雷達(dá)陣地雜波測(cè)量和動(dòng)態(tài)STC建立方法

張 峰

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

雷達(dá)回波包括目標(biāo)回波、雜波回波和干擾回波等。雷達(dá)雜波包括面雜波和體雜波，面雜波主要包括地雜波和海雜波，體雜波主要包括云、雨雜波和箔條干擾等。雷達(dá)地雜波的大小取決于雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和照射地面參數(shù)。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)包括距離、工作波長(zhǎng)、發(fā)射功率、距離分辨率、波束寬度(照射面積、角度分辨率)、波束指向和天線極化方式等。地面參數(shù)一般指地面反射系數(shù)，包括導(dǎo)電率、介電常數(shù)和地面粗糙度［1］。

一般來(lái)說(shuō)，地面導(dǎo)電率和介電常數(shù)越大，地面越粗糙，則反射系數(shù)越大，地物回波越強(qiáng)。布滿森林和灌木的丘陵回波明顯高于光禿禿的丘陵回波。地面濕度越大，則介電常數(shù)越大，造成反射的回波越強(qiáng)。對(duì)相同的地物環(huán)境，地物回波在下雨時(shí)會(huì)比天氣干燥時(shí)強(qiáng)。

地面、海面、箔條干擾、云雨所產(chǎn)生的雜波特性與熱噪聲相似，其幅度和相位都是隨機(jī)起伏的，一般情況下，具有瑞利分布函數(shù)特性，但其頻譜特性比白噪聲窄得多。雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響等同于接收機(jī)的基底噪聲，會(huì)造成雷達(dá)有效探測(cè)的目標(biāo)淹沒(méi)在雜波中而不能正常檢測(cè)，或降低目標(biāo)檢測(cè)概率。

由于隨風(fēng)而動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生一定的相移，造成雷達(dá)照射波束發(fā)射頻譜的展寬，所以主要由森林、灌木和草地等覆蓋的地面比沙漠、戈壁等覆蓋地面回波頻譜更寬，并且在大風(fēng)速條件下，地雜波頻譜展寬更大。

利用動(dòng)目標(biāo)回波和固定地物回波的多普勒頻移特性不同進(jìn)行雜波抑制，通常采用動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)或脈沖多普勒(PD)檢測(cè)方法抑制地物雜波的影響。

1 雷達(dá)靜態(tài)STC對(duì)地雜波的抑制效果分析

雷達(dá)進(jìn)行全程搜索時(shí)，如果接收機(jī)通道增益較高，同樣接收機(jī)靈敏度也較高，則近程雜波會(huì)使接收機(jī)飽和，造成地雜波頻譜的大大展寬，使得雷達(dá)不能很好地抑制地雜波，而無(wú)法檢測(cè)目標(biāo)回波;如果把接收機(jī)通道增益調(diào)得太低，雖然近程雜波回波不過(guò)載，但接收機(jī)靈敏度太低，影響遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)的檢測(cè)。為了解決這個(gè)矛盾，現(xiàn)代雷達(dá)一般采用數(shù)字靈敏度時(shí)間控制(STC)［2］電路。在每個(gè)發(fā)射脈沖之后，隨時(shí)間在射頻(RF)、中頻(IF)或在接收機(jī)前端的饋線中通過(guò)數(shù)控衰減器對(duì)接收機(jī)通道增益進(jìn)行某種規(guī)律的控制，近距離時(shí)可降低接收機(jī)通道增益和靈敏度，遠(yuǎn)距離時(shí)保持原來(lái)的增益和靈敏度，以保證正常發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)小目標(biāo)信號(hào)回波。

數(shù)字STC電路具有控制靈活，控制信號(hào)可隨雷達(dá)周?chē)沫h(huán)境預(yù)先或?qū)崟r(shí)編程的特點(diǎn)，可以有效地提高接收機(jī)的抗過(guò)載能力。對(duì)射頻和中頻衰減盡量采用先射頻衰減，再中頻衰減的方式進(jìn)行數(shù)控衰減器控制，防止接收機(jī)系統(tǒng)前端飽和。

常規(guī)雷達(dá)一般采用靜態(tài)STC，一般預(yù)先設(shè)置一組或幾組靜態(tài)STC曲線。根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)，可得到雷達(dá)全程理論靜態(tài)STC。實(shí)際靜態(tài)STC曲線要綜合考慮接收機(jī)衰減器調(diào)節(jié)范圍和好的工程實(shí)現(xiàn)，圖1為三坐標(biāo)雷達(dá)的一條靜態(tài)STC曲線。

