机载相控阵雷达战术性能飞行检验的相关理论

邢志川 李淑华

(海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041)



机载相控阵雷达战术性能飞行检验的相关理论

邢志川 李淑华

(海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041)

介绍了机载相控阵雷达的主要工作方式,分析了机载相控阵雷达战术性能飞行验证的参数,讨论了机载相控阵雷达战术性能飞行检验的统计科目和统计方法,对机载相控阵雷达战术性能飞行检验中的数据处理进行了简要的探讨,为飞行试验方案的设计和相关标准的建立打下基础。

相控阵; 战术性能; 飞行检验

Class Number TN95

1 引言

由于采用了固态有源自适应相控阵天线技术和自适应时空二维信息处理技术,相控阵雷达由于其原理性的特点相对于其他传统体制的雷达具有一定的优势。同时,机载雷达作为需要被携带在飞机上的雷达,其体积和功能有一定的限制。那么,传统的机载雷达的飞行检验方法对于机载相控阵雷达来说,不能完全的适用。研究科学合理的检飞方法对于相控阵雷达的研制和装备来说至关重要。本文将从战术性能参数、相控阵雷达工作方式、飞行检验方法、数据处理分析等角度出发探讨机载相控阵雷达的战术性能飞行检验的相关理论,为飞行试验方案的设计和更进一步的研究打下基础。

2 机载相控阵雷达战术性能飞行验证的参数

任何一部雷达都有其一定的技术参数,这些技术参数直接影响着雷达的战术性能,比如雷达接收机的灵敏度,雷达的距离分辨力,角度分辨力以及天线增益与雷达工作波长有关,在发现概率相同的情况下,随着脉冲积累数的增加,作用距离也会增大,此外,脉冲重复频率越高,天线扫描引起的背景起伏越小,抗干扰的能力越强。而分析技术参数得到的战术性能与雷达在实际战情下的战术性能作对比分析是机载相控阵雷达的飞行检验过程的重要内容之一,因此,有必要从飞行检验的角度对雷达的主要战术性能进行简单的探讨。

1) 作用距离

可分为最大作用距离和最小作用距离,可由雷达方程直接得出,但是对于飞行检验的目的而言,需要设定一定的实体目标,分析机载雷达对这些实体目标的探测距离统计分布。这里的实体目标不仅包括突防的真实目标,如飞机和弹头等,也包括其他的实体装置,如干扰装置和其他无源诱饵舱等。同时,相控阵雷达波束扫描的快速性与信号能量分配的灵活性使得雷达作用距离可以在相当程度上调整,且搜索状态下和跟踪状态下的作用距离也不相同,由此可安排多架次的飞行试验,全面地检验这一型号的机载相控阵雷达在不同工作方式情况下探测不同目标的能力。

2) 测量精度

是与雷达接收机在噪声背景中进行测量时所能达到的、潜在的最小测量误差相对应的,通常可分为雷达对目标距离的测量精度和雷达对目标角度的测量角度,简称为测距精度和测角精度,测距精度决定于信号的瞬时带宽及信噪比,测角精度决定于天线波束宽度及信噪比。天线波束越窄,雷达测量精度越高,从提高数据率、提高测角精度和从抗角度欺骗干扰能力考虑,多数的机载相控阵雷达采用单脉冲的测角方法,即通过形成两个天线方向图,对它们所收到的回波信号的幅度或相位进行比较,再通过内插法来确定目标偏离中心位置的角度。此外,相控阵雷达还可以设置对重点目标的测角工作模式,通过对在重点目标方向上增加天线波束驻留时间,即增加观测次数以及减小波束跃变,实现同轴跟踪等来提高测角精度。

3) 分辨力

可分为角度分辨力、距离分辨力、横向距离分辨力和速度分辨力。雷达的空间分辨力决定于雷达天线波束在方位与仰角上的半功率点宽度,波束宽度选择除了角度分辨力的考虑外,往往更多地决定于获得更高天线增益、更高测角角度的要求,由于相控阵天线具有波束形状捷变能力,因此角分辨力也可根据需要适当加以调整。相控阵雷达的距离分辨力与机扫雷达一样,决定于采用的信号瞬时带宽,相控阵雷达有多种工作模式,在不同工作模式下,由于信号波形的不同,因而距离分辨力也不同。在采用瞬时宽带信号的前提下,可以利用目标自身的旋转或目标围绕雷达视线的旋转产生的目标上各散射点的多普勒频移差,获得目标的横向距离分辨力。

