第20章 测高和三坐标雷达
David J. Murrow
20.1 测高雷达及其技术
早期的雷达测高技术
早期用于测量目标高度的雷达技术是按照是否在测量中运用了地球表面来进行分类的。在早期雷达中，运用地球表面测高相当普遍，这是因为天线和发射机技术局限于使用较低的无线电频率和宽的垂直波束。美国第一部舰载雷达（后来称为CXAM，由美国海军研究实验室（NRL）在1939年研制）用首次检测目标的距离估计了高度。该雷达估计高度的基础是已知因多路径零信号产生的接近水平面处方向图的形状。后来对此进行了改进，即利用目标穿越较高仰角上的多路径零信号或目标的“逐渐消失”。这种技术示于如图20.1（a）所示中。其被广泛地应用于早期的舰载雷达。这种舰载雷达利用了海洋表面强反射的特性。当然，这种技术在性能上受不可控制因素的限制，如海洋状态、大气折射、目标的雷达截面积和目标机动[1][2]。
地球表面的反射也被其他早期同时代的陆基雷达应用，如用于在二战中保护英国的 “本土链”（CH）系列。这种雷达是高频脉冲雷达，在垂直方向上安装一对接收天线（多通道波瓣），通过比较其主波束的幅度来进行高度测量。这种技术的概念示于如图20.1（b）所示中，它也应用在早期的美国雷达中。其中，较著名的有加拿大生产的美式雷达SCR—588和美国生产的SCR—527雷达。这两种雷达均基于英国7型雷达（AMES 7型雷达）设计[3]。 雷达测高最早的也许是最直接的方式之一是采用机械扫描使窄的垂直波束天线对准目标。目标的仰角对应于天线的仰角读数。在应用这种技术的早期雷达系统中，操纵员用手轮使天线对准目标，同时监视目标回波的强度。人们很快就知道，使波束中目标回波的信号强度最大并不足以提供所需的精度，因此最终发展了另一种技术以实现此目的。其中之一被称为波束切换，于1937年首先在后来成为美军通信兵SCR—268雷达的原型机上演示[4]。这种雷达设计用以引导防空火力，是第一个运用波束切换技术把天线对准目标的成品雷达。两个分离的相同波束组成接收天线，其中一个在天线轴线之上，一个在天线轴线以下。通过在两波束之间切换并保持所观察到的幅度相等，SCR—268雷达的仰角操纵员能保持天线精确地对准目标。
如果在方位或仰角上产生窄的笔型波束的反射体天线以机械方式瞄准目标或目标的附近，则可测定目标的方位和仰角这种技术被称为搜索照射（Searchlighting）。这种搜索照射技
[5]术被成功地用于英国的CMH雷达及美国的SCR—584、SCR—615和美国海军的SM等雷
达上。所有这些雷达都是S波段反射式天线雷达系统。在这些反射式天线中，有些使用单波束圆锥扫描来提供使波束精确地对准目标所需的仰角误差信号。这种技术的精确度非常好，
但明显受到同一时间内只能观测一个目标的限制。圆锥扫描和波束切换是称为顺序波束转换（Sequential lobing）的特殊情形，是利用偏离轴线误差信号的常用技术。顺序波束转换技术的基本精度和局限性将在20.3节中叙述。这种搜索照射技术是在第18章中曾讨论的现代跟踪雷达的先驱，许多跟踪雷达现在仍在应用单脉冲技术产生偏离轴线时的误差信号。显然，要求天线对准目标的技术在同时进行监视和测高的能力上受到限制。通常，它们每次测量单个目标时，还要求搜索雷达至少在距离和方位上指示目标。搜索照射和波束切换的概念在如图20.1（c）所示中说明。
图20.1 早期雷达的测高技术
在讨论两坐标监视设备时，早期广泛运用的测量目标高度的雷达是点头式雷达。这种雷达通过整个天线结构摆动或“点头”，使具有窄垂直波束宽度的扇状水平波束在仰角上实现机械扫描，如图20.1（d）所示。当雷达天线连续不断地向目标发射脉冲时，主瓣返回的目标回波通过距离一高度显示器（RHI）显示给操纵员，并通过被称为“波束分层”的处理，即通过测量显示的目标视频信号的中心，操纵员可精确地直接测量目标的高度。尽管一些点头式天线测高雷达有一种慢方位旋转搜索模式，但大多数仍依靠操纵员的方位指示。操纵员通过两坐标监视雷达观察探测对象，同时由测高雷达测量高度。测高雷达旋转到所需的方位从而
