机载相控阵火控雷达的技术特征及干扰研究

2015-01-21姬宪法

机电产品开发与创新 2015年3期

姬宪法

（空军第一航空学院，河南信阳 464000）

0 引言

机载火控雷达的主要作用是测定目标的空间位置，提供给火控系统，通过制导武器对目标实施攻击。相控阵机载火控雷达是采用相控阵天线的机载火控雷达。它是一种电子扫描雷达，由计算机控制，用电子的方法实现天线波束指向在空间的转动或扫描的电扫雷达系统，克服了机械扫描雷达惯性延迟的不足，波束灵活，能迅速而精确地控制和变换波束形状、数目和扫描图形，使得机载相控阵火控雷达实现了同时多目标跟踪和攻击、同时多功能和低截获概率能力，并降低了的自身的雷达截面积，可提高飞机的作战能力和战场生存能力。

1 相控阵天线原理

相控阵天线有多种形式，如线阵、平面阵、圆阵、圆柱形阵列、球形阵和共形阵等，但都是从阵列天线发展起来的。阵列天线通常由多个偶极子天线单元组成，偶极子天线具有近似的无方向性天线方向图，天线增益很低，在自由空间内增益只有6dB 左右，为了获得较高的增益，将多个偶极子天线单元按一定的规则排列在一起，形成一个大的阵列天线。下面我们以图1 所示阵列天线说明相控阵天线的相位扫描原理。

图1 相位扫描的基本原理框图

图1 所示是N 个带有移相器的相同单元的线性阵列天线，相邻单元间隔为d。与直线阵相垂直的方向为天线阵的法线方向，称为 “基本轴”。设各单元移相器输入端均为等幅同相馈电，且馈电相位为零。各个移相器能够对馈入信号产生0～2π 的相移量，按单元序号的增加其相移量依次为Ф1、Ф2、Ф3、…、ФN-1、ФN。

（1）当目标处于天线阵法线方向时，要求天线波束指向目标，即波束峰值对准目标，如图1（a）所示。

由阵列天线的原理可知，只要各单元辐射同相位的电磁波，则波束指向天线阵的法线方向。根据阵列天线这一结论，若对相控阵天线中各个移相器输人端同相馈电，那么，各个移相器必须对馈人射频信号相移相同数值（或均不移相），才能保证各单元同相辐射电磁波，从而使天线波束指向天线阵的法线方向。换句话说，各个移相器的相移量，应当使相邻单元间的相位差均为零，天线波束峰值才能对准天线阵的法线方向。

（2）在目标位于偏离法线方向一个角度θ0时，若仍要求天线波束指向目标，则波束扫描角(波束指向与法线方向间的夹角) 也应为θ0，如图1（b）所示。

倘若波束指向与电磁波等相位面垂直，即波束扫描一个θ0角度，则电磁波等相位面也将随之倾斜、见图中M′M 方向，它与线阵的夹角也为θ0。这时，各单元就不应该是同相辐射电磁波，而需要通过各自的移相器，对馈入射频信号的相位进行必要调整。

首先讨论单元1 与单元2 的移相器对馈入射频信号的相移情况。假设单元1 与单元2 的移相器分别对馈入的射频信号相移了Ф1和Ф2，那么单元1 辐射的电磁波到达等相位M′点的相位为Ф1，而单元2 辐射的电磁波由于在空间多行程一段距离AB，故到达等相位面时的相位为：

根据等相位条件，在等相位面上则有：

设两单元的相位差为Ф，上式可写成：

即两单元的相位差Ф，补偿了两单元波程差引起的相位差，使得两单元辐射的电磁波在θ0方向能够同相相加，得到最大值，即波束指向了θ0方向。同样的分析可以得出单元2 与单元3 之间的相位差也为Ф：

依此类推，任意两单元的相位差都相同。这就是说，通过移相器的调整，使得各单元辐射电磁波的相位按其序号依次导前一个Ф，分别为Фb、Ф2=Ф1+Ф、Ф3=Ф1+2Ф、…、ФN=Ф1+﹙N-1﹚Ф，使电磁波的等相位面向左倾斜，波束方向偏离天线阵法线方向向左一个θ0角度。

同理，通过移相器的调整，若各单元辐射电磁波的相位按其序号的增加依次滞后一个Ф，分别为Ф1、Ф2=Ф1-Ф、Ф3=Ф1-2Ф、…、ФN=Ф1-﹙N-1﹚Ф，则电磁波的等相位面向右倾斜，波束指向偏离天线阵的法线方向向右一个θ0角。由前面的公式可得出θ0与Ф 的定量关系为：

此式表明，在雷达工作波长与单元之间的间距d 一定的情况下，波束指向角θ0随Ф 而变化。只要控制移相器使各单元间产生相同的相移增量，并且其大小和正负又是可变的，则波束就可以在范围内扫描。

简单来说，控制移相器对馈入射频信号产生的相移，即可改变电磁波等相位面的位置，从而改变天线波束的指向，达到扫描的目的。这就是相控阵天线实现电扫描的基本原理。

2 相控阵雷达技术特征

2.1 天线波束快速扫描能力

天线波束快速扫描能力是相控阵雷达主要技术特点。这一特点来自于阵列天线中各天线单元通道内信号传输相位的快速变化能力。正是由于相控阵天线的波束快速扫描的技术特点使得相控阵火控雷达具有高搜索数据率、高跟踪数据率、多目标搜索与跟踪、实现多种雷达的功能。

