L波段遠距離監(jiān)視雷達

Air Trafic Configuration(ATC)的尺寸大、功能多，作用范圍遠，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主要面向遠距離的監(jiān)視任務(wù)，因此具有較長的作用距離和有效的半球覆蓋范圍。當(dāng)CVoR擴展到方位360°，且無旋轉(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（以早期飛告警雷達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，棱錐臺形各陣面間的CVoR覆蓋范圍是分開的，然而對于任意方位的一個目標(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算量之間的平衡。 棱錐臺形的平面陣列有助于在波束形成時進行高效的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陣列。

一個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)生更繁重的計算量。

如何選擇陣列形狀？

為了高效率地完成波束形成計算，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)波長與陣列孔徑的比求得。 對于2.5°的分辨率，孔徑等于19個波長，或者，對于ATC來說，孔徑為4m寬。在任何一個方向須使用一個陣面，對于一個四面陣，每個陣面必須覆蓋90°扇區(qū)范圍內(nèi)的目標(biāo)。在每個扇區(qū)邊緣處，方位分辨率將惡化，相對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)，達到5.6m寬，每個陣面水平方向上包含48個陣元。如果垂直方向上包含16個陣元，那么每個陣面包含768個陣元，四個陣面共包含3072個陣元，或者768塊4陣元的陣面板。對于三面的棱錐臺來說，增加系數(shù)不是1.4倍而是2倍。

對于12面陣來說，任意5個相鄰面陣的孔徑尺寸大于4m，在任意方向都包含1536個陣元，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°。 陣列成本對于總成本由陣列決定的雷達來說，這將很大程度的節(jié)約成本：12面陣不需要3072個陣元，只需要一半數(shù)量的陣元，其組件成本大約減少了一半。 將雷達分離成許多個較窄的陣面，但是不是單個陣面進行波束形成，而是全部陣面一起進行波束形成，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%。對于任意一個波束的形成將用到多個面，當(dāng)波束形成時由第4-8陣面轉(zhuǎn)換到5-9陣面，其中有80%的通道信號被再次利用，制約了波束形成中任何不連續(xù)的情況。 這種方法計算波束的成本主要在于處理的計算量。該程序需要進行許多數(shù)學(xué)運算，但是它們十分簡單。波束形成需要進行逐波束CWVS計算，例如形成240個方位波束，每個波束由5個陣面形成，有32個俯仰波束和1000個距離波門，脈沖重復(fù)率為1kHz。在此規(guī)模下，對探測距離更遠的雷達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，陣列外側(cè)有一圈6m高的圍板結(jié)構(gòu)件，用來將其架設(shè)在距離地面10-20m高的塔臺上。該設(shè)備的工作頻段是L波段（1.2-1.4GHz），能夠探測到60海里處，RCS為1㎡的目標(biāo)。 四面棱錐臺和多陣面陣列的指向和分辨率對比：（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算量至少增加10倍，但是棱錐臺形陣列為了達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)個傾斜的二維陣面，每個陣面包含128個接收單元，工作在L頻段。整個接收陣列大約高1.8米，寬5m，采用截錐體形式。根據(jù)常規(guī)監(jiān)視雷達的經(jīng)驗，此結(jié)構(gòu)能將其牢固的安裝固定在塔臺上。該結(jié)構(gòu)必須是剛性的，沒有較大的活動件，相對于波束掃描雷達，其安裝過程簡單、不易損壞。 具有12個陣面的接收陣列的幾何形狀如圖所示。該雷達能夠覆蓋方位360°，可以作為空中一次監(jiān)視雷達。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60海里外的目標(biāo)進行探測。對某些高分辨率的應(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，在能夠完全控制時序和波形的情況下，也能夠與接收陣列分開布置。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標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信線纜或光纖和開關(guān)與一組并行計算機進行數(shù)據(jù)交互，從而協(xié)調(diào)和處理陣列各個區(qū)域收到的信號。