摘 要： 針對SMR系統(tǒng)設(shè)計中的頻率選擇問題，從天線尺寸、雨衰、雨雜波及傳輸損耗四個方面分析了波段選擇對系統(tǒng)設(shè)計的影響。根據(jù)分析給出了系統(tǒng)設(shè)計的實例，最后對Ku和X波段機場場面監(jiān)視雷達的優(yōu)勢進行了總結(jié)。
關(guān)鍵詞： 機場；場面監(jiān)視；雷達；波段
機場場面監(jiān)視雷達SMR(Surface Movement Radar)是一種主動式微波監(jiān)視設(shè)備，系統(tǒng)對機場場面目標的監(jiān)視不需要與監(jiān)視目標合作，是一種重要的非合作目標監(jiān)視設(shè)備。同時，雷達的工作性能不受外部光照的影響，具備全天時監(jiān)視的能力；基于電磁波具有的云、雨、霧等介質(zhì)穿透能力，而具備全天候監(jiān)視的能力[1-3]。因此，SMR既可作為全天時、全天候的機場場面監(jiān)視手段單獨使用，獲得機場場面的高更新頻率動/靜目標實時場景畫面，也可將所監(jiān)視到的信息與ADS-B、二次雷達、MLAT等獲得的合作目標監(jiān)視信息進行系統(tǒng)綜合。基于以上特性，SMR不僅在機場場面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(SMGCS)中得到了廣泛的應(yīng)用，也是先進機場場面導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(A-SMGCS)的重要組成部分[4]。
由于機場場面上運行繁忙，飛行器和車輛多且距離較近，因此，SMR不僅要求具有較高的距離分辨率(≤6 m)，還要求具有很小的方位向波束寬度(≤0.35°)，進而獲得區(qū)分臨近目標的能力。同時，為了獲得場面上的實時態(tài)勢，SMR的刷新頻率一般為1 Hz，即天線需要1 s轉(zhuǎn)一圈。另一方面，作為低能見度氣象條件下機場場面監(jiān)視的重要傳感器，SMR的系統(tǒng)設(shè)計必須考慮氣象因素的影響。SMR系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)指標如表1所示。
在雷達系統(tǒng)設(shè)計中波段的選擇不僅決定了雷達系統(tǒng)的性能，也決定了系統(tǒng)的實現(xiàn)方式及所需的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對SMR系統(tǒng)的特點，從天線尺寸、系統(tǒng)損耗、雨衰及雨雜波等方面對SMR系統(tǒng)波段進行了分析。
1 系統(tǒng)頻率分析
SMR是一部高分辨率、全天時、全天候?qū)崟r監(jiān)視的機場場面監(jiān)視設(shè)備。系統(tǒng)工作頻率的選擇不僅需要考慮系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)部因素(如發(fā)射機功率、天線長度等)，還需要注重外部環(huán)境（如雨衰、雨雜波等）的影響。
1.1 天線
由于機場內(nèi)飛行器、車輛密度較大，為了避免機場場面上飛行器、車輛的碰撞，保障機場運行的安全及運行效率，需要對場面上的物體進行精確定位。對于SMR就要求其具有較高的方位向分辨率，以增加雷達系統(tǒng)對目標的方位向分辨能力。由天線理論可知，水平向波束寬度與天線長度的關(guān)系可表示為：
另一方面，由于SMR需要實時監(jiān)視場面上的態(tài)勢，最低要求更新率為1 Hz，即需要天線的轉(zhuǎn)速最小為60轉(zhuǎn)/min。高轉(zhuǎn)速下天線尺寸越大形變量越難控制，抗風(fēng)能力越差。
因此，頻率越高，SMR系統(tǒng)天線的設(shè)計和加工難度越小，同時對天線伺服系統(tǒng)的要求越小，易于天線與伺服系統(tǒng)的設(shè)計和成本控制。
