单脉冲二次监视雷达天线波瓣测量方案研究

 0 引 言

二次雷达系统在民航空管 领域的重要性勿需置疑,但由于该系统的复杂程度,决定了对其设备各级单元及系统整体性能的测试,带来了一定的难度。目前中国民航尚未建立起一套完整的、系 统性的雷达综合测试系统,更不可能更多地去研究、优化系统测试方法。同时,目前民航有关部门正在建立空管设备系统测试评估平台,并且有关部门还在筹备建设 雷达合资工厂,雷达天线性能测试系统作为其中的一个主要组成部分,如何更好地展开建设,是目前建设者需考虑的一个重要课题。由此,本文着重从二次雷达天线 测试方案进行研究。

1 单脉冲二次雷达(MSSR)工作原理

单脉冲二次雷达为三脉冲体制,它的询问信号为脉幅调制(PAM)信号。询问脉冲由三个脉冲组成,P1,P3脉冲为询问信息脉冲,由定向天线发射;P2脉冲为旁瓣抑制脉冲,由全向天线发射。按照P1和P3脉冲的时间间隔可以分为六种询问模式,见表1。

近代民航的航管二次雷达,一般只用A模式和C模式轮流询问,这样,在航管中心荧光屏上就能同时在目标旁显示出飞机的代号和高度。这里称这种雷达为A-C模式二次雷达,其时间关系如图1所示。

2 单脉冲二次雷达测试方法及影响分析

目前对于二次雷达天线波瓣测量的方法主要有两种:

(1) 远场法,通常称为外部测量法。把射频接收测量设备放于雷达天线作用范围内的某点,通过对二次雷达天线发射的电磁波进行检测,从而得出二次雷达天线水平波瓣图。

(2) 内部测量法,把测量设备接于雷达接收通道输入端进行检测。

2.1 外部测量法分析

外部测量法原理如图2所示。

外部测量法是日常对天线进行测试时常用的一种最直观的方法,也是最有效的方法,但同时应用在二次雷达天线测量中也存在着不足,通过二次雷达原理可知,二次雷达系统工作时,只发射和(Σ)信号与控制信号(Ω),而差(Δ)信号只用于接收。因此该方法只能测量和(Σ)通道与控制(Ω)通道的波瓣图, 不能测量差(Δ)通道的波瓣,而差信号在判别目标方位角起着至关重要的作用。再者,难以使两发射通道波瓣图实现较好的重叠。由于两通道是不同时刻辐 射的电磁波,难以分辨各通道何时发射的电磁波,难以对两通道不同时刻发射的电磁波进行分离,继而增加了系统测量的难度和复杂性。

2.2 内部测量法分析

内部测量法原理如图3所示。

内部测量法从测量原理可知,它只能测量二次雷达天线三个通道接收时的波瓣特性,而无法测量发射时的波瓣特性。若天线上的某一列馈存在驻波,在天线接收 时对波瓣的影响不会太大,但在发射时此列列馈对二次雷达天线波瓣的影响将变得较大,所以这种测量法并不能反映出二次雷达天线发射时真实的波瓣特性。 2.3 影响分析

A/C模式二次雷达代码数据项由八进制数转换,初始格式如表2所示。

表2 二次雷达代码数据格式

应答机响应A模式询问的应答码是识别码,飞机的识别应答码到其低12位,按八进制进行编码,12个信息码从高位到低位的排列顺序是:A4A2A1　B4B2B1　C4C2C1　D4D2D1

应答机响应C模式询问的应答码是高度码,高度码的组成方式与识别码完全不同,它的组成顺序是:D1D2D3　A1A2A3　B1B2B3　C1C2C4

单脉冲二次雷达是一种高复杂度、高精密的设备。天线在使用一定时间后其精度都会有不同程度的下降,会使天线波瓣发生变形,影响到上述所述编码出现误 差,导致飞机识别代码混乱,高度码产生误差,飞机方位不准确等一系列问题,由此产生的后果不堪设想。基于此,提出一种建设性的测试方法。

3 建设性测试方案

从天线极化图方面入手,对二次雷达天线HPD(水平极化图)及VPD(垂直极化图)进行测定,从而确定其极化参数。二次监视雷达的HPD主要用于测量 目标的方位,决定分辨同一距离不同方向上目标的能力和方位精度;VPD在二次监视雷达中用于保证不同高度层的距离覆盖,使在正确的高度角发现目标距离最大。由此可以看出,HPD及VPD在二次雷达中的重要性是不言而喻的,极化图测试方法有极化图法、利萨如图法、振幅-相位法及多振幅法。在对二次雷达 VPD及HPD测量过程中,本文对二次雷达常规外部测量法进行改进,使用的接收天线为双极化基准天线且极化纯度较高,接收天线可认是理想线极化天线,因为 二次雷达是开放式阵列LVA天线,因此选择振幅-相位法。测量线极化两分量E1与E2的值及相位差δL,从HPD/VPD极化图方面来分析天线波瓣状况, 极化测量系统测量如图4所示。

如果双极化天线接收的幅相不一致,系统测量时将引入由不一致性产生的相对幅度比值k和相位φ,由式(1),式(2)接收数据计算出线极化幅值比和相位。

当极化测量系统用于接收的极化天线交叉极化分量较大,可求接收系统的等效畸变矩阵,取其逆矩阵来处理接收数据,达到校准的效果。

4 结语

结合民航空管雷达测试的现状,国内目前缺乏针对航管二次雷达天线波瓣测量的相关方案和设备,较难获得二次雷达天线瓣图,准确地判断二次雷达系统及天线 性能。通过对二次雷达天线波瓣测试方法的分析,提出一个系统性、经过初步优化了的天线测试方案,一方面可以对有效地建立空管测试评估平台和搭建雷达生产测 试检验平台打下良好基础,另一方面还可以为确保空管二次雷达选址和设备正常运行提供手段,同时也为准备建立的雷达检测中心提供理论与实践指导。