多功能相控阵雷达（精选9篇）
多功能相控阵雷达 第1篇
1 多功能相控阵雷达发展现状
多功能相控阵雷达的发展经历了无源、有源以及数字三个阶段。无源相控阵雷达配置了中央功率产生器, 可以通过雷达内的无源网络对发射功率进行调整, 如使用透镜系统或波导网络对阵元的信号发射功率进行分配等。相较于传统的机械雷达, 其最大的特点是为每一阵元分配了独立的移相器。有源相控阵雷达则是为每一阵元配置了一组完整的T/R组件, 利用该组件完成中央功率产生器的相关功能, 且其功能更完善如相位与增益可调, 集成度与灵敏度更高。数字相控阵雷达则将进一步提升了固态集成电路的占比, 将数字波束形成技术应用到相控阵雷达中来提升雷达的扫描频率、扫描范围以及抗干扰性。
2 多功能相控阵雷达关键技术
2.1 射频技术
多功能相控阵雷达所采用的设计思路为模块化设计思路, 该思路下个功能和技术的集成度更高, 更换与调节更灵活。射频技术是指其使用了多种材料和T/R组件来提升雷达在不同射频波段的功率性能和抗噪声性能。特别是以碳化硅和氮化镓为代表的单片微波集成电路T/R组件的应用使得多功能相控阵雷达在S波段上下频段以及宽能量禁带等方面的性能得到了极大的提升。
2.2 子阵列集成技术
该技术可提升相控阵天线的一次成功概率, 降低其经济成本。其仍旧以模块化设计思路为核心, 可以通过表面安装技术与电路板组件封装相结合, 通过嵌入式处理方式将波束形成、功率控制等集成到模块中, 还可以预留出必要的接口进行功能或模块拓展, 最后环节通过印制电路板技术一次成型。
2.3 多波束形成技术
该技术是多功能相控阵雷达的核心技术之一, 其以数字技术为基础, 可以直接应用微波集成技术和中频直采技术对信号进行高精度抽样与检测, 可以在S波段以及2500阵元量级的阵列单元级中实现多波束形成。其应用优势在于可以采用多中行个弄自适应算法对波束形成方法进行调整, 可以有效解决多通道接收机一致性较高的问题。但是需要注意的是, 其物理实现对设备复杂性的要求较高。
2.4 双极化技术
雷达对目标对象的识别、反隐以及干扰抑制等都是通过对目标回波的极化特性进行判断来实现的。多功能相控阵雷达的双极化技术可以为每个阵元分配一组共两个相互独立的极化通道, 然后利用天线阵元的双通道特性来获得差动反射率的偏差, 增强目标回波的极化特征。
2.5 MIMO技术
MIMO技术, 即多输入多输出技术, 可以利用雷达天线阵列的多天线特性向空域目标发射多束探测信号, 然后对回波信号进行分集接收和数据融合处理, 实现参数可识别性能的提升和发射方向图的设计。同时, MIMO技术还可以帮助相控阵雷达克服其因横截面积起伏所引起的性能不稳定问题, 显著改善目标的检测结果与参数估计精度。
3 多功能相控阵雷达的发展趋势
3.1 新一代T/R组件
新世纪中的T/R组件经历了“砖块”、“瓦片”、扁平封装、三维面板/集成电路等多个阶段, 每一阶段都大幅降低了T/R组件的重量、体积以及生产成本。但是其仍旧存在较大的发展空间, 下一代的T/R组件和MPM模块等需要进一步对其损耗、重量以及适用频率范围等参数进行控制, 同时还应该增大其输出功率。预计下一代X波段的T/R组件对多面阵甚至是共形天线等的支持性会更高。
3.2 共形相控阵
相控阵需要承载在多种平台中以执行相应的任务, 如飞机、导弹、舰艇等。为增强雷达与平台间的结构一体化特性, 其需要向共形方向不断演进。共形相控阵不仅可以利用承载平台的结构特性进行载荷扩展, 还能够进一步增大天线阵列的孔径, 减少阵元间的相互干扰, 提升雷达性能, 此外, 共形天线不再需要额外的天线罩等装置的支持, 可以帮助减少飞机的雷达特征。
3.3 无模块结构设计
有源电子扫描平面阵列无模块结构设计可以进一步提升数字硬件的应用范围, 使得雷达的集成度更高, 重量更轻, 可有效消除金属结构对T/R单元间的射频隔离与封闭, 将相互间的影响控制在最小程度。
3.4 新技术、新器件的应用
随着相控阵雷达数字化程度的提升, 可应用其中的技术和算法种类越来越堵偶, 雷达所能够实现的功能也越来越丰富, 如空时自适应处理技术、自适应数字波束形成技术、微带天线技术、固态相控阵技术以及其他改进技术等都会对改善雷达的性能、增强雷达的实用性、拓展雷达的作用范围、提升雷达的抗干扰能力等带来极大的提升, 使其更加适合未来的作战环境。
参考文献
[1]李均阁.雷达技术发展综述及多功能相控阵雷达未来趋势[J].甘肃科技, 2012, 18:007.
[2]罗敏.多功能相控阵雷达发展现状及趋势[J].现代雷达, 2011, 33 (9) :14-18.
[3]陈立, 潘谊春, 郑凯.相控阵雷达的发展[J].舰船电子工程, 2009 (5) :13-17.
国外相控阵雷达发展综述 第2篇
【关键词】相控阵雷达；AN/MPQ-65；Ground Master；“长颈鹿”
1、引言
自上世纪相控阵技术在雷达中应用以来，该技术在不断完善的基础上，很大程度上提高了雷达系统的作战性能，已经能够满足现代战争对高精度、高可靠性、强电子对抗能力、多目标处理能力等多种要求。由于西方发达国家在元器件以及系统综合方面的技术优势，使得这些国家的相控阵雷达在性能和技术发展也具有一定的领先優势。
本文主要对几种典型的地面先进相控阵雷达的性能进行了分析，其中主要包括：美国的“爱国者”系统中使用的AN/MPQ-53/65雷达、法国的Ground Master 200/400雷达、瑞典的“长颈鹿”雷达。
2、国外典型相控阵雷达发展现状
2.1“爱国者”系统AN/MPQ-53/65雷达
“爱国者-3”导弹系统是洛克希德·马丁公司在“爱国者-2”（PAC-2）系统的基础上，通过改进火控系统并换装新的PAC-3导弹而成的一种全新的防空系统。它是当今世界上最先进、打击能力最强的防空导弹系统之一，也是美国当前正加紧研制的战区导弹防御（TMD）系统重点项目之一。
除了系统所配备的导弹在不断升级外，系统所配备的雷达也经过了多次改进，目前广泛使用的“爱国者”系统已经由早期的AN/MPQ-53雷达升级为AN/MPQ-65雷达，雷达性能得到了显著提升。两者均工作在G/H波段，天线孔径2.44米，天线阵元5161个，作用距离覆盖3-170km，搜索扇区达到90°，跟踪扇区120°，整个天线装置安装在一辆半拖车底盘上。
AN/MPQ-53相控阵雷达具备搜索、探测、跟踪及识别、导弹跟踪及引导，和反电子干扰等功能。雷达由作战控制中心中的数字式武器控制计算机通过一条数据链对其实施自动控制。该雷达可跟踪最多100个目标并向最多9枚导弹提供导弹制导数据。AN/MPQ-65雷达与前者的主要区别在于，后者又增加了一个行波管（TWT），使得该雷达的搜索、检测以及跟踪能力得到了提升。
2.2法国Ground Master 200/400雷达
Ground Master 200/400都属于战术防空雷达，能够对低空-高空、近程-中程目标进行精确检测，无论环境条件如何。Ground Master 200雷达可以检测和跟踪各种类型的威胁，不管是作战行动还是维和行动。目标类型包括：战斗机、直升机（悬停）、巡航导弹、轻型客机、UAV、火箭和火炮。
Ground Master系列雷达兼具很多现代雷达所必须的特点：接近100%的操作可靠性、高冗余度、可部署能力和生存能力很强、强电子对抗能力等。这两种雷达系统均采用S波段有源相控阵天线，GM 200的探测距离可达100km（交战模式）/250km（监视模式），GM 400的覆盖范围更大，可达5-470km；俯仰覆盖能力前者为70°，后者为20°，探测高度均可达80000英尺；两种雷达的可靠性均非常高，GM 200雷达的MTBCF可达2800小时，后者则可达3500小时；前者的展开时间只需不到15分钟，后者可由6名操作人员在1小时内展开。
2.3瑞典“长颈鹿”AMB雷达
瑞典萨博公司研发的“长颈鹿”系列雷达是目前世界范围内装备最为广泛的雷达产品之一，已经装备了几十个国家和地区，由于该系列雷达的不断升级，使其始终保持着突出的系统性能。作为一种新的改进型雷达，“长颈鹿”AMB雷达在之前产品的基础上，性能又有了进一步提升。该雷达工作于5.4-5.9GHz，作用距离有多种选择，分别为30、60和100km，俯仰角超过70°，探测高度超过20km，可同时对超过150批目标进行跟踪，整个雷达部署/撤收时间非常短，分别不到10/6分钟。
该雷达用于瑞典的RBS23 BAMSE和RB97防空导弹系统。系统具有以下几个方面的特点：采用多波束技术；自动探测悬停直升机并进行威胁评估功能；可折叠天线桅杆，完全展开可将天线升高13m；全自动战斗控制功能（跟踪启动、跟踪（卡尔曼滤波器）、目标识别、目标区分和指示、威胁评估及目标“弹出”处理）；能对超过20个火力单元的控制；可与早期雷达产品及其它同型号系统进行数据交换，简化了雷达协同的能力及汇编本地空图的能力；综合IFF子系统。
3、国外相控阵雷达发展趋势
3.1低成本雷达阵列技术
随着目前大型有源相控阵雷达的广泛应用，对于辐射组件数量需求越来越大，而辐射单元的价格是相当不菲的，从而限制了有源相控阵雷达的广泛应用，尤其是难以应用于民用领域。
目前，美国正在开展的低成本相控阵组件研发项目就包括了一种94GHz阵列研发项目，预计该项目最终的组件单价为1美元。另外还有多个实验室也在研发低成本相控阵组件。
3.2GaN单片微波集成电路（MMIC）的应用
