SMR系统设计中的频率分析

摘  要： 针对SMR系统设计中的频率选择问题，从天线尺寸、雨衰、雨杂波及传输损耗四个方面分析了波段选择对系统设计的影响。根据分析给出了系统设计的实例，最后对Ku和X波段机场场面监视雷达的优势进行了总结。
关键词： 机场；场面监视；雷达；波段

    机场场面监视雷达SMR(Surface Movement Radar)是一种主动式微波监视设备，系统对机场场面目标的监视不需要与监视目标合作，是一种重要的非合作目标监视设备。同时，雷达的工作性能不受外部光照的影响，具备全天时监视的能力；基于电磁波具有的云、雨、雾等介质穿透能力，而具备全天候监视的能力[1-3]。因此，SMR既可作为全天时、全天候的机场场面监视手段单独使用，获得机场场面的高更新频率动/静目标实时场景画面，也可将所监视到的信息与ADS-B、二次雷达、MLAT等获得的合作目标监视信息进行系统综合。基于以上特性，SMR不仅在机场场面导航与控制系统(SMGCS)中得到了广泛的应用，也是先进机场场面导航与控制系统(A-SMGCS)的重要组成部分[4]。
    由于机场场面上运行繁忙，飞行器和车辆多且距离较近，因此，SMR不仅要求具有较高的距离分辨率(≤6 m)，还要求具有很小的方位向波束宽度(≤0.35°)，进而获得区分临近目标的能力。同时，为了获得场面上的实时态势，SMR的刷新频率一般为1 Hz，即天线需要1 s转一圈。另一方面，作为低能见度气象条件下机场场面监视的重要传感器，SMR的系统设计必须考虑气象因素的影响。SMR系统设计的参数指标如表1所示。

    在雷达系统设计中波段的选择不仅决定了雷达系统的性能，也决定了系统的实现方式及所需的关键技术。本文针对SMR系统的特点，从天线尺寸、系统损耗、雨衰及雨杂波等方面对SMR系统波段进行了分析。
1 系统频率分析
    SMR是一部高分辨率、全天时、全天候实时监视的机场场面监视设备。系统工作频率的选择不仅需要考虑系统设计的内部因素(如发射机功率、天线长度等)，还需要注重外部环境（如雨衰、雨杂波等）的影响。
1.1 天线
    由于机场内飞行器、车辆密度较大，为了避免机场场面上飞行器、车辆的碰撞，保障机场运行的安全及运行效率，需要对场面上的物体进行精确定位。对于SMR就要求其具有较高的方位向分辨率，以增加雷达系统对目标的方位向分辨能力。由天线理论可知，水平向波束宽度与天线长度的关系可表示为：
    
    另一方面，由于SMR需要实时监视场面上的态势，最低要求更新率为1 Hz，即需要天线的转速最小为60转/min。高转速下天线尺寸越大形变量越难控制，抗风能力越差。
    因此，频率越高，SMR系统天线的设计和加工难度越小，同时对天线伺服系统的要求越小，易于天线与伺服系统的设计和成本控制。
1.2 雨衰
    降雨对电磁波的衰减源于雨滴对电磁能量的吸收和散射。一般系统设计中可根据国际电信联盟无线电通信部(ITU-R)给出的雨衰模型进行计算。由于SMR的工作距离一般较小(<10 km)，降雨分布可假设为均匀分布，则双程雷达回波的雨衰损耗可表示为：
  
其中，r为降雨量(mm/h)，K和 琢为雨衰的统计特性估计。由于采用圆极化电磁波时，不对称散射体(如飞机、车辆等)的回波与圆形对称散射体(如雨滴等)的回波不同，有利于降雨条件下的目标检测。因此，在SMR中一般采用圆极化电磁波。此时，K和 琢可表示为：
    

    由图3可见，随着频率由8 GHz增加到18 GHz，雨杂波的强度不断增强。由9 GHz(X波段)和16 GHz(Ku波段)的截面对比(如图4所示)可见，当降雨量为16 mm/h时，Ku波段(16 GHz)的单位体积杂波强度要比X波段(9 GHz)的强度强近10 dB； X波段在16 mm/h的降雨条件下获得的雷达检测性能，当采用Ku波段时仅能用来应对4 mm/h的雨杂波。

    另一方面，由于机场的地面多为硬化地面，降雨降落到地面后溅起的水花的统计分布与降雨的统计分布存在较大差异，因此，实际应用中Ku波段的雨杂波强度还会更强[2]。
    由于频率较高时的杂波较强，为了应对相同的降雨坏境，系统需要更复杂、更有效的雨杂波抑制方法，这也将增加系统的信号处理难度。
1.4 传输损耗
    为了降低雷达视线上近距目标对远距目标的遮挡效应，机场场面监视雷达的天线和伺服单元需要架高安装。同时，为了便于系统的使用、维护和维修，场面监视雷达的微波发射/接收、数字处理等单元要安装于电子设备室。发射/接收单元通过波导与天线相连，实现微波的辐射与接收。
    电磁波沿波导传播时，波导金属壁的热损耗和波导内填充的介质损耗必然引起能量或功率的递减，且频率越高，波导的衰减也越强。表3为标准矩形波导的波导传输损耗，实际损耗值远大于表中的数值。根据表3的数值，可估算得到30 m塔台高度时、9 GHz频率条件下的损耗约为9.6 dB，16 GHz频率时的损耗约为18 dB。

    本文从天线尺寸、雨衰、雨杂波及传输损耗四个方面分析了SMR工作频率对系统设计的影响。由于SMR工作于低频率波段时的雨衰较小，不必为降雨环境设计更强的发射功率，且雨杂波较弱，有利于目标的检测，不容易出现漏警和虚警。另外，低频率波段时SMR的传输损耗较小，发射/接收单元不必紧靠天线，可以采取更灵活的安装方式。最后根据频率分析的结果，给出了X波段SMR系统设计的主要参数。
参考文献
[1] SKOLNIK M L.雷达系统导论[M].王德纯，译.北京：电子工业出版社，2010：4-12.
[2] 金文.场面监视雷达的应用与发展[J].中国民用航空，2011，129(9)：48-50.
[3] 李斌，张冠杰.场面监视雷达技术发展综述[J].火控雷达技术，2010，29(2)：1-7.
[4] 徐志城.机场场面监视雷达在空中交通管理环境中的作用及选择[J].民航经济与技术，1997，23(3)：59-60.