圖1 靜態(tài)STC曲線示意圖

雷達(dá)在不同陣地，即使同一陣地在不同氣象等條件下，實(shí)際雜波強(qiáng)度不可預(yù)計(jì)，常常會(huì)造成接收通道飽和，引起地雜波頻譜的大大展寬，從而使雷達(dá)不能很好地抑制地雜波，造成雜波剩余太多，雷達(dá)錄取性能下降;或者設(shè)置的STC衰減太大，造成雷達(dá)小目標(biāo)探測(cè)能力下降。

現(xiàn)在有些雷達(dá)的靜態(tài)STC曲線可采用手動(dòng)方式現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，雜波剩余狀況略有改善，但一般只對(duì)雜波較大的某一方位設(shè)置靜態(tài)STC曲線，其他方位同樣會(huì)出現(xiàn)小目標(biāo)探測(cè)能力下降的問(wèn)題。如對(duì)所有方位、仰角均手動(dòng)設(shè)置STC曲線，工作量太大，很難完成。

雷達(dá)最大輸入動(dòng)態(tài)范圍Din計(jì)算方法為

式中:σ0=0.000 32/λ0，σ0為面雜波反射系數(shù)，λ0為雷達(dá)波長(zhǎng);c為光速，c=3×108m/s;τ為脈壓后脈沖寬度;Rmax為最大作用距離;Rmin為最小作用距離;θ0為方位波束寬度，單位為rad;ξ為最大方位掃描角;LBS為波束形狀損失;σt為目標(biāo)RCS;σc為雜波面積;S/N為單一脈沖檢測(cè)信噪比。

若式(1)的Rmin改為R，即為距離R處輸入動(dòng)態(tài)范圍DRin，輸出動(dòng)態(tài)范圍為Dout(線性動(dòng)態(tài)范圍)，即可得到距離R處的STC值DRSTC

2 雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC對(duì)地雜波的抑制效果分析

雷達(dá)到達(dá)陣地后，如果有方法自動(dòng)測(cè)量覆蓋范圍內(nèi)所有方位和仰角的實(shí)際雜波強(qiáng)度，建立不同方位、仰角、距離的雷達(dá)陣地雜波圖，應(yīng)用一定的算法，計(jì)算出不同方位、仰角、距離的動(dòng)態(tài)STC值，建立雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC曲線，則可解決靜態(tài)STC帶來(lái)的問(wèn)題。

一般情況下，對(duì)雷達(dá)方位覆蓋可根據(jù)方位波束寬度進(jìn)行等分，也可略大于波束寬度;仰角覆蓋可根據(jù)搜索仰角波位進(jìn)行分層;距離上的分段一般根據(jù)接收機(jī)EPROM存儲(chǔ)量進(jìn)行劃分，不需全程進(jìn)行STC設(shè)置，因?yàn)檫h(yuǎn)區(qū)不需通道增益調(diào)整。STC衰減的最小量化單元越精細(xì)越好，但從工程實(shí)現(xiàn)上，一般情況下最小量化單位為1 dB或2 dB對(duì)系統(tǒng)已足夠。

例如，雷達(dá)方位波束寬度1.2°，360°方位覆蓋，仰角搜索波位13個(gè)，最大作用距離400 km，最小作用距離15 km，可建立的動(dòng)態(tài)STC為方位256等分，仰角分為13層，距離按4 km進(jìn)行量化，STC衰減最小量化刻度1 dB。該雷達(dá)實(shí)測(cè)陣地雜波如圖2所示。采用靜態(tài)STC曲線雜波剩余情況如圖3所示，采用動(dòng)態(tài)STC雜波剩余情況如圖4所示。

圖2 雷達(dá)實(shí)測(cè)陣地雜波

圖3 雷達(dá)靜態(tài)STC雜波剩余情況

圖4 雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC雜波剩余情況

采用動(dòng)態(tài)STC后單圈雜波剩余由約600個(gè)減為約50個(gè)，雜波抑制效果明顯改善。若結(jié)合雷達(dá)剩余雜波圖進(jìn)行雜波濾除，基本可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全程自動(dòng)錄取。

下面分別介紹模擬相控陣?yán)走_(dá)和數(shù)字陣列雷達(dá)陣地雜波圖測(cè)量和動(dòng)態(tài)STC建立方法。

3 模擬相控陣?yán)走_(dá)動(dòng)態(tài)STC建立方法

模擬相控陣?yán)走_(dá)是指相控陣天線發(fā)射波束和接收波束采用強(qiáng)制饋電或空間饋電集中形成［3］。模擬相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)系統(tǒng)分為集中式接收機(jī)和分布加集中式接收機(jī)。集中式接收機(jī)是指饋電網(wǎng)絡(luò)形成接收波束后才進(jìn)入接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)放大和變頻。分布加集中式接收機(jī)是指在饋電網(wǎng)絡(luò)中先進(jìn)行接收信號(hào)的部分放大，在接收波束形成后進(jìn)行合成接收信號(hào)的放大和變頻。

