机载预警雷达最小可检测速度试飞方法

王怀军, 刘 波, 陈春晖, 吴 洪, 贾军帅

(空军研究院， 北京 100085)

0 引言

预警机是实现空基预警探测和指挥引导的骨干力量，其核心传感器为机载预警雷达。机载预警雷达普遍为脉冲多普勒体制，通过检测目标运动引起的多普勒频移来发现目标[1]。现代战场目标种类繁多，呈现出高速、高空、高机动、低速(主要指相对于预警机位置的低径向速度)、低空、低散射(或辐射)等多种特征[2]。针对低速目标，由于地/海杂波的影响和雷达多普勒速度盲区的存在，当目标径向速度低于最小可检测速度时，目标无法被雷达检测，航迹跟踪将会中断[3]。因此，最小可检测速度是机载预警雷达的一项重要战术指标。

最小可检测速度通常采用两种检验手段，一是仿真试验，通过仿真产生低速目标注入雷达接收机，模拟验证预警雷达最小可检测速度；二是试验试飞，配试飞机与预警机按一定航线飞行，实际检验雷达最小可检测速度。由于仿真试验不是在真实目标环境和地理环境中进行检验，验证的充分性有限，在条件具备的情况下，应尽可能地采用试飞方式进行检验。

本文针对机载预警雷达最小可检测速度试验试飞方法开展研究，通过雷达杂波频谱分析推导了主杂波谱宽、速度盲区和最小可检测速度的关系，在此基础上进行了飞行航线设计和数据处理方法论述，最后进行了仿真分析验证。

1 基本原理

脉冲多普勒(PD)体制雷达的工作原理是基于雷达回波的多普勒效应，即根据运动目标回波与杂波背景在多普勒频率或速度上的差别来检测目标。由于机载预警雷达安装在运动平台上，其杂波频谱是比较复杂的，不仅存在主瓣杂波、副瓣杂波，还存在副瓣波束近似垂直入射、反射形成的高度杂波[4]，具体如图1所示。

图1 PD雷达杂波频谱

图1中杂波频谱主要包括副瓣杂波、高度杂波和主瓣杂波，其中主瓣杂波的强度最大，可能比热噪声强70～90 dB。在主瓣杂波的范围内，目标回波信号通常无法和主瓣杂波对抗，如图1所示。因此，对于一些慢速或是相对雷达切向运动的目标，当其回波的多普勒频率落入主瓣杂波存在的多普勒频率范围内时，目标无法被检测到，这通常被称为“速度盲区”[5]。

速度盲区由主瓣杂波的频谱宽度决定，可按图2所示几何关系来计算。

图2 杂波和雷达的几何关系示意图

图2中v为雷达平台飞行速度，β为雷达天线波束宽度，天线波束扫描的方位角为θ，俯仰角为γ。令fdc为主杂波多普勒频率，可表示为

(1)

式中，λ为雷达信号波长。令θ0表示天线波束中心方位扫描角，由式(1)可知，主瓣杂波中心频率fdc0和波束两个边缘对应的主杂波频率fdc1和fdc2可表示为

(2)

当0<θ0<π时，主杂波谱宽Δfdc可表示为

(3)

当θ0为0或π时，即对应预警机机头或机尾方向时，主杂波谱宽Δfdc可表示为

由式(3)可知，主瓣杂波谱宽与飞行平台速度、雷达信号波长、天线波束宽度、天线扫描角等有关。对于典型机械扫描雷达，在其飞行平台速度、雷达信号波长和天线波束宽度一定的条件下，主瓣杂波谱宽主要随天线扫描的方位角和俯仰角而变化。在特定距离和高度上(即给定俯仰角γ)，当天线扫描到正侧视时(sinθ0=1)，主瓣杂波谱宽达到最大值，相应最小可检测速度也应变得最差。

由式(2)和式(4)可知，当机载预警雷达波束机械转动扫描到预警机的机头或机尾方向时，主杂波频谱的中心频率最大，两边缘的频率相等且最小，呈现出中心对称特点，这时的主杂波谱宽最小，相应最小可检测速度也将达到最优。

2 试飞方法

最小可检测速度试飞方法的核心是确定试飞航线和数据处理方法，下面就主要针对这两个方面进行讨论。

2.1 试飞航线设计

由上面分析可知，机载预警雷达的最小可检测速度在不同方位角和俯仰角上亦不同，但考虑到实际情况，不可能每个角度都进行试飞检验。为节省试飞架次，试飞航线可以选取雷达主瓣杂波谱宽最大和最小两个地方来检验雷达最小可检测速度。为此，针对典型机械扫描体制机载预警雷达，设计以下两种试飞航线，如图3所示。

