一种毫米波高灵敏度雷达侦察技术研究

赵 玉，徐海洋，邵文建

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

目前采用毫米波制导的导引头越来越多，常见的有“长弓海尔法”低空导弹、AGM-65导弹等[1]，近年来随着毫米波低截获导引头技术的发展，其对舰船等目标的威胁越来越大，需要发展毫米波高灵敏度侦察设备对其进行先期预警，以便引导毫米波干扰设备进行有效干扰。目前毫米波频段雷达侦察装置的灵敏度普遍不高，不能满足对低截获导引头侦察距离的需求，因此需要研究毫米波高灵敏度雷达侦察技术。本文介绍一种适用于实际装备的毫米波高灵敏度雷达侦察技术。

1 雷达侦察技术

雷达侦察技术主要实现对外界雷达目标信号的截获、测量、分选与识别。为实现该技术，其常见的雷达侦察装置主要由天线、微波接收、参数测量、信号分选与识别和电源等部分组成，根据所采用的侦察测向、测频体制的不同，各部分的组成也有很大差异。常用的雷达侦察测向体制有多波束比幅测向、干涉仪比相测向等，测频体制有宽开瞬时测频、单比特测频以及信道化测频等。

1.1 模拟多波束比幅测向侦察技术

常见的模拟多波束比幅测向技术的系统组成如图1所示，主要包括多波束测向天线、测频天线、微波变频、对数视频检波放大、瞬时测频接收机、多波束比幅测向接收机以及后端的分析识别部分。其中天线阵可以为喇叭阵，也可以采用透镜形式的天线。瞬时测频接收机可以用单比特测频接收机或数字信道化测频接收机代替。其基本工作流程为：测频接收机从测频天线支路检测到外界雷达信号后，送触发波门，启动多波束比幅测向接收机测向，测频接收机测量信号的载频、脉宽、幅度等参数，测向接收机接收前端测向天线支路经对数视频检波放大处理后的视频信号，进行方位参数并最终形成雷达辐射源脉冲描述字(PDW)送后端分选识别处理。该技术体制具有成熟度高、设备量适中、环境使用能力强等特点，其主要缺点是灵敏度受限于测频支路的灵敏度。如采用瞬时测频技术测频，则灵敏度一般在-60 dBm以下；采用数字信道化接收，其灵敏度可达到-75 dBm，但是其工作瞬时带宽目前一般为1 GHz，不满足频率宽开侦察需求；采用单比特测频，则灵敏度可达到-70 dBm左右，对于侦察低截获的毫米波导引头，仍不满足需求。

图1 模拟多波束比幅测向技术组成示意图

1.2 数字多波束比幅测向侦察技术

通常数字多波束比幅测向的系统组成如图2所示，主要有阵列天线、波束控制及馈电、滤波放大变频、数字波束形成(DBF)和参数测量+分析识别等部分组成。其显著优点为可以实现高灵敏度侦察，灵敏度可以达到-100 dBm以上，但该侦察体制存在技术复杂、设备量大、成本高等缺点，且瞬时工作带宽不超过1 GHz，一般为几十MHz到几百MHz。

图2 数字多波束比幅测向技术组成示意图

1.3 干涉仪比相测向侦察技术

干涉仪测向技术由于其设备量小且具有高测向精度，使其在电子侦察中有着重要意义[2]，它是通过测量信号的幅度或者是相位等信息从而获得信号的来波方向[3]。虽然它在设备量、测向速度等方面有其自身的优势，但是当环境中有同时到达信号，尤其是信号存在多径传输时，基于干涉仪测向体制的测向方法往往会造成方位增批现象，另外受限于天线形式等因素，灵敏度难以提升。通常数字多波束比幅测向系统组成如图3所示，其主要由干涉仪天线、微波变频、数字信道化接收机和后端的分选识别等部分组成。

2 一种高灵敏度毫米波侦察技术

图3 干涉仪测向技术组成示意图

经第1节的分析比较可以看出，适合实现毫米波高灵敏度侦察的为多波束比幅测向技术，考虑到设备量、成本等因素，通常采用模拟多波束比幅测向技术实现毫米波高灵敏度侦察。目前基于该技术的毫米波侦察技术的工作原理框图如图4所示，即测频采用半全向(或全向)天线，经微波前端接收后变频送测频接收机测频；测向天线阵接收测向信号经测向接收前端(DLVA)处理后送测向接收机，最终形成PDW送后端分选与识别，该技术的灵敏度受限于测频支路，难以提升。本文针对毫米波频段外界信号特点(密度低，目标少)提出一种毫米波高灵敏度侦察系统设计方案。