3.1 集中式接收機(jī)動(dòng)態(tài)STC建立方法

對(duì)于集中式接收機(jī)，最大輸入動(dòng)態(tài)范圍Din一般為90 dB～100 dB，輸出動(dòng)態(tài)范圍Dout一般為50 dB ～60 dB?？紤]到強(qiáng)雜波的影響，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，STC的設(shè)計(jì)范圍DSTC一般設(shè)置為

其中，DSTC的射頻STC值DRFSTC和中頻STC值DIFSTC一般對(duì)半設(shè)置。

一般情況下，在接收機(jī)不設(shè)置STC時(shí)，近距離通道會(huì)飽和?？稍O(shè)計(jì)一路對(duì)數(shù)放大接收機(jī)，在不設(shè)置STC時(shí)，近距離通道也不會(huì)飽和，可用于測(cè)量近距離強(qiáng)雜波信號(hào)。

采用對(duì)放接收機(jī)測(cè)量距離R處陣地雜波，計(jì)算動(dòng)態(tài)STC值DRSTC的方法如下:

首先，統(tǒng)計(jì)對(duì)放通道遠(yuǎn)端非雜波區(qū)的噪聲基底平均值DN，一般取遠(yuǎn)端16個(gè)距離采樣單元回波進(jìn)行平均。

然后，測(cè)量對(duì)放通道輸入回波與輸出回波的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在接收機(jī)對(duì)放通道前端灌入連續(xù)波信號(hào)，調(diào)整輸入信號(hào)強(qiáng)度，測(cè)量輸出信號(hào)變化。假定輸出信號(hào)增加1個(gè)量化刻度，輸入信號(hào)強(qiáng)度增加X(jué)。

雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，進(jìn)行雜波測(cè)量，若對(duì)放通道在距離R處雜波回波幅度為Sout，則接收機(jī)輸入端的雜噪比CNR為

通過(guò)式(1)計(jì)算出距離R處輸入基本動(dòng)態(tài)范圍

距離R處考慮陣地雜波輸入動(dòng)態(tài)范圍為

若雷達(dá)的輸出動(dòng)態(tài)范圍為Dout，則距離R處的動(dòng)態(tài)STC值為

假定動(dòng)態(tài)STC最小量化單位為1 dB，若DRSTC大于0 dB，則按STC的最小量化單位量化取大，動(dòng)態(tài)STC測(cè)量值4.5 dB，則量化為5.0 dB;若DRSTC小于等于0 dB，動(dòng)態(tài)STC值設(shè)為0 dB。

采用對(duì)放通道測(cè)量動(dòng)態(tài)STC，天線旋轉(zhuǎn)一圈即可完成測(cè)量。

3.2 分布加集中式接收機(jī)動(dòng)態(tài)STC建立方法

分布加集中式接收機(jī)示意圖如圖5所示，天線陣面包含m個(gè)天線子陣，每個(gè)子陣由n個(gè)天線單元組成，每個(gè)天線單元連接1個(gè)單元接收機(jī)。

圖5 分布加集中式接收機(jī)示意圖

通道接收機(jī)最大輸入動(dòng)態(tài)范圍Din見(jiàn)式(1)。子陣接收機(jī)的最大輸入動(dòng)態(tài)范圍DSA［3］為

單元接收機(jī)最大輸入動(dòng)態(tài)范圍DAL［3］為

單元和子陣接收機(jī)輸入動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)通道接收機(jī)已減小很多。因此，對(duì)于分布加集中式接收機(jī)，一般單元級(jí)進(jìn)行RF回波的LNA放大，不設(shè)置射頻數(shù)字衰減器;子陣級(jí)進(jìn)行RF回波二次放大，設(shè)置0.5DRFSTC射頻衰減;波束形成后在通道接收機(jī)進(jìn)行RF回波放大和下變頻，設(shè)置0.5DRFSTC射頻衰減和全部的DIFSTC中頻衰減。對(duì)此類接收機(jī)可在通道接收機(jī)設(shè)置一路對(duì)數(shù)放大接收通道用于動(dòng)態(tài)STC的測(cè)量。

距離R處動(dòng)態(tài)STC值DRSTC的測(cè)量方法如下:

在陣面前方對(duì)雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波信號(hào)，調(diào)整輸入信號(hào)強(qiáng)度，測(cè)量輸出信號(hào)變化。假定輸出信號(hào)增加1個(gè)量化刻度，輸入信號(hào)強(qiáng)度增加X(jué)。

