雷达手册第3版中文)_第5章_战斗机多功能雷达系统.pdf

第5章战斗机多功能霄达系统 5.1 引言 尽管雷达在性能和稳定性方面有超过半个多世纪的改进，大多数雷达在部署、操作和维 护方面仍需要重大的努力其次，功率孔径积的大小从没有达到所需的那么大前向技影面 积和航空电子设备的质量在大多数战斗机参数中代价巨大这些参数驱使了用户、买方和设 计师在单部雷达及其辅助处理设备中要求实现更多的功能结果是，大多数现代战斗机雷达 都是多功能型的，具备雷达、导航、着陆辅助、数据链和电子对抗CECM)等功能[1，2]赋 予雷达多功能性的主要因素是首次在20世纪70年代中期引进的由软件确定的信号和数据处 理[3~6]软件的可编程性允许雷达使用相同的盯硬件执行多种系统工作模式此外，现代导 航辅助设备性能优良，使得每一种雷达模式可由雷达所在的地球几何位置决定，且几乎所有 波形参数几乎都可根据当地条件进行设定[7，9]现代雷达经常是以网络为中心的，使用通信 网络并向其提供数据配置良好的网络具有自己的网际协议CIP)地址 多功能性与天线类型无关实际上，机械扫描的AN/APG-65、70和73雷达已经在作战 中演示了多功能性[7]但用有源电扫描天线CAESA)阵更容易实现多功能。

图5.1所示为 F/A-18EIF战斗机上的多功能有源电扫描天线雷达，天线阵上盖着保护罩这个有源电扫描 天线具备的一定外形形状井上翘，用于对某些工作模式提供帮助并将朝敌方雷达的反射减到 最小[8] 图5.1AN/APG-79多功能有源电扫天线雷达[12] 本章重点讲述多功能战斗机雷达CMFAR)发射什么信号和为什么需要这些信号后者 从典型任务开始，这个任务示出产生雷达每种工作模式和波形的几何关系，列出了代表性的 雷达工作模式，并示出了现代机载雷达的典型工作模式的交替与定时前者的答案由典型波 形变化和几个例子提供这些例子并非来自任何单一的一部雷达，而是几部现代雷达的组 合图5.2所示为多功能战斗机雷达的一般概念该图示出，经常在大多数微波波段内利用 的相同的射频CRF)硬件和处理综合体在时间上的多工操作，以实现空-空CA-A)、空一 • 180. 雷达手册(第三版) 面CA-S)、电子战CEW)和通信功能[9.11]有时，如果使用一种共用波形，可以同时实现 多功能 昕叫…战酌U…(也哪E四w 飞ζ二立-.-\ 图5.2多功能战斗机雷达中安-空、空-地和电子战功能的交替[9] 天线孔径通常具有多个相位中心，使雷达能为空时自适应处理CSTAP)[I3]、偏置相位中 心天线CDPCA)处理、常规单脉冲角度跟踪、干扰置零和带外到达角CAOA)估计等进行 测量。

相位中心的最佳放置位置是一种重要的设计折中一个相位中心就是一个天线孔径的 通道，它们在空间上是偏置的并对入射的电磁波的波前提供部分或完全独立的测量例如， 一维相位单脉冲有两个相位中心，而二维相位单脉冲有四个相位中心，偏置相位中心天线有两 个或更多个相位中心，配备有保护喇叭用于副瓣抑制的雷达有两个相位中心，而自适应天线阵 可能有许多个相位中心[1川oSTAP是出现包括时间和空间的非白噪声时，对匹配滤波器经典 理论的扩展 武器系统的总体要求通常倾向于多功能雷达使用X或Ku波段此外，多功能雷达的孔 径及其相关的发射机通常是飞机上尺寸最大的，因此可以获得在同一个波段内干扰敌方雷达 和数据链的最高有效辐射功率CERP) 多由髓撞结掏 图5.3是一种多功能战斗机雷达的方框图示例现代一体化航空电子设备组合的方案模 糊了传统雷达功能与其他传感器、对抗措施、武器和通信之间的界限(见本章后面的图5.12 和图5.14)它包括一套微波和射频设备，一套光电、红外、紫外CEO)设备，一套存储管 理设备，→套显控设备，多个元余飞行器管理设备和多个冗余处理器组合 每个微波和/或射频孔径可能有某些嵌入式的信号调节，随后多路传输到标准化的通用设 计的射频、滤波器、频率源、模数转换CA!D)、输入/输出0/0)和控制模块。