得到高度和距离的测量值。和3D雷达相比，这种操作方法速度较慢且在多方位目标跟踪能力上受到限制，从而严重限制了人工点头式天线的测高雷达在军事上的继续使用。
图20.1续 早期雷达的测高技术
有几种采用点头式天线的测高雷达，如著名的英国13型雷达（AMES 13型雷达）和得到广泛应用的美国AN/TPS—10雷达出现在20世纪40年代的中后期，且高频技术也开始出现[6]。AN/TPS—10 X波段点头式天线测高雷达系列被AN/FPS—6，即一种专为美军设计的S波段点头式天线雷达所取代[7]。AN/MPS—14雷达是这种雷达的移动型，AN/FPS—89是其改进的固定型。AN/FPS—6雷达的仰角波束宽度是0.9°，方位波束宽度是3.2°，整个天线以每分钟20～30次的速率点头。这种雷达能以每秒45°的速率进行方位扫描，以300～400Hz
的重复频率发射2s的脉冲，其峰值功率为4.5MW。
后继型号的点头式雷达数据率比它的先辈有了明显的提高。例如，S600系列C波段点头式天线测高雷达由计算机控制和管理，以便最大限度地提高数据率，每分钟能够获得22个高度测量值。
当然，利用机电手段代替通过机械摆动的整个天线结构，也可使得在仰角上快速扫描水平扇状波束成为可能，如图20.1（e）所示。许多使用巧妙的波束扫描方法的点头波束测高雷达已经成功地应用了许多年。两个著名的例子是二战中使用的SCI雷达和AN/SPS—8舰载雷达，它们都运用Robinson型的机电方式来实现仰角上波束的快速扫描。
高频微波技术的发展使得能以合适的物理尺寸在电气上实现较大的口径和较窄的波束。伴随着这种发展的是基于几何光学原理并用于监视雷达的一系列快速机电式扫描器的发明。这些发明包括Robinson、delta a （Eagle）、琴管式、Foster、Lewis和Schwartschild扫描器，以及各种极化开关镜像扫描器。这些扫描器都运用了天线馈源结构的运动来控制口径上照射的入射角，从而扫描波束。关于机电扫描器工作方式的详细论述，读者可参考许多优秀的文献资料[6][9][10]。从原理上说，通过在方位上旋转天线的同时，使用机电控制的馈源在仰角上扫描窄的笔型波束，可构成价格相对便宜的3D雷达。由于机电控制馈源扫描速率固定，波形随仰角的变化不灵活，所以实际中这种方法一直没有被应用。
二战期间，英国研制出一种甚高频相控阵列天线测高雷达，被称之为变仰角波束（VEB）雷达。这种200MHz雷达运用机械调整移相器来控制在240ft高的杆上的9组8个偶极子的相对相位。合成的仰角波束宽度大约为1°，可在略大于6°的仰角范围内相扫。
图20.1（续） 早期雷达的测高技术
一种在雷达测高中应用受到局限的技术是如图20.1（f）所示中的，安装在一个常规两坐标警戒雷达中的垂直单收线阵。这种线阵形成一叠水平扇状接收堆积波束，其中每一个波束在仰角上都较窄。由于由2D雷达天线产生（窄方位）的发射波束，所以合成的两路堆积波束在方位角和仰角上都较窄。接收堆积波束可用多种方法由线阵形成。其中的一种技术是Butler矩阵，是离散傅里叶变换射频馈电模拟；另一种技术是用在了美联邦航空局的AHSR—1S波段空中交通管制的实验型雷达上 [11]。这种技术扩大了带有垂直单收单元线阵的两坐标监视雷达的孔径。垂直堆积的水平扇形波束中的每一个波束是通过在离开线阵单元适当长度处合成，并从波导中耦合出来的能量而形成的，在单元之间产生线性相位的变化梯度。这可产生一组
均匀照射波束，每一波束是延时可控的以便照射到所需的仰角。
把两坐标警戒和测高结合在一起的早期雷达之一是AN/CPS—6B，它利用了V形波束原理。V形波束雷达由主天线和安装在同一旋转轴上的副天线构成。作为传统的2D雷达运用的主天线可产生一个垂直的余割平方扇形波束，此波束检测警戒空域内目标并提供目标的距离和方位坐标。除了围绕与天线孔径垂直的轴旋转外，副天线与主天线相似。这就产生了与垂直面倾斜的第二个扇形波束。这两个波束可以由相同的或分离的发射机激励，但每个波束又都有它自己的接收机。当天线转动时，倾斜的波束为雷达操纵员提供第二组检测数据。在平地和正常传播条件的近似下，对应于单个目标的两组检测信号中心的方位间隔，并通过操纵员把它和距离相联系，与目标的高度成正比。V形波束雷达的概念示于如图20.1（g）所示中。
