單脈沖二次監(jiān)視雷達(dá)天線波瓣測量方案研究

 0 引 言

二次雷達(dá)系統(tǒng)在民航空管 領(lǐng)域的重要性勿需置疑,但由于該系統(tǒng)的復(fù)雜程度,決定了對(duì)其設(shè)備各級(jí)單元及系統(tǒng)整體性能的測試,帶來了一定的難度。目前中國民航尚未建立起一套完整的、系 統(tǒng)性的雷達(dá)綜合測試系統(tǒng),更不可能更多地去研究、優(yōu)化系統(tǒng)測試方法。同時(shí),目前民航有關(guān)部門正在建立空管設(shè)備系統(tǒng)測試評(píng)估平臺(tái),并且有關(guān)部門還在籌備建設(shè) 雷達(dá)合資工廠,雷達(dá)天線性能測試系統(tǒng)作為其中的一個(gè)主要組成部分,如何更好地展開建設(shè),是目前建設(shè)者需考慮的一個(gè)重要課題。由此,本文著重從二次雷達(dá)天線 測試方案進(jìn)行研究。

1 單脈沖二次雷達(dá)(MSSR)工作原理

單脈沖二次雷達(dá)為三脈沖體制,它的詢問信號(hào)為脈幅調(diào)制(PAM)信號(hào)。詢問脈沖由三個(gè)脈沖組成,P1,P3脈沖為詢問信息脈沖,由定向天線發(fā)射;P2脈沖為旁瓣抑制脈沖,由全向天線發(fā)射。按照P1和P3脈沖的時(shí)間間隔可以分為六種詢問模式,見表1。

近代民航的航管二次雷達(dá),一般只用A模式和C模式輪流詢問,這樣,在航管中心熒光屏上就能同時(shí)在目標(biāo)旁顯示出飛機(jī)的代號(hào)和高度。這里稱這種雷達(dá)為A-C模式二次雷達(dá),其時(shí)間關(guān)系如圖1所示。

2 單脈沖二次雷達(dá)測試方法及影響分析

目前對(duì)于二次雷達(dá)天線波瓣測量的方法主要有兩種:

(1) 遠(yuǎn)場法,通常稱為外部測量法。把射頻接收測量設(shè)備放于雷達(dá)天線作用范圍內(nèi)的某點(diǎn),通過對(duì)二次雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波進(jìn)行檢測,從而得出二次雷達(dá)天線水平波瓣圖。

(2) 內(nèi)部測量法,把測量設(shè)備接于雷達(dá)接收通道輸入端進(jìn)行檢測。

2.1 外部測量法分析

外部測量法原理如圖2所示。

外部測量法是日常對(duì)天線進(jìn)行測試時(shí)常用的一種最直觀的方法,也是最有效的方法,但同時(shí)應(yīng)用在二次雷達(dá)天線測量中也存在著不足,通過二次雷達(dá)原理可知,二次雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí),只發(fā)射和(Σ)信號(hào)與控制信號(hào)(Ω),而差(Δ)信號(hào)只用于接收。因此該方法只能測量和(Σ)通道與控制(Ω)通道的波瓣圖, 不能測量差(Δ)通道的波瓣,而差信號(hào)在判別目標(biāo)方位角起著至關(guān)重要的作用。再者,難以使兩發(fā)射通道波瓣圖實(shí)現(xiàn)較好的重疊。由于兩通道是不同時(shí)刻輻 射的電磁波,難以分辨各通道何時(shí)發(fā)射的電磁波,難以對(duì)兩通道不同時(shí)刻發(fā)射的電磁波進(jìn)行分離,繼而增加了系統(tǒng)測量的難度和復(fù)雜性。

2.2 內(nèi)部測量法分析

內(nèi)部測量法原理如圖3所示。

內(nèi)部測量法從測量原理可知,它只能測量二次雷達(dá)天線三個(gè)通道接收時(shí)的波瓣特性,而無法測量發(fā)射時(shí)的波瓣特性。若天線上的某一列饋存在駐波,在天線接收 時(shí)對(duì)波瓣的影響不會(huì)太大,但在發(fā)射時(shí)此列列饋對(duì)二次雷達(dá)天線波瓣的影響將變得較大,所以這種測量法并不能反映出二次雷達(dá)天線發(fā)射時(shí)真實(shí)的波瓣特性。 2.3 影響分析