其他步驟同集中接收機(jī)動(dòng)態(tài)STC建立方法，即可完成對(duì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC的測(cè)量。

4 數(shù)字陣列雷達(dá)動(dòng)態(tài)STC建立方法

數(shù)字陣列雷達(dá)包括子陣數(shù)字化和單元數(shù)字化雷達(dá)。子陣數(shù)字化雷達(dá)在子陣接收機(jī)進(jìn)行接收信號(hào)的數(shù)字化，完成數(shù)字波束形成，接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖6所示;單元數(shù)字化雷達(dá)在單元接收機(jī)進(jìn)行接收信號(hào)的數(shù)字化，完成數(shù)字波束形成，接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖6 子陣數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)示意圖

圖7 單元數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)示意圖

對(duì)于子陣數(shù)字化雷達(dá)，單元接收機(jī)一般不設(shè)置射頻衰減器，所有射頻和中頻衰減器放置在子陣接收機(jī)。按式(1)、式(2)、式(3)、式(10)建立子陣數(shù)字化雷達(dá)的理論靜態(tài)STC圖。

對(duì)于單元數(shù)字化雷達(dá)，按式(1)、式(2)、式(3)、式(11)計(jì)算單元數(shù)字化雷達(dá)的理論靜態(tài)STC圖。

不論單元或子陣數(shù)字化雷達(dá)，不可能在每個(gè)單元或子陣設(shè)置對(duì)放通道進(jìn)行動(dòng)態(tài)STC的測(cè)量。單元或子陣數(shù)字化雷達(dá)距離R處的動(dòng)態(tài)STC值DRSTC的測(cè)量方法如下:

假設(shè)STC最小量化刻度為1 dB，接收機(jī)輸出端最大幅度為Amax。

首先，對(duì)接收機(jī)全程設(shè)置最大的STC衰減STCmax，距離R處的回波為ARSTCmax。若Amax/ARSTCmax≤1 dB，則距離R處的STC值設(shè)為STCmax;若Amax/ARSTCmax＞1 dB，不進(jìn)行處理。

然后，接收機(jī)全程設(shè)置STC衰減值為STCmax-1，距離R處的回波為ARSTCmax-1。若0＜Amax/ARSTCmax-1≤1 dB，則距離R處的STC值設(shè)為STCmax-1;假如Amax/ARSTCmax-1＞1 dB，不進(jìn)行處理。

同理，順序?qū)邮諜C(jī)全程設(shè)置STC衰減值為STCmax-n，距離R處的回波為 ARSTCmax-n。若0＜Amax/ARSTCmax-n≤1 dB，則距離 R處的STC值設(shè)為STCmaxn;假如 Amax/ARSTCmax-n＞1 dB，不進(jìn)行處理。

直至接收機(jī)全程設(shè)置STC衰減值為1 dB，距離R處的回波為ARSTC1。若0＜Amax/ARSTC1≤1 dB，則距離R處的STC值設(shè)為1 dB;假如Amax/ARSTC1＞1 dB，則距離R處的STC值設(shè)為0 dB。

按上述步驟即可建立與陣地雜波相關(guān)的動(dòng)態(tài)STC圖。

最后，把建立的動(dòng)態(tài)STC圖和理論靜態(tài)STC圖進(jìn)行比較，對(duì)于每個(gè)距離、方位、仰角單元的STC值按取大處理即可得到最終的動(dòng)態(tài)STC圖。

同理，對(duì)于模擬陣?yán)走_(dá)也可采用上述方法建立動(dòng)態(tài)STC圖，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間短的高機(jī)動(dòng)雷達(dá)不太適用。

5 結(jié)束語(yǔ)

雜波抑制一直是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，隨著雷達(dá)自動(dòng)化、智能化要求越來(lái)越高，比較有效的措施是首先進(jìn)行陣地雜波測(cè)量，建立動(dòng)態(tài)STC防止接收機(jī)通道飽和，同時(shí)在信號(hào)處理或數(shù)據(jù)處理采用剩余雜波圖［4］進(jìn)行雜波的濾除。

［1］ Skolnik M I.Radar handbook［M］.2nd ed.New York:McGraw-Hill，1990.

［2］ 丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達(dá)原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.Ding Lufei，Geng Fulu，Chen Jianchun.Radar principle［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［3］ 張光義.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.Zhang Guangyi.Phased array radar technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［4］ 馬曉巖，向家彬.雷達(dá)信號(hào)處理［M］.長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1999.Ma Xiaoyan，Xiang Jiabin.Radar signal processing［M］.Changsha:Hunan Science ＆ Technology Press，1999.