《有源电子扫描阵列雷达技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有源电子扫描阵列雷达技术（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、有源电子扫描阵列雷达技术王德纯中国电子科技集团公司第十四研究所有源电子扫描阵列(AESA)雷达技术一概述1定义,有源电子扫描阵列 AESA (Active Electioiiically Scanned Anay)雷达。又称有源相控阵APAR (Active Phased Airay Radar)雷达,是相控阵雷达PAR (Phsed Array Raiar)的一种。与其对应的是无源电子扫描阵列(PESA)雷达。 由于AESA独特的优点和广泛的应用潜力，目前常常被作为雷达技术的前沿和新技 术体制 标志：雷达发射机和接收机由人量小的固态收发模块组成：空间叠加集成大功率2历史经典雷达：人功率发射机
2、产生高功率脉冲磁控管或速调管物理转动的天线形成待定方向波束并实现空域搜索 接收机把微弱信号放大到一定电平去显示和测量1960年代：出现了能控制发射信号延迟的固态器件(电子移相器)，直接导致了 第一部无源相控阵(PESA)(简单的相控阵)雷达的诞生。即先把发 射机产生的人功率信号分成很多路，每一路经过指定的电子延迟送到 各天线单元，控制延迟使各天线的辐射在特定方向叠加，其他方向抵 消。雷达波束可以实现比物理的旋转天线快得多的扫描。1980年代：固态电子学的进一步发展导致了 AESA雷达的产生；首先是接收电子学的进步神化稼器件的发展人大了接收电子设备的 体积，可以小到仅有几个立方厘米。结型场效应晶
3、体管和金属半导体 场效应晶体管的发展又可以使发射系统做得同样好。现在MMIC单片微波集成雷达系统的发射机接收机和天线可以集成到一个“单 片”收发模块中。体积可以如一片口香糖。下一代AESA 宽带数字天线3 AESA的优势1）更快的波束形成和捷变能力。可以采用DBF雷达波束可以以更高的刷新率搜 索和跟踪更多的高速目标；波束装换时间数十纳秒。而PESA需要数十微妙：2）作用距离大幅增加功率空间合成大功率；TR与天线直接耦合发射接收馈电损耗小输入噪声干 扰小接收灵敏度提高通常6DE；3）显著提高雷达可靠性单元失效影响小10%无显著影响30%系统增益下降3DB可维持基本性能；4）提高同时多功能性能 除
4、时间分割外 可空间分割 子阵分割 频率分割同时多频发射；一部分TR模块完成一张功能另外的TR模块完成其他功能；5）大幅改善隐身性能 低截获（LPI）性能和低观测性能，隐身飞机雷达的必选;6）抗干扰能力强LPI 扩时扩谱：波束捷变；可以单个脉冲同时多频发射接收；脉间变频（多普勒滤波除外）：干扰跟踪自适应置零；7）可以DBF 扩犬雷达系统动态范围；改善相位噪声；降低对模拟器件的要求：3现代陆海空天攻防对雷达提出新要求1）目标特点： 高速隐身超低空超高空密集2）电磁环境：假目标 诱饵 干扰 杂波3）探测能力：指在规定时间和空间（距离角度）发现所有要探测的目标的能力； 远程 高数据率多目标探测能力；4
5、）分辨能力：常规分辨；高分辨（成像）；精细的目标参数分辨和成像能力：多维分辨能力；5）测量能力：指在规定时间以规定的测量精度完成所有要测量目标的测量能力： 精密的多目标特征和参数跟踪测量能力；6）识别能力特征测量目标多信息感知；不同层次；7）灵活多变的工作模式和抗干扰能力：工作模式；抗干扰：二 雷达系统信号与目标信息1雷达系统信息模型1）雷达的本质：利用电磁波信号参数（幅度等）提取目标信息（距离等）2）雷达信号流程：发射（时频）波形和功率产生；发射天线波束（波形）辐射；照射目标（信息体制）并反射；接收天线（波束体制）接收；信号接收处理（解调）；目标信息提取（反演）；3）目标信息调制：目标人小一