2.2 天线波束形状捷变能力

天线波束形状捷变能力是指相控阵天线波束形状的快速变化能力。天线波束形状捷变能力使相控阵天线可快速实现波束赋形和实现空时二维自适应处理（STAP）。

空时二维自适应处理（STAP）是相控阵雷达在空域与频域同时实现对杂波干扰进行抑制的方法，用于机载相控阵火控雷达抑制地面杂波。机载雷达在强地物背景中检测目标，采用距离门多普勒滤波方法，对每一个要检测的距离单元，即可能存在目标的距离单元，通过多普勒滤波器组对目标回波进行频谱分析，从速度上分辨目标与杂波，而在不同角度上与不同距离上地物的杂波频谱是不同的，与雷达载机飞行速度及姿态有关，而且地物杂波信号是由与被检测单元同样距离的所有天线主瓣与副瓣照射的地物信号叠加而成，主瓣杂波对目标回波的信号的遮蔽最大。要检测雷达主瓣照射区内某一距离单元内是否存在目标，首先在每一天线单元或子天线级别上，对该单元的接收信号进行频谱分析，即频域滤波，然后对每一个滤波器的输出在进行自适应空域滤波，即实现自适应能力方向图形成，在该滤波器最大值对应的角度上形成接收方向图凹口。就是对回波信号的每一个多普勒频率分量，分别形成各自的天线方向图，方向图的最大值均指向预定要检测或跟踪目标的方向，而这些方向图凹口则分别对准产生该多普勒频率的强地物所在方向。

2.3 空间功率合成能力

空间功率合成能力使相控阵机载火控雷达实现了发射电磁波能量的低峰值功率、高脉冲能量和高平均功率，提高其探测性能。

阵列天线的每一个单元通道或每一个子天线阵上设置一个发射信号功率放大器，依靠移相器的变化，使发射天线波束定向发射，既将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一空间方向。

2.4 多波束形成能力

相控阵雷达通过波束转换控制信号可以方便地在一个重复周期内形成多个指向不同的发射波束和接收波束。用同一个孔径可以同时产生多个独立的波束，即将一部分面阵对应产生一个波束，另一部分面阵对应产生另一个波束，各个波束又可以具有不同的辐射功率、波束宽度、目标驻留时间、重复频率和重复照射次数等。各个波束可以实现统一控制和分别控制，用于对目标的一般搜索、重点搜索和跟踪。

2.5 强抗干扰能力

相控阵雷达天线波束的快速扫描、天线波束形状捷变、自适应空间滤波、自适应空时处理能力以及多种信号波形的工作方式，使得相控阵雷达在体制上具有强的抗干扰潜在性能。在相控阵雷达中又采用了单脉冲测角技术、脉冲压缩技术、频率分集技术、频率捷变和自适应旁瓣抑制技术，进一步提高了其抗干扰性能。

相控阵机载火控雷达具有高增益和低副瓣的天线阵列，副瓣电平可达-50~-40dB，由于副瓣电平低，可以使雷达少受相邻频段雷达的互扰，使掩护式干扰机的等效干扰功率增大，给干扰机制造增加困难，提高了雷达的抗干扰能力；主瓣波束很窄、扫描方式迅速灵活，使侦察接收机可接收的脉冲数少而难以实现跟踪，低副瓣技术的采用，又要求侦察接收机灵敏度高，动态范围大，信号测定瞬时迅速，使得侦察工作难以进行；波束调零技术的采用，使其易于对抗针对雷达天线副瓣的干扰。

3 对相控阵机载火控雷达的干扰研究

对相控阵机载雷达的干扰要从雷达原理、电子对抗原理等方面入手，从原理角度分析相控阵机载火控雷达自身固有的弱点，才能找到对应的干扰办法。从原理上讲，机载相控阵火控雷达有如下弱点：一是对所有的电子信号，只要在雷达设备的通带内的信号，它不分敌我，都能接收；二是不论雷达采用什么样的信号处理方式，只要干信比达到一定值时，它就不能干扰和有用信号的混合体中，提取有用信号；再一方面虽然相控阵雷达天线副瓣低，而且还可以采取副瓣调零等措施，但是它的天线副瓣仍然不可能为零，副瓣电平是客观存在的，副瓣干扰有机可乘。

相控阵机载火控雷达实质也是一部雷达设备，也要遵循雷达的基本工作原理，也具有上述弱点，因此只要是在雷达接收通道通带内的无线电信号，都能进入到雷达，无法回避；其次提高进入接收通道的电信号（包含有用信号和干扰信号）干扰信号能量，只要干信比达到一定值时，雷达就不能从干扰和有用信号的混合体中提取有用信号，直接影响雷达对目标的探测。根据上述分析，可采用以下方法实施电子干扰。

（1）由于天线副瓣的存在，因此通过增大干扰机功率，可进行副瓣干扰；或者直接对雷达实行宽带噪声干扰。强干扰信号进入雷达的接收通道可降低雷达接收信号的的信噪比，直至接收机达到饱和状态，破换雷达接收机的正常工作。

（2）从战术层面采用多机干扰，协同工作。相控阵雷达具有自适应空间滤波能力，能自适应地在干扰方向形成天线方向图零点，因此，单部干扰机无法对其形成有效的干扰。但是从原理角度分析自适应空间滤波需要自适应地计算空间矢量，而计算空间矢量需要空间取样，也要消耗计算时间，即自适应时间。采用两部或两部机载干扰设备协同使用，分时轮流工作，即可破坏雷达自适应空间滤波的精确性和稳定性，从而达到有效干扰的目的。