叫做偏置相位中心天線（DPCA）技術(shù)。圖16.8 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)改善因子的影響圖中表示出改善因子與每一脈間間隔對(duì)天線水平孔徑位移之比VxTp/a的函數(shù)關(guān)系。物理偏置相位中心天線物理偏置相位中心天線中1011的兩個(gè)側(cè)視天線的孔徑平行排列在飛機(jī)縱軸線上，兩者

15、相位中心間距為d。如果飛機(jī)以地速為Vg運(yùn)動(dòng)，則在脈沖間間隔Tp內(nèi)，相位中心移動(dòng)VgTp。在如圖16.9（a）所示中，前天線A1發(fā)射和接收第一個(gè)脈沖，后天線A2在下一脈沖間間隔發(fā)射和接收第二個(gè)脈沖。如果d=VgTp，那么使用第一個(gè)脈沖的天線A1將和使用第二個(gè)發(fā)射脈沖的天線A2重合。就雙脈沖對(duì)而言，A1和A2接收的信號(hào)和天線在靜止時(shí)接收到的信號(hào)相似。對(duì)發(fā)射機(jī)而言，位置實(shí)際上發(fā)生了改變，但脈沖間的信號(hào)路徑差是相同的。此時(shí)出現(xiàn)的距離誤差可以忽略。由于天線間的距離間隔不易改變，且這種偏置要受到設(shè)計(jì)速度和PRF的限制。因此，為保持天線間的空間位置對(duì)準(zhǔn)，工作期間PRF必須是變化的。如果天線不沿飛行路徑排列或

16、者如果d不等于VgTp，就會(huì)在A1和A2之間出現(xiàn)如圖16.9（b）所示的誤差，其結(jié)果就像飛機(jī)以一定的速度和航向飛行，以至在一個(gè)脈沖間間隔時(shí)發(fā)生了A1-A'2的偏移，時(shí)間平均雜波相參機(jī)載雷達(dá)的電路能使合成頻譜中心位于零多普勒頻率。但對(duì)消取決于VxTp = 2e的值，如圖16.8所示。若2e/Tp足夠小，則雜波譜副瓣將處于濾波器凹口，就能夠?qū)ο簟＿@種雙天線方案難于制造，如果天線被上下放置，則會(huì)由于天線場(chǎng)的變化產(chǎn)生附加誤差。垂直移動(dòng)引起的物理位置差異、不同近場(chǎng)環(huán)境的影響及制造誤差均會(huì)造成天線場(chǎng)的變化且在單一交替發(fā)射通路結(jié)構(gòu)中，為了接收，PRF被分成了兩半。圖16.10給出了一種可行的單天線

17、方案，采用了由一排共用天線陣元和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的多饋電陣列。上排開關(guān)把天線陣元和共同饋源或假負(fù)載連接起來，下排開關(guān)連結(jié)共同饋源和適當(dāng)?shù)奶炀€陣元。結(jié)構(gòu)圖中左面的6個(gè)天線陣元是有源的，當(dāng)開關(guān)打到另一位置時(shí)，右面6的個(gè)天線陣元是有源的。本例中，子陣列之間相互偏離兩個(gè)天線陣元。圖16.9 物理DPCA的幾何關(guān)系：（a）理想運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，A1和A2是脈沖1的天線相位中心，A1和A2是脈沖2的天線相位中心；（b）由于偏置誤差和排列誤差造成的非理想運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償圖16.10 一個(gè)天線陣列內(nèi)部綜合置換子陣列的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)另一種變型是左右子陣列有各自的共同饋源11。為避免使用大功率開關(guān)電路，用一個(gè)子陣列或一個(gè)中央天線陣元組作為

18、發(fā)射陣列。子陣列間距d必須等于2VgTp，以補(bǔ)償發(fā)射相位中心偏移。當(dāng)A1和A2之間的距離為d時(shí)，就可使得A1-A'2配對(duì)，繼而使A1和A2成對(duì)。這樣，只要保持有效PRF等于基本PRF，即在每個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)都能進(jìn)行對(duì)消。天線A1，A2的雙程方向圖必須基本相同，否則對(duì)消質(zhì)量就會(huì)降低。這種降低可以通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)天線的方向圖G1(q)和G2(q)并計(jì)算出相關(guān)系數(shù)得出，即 （16.6）則合成對(duì)消比 （16.7）如果G2(q)和G1(q)近似相同，則近似為1，對(duì)消比很大。當(dāng)測(cè)量G1(q)和G2(q)時(shí)，天線陣列必須互換位置后再測(cè)量一次，以確保每個(gè)子陣列在天線排列上處于相同的物理位置。電子偏置相位中

19、心天線圖16.11（a）為雷達(dá)接收機(jī)收到的某個(gè)基本散射單元產(chǎn)生的脈沖間相移。接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)E1正比于雙程天線的場(chǎng)強(qiáng)。其相移為 （16.8）式中，fd為散射單元的多普勒頻移（式（16.3）；Tp為脈沖間間隔。圖16.11（b）為相移h的矯正法。施加一個(gè)理想矯正信號(hào)Ec，其相位比接收信號(hào)超前90°，而比下一個(gè)接收信號(hào)滯后90°。為了精確地補(bǔ)償，應(yīng)滿足下面關(guān)系式 （16.9）這里假設(shè)采用與單脈沖跟蹤雷達(dá)相似的一種雙波瓣天線方向圖。用兩部接收機(jī)，一部提供和信號(hào)(q)；另一部提供差信號(hào)D(q)。差信號(hào)用于補(bǔ)償平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。圖16.11 由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的點(diǎn)散射回波的相位矢量圖如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)是用和方向圖發(fā)射，既用和方向圖又用差方向圖接收信號(hào)，那么在選定的設(shè)計(jì)速度下，可以把接收信號(hào)作為矯正信號(hào)。實(shí)際矯正信號(hào)是用k近似Ec的。式中，k是接收機(jī)和差通道的放大比。均勻照射單脈沖天線陣12的差信號(hào)與和信號(hào)的相位差為90°，其幅度關(guān)系為 （16.10）式中，W為兩個(gè)半個(gè)天線的相位中心之間的距離。因此，選擇W=2VxTp和=1，可取得最佳對(duì)消的理想結(jié)果。實(shí)際上，和方向圖的選擇是基于檢測(cè)系統(tǒng)要求的波束寬度、增益和副瓣而進(jìn)行的。而差方向圖D(q)的綜合則與此無關(guān)，它由雷達(dá)平臺(tái)的設(shè)計(jì)速度和容許副瓣而定。把各個(gè)分支