目前，GaN MMIC的技术水平已经通过多个实验室进行了验证，它的性能要明显优于GaAs MMIC，只是由于在成本上要高很多，所以限制了它的发展。
美国雷声公司在这一领域一直处于领先地位，该公司的GaN功率放大（PA）芯片可以取代GaAs PA芯片，在相同封装的情况下前者可提供5倍的功率，因此可为雷达提供更高的灵敏度和更远的作用距离。雷声公司正计划在多个大型项目上采用GaN技术，其中就包括Space Fence和AMDR，还有美国空军的3DELRR项目。
3.3商用现货技术（COTS）
通俗来讲，商用现货技术就是在军品生产中利用现有商用/民用技术或产品。长期以来，由于技术先进性、可靠性等多方面的要求，使得军装产品所用的硬件和软件都显著区别于民用产品，但是随着近几十年的科技发展，民用领域已经许在许多方面开始赶上甚至超越军用领域，尤其是成本控制、软件、集成度等方面，许多民用电子产品的部分技术水平已经超越了军品。
未来，如果能够在军用雷达产品中使用较为成熟的民用元器件和软件技术，那么也将在一定程度上降低军装产品的价格。
4、总结
本文主要介绍了几种西方发达国家的典型相控阵雷达产品以及其主要技术指标，随后对未来国外相控阵技术的发展趋势进行了分析，为国内相控阵技术的发展具有一定的指导意义。
参考文献
[1]孙京.多功能相控阵雷达关键技术及其发展趋势分析[J].电子技术与软件工程，2014，（5）.
[2]李均阁.雷达技术发展综述及多功能相控阵雷达未来趋势[J].甘肃科技，2012，（18）.
[3]罗敏.多功能相控阵雷达发展现状及趋势[J].现代雷达，2011，（9）.
[4]陈立，潘谊春，郑凯.相控阵雷达的发展[J].舰船电子工程，2009，（5）.
多功能相控阵雷达 第3篇
相控阵雷达是一种多功能、高性能的新型雷达, 其通过相位控制进行波束电子扫描。由于相控阵雷达造价昂贵, 多用于军事用途。比较著名的相控阵雷达有AN/SPY-1 无源相控阵雷达、AN/MPQ-53 多功能相控阵雷达、AN/FPS-115 相控阵雷达等。随着国际局势的复杂化, 更早地发现目标相控阵雷达位置具有重要的军事意义。通过一种含有侦察接收机的飞机在空中飞行, 可以探测出目标相控阵雷达的天线辐射功率, 经过多次的探测侦察, 即可确定目标雷达的位置。
本文通过构建一种相控阵雷达功能与侦察仿真系统, 为侦察接收机探测目标雷达位置提供理论依据。利用已知的典型相控阵雷达参数, 可以得到该雷达天线辐射特性, 并得到辐射的电磁波功率密度分布;设置侦察接收机参数及路线, 可以得出侦察接收机能否探测到目标雷达的电磁辐射;通过多次侦察, 可以验证侦察得到的目标位置是否与雷达设置位置吻合。
1 系统设计与分析
本文设计的相控阵雷达功能与侦察仿真系统, 其主要包括相控阵雷达天线性能仿真模块与侦察接收机功能仿真模块两个部分。其中相控阵天线性能仿真模块可以模拟各类相控阵雷达天线的方向图;侦察接收机功能仿真模块是在相控阵天线性能仿真模块上, 添加侦察接收机, 实现对侦察接收机截获概率和截获时间的判断。
相控阵雷达系统是一个非常先进的系统, 要完全模拟相控阵雷达的工作是不现实的。通过仿真相控阵雷达天线的电磁时空分布, 可以对雷达辐射的电磁波能量进行评估。
2 相控阵雷达天线性能仿真
相控阵雷达天线性能仿真模块主要通过数字仿真对其功能进行仿真。数字仿真是用一定的数学模型, 用计算机软件控制模拟试验, 通过计算演算得到试验结果。这种方法成本低, 可重复性强。功能仿真的基本思想是运用雷达方程和侦察接收机方程等建立仿真, 计算功率辐射强度的一种仿真试验。下面先从相控阵雷达天线方向图仿真开始介绍。
2.1 相控阵雷达天线方向图仿真
相控阵天线由移相器控制每个阵元的辐射, 可以达到控制扫描角度的目的。
线性阵列归一化方向性函数为:
移相器偏离的相位为:
现在的相控阵雷达多为数字阵列雷达, 可以同时产生多个扫描波束。利用相控阵雷达数字波束形成技术, 同时产生多个波束, 但是每个波束因为波束指向角不同, 所以波束宽度不同。图1 为数字同时多波束天线方向图。
利用相控阵雷达天线方向图仿真模块还可以仿真面阵和圆阵的天线方向图。
2.2 波束宽度
通过式 (3) 可见, 要产生一个波束宽度为1°的波束, 就需要100 个辐射单元组成的直线阵。要产生一个波束宽度为1°×1°的波束需要一个100×100 的平面阵列。图2 给出了当d=y /2 时, 阵元个数与法线方向波束宽度关系图。
2.3 天线增益
对于等幅馈电, 其法线方向的增益G0 由下式确定, 即:
其中A为有效面积。当平面天线阵由MN个等间距单元组成且单元为半波对称阵子, 间距半波长时, 则天线的有效面积A就是天线的真实面积, 即:
那么, 法线方向的增益为。当波束在空间扫描时, 扫描角为方向的等效天线面积AS为天线有效面积A在扫描等相位面上的投影。
在波束扫描时, 扫描角度越大, 则波束宽度越宽, 天线增益越小。为了不使天线方向特性变得很坏, 波束扫描角应限制在±60°之内, 通常为±60°和±45°。因此, 要探测半球空域, 至少需要3 个平面天线阵。
3 侦察接收机功能仿真
3.1 侦察接收机的灵敏度
雷达侦察主要是通过无源侦察接收的方法来检测所在环境中的敌方雷达辐射源信息。雷达侦察系统的灵敏度Prmin是在满足对所接收的雷达信号正常检测的条件下, 雷达侦察接收机输入端的最小输入信号功率。由于被侦收的雷达信号大多是脉冲信号, 为了直观地在示波器上测量, 雷达侦察系统中的灵敏度通常用切线信号灵敏度PTSS和工作灵敏度POPS来表示。
如图4 所示。切线灵敏度与接收机带宽、视频带宽、噪声系数和检波器特性有关。一般情况下, 当输入信号处于切线电平时, 接收机输出端的视频信号与噪声的功率比值约为8d B。在示波器上测量时, 不同的观察者, 测量值可能会有±1d B的偏差。
雷达侦察接收机的工作灵敏度POPS定义为接收机输入端在脉冲信号作用下, 其视频输出端信号与噪声的功率比为14d B时, 输入脉冲信号功率即为接收机的工作灵敏度POPS。
3.2 侦察作用距离
在不考虑传输损耗、大气衰减以及地面或海面反射等因素影响时导出的侦察作用距离方程为:
其中Pt为目标雷达发射功率, Gt为目标雷达天线增益, Gr为所设置的侦察接收机天线增益, y为雷达波长, Prmin为侦察接收机灵敏度, L为损失。此种情况需要侦察接收机的主瓣和雷达的主瓣相遇。
图5 给出了侦察作用距离和侦收功率的关系图, 其中某X波段雷达发射功率Pt=1k W, 雷达天线增益Gt=30d B, 侦察接收机天线增益Gr=30d B, 系统损失15d B。
一般情况下, 雷达侦察接收机天线的增益除了要满足侦察方程外, 还要满足测向精度、截获概率、截获信号时间等要求, 因此往往要根据战术任务要求确定侦察天线的波束宽度。天线的增益与波束宽度之间有如下的经验公式:
旁瓣侦察时的侦察作用距离为:
其中Gsave为雷达天线的平均旁瓣功率。
图6 给出了旁瓣侦察时侦察作用距离和侦收功率的关系图, 其中某X波段雷达发射功率Pt=1k W, 雷达天线旁瓣平均增益Gsave=-10d B, 侦察接收机天线增益Gr=30d B, 系统损失15d B。
4 结语
本文简要介绍了一种相控阵雷达功能与侦察仿真系统, 其主要包括相控阵雷达天线性能仿真模块与侦察接收机功能仿真模块两个部分。能进行多种天线性能仿真, 能根据侦查接收机灵敏度、路径和速度得到对雷达探测概率。可以根据用户的需要进行改进。
摘要：构建一种相控阵雷达功能与侦察仿真系统, 为侦察接收机探测目标雷达位置提供理论依据。利用已知的典型相控阵雷达参数, 可以得到该雷达天线辐射特性, 并得到辐射的电磁波功率密度分布;设置侦察接收机参数及路线, 可以得出侦察接收机能否探测到目标雷达的电磁辐射。
关键词：相控阵雷达,阵列天线,侦察接收机
参考文献
[1]王象.相控阵雷达建模方法与仿真应用研究[D].国防科学技术大学硕士论文, 2007
[2]童维健, 蔡桂友.相控阵雷达仿真技术研究[J].现代雷达, 2008, 30 (4) :45-49
[3]王晶.相控阵雷达系统的仿真及干扰研究[D].电子科技大学硕士论文, 2006
[4]支双双.相控阵雷达欺骗干扰研究[D].西安电子科技大学硕士论文, 2012
多功能相控阵雷达 第4篇
关键词：相控阵 发射机 监控设计 单片机 串行轮询
中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0074-02
Abstract：Ageing of the power amplifier modules or cables will make accuracy of the phased array radar reduced. The paper demonstrates the theory of the phased array radar transmitter，analyzes the merits of the PIC microcontroller serial alternation communication and the process of communication，actualizes the monitor of phased array radar transmitter reliably in a low-cost method.