V形波束雷达一直被一些作者称为3D雷达[3][7][10]。然而，从技术上讲，它不应算是真正的3D雷达，因为它缺少仰角分辨力。它的使用限于低密度空情，在这种空情中不大可能遇到出现在相同的距离和方位但是在不同高度上的两架飞机。
图20.1续 早期雷达的测高技术
日本研制出一种在空中交通管制中用于基于相位干涉测高技术的雷达[12]，但它也不具有仰角分辨力。这种构思使用了一组4个水平线阵，在垂直方向上具有常规两坐标反射式天线的交错位移。如图20.1（h）所示，相参所运用的原理是有位移的天线之间的相位差正比于所
接收的目标回波到达角的正弦值。
VEB、V形波束、垂直线阵加两坐标、交叉线阵及相参加2D雷达均可同时获得对目标的3个坐标（距离、方位和仰角或高度）的测量值，但与它们仰角覆盖相比没有明显的仰角1分辨力，这样的雷达也许可被称为2坐标雷达。 2
3D雷达的测高技术
有许多种通过同时测量目标的3个基本位置坐标（距离、方位和仰角）以提供三坐标信息的雷达。然而，在本手册中，却遵循了如下的约定，即3D雷达是一种警戒雷达，其天线在方位上机械旋转（以测量距离和方位），通过在仰角上扫描一个或多个波束或者通过用邻接的固定仰角波束来获得目标的仰角值。
3D雷达在军事上的重要性来源于它能确定非合作目标的高度，以及它的距离和方位的能力。与2D雷达和专用测高雷达的组合相比，3D雷达因为有较好的角分辨力，提供了较高增益的天线和较强的抗干扰及其他形式的ECM的能力；对于后者有争议的反面意见则认为，2D雷达和测高雷达可以工作在两个分离的频段，迫使干扰机分散其能量从而减小其影响。
按照怎样形成仰角波束和怎样在仰角上扫描波束，3D雷达可分为堆积波束雷达、频扫雷达、相扫雷达、机电扫描雷达和数字波束形成雷达。
第20章 测高和三坐标雷达
David J. Murrow
20.1 测高雷达及其技术
早期的雷达测高技术
早期用于测量目标高度的雷达技术是按照是否在测量中运用了地球表面来进行分类的。在早期雷达中，运用地球表面测高相当普遍，这是因为天线和发射机技术局限于使用较低的无线电频率和宽的垂直波束。美国第一部舰载雷达（后来称为CXAM，由美国海军研究实验室（NRL）在1939年研制）用首次检测目标的距离估计了高度。该雷达估计高度的基础是已知因多路径零信号产生的接近水平面处方向图的形状。后来对此进行了改进，即利用目标穿越较高仰角上的多路径零信号或目标的“逐渐消失”。这种技术示于如图20.1（a）所示中。其被广泛地应用于早期的舰载雷达。这种舰载雷达利用了海洋表面强反射的特性。当然，这种技术在性能上受不可控制因素的限制，如海洋状态、大气折射、目标的雷达截面积和目标机动[1][2]。
地球表面的反射也被其他早期同时代的陆基雷达应用，如用于在二战中保护英国的 “本土链”（CH）系列。这种雷达是高频脉冲雷达，在垂直方向上安装一对接收天线（多通道波瓣），通过比较其主波束的幅度来进行高度测量。这种技术的概念示于如图20.1（b）所示中，它也应用在早期的美国雷达中。其中，较著名的有加拿大生产的美式雷达SCR—588和美国生产的SCR—527雷达。这两种雷达均基于英国7型雷达（AMES 7型雷达）设计[3]。 雷达测高最早的也许是最直接的方式之一是采用机械扫描使窄的垂直波束天线对准目标。目标的仰角对应于天线的仰角读数。在应用这种技术的早期雷达系统中，操纵员用手轮使天线对准目标，同时监视目标回波的强度。人们很快就知道，使波束中目标回波的信号强度最大并不足以提供所需的精度，因此最终发展了另一种技术以实现此目的。其中之一被称为波束切换，于1937年首先在后来成为美军通信兵SCR—268雷达的原型机上演示[4]。这种雷达设计用以引导防空火力，是第一个运用波束切换技术把天线对准目标的成品雷达。两个分离的相同波束组成接收天线，其中一个在天线轴线之上，一个在天线轴线以下。通过在两波束之间切换并保持所观察到的幅度相等，SCR—268雷达的仰角操纵员能保持天线精确地对准目标。
