0 引言
无源探测雷达无需发射信号,而是通过多点接收机接收目标自身辐射信号或目标的反射信号对目标实现探测和定位,其中到达时间差定位(TDOA)是无源探测雷达主要工作模式之一,该雷达在军用上具有较好的“四抗”特性[1]。在民用雷达领域,飞机在起飞、降落阶段,以及在机场的调度与停放时,基本处于一次雷达和二次雷达的盲区,此时利用多点无源探测雷达可以对此进行精确探测和定位,实现机场安全高效管理。多点无源探测雷达是现代机场场面监视雷达的发展方向之一,布站数量和基线设计对雷达探测性能有重要的影响,传统的无源定位时差接收机在子站完成信号接收和时间测量,在中心站完成信号分选配对和定位。这种方案主要缺点是:子站设备相对复杂,制约了子站布站的灵活性和布站的数量,同时不利于子站间时间统一,影响了机场这种复杂环境下产品的使用性和定位的精度。
时差接收机涉及时间同步、增益一致性、带宽及带宽一致性、门限设计等,常规时差接收机诸多文献已进行讨论与分析,本文介绍了一种新颖的基于微波光电技术的机场场面监视雷达多点时差定位接收机。微波光子学是一项被认为为未来高性能雷达、电子战系统提供一种非常具有吸引力的新技术领域,具有更远的传输距离和更大的带宽[2]。目标微波信号在中心站实现滤波、幅度检测和时间测量,极大简化了接收子站的架构,提高了系统灵活性、使用性和定位精度。
1 系统组成
基于多点定位的机场场面监视系统使用多个子站接收飞机上机载应答器发射的应答脉冲信号,通过分选配对组建同一目标应答脉冲到达不同的远端接收子站的到达时间差方程组,实现对飞机目标的精确定位。作为机场附加系统,多点定位雷达子站布设选点有很强的约束性,为适应不同机场的应用环境,最大限度简化子站的布站条件(如电源供给、基站建设与防护)。方案采用了微波光电接收机技术,接收子站只由一个可接收民航飞机二次雷达应答信号的全向天线和微波光电接收前端组成,微波光电接收前端把收到的二次雷达微波信号调制成载波为1 550 nm的光信号,通过长距离光纤送到中心站,微波光信号在中心站解调为微波电信号,进行幅度检测和到达时间测量。该方案子站设备量小、功耗低,同时由于光纤长度对微波损耗不敏感,每千米约0.2 dB,因此子站布设比较灵活。各子站接收的信号在中心站同一高稳定基准时钟进行时间采样,因此时间精度较传统的各子站分别进行时间采样有明显提高。系统原理框图如图1所示。
图1 基于微波光电接收多点定位雷达原理框图
系统中设计了一个系统定标信号,通过远程光纤送到辐射源天线上,对辐射源天线位置进行精确定位,实现系统定标。
2 微波光电接收
微波光电时差接收机在功能上主要由微波光电前端、传输光纤、后端光电解调、滤波检测和信号时间采集等组成,其中光路设计是微波光电时差接收机设计重点。该光电时差接收机主要特点是时间同步精度高、子站简单、远程布站灵活,实现框图如图2所示。
图2 微波光电接收机实现框图
2.1 噪声与动态范围
噪声系数直接影响雷达灵敏度,是微波光电时差接收机的重要指标,噪声系数为
式中:F接收为微波光电时差接收机噪声系数;F1,G1分别为光路前级(预选滤波和低噪声放大器)噪声系数和增益;F光路,G光路分别为光路(调制器、光纤和光解调器)噪声系数和增益;F后级为光路后级(匹配滤波器、对数检波器和数据采集)噪声系数。光路噪声系数和增益[3-4]为
式中,ID为探测器输出电流平均值,RIN为激光器相对强度噪声,RO和RLORD分别为系统匹配网络和负载阻抗(为50Ω),CL和CD分别为激光器和探测器等效电容,RL为激光器阻抗(一般5～10Ω),RD为探测器电阻(一般为1～2 kΩ),η1为激光器转换效率,α为光纤损耗,ηd为探测器转换效率,玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K,绝对温度T=290 K,自由电子q=1.6×10-19J/V,s=jω=j2πf。
设计光路前级(预选滤波和低噪声放大器)等效增益为35 d B,等效噪声系数为1.8 d B,计算仿真得微波光电接收机噪声系数为2.4 dB,实测噪声系数为2.8 d B。
机场场面监视雷达的主要目标是中近场区域目标,兼顾远程探测,要求接收机有较大的动态范围,系统通过控制微波光电调制器激光器的偏置电平实现微波光电调制器的最大线性度。控制偏置电平主要有两种方式,即导频信号反馈控制和光功率反馈控制,为避免导频信号对接收机的干扰,方案采用了光功率反馈控制。
2.2 多通道时间稳定性