Key Words：Phased array； Transmitter； Design of monitor； Microcontroller；Alternation communication
1 相控阵雷达发射原理
相控阵雷达即相位控制电子扫描阵列雷达，其快速而精确转换波束的能力使雷达能够在1 min内完成全空域的扫描。所谓相控阵雷达是由大量相同的辐射单元组成的雷达面阵，每个辐射单元在相位和幅度上独立受波控和移相器控制，能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向。雷达工作时发射机通过馈线网络将功率分配到每个天线单元，通过大量独立的天线单元将能量辐射出去并在空间进行功率合成，形成需要的波束指向。
相控阵雷达的发射系统由数十至上百块功率放大模块组成，通过相控阵天线采用集中式发射，集中向天线面阵馈电并通过移相控制波束方向，发射馈线损耗较大，同时放大模块故障率较高。相控阵发射机长时间工作后，经常出现个别功率放大模块和线缆老化情况，虽然不会使雷达整体停止工作，但辐射方向图和波束指向均会发生偏移，进而对雷达精度和探测范围产生影响，亟需低成本的有效、可靠方法实现发射机全部功率放大模块的有效实时监控，从而降低相控阵雷达检修维护的难度。
2 PIC单片机与传感器串行组网
发射机功率放大模块内置传感器，可以直接监控是否在发射端口实际产生了电磁脉冲。发射模块传感器通信信号简单，除故障信号电平外只提供脉冲是否达到门限值的0/1信号。传感器具有RS232C电平串行数字通信功能，免去了传统模拟量监测时大量的模/数转换器件。由于传感器数量众多，串行轮询通信网络又极大地减少了线缆铺设数量，数字信号的传输同时可避免模拟信号的线缆内部衰减和干扰问题。
3 PIC单片机串行轮询通信
PIC单片机网络采用串行轮询通信主从通信模式，波特率9 600bit，8位数据位，1位起始位，1位停止位，无校验。PIC单片机设计为主站，包含发送请求信号、接收信号、逻辑判断和非正常状态字上传工控机的功能。全部内置传感器为从站，只在接收到主站通信请求后发送状态数据。PIC单片机主站可通过设计程序响应中断，进而通过中断程序控制整个串行轮询通信过程。对不同编号的内置传感器产生的中断赋予不同编号，利用PIC单片机与非逻辑程序语句完成感应器传回的状态字判读工作，并将非正常状态字上传工控计算机，最终实现雷达发射机的整体监控。
4 PIC单片机与工控机的通信
将PIC单片机其中一个通用串行通信接口设置为全双工异步串行通信模式。为了把单片机的RC6和RC7分别设置为串行接口发送/时钟线和接收/数据线，首先应当把SPEN位和方向存储器TRISC的D7：D6置1。[1]向波特率寄存器写入预定的数值并同时产生单片机定时器复位清零的效果，单片机初始化时对该非同步通信端口执行初始化程序：
BSF STATUS，RP1；程序指针指向数据存储器
MOVWF SPBRG；设置传输波特率
CLRF RCSTA；接收控制和状态寄存器清零
BSF RCSTA，SPEN；允许使用串口
CLRF PIR1；清除中断标志
CLRF TXSTA；发送控制和状态寄存器清零
BSF TXSTA，BRGH；设置为异步传输
BSF TXSTA，TXEN；发送允许开始
BSF RCSTA，CREN；接收允许开始
当工控机与单片机系统通信时，单片机数据存储器内的数据格式是十六进制，[1]向工控机传输的是十六进制数的ASCII码的二进制形式。雷达工控机使用windows系统，串口接收使用ANSI码，而ANSI码仅前126个与ASCII码相同。所以，设计中断编码时，必须考虑编码规则使字符长度满足要求。
5 结语
由于不同型号雷达发射模块出厂内置的传感器不尽相同，在监控设计过程中必须充分考虑传感器的通信性能，尤其要注意传感器对传输速率、信息位个数、校验位的要求。[2]在单片机中断响应设计时，也要对传感器的通信响应时间进行充分实验，否则容易引起轮询冲突，使监控系统不定期失效。另外，RS232C通信协议要求传输距离最好不超过20m，如确实需要较长通信传输距离，建议设计RS485接口的监控系统。[3]
参考文献
[1]周杰，张银胜，刘金涛，等.PIC单片机原理及系统设计[M].气象出版社，2008：227-229.
[2]赵雅兴.PSpice与电子器件模型[M].北京邮电大学出版社，2006：315-317.