6、回波信号幅度强弱（RCS）；目标距离一回波信号延时（包络或相位）（R）;目标方向一回波信号等相位面（A,E）;目标速度一回波频率移动（多普勒）；目标长度一回波时间序列长度（L）;目标形状一回波时空阵列调制（成像）：目标微动一回波微多普勒（旋转和震动）；目标翻滚一回波时间序列调制目标对称一回波极化状态4）雷达信号信息模型时频信号波形与发射功率产生S（t）发射天线波束产生与空域调制G（A,B）目标反射调制T（X）接收天线波束产生与空域调制G（）接收信号处理的滤波解调目标信息提取反演2 雷达电磁信号时频域波形1）非相参时频波形: 技术体制特点：相邻脉冲间的相位不连续（自激震荡） 探测性能测量性能“点
7、”目标抗干扰能力体制：经典；2）相参时频波形：技术体制特点：相位连续相关探测性能测量性能点目标抗干扰体制：MTI MTD雷达脉冲压缩雷达脉冲多普勒雷达 相控阵雷达3）宽带时频波形；特点：宽带高距离分辨 测量线目标长度面目标形状（与SAR ISAR结合）体制 HRR SAR ISAR4）微多普勒信号；测量 目标微动态（振动 转动）3 雷达电磁信号空间域波形1）单站多波束体制单脉冲 DBF；2）多站与组网体制多基地组网MIMO；3）移动波束体制 SAR ISAR：4 空时二维自适应波形ST A PAESA5 雷达电磁信号极化域波形矩阵信号三 电子扫描雷达（ESAR）原理1雷达波束概述1）作用： 聚
8、焦能量角度测量空域信号处理2）面天线波束形成（图）3）阵列天线波束形成（图）4）等相位波前传播（图）5）远区场与近区场（图）2雷达波束的机械扫描（MSA）波束空域搜索和目标跟踪的机械实现（天线与天线座的物理运动）： 天线视轴的物理地指向目标；3雷达波束电子扫描原理天线I I面的等相位面法线辐射原理；天线单元电磁波辐射前的相位改变-移相；4 电子扫描实现方法频率扫描 改变频率以改变同一传播路径中不同辐射I I的信号相位（图）; 相位扫描（相控阵）用移相器改变不同单元的信号辐射相位；5电子扫描雷达（ESA）基本架构1）线阵和面阵线阵两种（图） 应用一维电扫三坐标雷达面阵（图）二维电扫2）无源阵和有
9、源阵无源阵（PESA）（图）有源阵（AESA）（图）3）强馈阵和空溃阵强馈阵（图）空溃阵（图）4）棉疏阵（图）5）共形阵（图）6）机会阵（图）6电子扫描缺点电打缺点是单面阵最大覆盖120度而通常雷达任务要求半球空间覆盖解决办法多面阵（二三四）与机械扫描结合四 有源电子打描阵列雷达与数字波束形成技术1 AESA雷达基本架构AESA（图）自适应AESA（图）1 波束形成种类:从技术：模拟波束形成（ABF）（图）：数字波束形成（DBF）（图）；从方法：时域波束形成；频域波束形成；从系统：常规波束形成；自适应波束形成（ADEF）（图）；2 数字波束形成（DEF）原理1）图示2）数学推导 Y=（i=l到
10、N）XiWi3）单波束形成；（图）4）多波束形成；（图）5）AESA为DEF提供平台。而DEF又使AESA如虎添翼;3 数字波束形成的好处1）增大雷达动态范围;2）改善相位噪声；3）降低对模拟部件的要求；4）适用LFM波形；5）空间角度估值；4 数字波束形成技术1）子阵技术；2）波束置零技术；5 自适应数字波束形成技术（图）；6 有源电子扫描阵列雷达体系结构（图）五 有源电子扫描阵列雷达（AESA）关键技术（实现和推动AESA雷达不断发展的关键技术）1 系统时间功率管理（总体技术）时间管理功率管理频谱管理2 数字T/R组件和通道接收机TR组件通道接收机3 ADBF处理和信号处理算法ADBF信号