微波光电接收机前端与后级距离最长设计为20 km,噪声干扰及温度变化将影响微波光电接收机时间稳定性,多通道长期时间稳定性可以通过系统定标进行校准,系统更关注短期时间稳定性,如图3所示,从实验结果来看,常温下4小时5 km光路时延最大变化约为0.5 ns。雷达系统更关注短期时间稳定性,光纤的时延变化为非平稳随机过程,采用阿伦方差进行短期稳定性评估,即每相邻两个值进行均方差(时间最小间隔为2 s,共采样6 999点),再进行平均,实测5 km光路时延短期稳定性约为0.004 ns。
2.3 时间定标
时间定标由时间内定标和时间系统定标组成。基于微波光电的时差接收机在中心站完成数据采集和时间测量,而时差接收机定位测量原理是测量目标信号到达不同接收子站之间的时间差,因此系统需对不同接收机(接收机天线端口到数据采集)的处理时间进行校准,该校准由内定标完成,由中心站发出一个时间定标脉冲信号,通过光电链路送到各接收子站信号输入端口,通过接收机链路后在中心站进行对比测量。为保证路径一致,采用波分复用技术使微波光电信号上行、下行通过同一光纤链路,其中接收信号光链路采用1 550 nm波长,定标信号光链路采用1 310 nm波长。
内定标只能对多子站接收机处理时间进行定标,无法对系统时间定位精度进行定标,定位精度涉及到系统诸多参数设定与稳定性,如基线设计、接收机参数一致性、门限检测设计、时间测量与定位方程等,这种定标将采用系统时间定标,即在一已知位置点上发射一脉冲信号,由系统对此信号进行接收、定位,实现系统定标。时间测量定标工作原理如图4所示。
图3 微波光电接收机时间稳定性实验结果
2.4 研究结果
应用该微波光电接收机的机场场面监视雷达在合肥新桥机场已完成多项探测、定位实验,场面飞机定位精度优于5 m,微波光电接收机实现的主要技术指标如下:
工作频率:1 090 MHz
噪声系数:≤2.8 dB
瞬时动态:≥75 dB
正切灵敏度:≤-93 dBm
最大布站距离:20 km
子站数量:12
多通道稳定性:±0.5 dB,±30°(内定标后)
时差测量精度:≤3 ns
系统研制样机如图5所示。
图4 多点定位时差接收机时间定标框图
图5 机场场面监视雷达微波光电接收机研制样机
3 结束语
微波光子学是一项被认为为未来高性能雷达、电子战系统提供一种非常具有吸引力的新技术领域,光子无质量、无电荷,不受外部电磁场影响,并具有更远的传输距离和更大的带宽,因此微波光电接收具有超远程的微波信号传输能力,无电磁泄漏,不易被截获和干扰,在阵列雷达、多基地雷达以及远程无人值守雷达等领域正得到广泛的关注[5]。基于微波光子学的多点定位机场监视雷达具有设备简便、布站灵活、定位精度高等优点,其主要作用是实现机场中近场区域飞机监视、定位与调度,未来可实现产业化提高机场综合安全管理能力。从实验结果来看,该雷达作用距离可达250 km,因此该系统微波光电时差接收技术同样可很好应用于军事领域的无源探测与跟踪雷达,提高雷达系统综合对抗能力。
参考文献:
[1]孙仲康.单多基地有源无源定位技术[M].北京:国防工业出版社,1996.
[2]方立军,马骏,柳勇,等.一种大型分布式阵列雷达频率与相位同步[J].雷达科学与技术,2017,15(1):85-88.FANG Lijun,MA Jun,LIU Yong,et al.Frequency and Phase Coherence in Large Distributed Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2017,15(1):85-88.(in Chinese)
[3]COX C H III,BETTS G E,JOHNSON L M.An Analytic and Experimental Comparisonof Direct and External Modulation in Analog Fiber-Optic Links[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,1990,38(5):501-509.
[4]朱伟道,朱少林,席虹标.模拟信号光纤传输系统的噪声系数分析[J].光通讯技术,2011(6):60-63.
[5]方立军,李佩,马骏,等.基于微波光电技术的未来数字阵列构想[J].雷达科学与技术,2013,11(6):583-586.FANG Lijun,LI Pei,MA Jun,et al.An Idea for Future Digital Array Radar Based on Microwave Optoelectronics[J].Radar Science and Technology,2013,11(6):583-586.(in Chinese)