机载有源相控阵预警雷达及应用 第5篇
海湾战争和科索沃战争表明, 制空权是赢得现代高技术局部战争最后胜利的关键因素。预警机是装有远距离搜索警戒雷达 (又叫预警雷达) 、敌我识别/二次雷达、电子对抗、通信和导航、综合显控及指挥控制等完善的电子设备, 用于搜索、监视、跟踪和识别空中和海上目标的作战支援飞机。现代预警机不仅能及早地发现和监视从300 ～600 km以外各个空域入侵的空中目标, 而且还能引导和指挥已方战斗机进行拦截, 所以又称预警指挥机, 它是空中的指挥所, 是现代高技术局部战争中争夺制空权的重要手段之一。预警机系统的核心是机载预警 (AEW) 雷达, 它是预警机最重要的传感器和情报来源, 这种雷达以高空飞行的飞机为平台, 克服了地球曲率的影响, 具有可视距离远、可检测远程低空飞行目标的优点, 同时还具有很强的机动灵活性。正是由于预警机的强大功能, 也使得它成为现代高技术局部战争中的重点进攻目标之一[1,2]。随着现代战争战场环境的不断变化, 预警机也面临着反辐射导弹、隐身目标、超低空突防、综合电子干扰以及多方向、多批次、大密度饱和攻击的威胁。为此, 20世纪90年代以来, 一些国家在新一代预警机当中采用了功能更为强大的有源相控阵雷达[3], 以期全面提高机载预警雷达的战术和技术性能, 增强预警机在现代战场上的生存能力和作战效能。
1 相控阵雷达原理
“相控阵”, 即“相位控制阵列”的简称。就是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线, 各单元之间的辐射能量和相位是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上各辐射单元的电流间的相位关系来实现波束在空间扫描, 即电子扫描, 简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵, 在两维上排列若干辐射单元称为平面阵[4]。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上。这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点, 能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等[5]。综上所述, 相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。
相控阵体制有两种实现形式, 一种是无源相控阵, 一种是有源相控阵。无源相控阵由雷达发射机统一馈电, 波束扫描由位于辐射单元后的移相器控制。而有源相控阵则把功率放大单元、双工器、低噪声放大器前端移相器等都集成在位于辐射单元后的收/发 (T/R) 组件中, 这样, 波束的扫描 (包括功率辐射的幅度与相位) 由T/R组件控制。相比于无源相控阵, 有源相控阵在功率管理上更具灵活性, 且由于采用了集成电路, 其损耗更小, 可靠性更高。随着固态有源器件的发展, 有源相控阵技术近几年得到了迅速的发展, 并在现代雷达中得到了更加广泛的应用, 成为提高雷达在恶劣电磁环境下对付快速、机动及隐身目标的一项关键技术。
2 有源相控阵雷达的特点
有源相控阵雷达的特点如下:
(1) 扫描速度快, 波束灵活可控, 能对付多目标
机械扫描速度一般为6 r/min, 即每秒36°。而相控阵雷达利用电子扫描无惯性的特点, 与电子计算机相配合, 形成多个独立波束, 分时或同时实现多功能, 完成对不同方向、不同高度的多批目标的搜索、探测和跟踪。这样, 一部雷达能起到多部专用雷达的作用, 而且还远比它们能够同时对付的目标多。因此, 特别适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境[6]。
(2) 探测距离远
由于T/R单元紧靠天线, 有源相控阵雷达收、发支路的损耗要比机械扫描雷达的小4～6 dB[7];相扫天线能充分利用机上空间使天线增益相对变大;另外, 随着固态功率器件的发展, 分布式发射机提供了加大总发射功率的潜力。这一切使得有源相控阵雷达的探测距离提高了40%以上。
(3) 反应时间短、数据率高
由于相控阵雷达可以实现无惯性快速灵活的扫描, 从而缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间, 具有较高的数据率。相控阵天线通常采用数字化工作方式, 使雷达与数字计算机结合起来, 能大大提高自动化程度, 简化了雷达操作, 缩短了目标搜索、跟踪和发控准备时间, 便于快速、准确地实施雷达程序和数据处理。因而可提高跟踪空中高速机动目标的能力。
(4) 改善了载机的隐身能力
雷达天线的口径面是载机雷达截面积 (RCS) 的一个重要贡献成分。在机械扫描情况下, 波束随动于天线, 这样, 转动的天线的口径面增大了对敌方的雷达发现载机的距离和概率。而相控阵天线在波束运动过程中, 相控阵天线口面不动, 从而减小了敌方雷达发射的电磁波在天线口径面上的镜面反射沿原路返回而被敌方雷达截获的可能, 改善了载机的隐身能力[8]。
(5) 被截获概率低, 抗干扰能力强
固态有源相控阵雷达的固态发射机可以实现瞬时开关, 易于进行功率管理, 在搜索与跟踪目标时方便采用间断照射方式, 有利于降低雷达信号的被截获概率;利用分布在天线孔径上的多个辐射单元综合成非常高的功率, 并合理地管理能量和控制主瓣增益, 根据不同方向上的需要分配不同的发射能量, 易于实现自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰, 有利于发现远距离目标和小雷达截面积的目标 (如隐形飞机) , 还可以提高抗反辐射导弹的能力。
(6) 易于实现共形相控阵雷达天线
有源相控阵天线阵列易于与雷达载机的复杂表面共形, 因此, 相对于其他安装形式而言, 这种共形天线对载机的气动性能影响最小, 并可最大限度地利用载机表面, 获得更大的天线面积, 这对于提高雷达的探测能力和精度大有益处[9], 因此, 被认为是未来雷达天线所应普遍采用的形式[10]。同时, 共形天线如果设计得当, 还可有效降低载机的RCS, 减小载机被敌方雷达探测的距离。
(7) 高可靠性
有源相控阵天线的T/R单元成百上千, 其平均无故障时间可高达20万小时以上, 即使少量单元失效, 也不会影响整个系统的工作;分布式发射机代替集中发射机, 降低了系统对单点故障的敏感度, 同时可避开集中发射机内高压高功率的问题, 以电扫取代机械扫描。这些优点使其可靠性成数量级地提高。
3 机载有源相控阵预警雷达的典型应用
目前, 国外机载有源相控阵预警雷达的应用及其主要参数如表1所示。从中可以看出, 有源相控阵雷达天线在预警机上主要有三种安装形式:共形阵、背鳍式、背负圆罩式[11]。下面结合这三种安装形式对机载有源相控阵预警雷达的典型应用进行介绍。
3.1 共形阵的典型应用——“Phalcon”系统
以色列研制的“Phalcon系统”是世界上第一架使用有源相控阵雷达的预警机, 于1993年巴黎航空展中第一次公开展示, 是当今全球最为先进的机载预警与控制系统 (AWACS) 之一[12]。 “Phalcon”是“Phase Array L-band Conformal (L波段共形相位阵列) ”的缩写, 中文译为“费尔康”。载机为波音公司707-300C, 装备以色列飞机工业公司 (IAI) 下属的Elta公司研制的EL/lM-2075有源相控阵预警雷达[13], 可用于空中预警与控制、空中和地面目标战术监视和情报收集。该雷达有6个天线阵面覆盖360°方位, 总共1 472个T/R模块:机身两旁各配备1部10 m×2 m的长方形阵列, 机头配备1部直径为2.9 m的圆形阵列, 这3个阵面采用“共形阵”形式安装, 覆盖280°的方位;在机身后侧加装2部6.7×2 m的天线阵面, 机尾加装1部小的天线阵面, 以弥补剩余的方位盲区。该雷达在方位、俯仰上均采用相控阵扫描方式。由于采用电扫的工作方式, 雷达天线能够在瞬间改变波束指向, 跟踪启动时间为2～4 s (旋转式机械扫描雷达需要20～40 s) 。EL/M-2075有源相控阵雷达能够同时跟踪100个目标, 对战斗机目标的探测距离可达370 km, 对直升机的探测距离可达180 km。由于天线固定, 系统的任务可靠性也得到了大幅提高。
3.2 背鳍式的典型应用——Saab-340, EMB-145, E-737