如果在方位或仰角上产生窄的笔型波束的反射体天线以机械方式瞄准目标或目标的附近，则可测定目标的方位和仰角这种技术被称为搜索照射（Searchlighting）。这种搜索照射技
[5]术被成功地用于英国的CMH雷达及美国的SCR—584、SCR—615和美国海军的SM等雷
达上。所有这些雷达都是S波段反射式天线雷达系统。在这些反射式天线中，有些使用单波束圆锥扫描来提供使波束精确地对准目标所需的仰角误差信号。这种技术的精确度非常好，
但明显受到同一时间内只能观测一个目标的限制。圆锥扫描和波束切换是称为顺序波束转换（Sequential lobing）的特殊情形，是利用偏离轴线误差信号的常用技术。顺序波束转换技术的基本精度和局限性将在20.3节中叙述。这种搜索照射技术是在第18章中曾讨论的现代跟踪雷达的先驱，许多跟踪雷达现在仍在应用单脉冲技术产生偏离轴线时的误差信号。显然，要求天线对准目标的技术在同时进行监视和测高的能力上受到限制。通常，它们每次测量单个目标时，还要求搜索雷达至少在距离和方位上指示目标。搜索照射和波束切换的概念在如图20.1（c）所示中说明。
图20.1 早期雷达的测高技术
在讨论两坐标监视设备时，早期广泛运用的测量目标高度的雷达是点头式雷达。这种雷达通过整个天线结构摆动或“点头”，使具有窄垂直波束宽度的扇状水平波束在仰角上实现机械扫描，如图20.1（d）所示。当雷达天线连续不断地向目标发射脉冲时，主瓣返回的目标回波通过距离一高度显示器（RHI）显示给操纵员，并通过被称为“波束分层”的处理，即通过测量显示的目标视频信号的中心，操纵员可精确地直接测量目标的高度。尽管一些点头式天线测高雷达有一种慢方位旋转搜索模式，但大多数仍依靠操纵员的方位指示。操纵员通过两坐标监视雷达观察探测对象，同时由测高雷达测量高度。测高雷达旋转到所需的方位从而
得到高度和距离的测量值。和3D雷达相比，这种操作方法速度较慢且在多方位目标跟踪能力上受到限制，从而严重限制了人工点头式天线的测高雷达在军事上的继续使用。
图20.1续 早期雷达的测高技术
有几种采用点头式天线的测高雷达，如著名的英国13型雷达（AMES 13型雷达）和得到广泛应用的美国AN/TPS—10雷达出现在20世纪40年代的中后期，且高频技术也开始出现[6]。AN/TPS—10 X波段点头式天线测高雷达系列被AN/FPS—6，即一种专为美军设计的S波段点头式天线雷达所取代[7]。AN/MPS—14雷达是这种雷达的移动型，AN/FPS—89是其改进的固定型。AN/FPS—6雷达的仰角波束宽度是0.9°，方位波束宽度是3.2°，整个天线以每分钟20～30次的速率点头。这种雷达能以每秒45°的速率进行方位扫描，以300～400Hz
的重复频率发射2s的脉冲，其峰值功率为4.5MW。
后继型号的点头式雷达数据率比它的先辈有了明显的提高。例如，S600系列C波段点头式天线测高雷达由计算机控制和管理，以便最大限度地提高数据率，每分钟能够获得22个高度测量值。
当然，利用机电手段代替通过机械摆动的整个天线结构，也可使得在仰角上快速扫描水平扇状波束成为可能，如图20.1（e）所示。许多使用巧妙的波束扫描方法的点头波束测高雷达已经成功地应用了许多年。两个著名的例子是二战中使用的SCI雷达和AN/SPS—8舰载雷达，它们都运用Robinson型的机电方式来实现仰角上波束的快速扫描。
高频微波技术的发展使得能以合适的物理尺寸在电气上实现较大的口径和较窄的波束。伴随着这种发展的是基于几何光学原理并用于监视雷达的一系列快速机电式扫描器的发明。这些发明包括Robinson、delta a （Eagle）、琴管式、Foster、Lewis和Schwartschild扫描器，以及各种极化开关镜像扫描器。这些扫描器都运用了天线馈源结构的运动来控制口径上照射的入射角，从而扫描波束。关于机电扫描器工作方式的详细论述，读者可参考许多优秀的文献资料[6][9][10]。从原理上说，通过在方位上旋转天线的同时，使用机电控制的馈源在仰角上扫描窄的笔型波束，可构成价格相对便宜的3D雷达。由于机电控制馈源扫描速率固定，波形随仰角的变化不灵活，所以实际中这种方法一直没有被应用。
