一種大入射余角下艦船目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

杜 科， 沈 軍

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

遠(yuǎn)程精確打擊已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的主導(dǎo)攻擊方式。面對(duì)航母編隊(duì)等慢速移動(dòng)的海上大型目標(biāo)威脅，具備精確制導(dǎo)能力的彈道導(dǎo)彈以其速度快、射程遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)、威力大將逐漸取代傳統(tǒng)的亞音速和超音速巡航導(dǎo)彈，成為精確攻擊航母等高價(jià)值海上目標(biāo)的有效武器。相對(duì)傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈在原有慣性制導(dǎo)基礎(chǔ)上，新型彈道導(dǎo)彈通過提高導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)能力、增加衛(wèi)星中制導(dǎo)和末段精確制導(dǎo)功能等手段確保對(duì)位置存在不確定性的移動(dòng)目標(biāo)的打擊精度和毀傷概率，其中精確末段制導(dǎo)性能尤為重要，現(xiàn)有末段制導(dǎo)體制包括主動(dòng)雷達(dá)、被動(dòng)反輻射雷達(dá)或者復(fù)合體制。

彈道導(dǎo)彈基本采用從目標(biāo)上方接近，近垂直入射的方式攻擊目標(biāo)。采用垂直攻擊一方面是由于目前艦載導(dǎo)彈防御系統(tǒng)攔截扇面角度不足以覆蓋自身天頂區(qū)域，從而彈道能夠有效躲避防空導(dǎo)彈的攔截，成功突防；另一方面是因?yàn)楹侥傅扰灤繕?biāo)甲板是其薄弱部位，大入射余角攻擊航母甲板能夠穿透甲板進(jìn)入艦體后爆炸，最終有效殺傷目標(biāo)，使其喪失作戰(zhàn)能力。但是，大入射余角條件下海面雜波急劇增大，艦船目標(biāo)回波處于主雜波內(nèi)，難以采用常規(guī)雜波對(duì)消、濾波方法減小雜波，這嚴(yán)重影響導(dǎo)彈攻擊末端主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭艦船檢測(cè)跟蹤性能和末制導(dǎo)精度。因此，有必要對(duì)大入射余角下主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭強(qiáng)主雜波中艦船目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析和研究，為彈道導(dǎo)彈攻擊海上大型目標(biāo)末端制導(dǎo)提供技術(shù)途徑。

1 海雜波特性

主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測(cè)海面目標(biāo)性能與海雜波強(qiáng)度有較大關(guān)系，而海雜波強(qiáng)度與海面后向散射系數(shù)和雷達(dá)有效照射面積有關(guān)［1］。其中海面后向散射系數(shù)σ0定義為單位面積的雷達(dá)散射截面積，主要與入射余角、雷達(dá)頻率、極化方式、風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù)相關(guān)。

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析得到的σ0與入射余角之間的典型關(guān)系如圖1所示，其中ψ1 和ψ2 為三個(gè)區(qū)域的分界點(diǎn)，由雷達(dá)波長(zhǎng)、極化和海面狀況決定。由圖1可見，相對(duì)于平直區(qū)和近切向入射區(qū)進(jìn)入近垂直入射后，σ0隨著入射余角增大迅速增大。近垂直入射區(qū)為本文所討論的區(qū)域。

文獻(xiàn)［2］中利用Ku波段機(jī)載雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)海大范圍入射余角（20°～90°）海面散射特性數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，給出了不同海情下，σ0隨入射余角變化的數(shù)據(jù)，通過與理論計(jì)算結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。結(jié)果表明，50°約為平直區(qū)與近垂直入射區(qū)分界點(diǎn)。σ0隨擦地角的變化速度隨海面的粗糙度而變化，海面越光滑變化越快，海面越粗糙變化越慢［2］。

圖1 σ0 隨入射余角變化的典型曲線圖

本文采用初次電磁流積分法與微擾法對(duì)Ku波段1～4級(jí)海情下粗糙海面后向散射系數(shù)進(jìn)行理論仿真計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。圖2中可以看到，近垂直入射區(qū)內(nèi)入射角為70°時(shí)，σ0約-6dB，相對(duì)40°增大約15dB～20dB，到垂直入射時(shí)，σ0最大約為15dB。因此，大入射余角下強(qiáng)烈的海雜波背景將是導(dǎo)引頭海面目標(biāo)檢測(cè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖2 不同海情海面后向散射系數(shù)與入射余角關(guān)系圖