4) 数据率

数据率定义为雷达对威力范围内的目标提供一次信息所需时间的倒数,是相控阵雷达的一个重要战术指标。由于相控阵雷达既要完成搜索,又要实现多目标跟踪,因此需要区分搜索数据和跟踪数据率,它们分别是搜索间隔时间与跟踪间隔时间的倒数。由于相控阵雷达需要搜索的区域可以按重要性等区分为多个搜索区,例如,重点搜索区、非重点搜索区,因而可以在不同的搜索区分配不同的搜索时间,总的搜索时间是在各个搜索区域所花费的时间之和。此外,在搜索过程中还要不断加上跟踪所需要的时间,这将导致对同一空域进行搜索的间隔时间加长,因而导致搜索数据率的降低。在多目标跟踪情况下,按目标重要性或其威胁度可以有不同的跟踪采样间隔时间。这些情况使得数据率这一指标在相控阵雷达信号资源分配和工作方式安排中成为一个重要的控制参数。

5) 抗干扰能力

雷达通常在各种自然干扰和人为干扰的条件下工作,其中主要是敌方施放的干扰,包括无源干扰和有源干扰。这些干扰最终作用于雷达终端设备,严重时可能使雷达失去工作能力。相控阵雷达在抗干扰能力上有更大的潜力,这些潜力的发挥有赖于相关工作方式的合理安排。

6) 处理多批目标的能力

相控阵雷达的一个特点是具有实时跟踪多个空间目标的能力。当雷达在搜索状态下发现目标,作出目标存在的报告后,必须对其进行确认、截获,然后转入跟踪状态,在对已截获的目标进行跟踪的同时,继续在搜索空域内进行搜索,以期发现新的目标。相控阵雷达处理多批目标的能力,可以实现观察、监视目标空域中可能存在的多批目标,并且在受到敌方无源干扰与有源干扰的对抗情况下,为保持一定的检测和工作能力,可以有效针对增加的虚假目标。

3 机载相控阵雷达的工作方式

上文介绍了机载相控阵雷达的主要战术性能参数,在讨论机载相控阵雷达战术性能飞行检验方法之前,有必要对相控阵雷达的工作方式进行简要的介绍。

1) 搜索工作方式

相控阵雷达的搜索工作方式有:分区搜索与重点空域的搜索、同时对远区及近区进行搜索、多波束同时搜索。

2) 跟踪工作方式

相控阵雷达的跟踪工作方式有:跟踪加搜索工作方式(TAS)、边跟踪边搜索工作方式(TWS)。

3) 工作方式的能量管理

工作方式的能量管理有:按目标远近及其目标反射面积大小进行信号能量管理、搜索与跟踪状态之间的信号能量分配、波束驻留数的选择等。

4 机载相控阵雷达战术性能飞行检验的统计科目和统计方法

飞行检验的目的是在地面模拟实验的基础上,进一步验证雷达在空中环境中的各种性能参数,在机载相控阵雷达的检飞过程中,需要检验载机不同飞行航迹、雷达不同工作方式、探测不同目标情况下的相控阵雷达的各种战术性能,具体如下:

1) 作用距离检飞

统计科目:边搜索边跟踪方式下上视迎头探测距离、上视迎头跟踪距离、上视尾追探测距离、上视尾追跟踪距离、下视迎头探测距离、下视迎头跟踪距离、下视尾追探测距离、下视尾追跟踪距离;跟踪加搜索方式下上视迎头探测距离、上视迎头跟踪距离、上视尾追探测距离、上视尾追跟踪距离、下视迎头探测距离、下视迎头跟踪距离、下视尾追探测距离、下视尾追跟踪距离;分区搜索方式下上视迎头探测距离、上视迎头跟踪距离、上视尾追探测距离、上视尾追跟踪距离、下视迎头探测距离、下视迎头跟踪距离、下视尾追探测距离、下视尾追跟踪距离;增程方式下上视迎头探测距离、上视迎头跟踪距离、上视尾追探测距离、上视尾追跟踪距离、下视迎头探测距离、下视迎头跟踪距离、下视尾追探测距离、下视尾追跟踪距离。空/地状态下的检飞内容边搜索边跟踪方式下的探测距离和跟踪距离;搜索加跟踪方式下的探测距离和跟踪距离。

统计方法:统计试验总次数,统计每次探测到目标的作用距离,建立直方图,然后通过计算得到相应的统计量,包括均值、标准差和置信区间等。在计算置信区间时,需要设定一定的显著性水平∂,由此,要对试验样本进行分布拟合检验,在大样本条件下,可以事先假设发现目标距离的统计分布服从非零均值的正态分布。

2) 测量精度检飞

统计科目:空-空状态下的单目标跟踪时的测距精度、空-空状态下的单目标跟踪时的测角精度、空-空状态下的单目标跟踪时的测速精度、空-空状态下的多目标跟踪时的测速精度、空-空状态下的多目标跟踪时的跟踪精度、空-空状态下的多目标跟踪时的测距精度、空-地状态下的测距精度。