2.1 总体设计

该高灵敏度毫米波侦察技术的设计思路是基于目前外界毫米波频段的作战目标主要为毫米波导引头，其同时存在的数量不多。该技术的总体设计组成如图5所示，主要由天线阵，接收前端组件，开关网络，变频、测频接收机，多波束比幅测向接收机及后端的分选与识别部分组成。

当系统加电初始化后，天线阵接收外界n路射频信号后送接收前端组件，前端组件对接收到的信号进行放大功分后，一路送DLVA检波为视频信号，输出至测向接收机；另一路送开关网络。测向接收机对接收到的视频进行检测，根据测向结果将信号所对应天线波束号送开关网络，开关网络选择对应波束后送测频接收机进行测频；测频接收机将测量的频段等信息送测向接收机进行配对，形成PDW送后端进行分选与识别；当测向接收机检测到其他天线波束上有信号时，通过控制开关网络再将测频信号选择出后，经变频送测频接收机，该系统测向接收机通过流水测向，接收测频接收机输入的频率等信息，最终匹配成目标PDW。其总体工作流程如图6所示。下面对各部分的组成及原理进行介绍。

图6 工作流程框图

2.2 天线阵设计

天线阵设计主要考虑因素为系统的测向精度指标和灵敏度指标要求。多波束比幅测向采用的天线方向图可用高斯型近似表示[4]，检波-对数放大器输出电压与接收信号功率的对数成线性关系，根据多波束比幅测向方程可得到方位角θ与两相邻波束接收功率的比值γ之间的关系：

(1)

式中：θ为入射波方向与两波束中心线的夹角；θ0为天线单元-3 dB波束宽度的一半；θS为两相邻天线轴线之间的夹角；γ为相邻天线通道接收信号的幅度之比(dB)。

为了分析测向误差，对式(1)进行全微分:

(2)

从式(2)可以看出天线的波束宽度(单元数)对测向精度起着决定性的作用，因此天线阵设计时系统的测向精度指标决定了天线单元数。常用的天线阵主要有恒波束喇叭阵和柱透镜天线阵，其组成示意图如图7所示，当测向精度要求不高，天线单元数不多(一般不大于于32)时采用喇叭阵，当测向精度要求较高时一般采用柱透镜天线阵(一般不超过64路)。当天线单元数越多，波束宽度则越窄，天线的增益也越高，一般32波束的天线阵，其单元天线增益约20 dB。

2.3 微波前端及开关网络设计

微波接收前端主要完成对接收天线端射频信号的放大、变频后，功分送DLVA检波和开关网络，其单路的工作原理框图如图8所示。开关网络的设计要求为可将N路输入的射频信号根据控制命令任选m路输出。

图7 常用天线阵组成示意图

图8 微波前端工作原理框图

2.4 主要技术指标计算分析

下面以32元喇叭阵为例，其单元天线方向图如图9所示，对测向精度和灵敏度指标进行分析计算。当天线单元数为32时θ0为5.625°，利用实际工程经验及式(2)可以得到测向精度达到2°(rms)。下面利用式(3)来计算接收机灵敏度[5]：

P=-114+F+10lg(6.31BV+

(3)

式中：F为噪声系数(取6 dB)；Br为射频带宽(取10 GHz)；Bv为视频带宽(取50 MHz)；D为识别系数(取3 dB)，则接收机的灵敏度为-65 dBm。

设计的天线增益约为20 dB，则设计之后的系统测向灵敏度可达-85 dBm；测频支路采用单比特测频，其灵敏度优于-70 dBm，由于测频和测向共用天线，因此测频支路灵敏度由于-90 dBm，因此系统整体灵敏度可达-85 dBm，相比改进之前有大幅度提升。

3 结束语

本文分析了几种常用的雷达侦察技术，在此基础上提出一种毫米波高灵敏度雷达侦察技术，给出了该技术的组成框图、工作流程图，并对天线阵、微波接收前端和开关网络设计进行了描述，最后对该技术对应的一种系统的测向精度和灵敏度进行了指标分析计算。该技术对于雷达侦察系统的研制具有实际参考意义。

[1] 卢再奇.弹载毫米波雷达目标识别实现技术研究[D].长沙：国防科学技术大学,2002.

[2] 何晓明,赵波.基于数字干涉仪的无源测向技术研究[J].中国电子科学研究院学报,2008，13(5)：460-463.

[3] 张瑜,李玲玲.多径条件下雷达到达角的估计与仿真[J].电波科学学报,2004，19(2)：215-218.

[4] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社,1999.

[5] 林象平.雷达对抗原理[M].西安：西北电讯工程学院出版社,1985.