L波段遠(yuǎn)距離監(jiān)視雷達(dá)

Air Trafic Configuration(ATC)的尺寸大、功能多，作用范圍遠(yuǎn)，能夠360°覆蓋，它的主要目的在于空中安全保障而不是空中安全防御，ATC的典型參數(shù)如下：

ATC主要面向遠(yuǎn)距離的監(jiān)視任務(wù)，因此具有較長(zhǎng)的作用距離和有效的半球覆蓋范圍。當(dāng)CVoR擴(kuò)展到方位360°，且無(wú)旋轉(zhuǎn)天線，其物理結(jié)構(gòu)將十分復(fù)雜，但是還有其它不同的選擇： 1、方形或三角形的棱錐臺(tái)（以早期飛告警雷達(dá)PAVE PAWS為例，如圖所示）； 2、多面的錐形陣列，如圖所示的典型形式。 ATC構(gòu)造的選擇主要基于兩種備選的陣列形狀和合適的波束處理方法。

兩種陣列形狀的主要差別在于，棱錐臺(tái)形各陣面間的CVoR覆蓋范圍是分開(kāi)的，然而對(duì)于任意方位的一個(gè)目標(biāo)，多面陣列的波束是所有面共同形成的。不同凝視陣列方案的適用性取決于各方案分辨率與跟蹤性能間的平衡，以及不同組件數(shù)量的消耗和多波束形成的計(jì)算量之間的平衡。 棱錐臺(tái)形的平面陣列有助于在波束形成時(shí)進(jìn)行高效的FFT，但是其形成的波束在分辨率和指向間隔上存在大幅度變化。為了滿足最小分辨率的要求，將使用更加昂貴的雷達(dá)陣列。

一個(gè)多面陣列能夠提供均勻間隔的波束，以及相應(yīng)的分辨率，但是將產(chǎn)生更繁重的計(jì)算量。

如何選擇陣列形狀？

為了高效率地完成波束形成計(jì)算，F(xiàn)FT是最值得考慮的。然而，這種方法的成本很高，為了保證FFT的計(jì)算效率，陣面須是平面的?？讖?a target="_blank">中心分辨率可根據(jù)波長(zhǎng)與陣列孔徑的比求得。 對(duì)于2.5°的分辨率，孔徑等于19個(gè)波長(zhǎng)，或者，對(duì)于ATC來(lái)說(shuō)，孔徑為4m寬。在任何一個(gè)方向須使用一個(gè)陣面，對(duì)于一個(gè)四面陣，每個(gè)陣面必須覆蓋90°扇區(qū)范圍內(nèi)的目標(biāo)。在每個(gè)扇區(qū)邊緣處，方位分辨率將惡化，相對(duì)于孔徑中心分辨率的波束間隔，邊緣處的波束間隔將增加1.4倍。 因此，為了滿足全方向分辨率的要求，孔徑尺寸必須增加相同的倍數(shù)，達(dá)到5.6m寬，每個(gè)陣面水平方向上包含48個(gè)陣元。如果垂直方向上包含16個(gè)陣元，那么每個(gè)陣面包含768個(gè)陣元，四個(gè)陣面共包含3072個(gè)陣元，或者768塊4陣元的陣面板。對(duì)于三面的棱錐臺(tái)來(lái)說(shuō)，增加系數(shù)不是1.4倍而是2倍。