二战期间，英国研制出一种甚高频相控阵列天线测高雷达，被称之为变仰角波束（VEB）雷达。这种200MHz雷达运用机械调整移相器来控制在240ft高的杆上的9组8个偶极子的相对相位。合成的仰角波束宽度大约为1°，可在略大于6°的仰角范围内相扫。
图20.1（续） 早期雷达的测高技术
一种在雷达测高中应用受到局限的技术是如图20.1（f）所示中的，安装在一个常规两坐标警戒雷达中的垂直单收线阵。这种线阵形成一叠水平扇状接收堆积波束，其中每一个波束在仰角上都较窄。由于由2D雷达天线产生（窄方位）的发射波束，所以合成的两路堆积波束在方位角和仰角上都较窄。接收堆积波束可用多种方法由线阵形成。其中的一种技术是Butler矩阵，是离散傅里叶变换射频馈电模拟；另一种技术是用在了美联邦航空局的AHSR—1S波段空中交通管制的实验型雷达上 [11]。这种技术扩大了带有垂直单收单元线阵的两坐标监视雷达的孔径。垂直堆积的水平扇形波束中的每一个波束是通过在离开线阵单元适当长度处合成，并从波导中耦合出来的能量而形成的，在单元之间产生线性相位的变化梯度。这可产生一组
均匀照射波束，每一波束是延时可控的以便照射到所需的仰角。
把两坐标警戒和测高结合在一起的早期雷达之一是AN/CPS—6B，它利用了V形波束原理。V形波束雷达由主天线和安装在同一旋转轴上的副天线构成。作为传统的2D雷达运用的主天线可产生一个垂直的余割平方扇形波束，此波束检测警戒空域内目标并提供目标的距离和方位坐标。除了围绕与天线孔径垂直的轴旋转外，副天线与主天线相似。这就产生了与垂直面倾斜的第二个扇形波束。这两个波束可以由相同的或分离的发射机激励，但每个波束又都有它自己的接收机。当天线转动时，倾斜的波束为雷达操纵员提供第二组检测数据。在平地和正常传播条件的近似下，对应于单个目标的两组检测信号中心的方位间隔，并通过操纵员把它和距离相联系，与目标的高度成正比。V形波束雷达的概念示于如图20.1（g）所示中。
V形波束雷达一直被一些作者称为3D雷达[3][7][10]。然而，从技术上讲，它不应算是真正的3D雷达，因为它缺少仰角分辨力。它的使用限于低密度空情，在这种空情中不大可能遇到出现在相同的距离和方位但是在不同高度上的两架飞机。
图20.1续 早期雷达的测高技术
日本研制出一种在空中交通管制中用于基于相位干涉测高技术的雷达[12]，但它也不具有仰角分辨力。这种构思使用了一组4个水平线阵，在垂直方向上具有常规两坐标反射式天线的交错位移。如图20.1（h）所示，相参所运用的原理是有位移的天线之间的相位差正比于所
接收的目标回波到达角的正弦值。
VEB、V形波束、垂直线阵加两坐标、交叉线阵及相参加2D雷达均可同时获得对目标的3个坐标（距离、方位和仰角或高度）的测量值，但与它们仰角覆盖相比没有明显的仰角1分辨力，这样的雷达也许可被称为2坐标雷达。 2
3D雷达的测高技术
有许多种通过同时测量目标的3个基本位置坐标（距离、方位和仰角）以提供三坐标信息的雷达。然而，在本手册中，却遵循了如下的约定，即3D雷达是一种警戒雷达，其天线在方位上机械旋转（以测量距离和方位），通过在仰角上扫描一个或多个波束或者通过用邻接的固定仰角波束来获得目标的仰角值。
3D雷达在军事上的重要性来源于它能确定非合作目标的高度，以及它的距离和方位的能力。与2D雷达和专用测高雷达的组合相比，3D雷达因为有较好的角分辨力，提供了较高增益的天线和较强的抗干扰及其他形式的ECM的能力；对于后者有争议的反面意见则认为，2D雷达和测高雷达可以工作在两个分离的频段，迫使干扰机分散其能量从而减小其影响。
按照怎样形成仰角波束和怎样在仰角上扫描波束，3D雷达可分为堆积波束雷达、频扫雷达、相扫雷达、机电扫描雷达和数字波束形成雷达。