瑞典空军的Saab-340预警机和巴西空军的EMB-145预警机是在以色列“费尔康”系统之后推出的两款新型的预警机, 它们装备的机载预警雷达都是瑞典Erisson公司开发的Erieye (爱立眼) 有源相控阵雷达, 编号PS-890。该雷达工作在S波段。2个背对背配置的雷达天线 (8 m×0.6 m) 安置在机身上方的长条形雷达天线罩内, 外观类似鱼背鳍 (或平衡木) , 并因此而得名。该雷达天线共有固态收发组件192个。每个天线可覆盖机身两侧各120°的方位, 所以在前后各有60°的雷达盲区;仰角上不扫描, 由波束覆盖10°范围。该雷达能同时跟踪300个目标, 对战斗机大小的目标探测距离可达300 km, 对巡航导弹可达100 km。
E-737预警机是波音公司在澳大利亚“楔形尾” 空中预警与指挥引导机计划的中标方案, 该方案设计在737-700载机平台上安装格鲁曼公司的多功能电扫描阵列 (MESA) 雷达, 也采用背鳍式安装在后机身上面的背部结构中。该雷达天线阵分为主阵和纵向阵:主阵安装在机体两侧, 各有120°的覆盖范围;头、尾各60°的覆盖范围由纵向阵提供, 纵向阵安装在MESA侧阵背鳍上部的扁平雷达罩中。两个天线阵具有重叠的覆盖范围。天线阵整流罩沿着机体顶部运动, 重约2 270 kg, 其宽度约56 cm, 因而能降低空气阻力和对机体的结构应力。在9 000 m高度飞行时探测距离达850 km。雷达工作波段在L波段, 方位和俯仰二维相扫, 可在 350 km半径的范围内同时跟踪飞机和舰艇, 而且波束扫描的灵活性可把扇区的探测距离增大到740 km以上。
3.3 背负圆罩式的典型设计——A-310预警机方案
A310预警机是美国雷声公司、以色列飞机工业公司 (IAI) 、欧洲空中客车公司共同提出的一种相控阵预警机方案, 该方案最早是在为澳大利亚“楔形尾”空中预警与指挥引导机计划的投标中提出, 但失利于E-737系统, 目前尚未找到买主。该型预警机方案采用的机载预警雷达为以色列生产的EL/M-2075有源相控阵雷达, 采用背负圆罩式安装, 在机背的10.6 m直径的圆盘形雷达罩内共有3面8.5 m长, 1.6 m高的相控阵天线阵面, 每个阵面各有数百个T/R模块, 各自覆盖120°的方位, 天线罩以两根大型支柱架在飞机背上, 由于方位和俯仰上均采用电扫描, 故其圆盘雷达罩是不旋转的。该雷达对空目标探测距离不低于352 km。
4 结 语
与装备机械扫描预警雷达的预警机相比, 装备有源相控阵雷达的预警机在时间能量管理、扫描跟踪速度、多目标处理能力、测量精度、抗干扰能力以及可靠性等方面都有了根本性的改善, 提高了预警机在现代战场上的生存能力和作战效能。因此, 相控阵预警雷达已成为新一代预警机的重要标志。可以相信, 随着现代战争需求的牵引和技术进步的推动, 世界上将会有更多国家在列装预警机时考虑配备有源相控阵预警雷达。
相控阵雷达接收系统噪声系数分析 第6篇
式(1)中,Rmax表示雷达接收信息的最大范围,NF就为雷达的噪声系数,从这个关系式中可以初步的看到,雷达的噪声系数和雷达的最大接收范围成反比关系。也就是说, 当雷达的作用范围越大,其噪声系数就越小。按照常理这是不应该的,因为雷达接收信息的范围越大,噪声就会越多, 但实际上,当雷达的作用范围增大了,其内部的噪声比例就会减少,而雷达的噪声主要是内部产生的,所以就有雷达的噪声系数和雷达的最大接收范围成反比关系。当然,雷达的噪声系数越小就越好。
1相控阵雷达接收系统噪声理论概况
无论雷达接收的结构怎么样,接收的信号强度怎么样, 接收机一定会接收到一定的噪声,可以说噪声是无处不在。 当然噪声是随机信号,其基本特点就是没有固定的频率、周期和波长,千千万万种噪声就可能有千千万万种频率、周期和波长的噪声,不过对于任意一个噪声都可以通过傅立叶展开式表示为:
式(2)中,am和bm之间是相互独立的,并且都服从正态分布,他们的均值为零,方差是相等的。
这种具有正态分布规律的噪声可以通过滤波器处理,符合正态分布的噪声经过滤波电路之后会产生输出电压,其和普通的信号情况类似,但是由于am和bm之间是相互独立的, 所以经过滤波器之后就变成了一个随机的变量,其振幅、频率等都是均匀分布的,不像是信号会有一定的规律,或者振幅较大,或者频率较高等等。
2无源相控阵雷达接收网络及噪声系数分析
无源相控阵雷达接收网络的接收过程是一个多渠道接收系统,其主要由若干个阵元和馈电网络组成。雷达信号会经过3个级联通道,分别是增益系统,网络接收信号的能力系统以及无源接收网络合成损耗系统。
增益系统只是对噪声和有用信号同倍数的增大或者缩小, 所以对于信噪比没有影响。但是网络接收信号的能力系统会因为信号的不同而对信号的功率有所改变,通过加权网络之后,噪声功率还会和单路接收的噪声功率一样。而信号的功率却因为叠加的关系得到加强,所以经过加权网络之后,信噪比显著降低。无源接收网络合成损耗系统对于信噪比的影响会不确定,如果当噪声的损耗加权比例小一些,而信号损耗的加权比例大一些就会让信噪比降低,而如果噪声的损耗加权比例大一些,而信号损耗的加权比例小一些,那么信噪比就会显著降低。当然,系统的主要目的还是为了降低信噪比,提高接收系统的准确度。
3有源相控阵雷达接收系统及其噪声系数分析
有源相控阵雷达接收网络的接收过程也是一个多渠道接收系统,其也主要由若干个阵元和馈电网络组成。不过,雷达信号会经过4个级联通道,分别是增益系统、有源相控阵列组件的增益、网络接收信号的能力系统、以及馈电网络合成损耗系统。
其相互之间的关系主要是,有源相控阵雷达接收系统的噪声系数和组件的噪声系数有关,有源相控阵雷达接收系统的噪声系数越大,则阵列合成噪声系数越大,两者成为正比关系。有源相控阵接收系统噪声系数也和相控阵接收系统馈电网络合成损耗有关,损耗越大,噪声系数越大,两者成正比关系。有源相控阵雷达接收系统噪声系数和组件的增益也有一定关系,有源相控阵雷达接收系统噪声系数越大,则阵列合成噪声系数越小,两者之间成反比关系。
4噪声的滤波处理技术
在上文中提到了噪声经过滤波器之后就变成了一个随机的变量,其振幅、频率等都是均匀分布的,而信号会有一定的规律,或者振幅较大,或者频率较高等。因此现实中就会采用不同种类的滤波器去除噪声,虽然噪声的频率是随机的, 滤波器不能完全根据噪声的频率去除,但是可以有效的降低信噪比,理论上也可以大大的提升雷达的接收信号质量。
滤波器的功能是对信号在特定频率或频段内的频率分量做加重或衰减处理(保持有用频带、抑制无用频带)。滤波的要求是不改变(或同等改变)有用频带的幅度特性和相位特性。
通常把能够通过的信号频率范围定义为通带,而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带,通带和阻带的界限频率称为截止频率。通常滤波器分为:低通滤波器电路(LPF),高通滤波器电路(HPF),带通滤波器电路(BPF),带阻滤波器电路(BEF),全通滤波器电路(APF)5种,处于通带中的信号会被无条件放行,也不会改变信号的特性,而处于阻带内的信号将被过滤掉。
这也就是说,如果选择高通滤波器电路(HPF),那么低频的噪声信号就会被滤波器自动衰减掉。我们对高通滤波器电路进行设定,设定让高频有用信号通过的最低频率,那么比这个频率高的信号就会顺利通过,比这低的信号就会衰减掉,那么通过滤波器的信号都是雷达接收器需要的高通滤波。 不过由于噪声信号的频率也会存在高频情况,因此通过高通滤波器电路(HPF)并不能完全的过滤掉高频噪声。
5总结
通过上文的分析,可以看到通过对雷达接收系统噪声进行分析,就可以充分的了解噪声的相关参数情况,然后根据噪声的特点选择特定的滤波器对噪声进行处理,这样就可以有效的减少噪声的干扰,降低信噪比,增加相控阵雷达接收系统的性能。
摘要：相控阵雷达接收系统在接收信息时会存在一些噪声,这些噪声会影响雷达接收系统的性能、降低其信息处理的准确度,而雷达接收系统需要清楚地知道这些噪声参数和系数,然后根据噪声的特点选择特定的滤波器对噪声进行处理,这样就可以有效地减少噪声的干扰,降低信噪比,增加相控阵雷达接收系统的性能。因此,如何对噪声的系数进行计算和参数评估就显得非常重要。
应用于激光雷达的光学相控阵技术 第7篇
激光雷达是利用激光束搜索、跟踪目标并精确测定目标方位、距离和速度的设备。与微波雷达相比, 激光雷达具有分辨力高、隐蔽性好、低空探测性能好、体积小、质量轻等优点。传统的较为成熟的激光雷达有机械扫描雷达和非扫描雷达。机械扫描雷达的扫描器转动速率限制了成像速度和帧频, 其惯性扫描方式使系统的控制精度和灵活性很难满足高性能雷达要求。非扫描激光雷达能量利用率低、作用距离近、图像中心与边缘分辨力相差很大。而伴随着各领域学科的不断进步, 比拟微波雷达的发展, 激光雷达发展的重要趋势是光学相控阵激光雷达。