类似设计方 案用于光电CEO)传感器、存储管理、飞行器管理、飞行员和飞行器之间接口及一体化的核 心处理设备等在核心处理与传感器之间存在着大量数据传输，用于提供指向、提示、跟踪 和多传感器探测融合等这种方法的目的是创造一个传感器与功能之间计算资源灵活分配的 共享体 第5章战斗机多功能雷达系统 飞行员 飞行器接口 图5.3多功能战斗机雷达与其他传感器融合[2] • 181 • 飞行器管理 传感器中可能包括专用运动传感设备，但长期导航由飞行器管理的全球定位系统和惯性 导航系统CGPSIINS)提供雷达上的运动传感设备必须在相干处理周期之内感知发射波长 几分之一的位置这通常使用诸如加速计和陀螺仪等高采样速率的惯性传感器实现惯性导 航系统通常使用卡尔曼滤波技术对陀螺仪和加速计的输出进行积分来估计飞机在全球坐标空 间中的位置这类系统中所累积的误差可以利用GPS更新数据进行校正，也可以利用雷达或 光电传感器测量的已知参照点进行校正 在航空电子设备中可遍布着几十或成百个存储程序的装置这些低等级的功能设备用标 准总线连接，总线可以是光纤或金属线:而可编程装置由软件操作环境调用程序控制这种 结构的目标是要有标准接口、更少的独特组件和单一等级维护。

图5.4所示为一个战斗机上可能的一套微波和射频孔径设备飞行器上分布的天线孔径 可多达20个，在几倍倍频程上完成雷达、数据链、导航、导弹告警、定向、干扰和其他功 能[2]分布在飞机上的孔径可指向上、下、前、后、左、右各个方向某些孔径由于频率和 几何关系一致，可共用于完成通信、无线电导航和识别CCND及敌我识别CIFF)功能例 如JTIDSlLink16和Link22等数据链可与GPS及L波段卫星通信CLSATCOM)共用一些孔 径电子战孔径天生必须是宽带的，可与雷达告警接收机CRWR)、雷达辅助设备和某些类 型的CNI共用 各种孔径通过飞机上的总线实现信号调节、控制井和其余处理程序连接，其余处理或者 在如图5.5所示的公用处理器联合体中进行，或者在分布于飞机各个部分的联合处理器中进 行很重要的一类标准化组件包括基本定时和可编程事件产生器CPEG)，它生成脉冲重复频 率CP盯)、模数转换CAID)采样、脉冲和脉冲串宽度、消隐门、波束重指命令和其他同步 的实时中断所需的精确定时第二类标准化组件包括射频和中频CIF)放大和混频第三类 雷达手册(第三版) 包括低噪声频率综合器，其中可能包括直接数字频率综合CDDS)。

模数转换器和控制接口 组件是最后一类总线连接协议和速度必须具有足够余量以保证无故障、实时工作 • 182. 白后视 E、，V，CNI. 右舷/顶端 l 多功能战斗机雷达射频孔径共用低级射频设备[2] 器 理 处 据 I 盐13 一-m 器 理 处 号 信 与上丽类似的 处理阵列 图5.4 传感器前端!光电开 关网络 孔径 Ef 』 E/与-5 、 JF 多功能战斗机雷达处理流程图[2] 特定传感器模式的功能原理框图和运转然后叠加在这种软硬件基础架构之上特定模式 在应用程序中以个人电脑处理文字相同的方式实现进一步类推，关于个人电脑软硬件不可 靠的经验要求图5.3所示类型的系统必须有冗余、纠错、可信赖，在出现故障时不失效，且 配备严格的程序执行安全性这将是一项非常有挑战性的系统工程任务，需要大量的数学保 证和系统测试，与目前商用个人电脑的实践完全不同 图5.5所示为→个类似于图5.3所示的概念性多功能战斗机雷达一体化核心处理器及其 对应的接口，其中存在多个冗余处理阵列(包含用非成块化开关网络连接的标准组件)内 外总线除相互连接各个处理阵列外，还连接至其他成套设备、传感器、控制和显示 图5.5 第5章战斗机多功能雷达系统• 183 • 通常，既有并行电信号总线，又有串行光纤总线，这取决于速度和其在飞机中的总长度[2]。