將本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［2］中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，二者具有較高的一致性，同時(shí)說明本文仿真數(shù)據(jù)的有效性。下文以該仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

2 目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

2.1 雷達(dá)回波前沿檢測(cè)技術(shù)分析

航母等艦船目標(biāo)位于海面上，在時(shí)域上目標(biāo)回波信號(hào)處于主雜波區(qū)；另外艦船目標(biāo)屬于慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，當(dāng)彈道導(dǎo)彈采用大入射余角攻擊，艦船目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度在彈目徑向上的分量小，頻域上目標(biāo)回波信號(hào)也處于主雜波區(qū)。針對(duì)這類目標(biāo)采用MTI、MTD、自適應(yīng)濾波等方法均不能有效地在濾波主雜波的同時(shí)不影響目標(biāo)信號(hào)。因此需要進(jìn)一步從目標(biāo)特征、飛行彈道、雷達(dá)波形、檢測(cè)手段等方面出發(fā)進(jìn)行分析，研究如何避免或減少海面雜波影響，提高檢測(cè)信雜比。

考慮利用艦船目標(biāo)甲板或艦船相對(duì)于海面存在一定的高度差，采用雷達(dá)回波前沿檢測(cè)的方法［1］，剝離艦船目標(biāo)回波和海雜波，在無雜波條件下進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。根據(jù)圖3所示，高度線海雜波信號(hào)由于距離最近，而成為導(dǎo)引頭最先收到的海雜波信號(hào)，雷達(dá)回波前沿檢測(cè)要求目標(biāo)回波信號(hào)先于高度線海雜波信號(hào)到達(dá)，即滿足

式中：Rt為最小彈目距離，ΔR 為導(dǎo)引頭距離分辨率，Hm為導(dǎo)彈高度，Ht為艦船高度，θ 為入射余角。

圖3 導(dǎo)引頭波束照射示意圖

根據(jù)式（1）和（2）得出導(dǎo)引頭入射余角θ和距離分辨率ΔR 需要滿足的條件為

由此可知，采用雷達(dá)回波前沿檢測(cè)法，首先要滿足導(dǎo)引頭具備高距離分辨能力，并小于艦船反射體高度。同時(shí)，入射余角需要保證在一定角度范圍內(nèi)。

距離分辨率取為15m，通過計(jì)算得出不同艦船高度條件下采用雷達(dá)回波前沿檢測(cè)對(duì)應(yīng)的最小入射余角θ與導(dǎo)彈高度關(guān)系，如圖4所示，導(dǎo)彈高度越高，允許的入射余角范圍越小，艦船高度為70m，導(dǎo)彈高度為20km 和4km 時(shí)，入射余角范圍分別是86°～90°和80°～90°；隨著艦船高度的減小，允許的入射余角范圍越小，導(dǎo)彈高度為10 km，艦船高度為70m 和20m 時(shí)，入射余角范圍分別是84°～90°和88°～90°。

圖4 最小入射余角與導(dǎo)彈高度和艦船高度關(guān)系圖

因此，只能在近垂直入射的較小角度范圍內(nèi)采用雷達(dá)回波前沿檢測(cè)法剝離海面雜波干擾，這對(duì)導(dǎo)彈控制提出較高要求，要求能夠控制導(dǎo)彈準(zhǔn)確飛抵艦船目標(biāo)上空，并滿足入射余角約束條件。同時(shí)針對(duì)強(qiáng)海雜波采用AGC 措施，避免強(qiáng)海雜波對(duì)導(dǎo)引頭接收機(jī)產(chǎn)生影響，造成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的壓制。

2.2 信雜比改善技術(shù)途徑分析

大入射余角條件下，導(dǎo)引頭回波信號(hào)中海雜波回波強(qiáng)度隨入射余角增大而急劇增大，海雜波取代接收機(jī)噪聲成為影響導(dǎo)引頭作用距離的主導(dǎo)因素，導(dǎo)引頭作用距離由回波信雜比決定。根據(jù)雷達(dá)方程推導(dǎo)得出信雜比為