光学相控阵激光雷达是通过控制光学孔径上每个辐射单元光的初始相位, 从而驱动光束方向实现光束扫描的雷达。基于光学相控阵的波束指向控制是光学相控阵激光雷达实现各种功能的重要技术环节[1], 而且高性能光学相控阵技术不仅对光学相控阵激光雷达产生革命性影响, 还为其他电光传感器提供可编程随机电子波束驱动, 比如:灵活便捷连续的图像扫描[2]、多通道光通信[3]、远场波束形状控制、多波束产生[4]和超大孔径超高功率激光输出[5]等。由此可见, 光学相控阵技术拥有广阔的应用前景和重要的研究的价值。
光学相控阵技术属于低惯性非机械扫描[6], 现处于研发阶段。由于其具有波束指向灵活、扫描速度快、角度驱动范围大等扫描特点, 而且易于实现小型化、集成化和多功能化, 因而倍受各国关注。美国的空军、海军、国防部高等研究计划局 (DARPA) , 日本, 德国, 以及国内的长春光机所、哈尔滨工程大学、西安电子科技大学、北京大学、北京工业大学等[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20], 都在进行相关工作的研究。本文将对光学相控阵技术进行详细的分析与探讨。
1 光学相控阵基本原理
由相位调制器单元构成的一维或二维阵列称为光学相控阵器件。光学相控阵基本原理是:一束激光入射到光学相控阵器件上, 通过控制各个相位调制单元的相移量, 使各单元输出光波的相位在θs方向上相同, 从而实现该方向的相长干涉, 干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束;而与此同时, 各单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉, 干涉的结果彼此相抵消, 辐射强度接近于零。
如图1所示, 对于N单元一维相控阵, 偏转角度s (28) arcsin[ ( (35) ) / (2πd) ]。其中, 为入射光波长, d为相位调制单元间距, (35) 为相邻单元相位差。
2 光学相控阵技术方案
目前, 光学相控阵技术方案的分类主要依据其所选用的材料, 包括Li Nb O3、PLZT掺镧锆钛酸铅、Al Ga As波导和LC液晶等。下面详细阐述几种已取得阶段性成果的典型光学相控阵技术。
2.1 PLZT光学相控阵
美国加州大学[7,8,9]采用PLZT材料制作光学相控阵器件—PAGES (Phased-Array Grating Electro-Optics Scanner) 装置。该装置制作方法如图2 (a) 所示, 选用具有较高二次电光效应的PLZT9.5/65/35材料作为基底, 厚度350m, 运用光刻技术和湿法蚀刻的方法, 在PLZT晶片表面制作16个二元孔径表面电极 (正电极) 作为相位调制单元。之后, 将其安装在一个无张力的塑料外壳内, 并且将PLZT表面上的正电极 (火线) 和负电极 (地线) 分别引出与外设电源相连。图2 (b) 为其横截面图, 正/负电极的宽度均为160m。每个调制单元 (正电极) 会产生一个二元孔径结构, 相邻正负电极间距d为400m、间隙w为40m。电压应用到调制单元上, 会使二元孔径折射率对称变化。
加州大学使用He-Ne光进行扫描实验。图2 (c) 所示, 经过扩束、准直后的He-Ne光射入到PAGES装置上, 其中傅里叶透镜 (焦距375 mm) 置于PAGES装置后用于在焦平面上获得输出光强分布, 用CCD阵列探测。图2 (d) 所示为, 当在PAGES上电极上应用四种电压斜率时, 光束经过PAGES设备的输出。图中虚线内为中心级 (零级) 扫描范围。图中所示, 存在旁瓣, 即高阶衍射光, 这是因为由于制作工艺的限制, 填充因子w/d仅为0.1。
此外, 考虑到N个相位调制单元将使用N根电压引出控制线 (地址线) , 调制单元的增加会给设备带来复杂性。为此, 他们采用Discrete/Offset Bias Cascade技术。如图3 (a) 所示, Discrete/Offset Bias Cascade属于两极技术, 入射光波通过Stage1形成扫描方向为θs的分离波, 再经过Stage2对分离波进行相位补偿, 则形成θs方向的连续波。图3 (b) 为Discrete/Offset Bias Cascade技术的透视图。使用这种方法, 电压引出线会大大减少, 而且不影响连续扫描的效果。比如32通道相控阵器件拥有32个相位调制单元, 使用这种两极法, Stage1和Stage2的相控阵器件的电压控制引出线分别为4条和8条, 因此将电压引出控制线由32减少到12。
2.2 Al Ga As波导光学相控阵
Hobbs[10,11]小组最早采用外延生长叠层半导体Al Ga As波导作光学相控阵器件, Al Ga As波导有5个光通道, 具有高的电光效率和低光学损耗;光通道间是导电通道, 通过电光效应控制光通道折射率从而实现相移。实验装置如图4 (a) , 激光经耦合器进入Al Ga As波导实现一维光束驱动, 再通过1/2波片耦合进第二个Al Ga As波导, 实现了±26o大角度二维激光束扫描 (图4 (b) ) , 其中工作电压为1.8 V。
2.3 向列液晶光学相控阵
美国空军研究所 (USAF) [12,13,14,15]采用向列液晶 (nematic Liquid Crystal, LC) 作移相器单元, 向列液晶具有双折射效应, 对沿其长轴方向的偏振光与沿其短轴方向的偏振光具有不同的折射率。外加电压使液晶分子旋转, 从而改变垂直液晶长轴偏振光的有效折射率, 其响应时间ms量级, 器件所能承受功率W/cm2。
等间距液晶移相器一维阵列的制作方法如图5所示, 用光刻技术在液晶透明基板的上表面绘制透明导电的条形正电极。基板另外一面涂上透明导电的负电极。当施加电压时, 正负电极电压差使液晶分子的取向发生变化从而改变其折射率。通过控制每个条形电极电压, 当光束穿过移相器阵列时会改变光束波前的相位分布, 实现一维光束扫描、聚焦、发散或修正光束的相位。
采用液晶作移相器, 最大相移量根本上取决于液晶的厚度, 而液晶厚度的不断增大又会增加器件的响应时间和光损耗。由于光波为正弦函数形式, 只要在每个区域 (图6 (a) ) 实现2相移, 再在每个区域适当提取2的整数倍, 就会形成特定方向连续的波前。因此, 液晶最佳的设计厚度只须满足2相移即可。但是采用这种方法, 会产生空间回扫 (Flyback) 现象, 降低光束驱动效率。回扫现象是指:每个区域产生斜率相同的相位分布, 但在两个区域的交界处, 即重置处, 需要将相位从2骤变到0, 由于液晶内分子的机械粘性等因素, 使得分子取向骤变很难实现, 因此不能使相位骤变到0, 每个区域内的相位分布由理想的实线变为实际的虚线 (图6 (b) ) 。这种“回扫”是液晶固有的, 它会使2调制单元与0调制单元间距增加, 因而在远场也会产生旁瓣, 降低光束驱动效率。
此外, 使用LC相控阵技术实现高效、大角度扫描要求移相器单元的空间间距在波长量级, 因此工艺制作难度大且其电极引线寻址复杂。为此, 该单位提出fine/coarse-steering光学相控阵技术。该技术属于二级光束驱动技术, 第一级光束驱动的角度是离散的, 第二级用于补偿以实现连续的扫描光束, 如图7 (a) 所示。这种方法可以实现独立逐一寻址移相器阵列 (图7 (b) ) 的光束扫描态个数, 但寻址引出线数目将大量减少。其中, 由m个移相器组成的相控阵器件拥有M个扫描态数, 满足M= (2m/3+1) 。一个M态阵列和一个N态阵列级联, 可以实现M×N态扫描, 而引出地址仅为3 (M+N) /2–3。M态装置被称为分离光束驱动器 (Coarse) ;N态装置被称为连续光束驱动器 (Fine) 。使M态离散驱动装置的最小驱动角 (离散度) 匹配连续驱动装置的半视场, 就可以获得离散驱动范围内的点对点连续扫描。
为了实现大范围光束扫描, Mc Manamon提出在使用LC基础上运用Holographic Glass (图8 (a) ) 或Birefringent Prism (图8 (b) ) 技术, 雷声公司和罗克韦尔科技公司正在进行相关研究工作。雷声公司运用Holographic Glass方法, 实现了连续光束驱动, 角度大于45o, 全息玻璃最大直径3.5 cm。罗克韦尔科技公司采用Birefringent Prism方法, 已经研制出4 cm×4 cm光学相控阵驱动器, 驱动角度±20o。
