摘  要： 針對SMR系統(tǒng)設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)設計的影響。根據(jù)分析給出了系統(tǒng)設計的實例,，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,。
關鍵詞： 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?；谝陨咸匦?，SMR不僅在機場場面導航與控制系統(tǒng)(SMGCS)中得到了廣泛的應用，也是先進機場場面導航與控制系統(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)設計必須考慮氣象因素的影響。SMR系統(tǒng)設計的參數(shù)指標如表1所示,。

    在雷達系統(tǒng)設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)方式及所需的關鍵技術。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)視設備。系統(tǒng)工作頻率的選擇不僅需要考慮系統(tǒng)設計的內(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,，即需要天線的轉速最小為60轉/min,。高轉速下天線尺寸越大形變量越難控制，抗風能力越差,。
    因此,，頻率越高，SMR系統(tǒng)天線的設計和加工難度越小,，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,，當采用Ku波段時僅能用來應對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，為了應對相同的降雨壞境,，系統(tǒng)需要更復雜,、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,，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備室,。發(fā)射/接收單元通過波導與天線相連，實現(xiàn)微波的輻射與接收,。
    電磁波沿波導傳播時,，波導金屬壁的熱損耗和波導內(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,，波導的衰減也越強,。表3為標準矩形波導的波導傳輸損耗，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)頻率分析的結果，給出了X波段SMR系統(tǒng)設計的主要參數(shù),。
參考文獻
[1] SKOLNIK M L.雷達系統(tǒng)導論[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)視雷達技術發(fā)展綜述[J].火控雷達技術,，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，1997,，23(3)：59-60.