式中：σt為目標(biāo)雷達(dá)散射截面積；σc為海雜波雷達(dá)散射截面積；σ0為海雜波后向散射系數(shù)；A 為雜波單元面積。

大入射余角下雜波單元面積為

式中：δφ 為雷達(dá)波束方位角度分辨率；c為光速；ΔR 為距離分辨率；θ為入射余角。

入射余角越大，對(duì)于導(dǎo)彈攻擊越有利，但海面σ0隨之越大，由式（5）可知：導(dǎo)引頭在該條件下只能通過盡量減小與目標(biāo)信號(hào)對(duì)抗的雜波單元面積，提高檢測(cè)信雜比，確保大入射余角下能夠檢測(cè)到目標(biāo)，輔助導(dǎo)彈精確并有效攻擊艦船目標(biāo)。

當(dāng)無法剝離海雜波信號(hào)和艦船目標(biāo)回波信號(hào)時(shí)，艦船目標(biāo)信號(hào)處于主瓣雜波中，只能考慮盡量減小與目標(biāo)回波信號(hào)對(duì)抗的主瓣雜波單元面積。由式（6）可知，減小雜波單元面積，可以通過提高導(dǎo)引頭距離分辨率和方位分辨率實(shí)現(xiàn)。

（1）距離分辨率提高

實(shí)現(xiàn)距離高分辨的主要方式包括發(fā)射窄脈沖信號(hào)和發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號(hào)。這兩種信號(hào)形式各有其特點(diǎn)，具有不同的適用性。窄脈沖信號(hào)平均功率受限，導(dǎo)引頭作用距離近，同時(shí)因?yàn)槊}沖寬度窄，發(fā)射遮擋盲區(qū)小，因此窄脈沖信號(hào)適合于探測(cè)末端，此時(shí)彈目距離近，作用距離不受平均功率限制，同時(shí)需要導(dǎo)引頭具有高距離分辨和較小的發(fā)射盲區(qū)；大時(shí)寬帶寬積信號(hào)采用脈沖壓縮處理技術(shù)獲取距離高分辨，兼顧高距離分辨和作用距離指標(biāo)，但發(fā)射脈寬較寬，發(fā)射盲區(qū)較大，因此大時(shí)寬帶寬積信號(hào)適用于中近距檢測(cè)。線形調(diào)頻信號(hào)是應(yīng)用最廣泛的大時(shí)寬帶寬積信號(hào)，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感，特別適合應(yīng)用于具有較大彈目相對(duì)速度的彈載條件。

窄脈沖信號(hào)和大時(shí)寬帶寬積信號(hào)距離分辨率ΔR 分別為cτ／2和1／B，其中c為光速，τ為發(fā)射脈寬，B 為信號(hào)帶寬。要實(shí)現(xiàn)15 m 的距離分辨率，需要發(fā)射脈寬或信號(hào)帶寬分別為0.1us和10 MHz。

（2）方位分辨率提高

方位分辨率與天線波束寬度和波束銳化比相關(guān)，要實(shí)現(xiàn)方位向高分辨，一方面可以縮小實(shí)孔徑波束寬度，另一方面可以提高方位向波束銳化比。

增大天線孔徑和提高發(fā)射信號(hào)頻率都能夠縮小天線波束寬度，天線孔徑通常會(huì)受導(dǎo)彈外形結(jié)構(gòu)尺寸限制難以增大，而發(fā)射信號(hào)頻率則可以盡量選擇在較高的頻段，如Ku波段或更高的Ka毫米波波段。

導(dǎo)彈攻擊艦船目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)處于雷達(dá)前方，由于距離-方位耦合嚴(yán)重并且多普勒帶寬小，無法利用SAR 技術(shù)獲得方位向分辨能力。雷達(dá)前視超分辨成像技術(shù)利用超分辨算法通過多通道解卷積技術(shù)實(shí)現(xiàn)前視方位波束銳化比［3］，形成方位向高分辨，但該技術(shù)受信噪比因素影響較大，在小信噪比條件下，方位向波束銳化比難以得到有效的改善，不適用于在強(qiáng)主雜波背景中低信噪比下提高方位分辨率。采用相參積累通過多普勒銳化技術(shù)能有效提高雷達(dá)方位向波束銳化比，縮小雜波單元面積，如圖5和圖6所示，得到采用多普勒銳化前后雜波單元對(duì)比。