對(duì)于12面陣來(lái)說(shuō)，任意5個(gè)相鄰面陣的孔徑尺寸大于4m，在任意方向都包含1536個(gè)陣元，或者384塊4陣元的陣面板，正好是方形陣列的一半，任意方向的分辨率優(yōu)于2.5°。 陣列成本對(duì)于總成本由陣列決定的雷達(dá)來(lái)說(shuō)，這將很大程度的節(jié)約成本：12面陣不需要3072個(gè)陣元，只需要一半數(shù)量的陣元，其組件成本大約減少了一半。 將雷達(dá)分離成許多個(gè)較窄的陣面，但是不是單個(gè)陣面進(jìn)行波束形成，而是全部陣面一起進(jìn)行波束形成，因此喪失了傅里葉變換的效率。然而，這種方法的好處是能夠在任意方向上形成波束，而分辨率的變化小于3%。對(duì)于任意一個(gè)波束的形成將用到多個(gè)面，當(dāng)波束形成時(shí)由第4-8陣面轉(zhuǎn)換到5-9陣面，其中有80%的通道信號(hào)被再次利用，制約了波束形成中任何不連續(xù)的情況。 這種方法計(jì)算波束的成本主要在于處理的計(jì)算量。該程序需要進(jìn)行許多數(shù)學(xué)運(yùn)算，但是它們十分簡(jiǎn)單。波束形成需要進(jìn)行逐波束CWVS計(jì)算，例如形成240個(gè)方位波束，每個(gè)波束由5個(gè)陣面形成，有32個(gè)俯仰波束和1000個(gè)距離波門(mén)，脈沖重復(fù)率為1kHz。在此規(guī)模下，對(duì)探測(cè)距離更遠(yuǎn)的雷達(dá)可采用尺寸更大的陣列。 基于以上這些原因，并考慮到表中指向和分辨率指標(biāo)，選擇12面的截錐體作為ATC的接收陣列，陣列布局如圖所示。發(fā)射陣列是一個(gè)4面的垂直陣列，位于接收陣列上方，其中心軸與接收陣列的中心軸重合。當(dāng)其工作時(shí)，陣列外側(cè)有一圈6m高的圍板結(jié)構(gòu)件，用來(lái)將其架設(shè)在距離地面10-20m高的塔臺(tái)上。該設(shè)備的工作頻段是L波段（1.2-1.4GHz），能夠探測(cè)到60海里處，RCS為1㎡的目標(biāo)。 四面棱錐臺(tái)和多陣面陣列的指向和分辨率對(duì)比：（A）假設(shè)兩者具有相同數(shù)量的陣元；（B）假設(shè)兩者具有相同的分辨率性能。

從表中可以明顯地看出，雖然多陣面陣列的運(yùn)算量至少增加10倍，但是棱錐臺(tái)形陣列為了達(dá)到相同的最小方位分辨率需要增加額外的陣列硬件，與其相比，多陣面陣列的成本是較低的。因此，選擇多陣面陣列是有利的。

L波形的接收陣列

ATC的接收陣列包含數(shù)個(gè)傾斜的二維陣面，每個(gè)陣面包含128個(gè)接收單元，工作在L頻段。整個(gè)接收陣列大約高1.8米，寬5m，采用截錐體形式。根據(jù)常規(guī)監(jiān)視雷達(dá)的經(jīng)驗(yàn)，此結(jié)構(gòu)能將其牢固的安裝固定在塔臺(tái)上。該結(jié)構(gòu)必須是剛性的，沒(méi)有較大的活動(dòng)件，相對(duì)于波束掃描雷達(dá)，其安裝過(guò)程簡(jiǎn)單、不易損壞。 具有12個(gè)陣面的接收陣列的幾何形狀如圖所示。該雷達(dá)能夠覆蓋方位360°，可以作為空中一次監(jiān)視雷達(dá)。在此例中，接收陣列工作在L頻段，其波束方向圖如圖所示，其方位角分辨率優(yōu)于2.5°，能夠按照3海里間隔的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)60海里外的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。對(duì)某些高分辨率的應(yīng)用，可能需要更大尺寸的陣列。

發(fā)射天線可以位于接收陣列上方，在能夠完全控制時(shí)序和波形的情況下，也能夠與接收陣列分開(kāi)布置。多陣面陣列通常由4通道接收板組成，每塊接收板可以由FPGA控制。這些接收板可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信線纜或光纖和開(kāi)關(guān)與一組并行計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而協(xié)調(diào)和處理陣列各個(gè)區(qū)域收到的信號(hào)。