11、处理4 系统冷却水冷5 微波单片集成器件 包扌舌单片系统(system on chip)6 宽带数字天线技术DARPA的AESA的研制演示计划(授于诺-格公司)RF 直接 A D D/A宽带 K动态范围六 有源电子扫描阵列(AESA)雷达举例1 F-22先进战术战斗机火控雷达(AN/APG-77)雷达体制 AESA PD研制 方诺-格公司(Northrop Gnimman Coip )雷神公司(Raytheon Systems Company )服役时间 21世纪初美国空军飞机功能以低可观测性高机动性和高灵活性对超视距敌机进行攻击也能进行近距格斗空战 先敌发现先敌发射先敌命中 RCS 0.1平
12、方米左右开发阶段 1998年4月 第一套APG-77雷达硬件和软件交付波音公司的F-22航 空电子综合实验室进行综合测试和鉴定试验 此后作为APG-77工程 开发(EMD)有11部雷达在诺-格公司马里兰州测试实验室进行系统 级综合与测试1999年开始全尺寸雷达生产2004年形成初步作战能力雷达功能远程提示区搜索(Cued Seaicli)中程速度距离搜索(Velocity range search)单目标和多目标跟踪空空导弹发送制导修正指令(AMRAAM)目标识别(ID)威胁判断(RA)气象探测扩展功能空地合成孔径雷达地图测绘改进的目标识别扩大工作区雷达参数 X波段体制：AESA PD DBS
13、 SAR ISAR扫描范围+60度MTBF 整机400 天线2000 H冷却方式液体冷却波束锐化8:1 64:1最高分辨率0.3米（ISAR方式）TR 单元1956 （2200 2000）个 MMIC 单元 封装成 1100 （1000）个TR模块体积犹如一片口香糖工作模式空空模式 空地模式 空海模式 TWS模式作用距离典型作用距离193公里（120英里）（对1平方米目标拦截概率86%）160英里（迎头目标RCS 5 +-60度搜索）120英里（TWS多目标跟踪方式）80英里（实波束地图测绘方式）40英里（GMTI对地面海面目标）跟踪目标30 （空中目标）16 （地面目标）2 AN/TPY-2
14、 （FBX-T）陆基可移动弹道导弹防御雷达（通常称为X波段雷达）雷达研制雷神公司历经演示验证型号阶段（DEM/VAL）,用户操作评估型号阶段（UOES）, 工程制造型号阶段（EMD）。雷达组成电子设备单元 天线系统单元 冷却设备单元 电源单元雷达功能用于具备人气层内，外拦截弹道导弹的THAAD导弹防御系统。搜索探测跟踪和识别弹道导弹威胁；并能无缝集成到各种弹道导弹防御系统以及落点估算和毁伤评估。除了用于支持美国陆军THAAD系统，还部署在世界各地，持续提供前 沿弹道导弹防御能力，成为全球弹道导弹防御体系的重要组成设备。实 现对各国弹道导弹发射的监视与跟踪。工作模式终端模式（TEM）,作为火控中心支持THAAD武器系统 前哨模式（FBM）,作为预警及防御系统的指挥控制通信战场管理工作波段 工作频率 技术体制电扫范围X波段提供精细分辨力8.55-10 GHZAESA DBF ISAR方位50度俯仰50度机械打描探测距离方位俯仰可转动常规导弹4000公里低可观测导弹2000公里1平方米目标1700公里0.01平米目标550公里电源单元1.3兆瓦天线系统面积9.2平方米天线单元25