A/C模式二次雷達(dá)代碼數(shù)據(jù)項(xiàng)由八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換,初始格式如表2所示。

表2 二次雷達(dá)代碼數(shù)據(jù)格式

應(yīng)答機(jī)響應(yīng)A模式詢問的應(yīng)答碼是識(shí)別碼,飛機(jī)的識(shí)別應(yīng)答碼到其低12位,按八進(jìn)制進(jìn)行編碼,12個(gè)信息碼從高位到低位的排列順序是:A4A2A1　B4B2B1　C4C2C1　D4D2D1

應(yīng)答機(jī)響應(yīng)C模式詢問的應(yīng)答碼是高度碼,高度碼的組成方式與識(shí)別碼完全不同,它的組成順序是:D1D2D3　A1A2A3　B1B2B3　C1C2C4

單脈沖二次雷達(dá)是一種高復(fù)雜度、高精密的設(shè)備。天線在使用一定時(shí)間后其精度都會(huì)有不同程度的下降,會(huì)使天線波瓣發(fā)生變形,影響到上述所述編碼出現(xiàn)誤 差,導(dǎo)致飛機(jī)識(shí)別代碼混亂,高度碼產(chǎn)生誤差,飛機(jī)方位不準(zhǔn)確等一系列問題,由此產(chǎn)生的后果不堪設(shè)想?；诖?提出一種建設(shè)性的測試方法。

3 建設(shè)性測試方案

從天線極化圖方面入手,對(duì)二次雷達(dá)天線HPD(水平極化圖)及VPD(垂直極化圖)進(jìn)行測定,從而確定其極化參數(shù)。二次監(jiān)視雷達(dá)的HPD主要用于測量 目標(biāo)的方位,決定分辨同一距離不同方向上目標(biāo)的能力和方位精度;VPD在二次監(jiān)視雷達(dá)中用于保證不同高度層的距離覆蓋,使在正確的高度角發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離最大。由此可以看出,HPD及VPD在二次雷達(dá)中的重要性是不言而喻的,極化圖測試方法有極化圖法、利薩如圖法、振幅-相位法及多振幅法。在對(duì)二次雷達(dá) VPD及HPD測量過程中,本文對(duì)二次雷達(dá)常規(guī)外部測量法進(jìn)行改進(jìn),使用的接收天線為雙極化基準(zhǔn)天線且極化純度較高,接收天線可認(rèn)是理想線極化天線,因?yàn)? 二次雷達(dá)是開放式陣列LVA天線,因此選擇振幅-相位法。測量線極化兩分量E1與E2的值及相位差δL,從HPD/VPD極化圖方面來分析天線波瓣?duì)顩r, 極化測量系統(tǒng)測量如圖4所示。

如果雙極化天線接收的幅相不一致,系統(tǒng)測量時(shí)將引入由不一致性產(chǎn)生的相對(duì)幅度比值k和相位φ,由式(1),式(2)接收數(shù)據(jù)計(jì)算出線極化幅值比和相位。

當(dāng)極化測量系統(tǒng)用于接收的極化天線交叉極化分量較大,可求接收系統(tǒng)的等效畸變矩陣,取其逆矩陣來處理接收數(shù)據(jù),達(dá)到校準(zhǔn)的效果。

4 結(jié)語

結(jié)合民航空管雷達(dá)測試的現(xiàn)狀,國內(nèi)目前缺乏針對(duì)航管二次雷達(dá)天線波瓣測量的相關(guān)方案和設(shè)備,較難獲得二次雷達(dá)天線瓣圖,準(zhǔn)確地判斷二次雷達(dá)系統(tǒng)及天線 性能。通過對(duì)二次雷達(dá)天線波瓣測試方法的分析,提出一個(gè)系統(tǒng)性、經(jīng)過初步優(yōu)化了的天線測試方案,一方面可以對(duì)有效地建立空管測試評(píng)估平臺(tái)和搭建雷達(dá)生產(chǎn)測 試檢驗(yàn)平臺(tái)打下良好基礎(chǔ),另一方面還可以為確?？展?strong>二次雷達(dá)選址和設(shè)備正常運(yùn)行提供手段,同時(shí)也為準(zhǔn)備建立的雷達(dá)檢測中心提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。