1.2 雨衰
降雨對電磁波的衰減源于雨滴對電磁能量的吸收和散射。一般系統(tǒng)設(shè)計中可根據(jù)國際電信聯(lián)盟無線電通信部(ITU-R)給出的雨衰模型進行計算。由于SMR的工作距離一般較小(<10 km)，降雨分布可假設(shè)為均勻分布，則雙程雷達回波的雨衰損耗可表示為：
其中，r為降雨量(mm/h)，K和?琢為雨衰的統(tǒng)計特性估計。由于采用圓極化電磁波時，不對稱散射體(如飛機、車輛等)的回波與圓形對稱散射體(如雨滴等)的回波不同，有利于降雨條件下的目標檢測。因此，在SMR中一般采用圓極化電磁波。此時，K和?琢可表示為：
由圖3可見，隨著頻率由8 GHz增加到18 GHz，雨雜波的強度不斷增強。由9 GHz(X波段)和16 GHz(Ku波段)的截面對比(如圖4所示)可見，當(dāng)降雨量為16 mm/h時，Ku波段(16 GHz)的單位體積雜波強度要比X波段(9 GHz)的強度強近10 dB； X波段在16 mm/h的降雨條件下獲得的雷達檢測性能，當(dāng)采用Ku波段時僅能用來應(yīng)對4 mm/h的雨雜波。
另一方面，由于機場的地面多為硬化地面，降雨降落到地面后濺起的水花的統(tǒng)計分布與降雨的統(tǒng)計分布存在較大差異，因此，實際應(yīng)用中Ku波段的雨雜波強度還會更強[2]。
由于頻率較高時的雜波較強，為了應(yīng)對相同的降雨壞境，系統(tǒng)需要更復(fù)雜、更有效的雨雜波抑制方法，這也將增加系統(tǒng)的信號處理難度。
1.4 傳輸損耗
為了降低雷達視線上近距目標對遠距目標的遮擋效應(yīng)，機場場面監(jiān)視雷達的天線和伺服單元需要架高安裝。同時，為了便于系統(tǒng)的使用、維護和維修，場面監(jiān)視雷達的微波發(fā)射/接收、數(shù)字處理等單元要安裝于電子設(shè)備室。發(fā)射/接收單元通過波導(dǎo)與天線相連，實現(xiàn)微波的輻射與接收。
電磁波沿波導(dǎo)傳播時，波導(dǎo)金屬壁的熱損耗和波導(dǎo)內(nèi)填充的介質(zhì)損耗必然引起能量或功率的遞減，且頻率越高，波導(dǎo)的衰減也越強。表3為標準矩形波導(dǎo)的波導(dǎo)傳輸損耗，實際損耗值遠大于表中的數(shù)值。根據(jù)表3的數(shù)值，可估算得到30 m塔臺高度時、9 GHz頻率條件下的損耗約為9.6 dB，16 GHz頻率時的損耗約為18 dB。
本文從天線尺寸、雨衰、雨雜波及傳輸損耗四個方面分析了SMR工作頻率對系統(tǒng)設(shè)計的影響。由于SMR工作于低頻率波段時的雨衰較小，不必為降雨環(huán)境設(shè)計更強的發(fā)射功率，且雨雜波較弱，有利于目標的檢測，不容易出現(xiàn)漏警和虛警。另外，低頻率波段時SMR的傳輸損耗較小，發(fā)射/接收單元不必緊靠天線，可以采取更靈活的安裝方式。最后根據(jù)頻率分析的結(jié)果，給出了X波段SMR系統(tǒng)設(shè)計的主要參數(shù)。
參考文獻
[1] SKOLNIK M L.雷達系統(tǒng)導(dǎo)論[M].王德純，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010：4-12.
[2] 金文.場面監(jiān)視雷達的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國民用航空，2011，129(9)：48-50.
[3] 李斌，張冠杰.場面監(jiān)視雷達技術(shù)發(fā)展綜述[J].火控雷達技術(shù)，2010，29(2)：1-7.
[4] 徐志城.機場場面監(jiān)視雷達在空中交通管理環(huán)境中的作用及選擇[J].民航經(jīng)濟與技術(shù)，1997，23(3)：59-60.