图3(a)为平行航线，配试飞机与预警机的航线相互平行。预警机采用长距离跑道形航线，陪试飞机采用短距离折返航线，两机先相向平行飞行，配试飞机穿越机载预警雷达的速度盲区，穿出盲区后即掉头追赶预警机(配试飞机速度一般远大于预警机)，以同向飞行方式穿越机载预警雷达速度盲区，而后即掉头与预警机再次相向飞行。以此往复，采集多次样本数据。图3(b)为垂直航线，配试飞机与预警机的航线相互垂直。预警机仍采用长距离跑道形航线，陪试飞机则采用短距离U形往复航线，来回多次穿越机载预警雷达速度盲区，同样为了采集更多样本数据。

(a) 平行航线

2.2 数据处理方法

在试飞过程中需要记录的数据主要包括机载预警雷达探测配试飞机的点、航迹数据，配试飞机和预警机的位置、速度等信息。由于当配试飞机即将进入或穿出机载预警雷达速度盲区时，雷达对目标的检测会中断或重新出现。根据记录的雷达点、航迹数据，查找雷达检测中断和重新出现时刻，而后找出该时间处相应的配试飞机和预警机的位置信息，其相对关系可简要描述为图4所示。

图4 配试飞机和预警机的位置关系

图4中假定配试飞机沿y轴方向运动，速度为Vt,相对预警机的视向角为α，配试飞机和预警机的位置分别为(xt,yt,zt)和(xr,yr,zr)。由此，雷达最小可检测速度Vmin可通过下式计算：

Vmin=Vtcosα=

(5)

上述的数据处理过程如图5所示。

图5 数据处理流程图

图5中数据查找是通过雷达点、航迹数据，找出配试飞机穿越雷达盲区前后雷达检测中断和重新出现时刻。雷达点、航迹可能存在异常数据，需要在数据查找之前先进行异常数据剔除，可参照相关国军标进行处理，对于有明确理由解释的异常数据可直接剔除，或按三倍标准差原则进行剔除。由于配试飞机和预警机的位置信息在时间上可能是不重合的，这就需要对它们进行时间对准，可以预警机位置信息的时间为基准，对配试飞机位置信息进行插值。而后，将配试飞机和预警机的位置信息变换到同一直角坐标系，如图4所示。然后，根据式(5)计算出机载预警雷达的最小可检测速度。对于机载预警雷达同一方位取得的多个最小可检测速度值可进行统计平均，作为检验值。

3 仿真分析

为进一步分析前面讨论的最小可检测速度试飞方法，下面通过仿真实验进行说明。仿真实验中假设配试目标飞机(通常选用战斗机)运动速度为300 m/s，预警机飞行速度为150 m/s，机载预警雷达的最小可检测速度分别设置为10,30和50 m/s，雷达以机械转动方式扫描，转速为6 r/min。试飞航线采用平行飞行航线，实验结果如图6～图9所示。

图6 位置结果(10 m/s)

图9 速度结果

图6～图9分别为机载预警雷达设置3个不同最小可检测速度情况下与配试飞机的相对位置关系和速度盲区情况，其中预警机一直沿着长度约250 km的航线飞行，配试飞机首先与预警机相向飞行，可以看到双机交错过程中配试飞机进入雷达速度盲区，雷达将丢失配试飞机信息；配试飞机穿越雷达速度盲区后折返，追赶预警机再次进入雷达速度盲区，雷达将再次丢失配试飞机信息。图6中雷达的最小可检测速度最小，对应的速度盲区也最小。图8中雷达的最小可检测速度最大，相应的速度盲区也最大。图7则介于图6和图8之间。由于追赶飞行时的相对速度较小，所以配试飞机将有较长一段距离处于雷达盲区。

图7 位置结果(30 m/s)

图8 位置结果(50 m/s)

图9为配试飞机相对雷达的径向速度与预警机位置的关系图。可以看出，配试飞机两次穿越雷达速度盲区过程中的径向速度变化情况。图中配试飞机径向速度的变化曲线与雷达3个最小可检测速度直线分别构成4个相交点，即为最小可检测速度的4个实验结果，如表1所示。

表1 仿真实验结果

表1为仿真实验获得的分别对应3个最小可检测速度的4个实验值。由于雷达转速为6 r/min，当预警机与配试飞机相向运动时，雷达单个扫描周期(10 s)产生的位置变化为4.5 km，同向运动时的位置变化为1.5 km，所以可以看到相向运动获得的测量值①和②的误差较大，同向运动的测量值③和④的误差较小，但通过算术平均就可得到较为稳定的最小可检测速度实验结果。

4 结束语

最小可检测速度直接影响机载预警雷达的低速目标检测和跟踪性能，应该在实际试验试飞中进行充分有效的检验。本文针对机载预警雷达最小可检测速度试飞检验问题开展研究，首先分析了主杂波谱宽、速度盲区和最小可检测速度的关系，在此基础上设计了两种飞行航线，将配试飞机与预警机飞行航线相互平行或垂直，以实现目标径向速度跨“零点”，从而检验出雷达最小可检测速度。最后仿真结果亦表明，提出的方法可用于机载预警雷达最小可检测速度试飞。