统计方法:利用真值测量设备和被试雷达同时、同步对目标进行测量,对所得的测量数据进行比较,统计和计算出雷达的精度,而统计和计算是针对测量误差进行的,雷达测量误差服从正态分布,因此,按正态分布的随机变量来确定检飞的技术参数,并按计算平稳随机函数指标的方法计算测量精度。

3) 分辨率检飞

统计科目:空-空状态下的角分辨力、空-空状态下的距离分辨力、空-空状态下的速度分辨力、空-地状态下的角分辨力、空-地状态下的距离分辨力、空-地状态下的速度分辨力。

统计方法:根据验证科目设定一定的航线,分析处理获得的GPS信息、雷达视频记录仪记录的数据以及数据采集记录系统记录的目标信息,计算出空中目标的距离分辨力、角度分辨力。

4) 抗干扰能力检飞

统计科目:搜索阶段,发现目标的距离统计分布、多个距离点外成功发现目标的比率、目标检测概率和距离的关系曲线;截获阶段的目标截获时间;跟踪阶段,对目标建立粗跟的距离统计分布、成功建立粗跟的比率、对目标建立精跟的比率、对目标建立精跟的距离统计分布、成功建立精跟的比率、信噪比和距离的关系曲线、指定距离段内跟踪精度、不丢失目标的最远距离;失踪和再截获阶段,目标发生失踪的概率、发生失踪后重新获取的比率。

统计方法:给机载相控阵雷达设定不同的干扰样式,在数理统计的基础上,统计雷达在探测目标信息不同阶段时的各种指标参数,检验雷达的抗干扰能力。

5 机载相控阵雷达战术性能飞行检验中的数据处理

在机载相控阵战术性能检飞过程中,为更好地分析试验得到各种性能参数,需要对统计的数据进行一定的处理。

1) 误差分析

检飞过程中,不可避免地会存在误差。雷达画面信息显示和真实测量设备的采样间隔的不同,载机和目标的相对运动导致存在相对运动误差;数据处理中,涉及到地理坐标系、空间直角坐标系、高斯平面直角坐标系等不同坐标系的转换,由于采用的转换模型和修正算法存在差异,导致存在坐标转换误差;在进行人工判别时,存在判读误差;雷达数据处理会存在一定的延迟,导致存在延迟误差。这些误差,可以通过对试验数据的梳理和数理统计加以分析。

2) 抗干扰效果的评估

对于相控阵雷达抗干扰评估问题的研究,和其他评估问题一样,遵循一定的步骤。首先分析评估对象及其所处的环境,其次建立评估指标体系,然后选取合适的评估方法,最后验证与分析评估结果,从而形成综合模型。目前,抗干扰能力的评估方法有很多,发展的趋势是从人工赋权的主观评估到主客观相结合的评估方法,从目前较为宏观的综合评估逐步发展到对每一评估指标都进行深入的微观分析,国内外普遍的做法是对这些过程进行分布式地建模与仿真。

6 结语

目前,随着机载相控阵雷达技术的发展,越来越多的新型飞机上将装备相控阵雷达,迫切地需要对相控阵雷达这一新型雷达的飞行检验过程建立国家军用标准。本文从不同角度探讨了机载相控阵雷达战术性能检飞过程中的相关问题,对这一过程中相关标准的建立有一定的参考价值。

[1] 王雪松,肖顺平,冯德军,等.现代雷达电子战系统建模与仿真[M].北京:电子工业出版社,2010:236-257.

[2] 张光义.相控阵雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2009:185-219.

[3] 张欣,叶灵伟,王勇,等.航空雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2012:326-334.

[4] 陈相麟,蒋谱成.雷达实验[M].北京:国防工业出版社,2004:147-193.

[5] 周自全.飞行试验工程[M].北京:航空工业出版社,2010:234-305.

[6] 贲德,韦传安,林幼权.机载雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006:241-302.

[7] 国防科学技术工业委员会.GJB5778-2006.机载脉冲多普勒火控雷达通用规范[S].北京:国防科学技术工业委员会,2006.

[8] 国防科学技术工业委员会.GJB5791-2006.直升机机载侦察雷达战术性能试验方法[S].北京:国防科学技术工业委员会,2006.

Airborne Phased Array Radar Tactical Performance Flight Test

XING Zhichuan LI Shuhua

(Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041)

The paper introduces the main working mode of airborne phased array radar, analyses airborne phased array radar’s tactics performance flight test parameters, discusses the airborne phased array radar’s tactical performance statistical accounts of the flight testing and statistical methods, makes a brief discussion on tactical performance flight test for airborne phased array radar data processing and lays a foundation for the flight test programme related to the design and establishment.

phased array, tactics performance, flight test

2015年1月3日,

2015年2月28日 作者简介:邢志川,男,硕士,工程师,研究方向:军用飞行器天线设计。李淑华,男,硕士,教授,研究方向:军用飞行器天线设计。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.002