圖5 多普勒銳化前雜波單元示意圖

圖6 多普勒銳化后雜波單元示意圖

多普勒波束銳化比與多普勒帶寬和頻率分辨力有關(guān)，為

式中：Δfd為波束主瓣寬度內(nèi)多普勒帶寬；δf 為頻率分辨率。由式（7）可知，增加多普勒帶寬和提高頻率分辨率能夠提高波束銳化比，但是增大Δfd和提高δf 均存在約束條件。

式中：φ 為波束指向與彈速夾角；δφ 為方位向波束寬度；V 為彈速。由式（8）可知波束寬度內(nèi)多普勒帶寬主要受限于波束指向與彈速夾角。

因此，方位分辨率的提高需要盡量增大波束指向與彈速之間夾角。但波束指向與彈速之間夾角的增大需要導(dǎo)彈控制系統(tǒng)通過彈道控制配合實(shí)現(xiàn)，最大的波束指向與彈速夾角受限于導(dǎo)彈末端機(jī)動(dòng)能力。仿真參數(shù)表，如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

圖7所示為采用多普勒銳化技術(shù)，波束指向與彈速夾角為0°～4°，滿足導(dǎo)引頭能夠檢測(cè)到目標(biāo)的信雜比要求所允許的最大入射余角與導(dǎo)彈高度之間關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，導(dǎo)彈高度越低，波束指向與彈速夾角越大，導(dǎo)引頭檢測(cè)允許的最大入射余角越大，仿真中夾角為4°，高度為2km，最大允許入射余角可以達(dá)到78°。由此可見，當(dāng)導(dǎo)彈下壓段末端攻擊時(shí)，通過導(dǎo)彈攻擊彈道控制配合，在導(dǎo)引頭天線波束指向與彈速之間形成一定的夾角，采用多普勒銳化后，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)引頭在大入射余角下對(duì)艦船目標(biāo)的檢測(cè)。

圖7 最大允許入射余角與導(dǎo)彈高度和波束指向與彈速夾角關(guān)系圖

根據(jù)上述分析，通過合理設(shè)計(jì)飛行彈道和導(dǎo)引頭參數(shù)，并在彈道導(dǎo)彈下壓段攻擊過程中采用多種檢測(cè)技術(shù)能夠有效解決大入射余角下的強(qiáng)海雜波問題。當(dāng)入射余角小于80°時(shí)，發(fā)射線形調(diào)頻信號(hào)，采用脈沖壓縮和多普勒銳化進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，當(dāng)入射余角大于80°時(shí)，發(fā)射窄脈沖和采用脈沖前沿檢測(cè)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。

3 結(jié)束語

本文對(duì)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭大入射余角下強(qiáng)海雜波背景中艦船目標(biāo)檢測(cè)進(jìn)行研究，分析雷達(dá)回波前沿檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用條件；分析采用脈沖壓縮和多普勒銳化技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的檢測(cè)性能和約束條件。分析表明，在合理規(guī)劃飛行彈道和設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合雷達(dá)回波前沿檢測(cè)技術(shù)和脈沖壓縮加多普勒銳化技術(shù)，能夠有效地解決大入射導(dǎo)引頭面臨的強(qiáng)海雜波問題。但是大入射余角條件下強(qiáng)海雜波對(duì)艦船目標(biāo)檢測(cè)的影響仍是一個(gè)復(fù)雜的問題，今后還需通過大量試驗(yàn)對(duì)海雜波特性進(jìn)一步研究、驗(yàn)證相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的有效性。

［1］ 任子西.不同入射余角下海面電波特性對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭的影響分析［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2009，（4）：1-6.

［2］ 周平，等.海面散射后向散射機(jī)載測(cè)量結(jié)果及分析［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2006，（3）：325-328.

［3］ 李惠.實(shí)孔徑雷達(dá)波束銳化算法研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.