鉴于激光相控阵的诱人前景, 国内相关单位也开展了相关研究。西安电子科技大学[18]研制了十波导的光波导阵列作为光学相控阵器件, 实现了一维光束扫描, 光束扫描最大偏转角13.6o, 扫描速度800 Hz, 最高驱动电压8.7 V, 但远场存在大量旁瓣, 合成效率较低。长春光机所[16]选取双折射率为0.35的液晶作为光学相控阵器件, 其口径为1 cm×0.5 cm, 性能分析最大扫描角为0.2 rad, 器件的响应时间较高39 ms, 光束宽度1.55 prad。哈尔滨工程大学[17]研制了含1 024个驱动电极的实际器件, 该器件可以实现60个角度的准连续随机可编程电控偏转与扫描, 最大偏转角度为2.001 4o。北京工业大学[20,21,22]采用铌酸锂波导作移相器, 建立了二维光纤激光阵列的数理模型, 研究了有效扫描范围及分辨力等特性。对于20×20阵列, 当波长为1.545μm、纤芯直径为10μm、阵元间距为30μm时, 主瓣在±1.476o范围内可以实现有效扫描;随着阵元间距增加, 有效扫描范围变小, 角度分辨力不受影响 (50 km处为2.28 mrad) ;该单位还提出了通过阵元自组织方式增加相位控制效率的方法。
3 光学相控阵技术方案分析比较
综上所述, PLZT响应速度快, 但工作电压高达千伏;Al Ga As波导实现的偏转角度较大, 但技术不成熟;液晶材料 (LC) 光束驱动角度大且已有成品, 但响应速度较慢, 而且其固有的“回扫”现象限制偏转角度进一步增加。表1为各种相控阵技术的比较。
此外, 上述光学相控阵器件都属于无源器件, 完全由移相器构成, 而不是独立的发射/接收模块[21]。无源相控阵器件是作为空间入射阵列工作, 也就是说激光源入射到相移阵列, 阵列完成光束偏转。使用无源器件时, 无论是光源或者相控阵器件出现问题, 都会导致整个激光雷达系统不能工作。此外, 更远的作用距离是雷达追求的永恒目标, 而无源相控阵器件的工作功率必然受到发射光源、器件孔径及器件功率承受力的限制。
而且, 使用上述器件, 角度驱动最大为45o。这是因为, 比拟微波相控阵, 光学相控阵技术存在“栅瓣”问题。栅瓣就是当出射孔径上辐射单元间距d/2时, 会在主光束以外的其它方向同时出现辐射功率最大值, 这些方向的波瓣称为栅瓣。栅瓣会引起干扰, 降低扫描光束的光束质量。对于LC相移器, 由于其电极边缘效应影响调制单元电中性、相邻单元电场互相影响、相邻光场干扰电场, 再加上电极之间绝缘的要求和制造工艺的限制, 阵列单元间距不能达到d/2的要求, 因此为了抑制栅瓣的产生只能减小驱动角度范围, 填充因子只有增加到1才会避免栅瓣。Zhu Y[19]等人提出依据一定统计规律, 使阵列单元不规则排列, 这样可使部分阵列单元间距增加, 由于单元不规则排列, 使旁瓣转化为噪声从而突出主光束, 此方法对加工工艺起到改善作用, 但是控制精度依旧在微米量级, 难度相对较大。
4 总结
光学相控阵激光雷达可以实现快速、灵活、精确、大角度的非机械扫描, 单台系统就可以实现目标搜索、捕获、跟踪、识别和定位等多种功能。目前, 光学相控阵技术仍处于发展阶段, 尚不能满足相控阵激光成像雷达实际工程应用发展的需要, 还有一些亟待解决的关键技术问题。其一, 优选光学相控阵器件。目前的主流光学相控阵器件不能兼备快速响应和低电压工作的需求, 此外, 有源、可扩展光学相控阵器件必将是未来发展的趋势。其二, 引出端寻址电路的优化。由于相控阵器件的控制线会随相控阵单元数增多而大大增加, 这会给系统带来复杂性和高成本, 因此可以参考fine/coarse技术和Discrete/Offset Bias Cascade等技术的机理, 并考虑使用动态电路和现场可编程门阵列FPGA。其三, 光学孔径技术, 消除栅瓣。需研究更为有效的方法来增加填充因子, 实现大角度、准连续、高光束质量光束扫描。
随着上述关键技术的不断发展和不断突破, 加之各应用领域的迫切需求, 相控阵激光雷达的研制必迎来一个快速的发展时期。稳定、小型、集成化的光学相控阵器件的成功研制, 必将为激光雷达领域带来历史性变革。
摘要：以激光雷达作为主要应用背景, 概述了光学相控阵技术的研究意义和研究进展。介绍了光学相控阵技术的基本原理;依据几种典型材料对光学相控阵的技术方案进行分类, 并详细阐述了各种方案的机理、所涉及的关键技术和最新的研究成果;对各种方案进行了分析、对比和评价。最后, 对应用于激光雷达的光学相控阵技术的发展作了展望。
某相控阵雷达射频功率监控模块设计 第8篇
1 频率源及分配网络
现代雷达频率源分机的时钟和本振信号一般不能直接送给雷达阵面每个收发单元使用, 一般需要经过分配网络, 在分配网络各个节点进行精确放大、功分和滤波后, 送给每个收发单元使用。由于分配网络分布在雷达的整个阵面, 节点数多, 任何一个节点出现问题都会导致与该节点相关的雷达阵面无法正常工作, 因此需要按照规划对节点进行监控, 主要监控时钟和本振信号功率的大小。本文主要介绍该监控模块的设计和实现。
2 射频功率监控模块设计
2.1 模块整体框图
模块框图包括六路RF信号输入、一路系统时钟、以FPGA作为主控制器、模块配置了大容量的FLASH和SRAM、数十路TTL IO控制口、温度传感器、光纤链路口、网口和RS422通信接口等。根据雷达总体对射频功率监控模块要求, 射频功率监控模块主要功能:在雷达同步触发时序下, 对各个节点的时钟和本振信号的功率进行量化, 并分别通过光纤、网口、RS422送给后端信号处理分机。同时解析光纤发过来的协议, 根据时序送出TTL控制信号给节点其他模块。
2.2 LTC5587
LTC5587是一款低功耗的射频功率测量芯片, 集成了高精度RMS探测器和ADC为一体, 具有体积小、低功耗和高性能的特性。可以测量10MHZ~6GHZ范围内的RF信号功率, 该芯片具有大的动态范围特性, 对于2.14GHZ的RF信号, 可以测量-34d Bm~6d Bm的信号。RMS探测器将输入RF信号转换为脉冲直流信号, 经过滤波处理后送给片内ADC (最高速度500k Hz) 量化, 量化值与RF功率成线性关系 (功率以dbm为单位) 。
2.3 主控制器
模块使用FPGA作为主控制器, 选用Altera公司推出的stratix IV系列FPGA, 型号为EP4SGX180。该器材已在多个项目和课题中选用, 成熟可靠, 有效降低开发时间和设计风险。Stratix IV FPGA基于台积电 (TSMC) 40-nm工艺技术研制的高端FPGA, 同时具备了逻辑密度高、高速收发器数量多以及功耗低的特点。
2.4 通信接口
模块设计了三种通讯接口, 分别为基于GXB高速光通信链路口、基于W5100的网口和基于MAX491EESD的RS422串口, 这三个通讯口实际工作时分别与雷达其他分系统连接。
2.4.1 光通信口
FPGA的高速GXB与光模块构成了光通信口, 模块选用的光模块最高可以支持10G Gbps的速率, 具备体积小、单电源供电、工作温范围宽、稳定可靠等特点。实际使用中, 因为FPGA需要解析光通信口的协议, 并根据协议严格按照时序发出控制信号给外部其他受控模块, 经过计算和实验, 目前光通信口工作在6Gbps的速率下, 为了达到一定的容物纠错能力, 模块设计了两路光通信口, 正常使用一路, 如果其中一路出现误码或其他错误, 会自动启动备份的另外一个光通信口。
2.4.2 网口
模块的网口是基于W5100开发的。W5100是一款廉价成熟的网络接口芯片, 目前应用较广泛。在没有操作系统的应用中, 利用W5100也可以完成网络的连接。
2.4.3 RS422串口
模块选用MAX491EESD作为串口收发芯片, 使用异步通讯方式, RS422传输距离较远。RS422的工作时钟基于模块自身配置的晶振而不是外送的系统同步时钟, 当外送系统时钟失效时, 依然可以通过RS422往雷达的监控分系统报告模块监控到的雷达状态。
3 FPGA设计
FPGA程序主要完成几个功能:完成对LTC5587的配置和数据读取、完成温度传感器的配置和读取、完成对光通信口、网口、RS422串口三个接口协议的解析、根据解析得到的参数和时序完成对TTL和差分控制信号的控制。另外还要实现光通讯口的容错纠错功能。因为有三个通信接口, FPGA逻辑工作在多个时钟域, 逻辑涉及多个跨时钟域的处理。
4 结果与分析
射频功率监控模块, 实际的调试和系统联调表明该模块设计达到任务要求, 经过温冲、振动、湿度等实验后, 该模块对RF功率的测量准确可靠, 各通讯口与雷达其他分系统通讯稳定, 整体设计满足整机需求。
5 结束语
本文阐述了某相控阵雷达射频功率监控模块设计, 由于该模块采用了集成的RF功率测量芯片, 而不是传统的分离器件搭建的测量系统, 因为体积小, 成本低、结构简单, 稳定可靠, 模块配置多种通讯接口, 使得雷达整机不同的分系统都可以直接与该模块通信, 实时监测整机运行情况。实际的运行结果表明该设计方案可行、可靠。对类似的项目具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]高见芳, 高金定, 张建军.基于对数检测法的射频功率测量电路设计[J].现代电子技术, 2011, 34 (19) :130-132.
