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双基地雷达,不说你也知道的特性!

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我们知道发射机和接收机共用一副天线的传统雷达称为单基地雷达或单站雷达(Monostatic Radar)。那么,今天我们就来讲讲那些不说你也知道的双基地雷达的特性。1双基地雷达的概念理解接收机和发射机在不同位置的雷达称为双基地雷达(Bistatic Radar)。虽然这样的结构带来了一些技术上的难题,特别是发射机和接收机之间的同步问题,还可能增加成本,但它存在一些潜在优势。
隐身目标会将单站雷达发射的能量散射到各个方向,而双基地雷达能够提高对隐身目标的检测能力。双基地雷达的接收机是被动式的,这就意味着接收机不会被电子支援措施所定位。很难针对双基地雷达接收机部署对抗措施,因为它们的位置的未知的。因此,任何干扰都必须在一个角度范围内传播,削弱其有效性。同样,双基地接收机不易受到反辐射导弹(ARMs)的攻击。双基地雷达体制是十分有用的,尤其是在无人机系统(UAVs)中,因为无人机可以只携带接收机,而重型、复杂、高功耗的发射机可以位于别处。20世纪30年代最早的机载雷达试验就是双基地的,因为在最初的机载雷达系统中不可能产生高功率的雷达脉冲。
45e561ae7f7a92c2d8a2284faccf0df3.jpg 从70年代后期到80年代初期双基地雷达系统的一个典型例子是“Sanctuary”,它是一个美国双基地防空雷达研制计划,它在防区外使用机载照明雷达,接收机为地面被动接收器。2双基地雷达的特性由发射机、目标和接收机形成的三角形如下图所示。接收机和发射机之间的距离称为基线(baseline)。目标与发射机和接收机连线的夹角称为双基地角或分置角(bistatic angle)。
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在大多数情况下,双基地接收机测量来自发射机的直接脉冲和目标回波脉冲之间的延时,如果L已知,将可以得出双基地距离和。这样的测量方法定义了一个椭圆,发射机和接收机分别是两个焦点。这就和你小时候玩的把戏是一样的:把两个大头针钉在木板上,然后用绳子和铅笔画出一个椭圆。通常,发射机或接收机(或两者)使用定向波束来指向椭圆上的目标。然而,如果发射机信号是脉冲的(通常情况下就是这样的),这将引入一个复杂的问题,因为接收天线波束必须在脉冲通过空间的传播之后立即指向目标回波的方向。由于波束指向方向的变化是非线性的,而且时间非常快,所以接收波束必须以电子方式进行控制,这必然比机械引导的方法更复杂、更昂贵。需要牢记的一点是,双基地接收机必须与发射机同步。更特别的是,双基地接收机中的信号处理需要一下信息:(1)发射机和接收机的位置;(2)每个脉冲的发射时间;(3)发射波束的指向位置(如果发射机有定向波束);(4)发射信号的相位(如果使用相干处理)。如果发射机是合作的,那么可以使用固定链路。否则,尤其是其中一个或者两个都是机载平台,就必须通过接收直接信号来获取信息。同步和定位可以使用全球定位系统(GPS)容易的实现。双基地雷达方程双基地雷达的雷达方程推导模式与单站雷达的雷达方程推导方式是一样的。为了对比,这里给出两种情况下的雷达方程:
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关键的不同在于以下几点:(1)天线增益的平方被发射天线和接收天线的增益之积代替了;(2)当目标与发射机和接收机距离相等是信噪比最低,当目标更接近于发射机或更接近于接收机时信噪比高;(3)目标的单站雷达截面积(RSC)被双基地RSC代替。卡西尼卵形线从双基地雷达方程可以明显看出,恒信噪比等高线由距离积定义,这样的曲线正好可以用卡西尼卵形线描述。(卡西尼卵形线是由下列条件所定义的:曲线上所有点到两定点(焦点)的距离之积为常数。)
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对于小的c值,曲线趋向于以发射机和接收机为中心的圆形区域;对于交大的c值,曲线趋向于椭圆;对于极大的c值,曲线趋近与圆。特别需要注意的是,这些图形仅适用于全向发射、接收天线模式;如果天线是有方向性的,那等高线就会被天线辐射模式加权,这有可能导致曲线形状完全不同。前向散射对于基线或接近基线的目标,无论目标位于基线的哪个位置,回波都将与直接信号同时到达接收机。此外,对于跨越基线的目标,多普勒频移将为零,因为在那一点,发射机到目标的距离以与目标到接收机距离等大反向的方式变化。这些考虑表明,距离和多普勒分辨特性不仅取决于雷达波形,还取决于目标相对于发射机和接收机的位置。目标双基地RCS如前所述,双基地雷达的优点之一在于它可以提供反隐身能力,因为形状或特殊处理可以使目标的单站RCS最小化,但其双基RCS可能仍然具有很高的值。然而,这并不容易验证,因为目标的双基地测量是难以做到的。对于非隐身目标,其双基地RCS通常与其单站RCS是差不多的。早期双基地电磁散射的理论研究给出了双基地等价定理。这表明在给定双基地角的前提下,目标的双基地RCS等于在角平分线上的单站RCS,但在频率上比双站RCS高。这些结论都取决于一下一些假设:(1)目标足够平滑;(2)目标的任何部分都不会被其他部分所遮蔽;(3)回波是角度的函数。实际中,这些条件不一定总是成立,所以该定理的使用应该谨慎,尤其是在复杂目标和较大的分置角时。与单站雷达特征类似,当目标特征尺寸与雷达波长(典型的例子是飞机目标在VHF或HF的频率下)相当的情况下,目标的RCS会增强。当来自构成目标的不同散射体(例如,飞行器的鼻子,驾驶舱,尾翼,发动机进气口)的贡献在特定的雷达频率和几何形状下以相位相加时,就会出现这种共振效应。然而,即使是隐身目标,前向散射也可以显著地提高RCS。当目标位于或靠近基线时,就会发生这种情况,可以通过巴比涅物理光学原理来理解这个效应。巴比涅原理指出,通过目标形状的孔进行衍射的信号必须与在目标周围衍射的信号等大反向,因为二者之和必须为零。
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确定通过给定尺寸和形状的孔衍射的信号是电磁学中的常见问题,而且简单孔径的结果是众所周知的。巴比涅原理意味着这些结果同时给出了目标的前向散射RCS,而且评估表明这可能比单站RCS大几十分贝。乍一看这样的结果很吸引人,但是目标接近基线时的距离和多普勒分辨率都很差。因此,前向散射可能有利于目标检测,但使用它进行定位和跟踪则要困难得多。前向散射的另一个问题是杂波单元面积和杂波散射系数都将很大,因此杂波回波信号可能也很大。这意味着前向散射中的目标检测可能是杂波背景下的而不是噪声背景下的。双基地雷达还可以降低目标闪烁,从而改善跟踪雷达的性能。闪烁是导弹导引头目标回波相位中心的角位移。它是由位于导引头分辨单元内的两个或两个以上主导散射体之间的相位干涉引起的。因此,随着目标方位角的变化,相位中心发生变化,导引头角跟踪误差增大,从而造成脱靶。常规缓解方法包括:(1)减小导引头分辨单元的尺寸,以便分散散射体;(2)通过非相干积累平滑回波或以双基地方式运行。本文作者:George W. Stimson翻译:石星宇本文为用户翻译,若发现不妥之后,欢迎指出。
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