信号与数据处理器组合包括多个处理器和存储实体，这可以在一个单芯片上，也可以在多个 独立芯片上，取决于产量、复杂性、速度、高速缓存尺寸等每个处理器阵列可能包括可编 程信号处理器CPSP)、通用处理器CGPP)、大容量存储器CBM)、输入/输出C I/O)和主控 单元(MCU)oPSP对传感器数据阵列进行信号处理GPP进行大量存在条件转移的处理 MCU除向PSP、GPP和BM发出程序外，还管理整个执行和控制每个芯片的典型处理速 度是6000MIP(10 6 条指令/秒)，但在不远的将来可能将达到32GIPS(10 8 条指令/秒)[J7] 时钟频率受芯片上信号传播速度的限制，已达到4GHz，在不远的将来将可达到10GHz[J8] 传感器处理已经达到了成功算法的开发比执行该算法所需计算能力更重要的程度 许多战斗机系统操作不当会产生危害如前所述，软件必须彻底测试、纠错、数学上可 信赖和在出现故障时不失效，并配备严格的程序执行安全性最重要的方面之一是严格遵守 结构化的程序结构需要一个基于目标的层次结构，即每一级从属于上一级，且子程序需要 时以严格的顺序调用还要求子程序从不调用自身(递归编码)或调用位于其执行等级的其 他子程序。

子程序(目标)应被上级调用，接收从上一级(母级)来的执行参数，并将结果 返馈调用级[94]图5.6和图5.7为一种这样的软件结构的示例这类软件可以在图5.5所示的 硬件中执行 图5.6多功能战斗机雷达结构化软件 多功能雷达通过交错进行数据收集支持多个活动(或模式〉监视、轨迹更新和地图是 这些活动的例子支撑每种活动所需的软件映射到特定的客户模块上，如图5.7所示每种 客户模块负责维护其自身的目标数据库，负责申请孔径使用申请通过提交天线工作申请完 成，天线工作申请既规定了该使用的波形(怎样做)，也规定了申请的优先级和紧迫性 • 184. 第K个客户 初始化 通信 控制 数据处理 工作优先规则 目标数据库 雷达手册(第二版) 天线工作申请 / 调度器 根据优先级排序 所有天线工作 下一步做什么 对下一客户或传 感器的波形定时 及控制 图5.7多功能战斗机雷达优先级调度 调度器在每次数据收集的问隔执行调度，并根据收到的天线工作申请的优先级和紧迫性 决定下面该做的工作这样便使孔径一直忙碌并对最新的活动申请做出响应在调度器选择 了天线工作之后，前端(发射与接收)硬件得到配置，同相和正交CI/Q)数据被收集并发送 到信号处理器。

在信号处理器中，数据以传感器模式定义的方式处理，信号处理器的结果返 还给提出申请的客户这样通常会产生数据库更新和/或客户对新的天线工作的需求使用这 种模块化方式可以在任意时刻添加新活动 虽然这种结构复杂，软件包括成百万行代码，但是通过严格控制接口、正规配置管理过 程，以及正规验证和确认软件工具可以保持现代多功能战斗机雷达软件的完整性此外，大 部分子程序受如图5.7所示的只读表格驱动，从而，飞机战术、能力和硬件的演化无需重新 写入验证过的子程序在系统可能几十年的生命周期内，每年升级软件版本(构造)每个 子程序也必须有表格驱动的纠错图5.6和图5.7中没有显示众多的更低等级，总共可能有 几千个子程序 现代雷达可以奢侈地实时交替进行大部分图5.2所示的模式，并选择最佳时机或飞机位 置调用任务所需的每种模式[7，9] 图5.8所示为每次必须求解的几何关系战斗机脉冲多普勒几何的中心是以速度凡在地 球表面高h处行进的飞机雷达脉冲重复频率(p盯〉引起如图5.8所示的一系列距离c1、 2、队的和多普勒(x、y、z)模糊，它们与地球表面交叉为距离“圈“和等值多普勒“双 曲线“(由于地球是一个大致的球体，固定距离和多普勒等高线实际上不是圆环或双曲线)。

雷达天线方向图通常既与地球边缘交叉于主瓣，也交叉于副瓣在主瓣内距离为Rt、速度为 民的目标可能必须在有距离和多普勒模糊时观测在短时间内仅能观察到目标视线方向的速 度Y目标视线方向雷达设计师的问题是在目标杂波几何中选择最佳波形。