相控阵制导雷达自适应调度技术应用 第9篇
关键词：相控阵制导雷达,自适应调度,任务优先级,时间片
0 引言
相控阵雷达实现了天线波束控制的电控扫描,可对空间多个波束指向交替扫描,具有波束控制灵活的特点[1]。雷达在工作过程中会产生许多雷达任务,包括目标搜索、验证、跟踪,导弹捕获、跟踪以及导引,雷达控制系统需要及时安排雷达时间资源来处理这些雷达任务,否则会造成雷达任务失效。相控阵雷达所采用的资源调度技术可以说在一定程度上决定了相控阵制导雷达的性能。
目前相控阵制导雷达调度策略有固定模板、多模板、部分固定模板以及自适应调度等多种方法[2,3,4,5]。模板调度算法一般适合于雷达工作在时间槽工作方式,必须按照所有雷达时间安排时间槽,这些算法的区别是固定时间槽占雷达时序资源的比例不同,它们的缺点是雷达资源浪费比较严重,不能做到根据雷达当前运行情况灵活安排雷达时间能量资源。目前自适应调度技术是最为有效的雷达资源调度算法。随着自适应调度技术的不断发展又产生了多种分支,文献[6]提出了时间窗的概念,将雷达自适应时序调度技术从硬调度发展为柔性调度,文献[7-10]根据雷达工作特性从不同角度提出时间窗优化算法,进一步提升了相控阵雷达自适应调度的能力。
1 相控阵制导雷达资源调度需求
相控阵制导雷达完成来袭目标的探测、跟踪和验证,同时对发射后的导弹进行全过程控制,控制导弹攻击来袭目标。
相控阵制导雷达一个工作周期等分成6个信道,对应可同时攻击6个目标,每个跟踪目标及其攻击导弹安排在对应信道中;每个信道等分成26个时间片,每个时间片称为一个时隙,这些时间片就成为雷达任务调度中用于安排雷达任务处理波位的时间资源;雷达任务自适应调度根据需要处理的雷达任务所需时间片数目安排相应的连续时间片簇组成不同长短的波位,每个波位代表相控阵雷达发射波束的一次驻留时间。
相控阵制导雷达在工作过程中需要调度的主要雷达任务见表1。
不同的雷达任务占用的时间片资源不同,部分雷达任务对占用时间片在跟踪周期中的位置有严格的要求。导弹跟踪任务、导弹截获任务、目标照射任务、指令发送任务是对导弹进行跟踪、截获、控制以及为导引头提供照射能量的任务,一旦满足调度条件,自适应调度必须响应并且不能被其他任务干扰。因此该类雷达任务占用的时间片被安排在跟踪周期中相应的固定位置。
雷达强制资源占用情况下的调度框图如图1所示。
2 相控阵制导雷达自适应调度处理
2.1 数据结构
雷达自适应调度流程在初始化阶段首先建立以下数据结构:
(1)雷达任务池
雷达任务池是一个数据链表,相控阵制导雷达依据人工操作制定、工作时刻触发以及数据处理流程产生等多个途径产生相应的雷达任务,这些雷达任务在等待自适应调度时按照预期调度时间排序安置在雷达任务池中,当雷达任务提取进程提取某个雷达任务后,该雷达任务数据链表节点删除,如果该雷达任务未被调度,则继续返回雷达任务池中等待下一次的调度。
该数据结构在雷达工作过程中以及雷达任务自适应调度期间,不断被更新,属于全局共享存储数据结构。
(2)雷达任务调度时隙占用表
雷达任务调度时隙占用表见表2,按照信道编号排序,共计156项。
表2中每一表项代表一个雷达时间片的雷达任务调度信息,通常一个雷达任务需占用多个时间片,在自适应调度中为了识别雷达任务,在时隙占用表中专门设定了占用时隙序数表项,该序数循环从1安排至255,凡是序数相同的时隙占用表项均属于同一个雷达任务,该表中其他信息表示所调度雷达任务的一些细节,比如任务名称及波位编号等信息,这些信息在后续形成波位控制表时使用。
时隙占用表在每一次雷达任务自适应调度流程触发启动时清除,属于局部私有数据结构。
(3)雷达任务优先级排序队列
该队列为一个链表结构,其中每一个节点代表一个适合调度的雷达任务,这些雷达任务依据优先级由高至低安置在雷达任务优先级排序队列中,如果调度成功则该链表节点被提取用于形成波位控制表;否则该节点进入雷达任务延迟队列等待返回雷达任务池。
该链表在每一次时间片调度循环初期进行初始化,属于全局共享数据结构。
(4)雷达任务延迟队列
该队列为一个链表结构,其中每一个节点代表一个未被调度的雷达任务,这些雷达任务等待返回雷达任务池,在返回雷达任务池后,由于该任务曾被延迟因此优先级可以逐步提高。
该链表在每一次时间片调度循环初期进行初始化,属于全局共享数据结构。
2.2 处理流程
相控阵制导雷达时序资源调度流程如图2所示,该流程采用实时多任务操作系统VxWorks实现,VxWorks良好的基于优先级的任务抢占以及任务间切换机制,保证了流程中多个进程的并发执行。
相控阵制导雷达依据人工操作制定、工作时刻触发以及数据处理流程产生等多个途径不断产生相应的待处理雷达任务,这些雷达任务按照属性不同进入相应的雷达任务池。
当雷达满足自适应调度触发条件时,启动一次雷达任务时间片调度操作,按照以下步骤执行:
(1)由雷达任务提取进程启动提取雷达任务调度时间片集合的时间片序列,遍历当前雷达任务池集合,提取满足调度条件的雷达任务。
(2)雷达任务优先级排序功能获取各雷达任务的优先级,对于被延迟的雷达任务应提高其优先级,然后按照优先级从高到低的次序排序,依次进入雷达任务优先级队列,雷达任务调度进程提取优先级最高的雷达任务进行调度,同时更新雷达任务调度时间片集合,未被调度的雷达任务通过雷达任务延迟队列返回雷达任务池,等待下一个循环的雷达任务时间片调度。
(3)以上雷达任务时间片调度操作循环执行,直至雷达任务提取进程无输出时,表示目前已不存在等待调度的雷达任务,或所有雷达任务调度时间片均不足以安排雷达任务,此时将雷达任务调度时间片集合剩余时间片以检查任务填充,完成本次雷达任务调度。
3 运行结果分析
相控阵制导雷达在TAS工作方式(边搜索边跟踪)下可完成6个目标(M1~M6)精跟踪,10个目标(M7~M16)粗跟踪,同时完成作战空域的目标搜索。在该雷达中,精跟目标M1~M6要求每雷达周期要跟踪一次,波束发射时间间隔起伏不超过2.8 ms;粗跟目标M7~M16要求2~10个雷达周期跟踪一次波束发射时间间隔起伏不超过4个雷达周期。
精跟目标雷达资源调度图如图3所示,其中横坐标序数表示该精跟目标被调度的次数序号,纵坐标表示实际调度结果偏离理论期望调度时刻的以毫秒表示的时间偏差(单位:ms)。
由图3可看出精跟目标波位由于具有较高优先级,雷达资源安排均满足波束发射期望发射时间要求,波束发射时间准确,没有出现雷达事件调度超限。
粗跟目标雷达资源调度图如图4所示,其中横坐标序数表示该粗跟目标被调度的次数序号,纵坐标表示实际调度结果偏离理论期望调度时刻的时间偏差与该粗跟目标在保证跟踪精度情况下允许的最大时间偏差门限的百分比。
由图4可看出,由于粗跟目标波位优先级相对精跟目标波位较低,因此实际波束发射时间相对期望发射时间的偏离值相对起伏较大,具有一定离散性,但总体符合雷达资源调度时间窗要求,只在个别点偏离比率超过100%,表明该时刻目标粗跟踪雷达事件安排超出了前后时间窗要求,出现超期延迟现象。
雷达TAS模式下空域搜索时间分布图如图5所示,其中横坐标序数表示完成完整空域搜索的次数序号,纵坐标表示完成一帧空域搜索的时间。
在完全空闲状态下,该雷达完成空域搜索需耗时5.2 s。图5表明,通过基于动态优先级的相控阵制导雷达自适应调度算法的有序调度,在满足目标精粗跟的同时,能够均匀安排空域搜索波位,各帧空域搜索完成时间始终比较均衡,没有出现较大起伏。
目标精粗跟各通道雷达事件调度状态表见表3。
由表3可以看出,目标精跟踪事件的调度成功率均达到100%,目标粗跟踪事件调度成功率平均也达到99.5%以上。基于动态优先级的相控阵制导雷达自适应调度算法保证了雷达在正确的时刻执行规定的雷达事件处理操作,保证雷达能量资源和时间资源得到有效而全面的利用,能够保证更紧急的雷达事件在较低级雷达事件之前得到执行,同时被延迟的雷达事件在其时间窗范围内也能得到执行。
4 结语
本文阐述了相控阵制导雷达在雷达资源调度方面的需求,介绍了自适应雷达资源调度技术在某相控阵制导雷达上的应用,并对雷达任务调度结果进行了分析。
雷达任务自适应调度结果表明相控阵制导雷达对于自适应调度技术的应用是成功的,能够有效处理安排雷达工作过程中产生的各类不同优先级的雷达任务,并能够充分利用雷达时间资源,雷达资源调度残余时间片少,能够保证延迟任务得到及时安排,充分发挥了相控阵制导雷达的整体工作效能。
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