基于基波海洋建模的末制導雷達海雜波仿真＊

（海軍指揮學院信息系 南京 211800）

1 引言

目前，相對較成熟的海雜波模型有基于單一點統(tǒng)計量的瑞利分布、對數(shù)正態(tài)分布、韋布爾分布［1］以及考慮海雜波時空相關性的K 分布［2］等?，F(xiàn)階段對于海雜波的研究基于功能級的研究較多，基于信號的研究較少。文獻［3］提出了基于功率擬合的時空相關K 分布海雜波信號級合成方法。該方法通過設定海情等級，仿真出末制導雷達在打擊海上目標沿跡照射海域的海雜波波形。空間性較高，仿真的海雜波信號對于雷達導引頭信號級仿真可用性較高。但是，海洋表面復雜多變，沿跡照射海域海情本身會發(fā)生改變，因此設定的固定海情等級已無法滿足海洋水文氣象條件的實時性要求。為此，要研究海雜波的實時性必須先研究海洋的實時性。文獻［4］提出了一種基于基波海洋表面建模方法，該方法將海域劃分成不同區(qū)域大小，以區(qū)域為中心對海洋表面風場和浪涌進行模擬，該思想對于研究反艦導彈沿跡雷達照射區(qū)域海雜波仿真具有參考意義。為此，本文提出一種應用于基于基波海洋建模的末制導雷達海雜波仿真方法。

2 反艦導彈軌跡仿真

反艦導彈［5］作為精確制導武器的一種，可以從水面、潛艇、作戰(zhàn)飛機上發(fā)射，已對水面艦艇構成嚴重威脅。反艦導彈有多種末制導方式，雷達末制導為其中重要的一種形式。多數(shù)的反艦導彈末制導距離在10km～15km 之間。在末制導階段，海雜波成為影響反艦導彈打擊目標的重要因素［6］。要研究反艦導彈跟蹤目標沿跡末制導雷達照射海域的海雜波，就得先研究反艦導彈打擊目標的軌跡。

反艦導彈的自控段飛行是一種高、低結合的大空域變軌彈道，大空域變軌彈道一般分為四段：爬升段、高空巡航段、降高段和低空巡航段。仿真中設定反艦導彈由水面艦艇發(fā)射，目標靶船坐標［118．78，32．05，300．0］，則反艦導彈的軌跡仿真圖如圖1所示。

圖1 反艦導彈打擊目標軌跡圖

3 基于基波海洋表面建模

目前關于海洋表面模型較多，大多數(shù)海面波形建模主要是從視覺效果的角度考慮，忽略了真實海洋環(huán)境中不同區(qū)域內波浪所受風速和風向環(huán)境驅動不同，導致波向、波高和波速等不同的場景情況，這種采用局部區(qū)域同一風場要素條件下進行建模的方法可以體現(xiàn)海面各個區(qū)域風浪顯示效果之間的相似性，但無法體現(xiàn)不同區(qū)域內由于不同風向和風速引起的波形變化，因此與真實物理海洋表面具有一定差距。真實的海洋環(huán)境中，無法用統(tǒng)一的波浪模型表達整個場景內波浪形態(tài)。對于這種情況，文獻［2］借鑒粒子系統(tǒng)思想，把海洋表面理解為由很多不同大小的區(qū)域波浪塊組合而成，這些區(qū)域波浪塊稱為基波塊，基波塊一般是均勻分布在海面上，但為了保證它們之間波形連續(xù)過渡，在邊緣區(qū)域存在重疊（圖中用粗線表示）。如圖2所示。

圖2 海洋基波塊組成與風向

以圖2為例，假定以1km＊1km 為大小，將反艦導彈沿跡經(jīng)過的海洋表面劃分成N個基波塊（基波塊的大小和個數(shù)按實際需要劃分），每個基波塊外部接受風場要素的影響，內部應用頻譜參數(shù)建模方法，生成各自基波塊的海面高度模型。按照蒲氏海情和道氏海情［7］劃分，海情一級，風速＜11（kn／h），有效浪高0～0．3（m）。此時其中1個基波塊的海洋表面仿真圖如圖3所示。海情二級，風速11～22（kn／h），有效浪高0．3～0．91（m）。此時海洋表面仿真圖如圖4所示。

圖3 海情一級基波塊海洋表面仿真圖

圖4 海情二級基波塊海洋表面仿真圖

相鄰基波塊間海情等級一般相差n個等級。為了仿真方便，目前大多數(shù)關于海雜波仿真的文章較少考慮海情等級差別引起雜波回波變化。然而通過圖3、圖4可以看出劃分后的相鄰海洋基波塊雖然海情等級為一級、二級，但是產(chǎn)生的浪涌，風向，風速不盡相同，因此在雷達回波中海雜波的強弱也不盡相同。因此研究海洋表面環(huán)境對于研究海雜波具有重要意義。

4 雷達海雜波回波仿真

本文通過設定目標艦船位置來確定反艦導彈打擊目標軌跡，以此建立基于基波塊的海洋表面環(huán)境，運用基于功率擬合的時空相關K 分布海雜波信號級合成方法，提出一種應用于基于基波海洋建模的末制導雷達海雜波仿真方法。該方法的步驟是先劃分海洋表面基波塊，確定不同基波塊內海情等級。在此基礎上劃分單個基波塊內海面散射單元，采用球不變隨機過程法產(chǎn)生K 分布海雜波序列，通過時空二維相關處理，經(jīng)過功率擬合產(chǎn)生單個基波塊內海雜波信號。反艦導彈經(jīng)過的不同基波塊海域通過不斷修正海情等級合成新的海雜波信號輸入到末制導雷達中以此得到完整的末制導雷達海雜波回波。

4．1 基波塊劃分

設定反艦導彈末制導階段為15km，照射寬度為5km，將圖1軌跡下末制導雷達照射的海域劃分成1km＊1km 的75個基波塊。每個基波塊海情等級相差n級（具體以實際測量為準）。為方便仿真，文章中假定相鄰基波塊之間海情等級相差1級。

4．2 海面單元劃分

反艦導彈末制導雷達海面分辨單元劃分［8］，以按照距離和方位分辨力的關系劃分為多個反射單元。距離分辨力ΔR＝1／2＊cτsecθr，文獻［9］提出的機載雷達方向分辨力Δθ劃分方法同樣可以應用于末制導雷達。具體有散射單元截面積：

4．3 單元回波序列仿真

在劃分的海面散射單元上通過SIRP法產(chǎn)生K分布海雜波序列［10］。

K 分布海雜波概率密度函數(shù)如下：

其中，Γ（·）為Gamma函數(shù)，kv（·）為第二類修正Bessel函數(shù)，v是形狀參數(shù)，α是尺度參數(shù)。文章中設定形狀參數(shù)v＝1．5，雷達回波周期2000，脈沖重復頻率5000Hz，載波波長0．05m，雜波速度方差δv＝1．0，雜波譜方差δf＝40，則K分布幅度仿真圖如圖5所示。

圖5 仿真K 分布海雜波時域波形

4．4 時空二維相關處理和功率擬合信號合成

上述通過SIRP 方法產(chǎn)生的海雜波序列為單點序列，本文運用基于功率擬合的方法合成海雜波信號。通過該方法合成的海雜波信號在雜波序列的整體功率上與通過GIT 模型計算出的功率一致，并且各采樣時刻的瞬時功率不斷變化，與統(tǒng)計模型相一致。設定末制導雷達參數(shù)：脈沖重復頻率fre＝5000Hz，帶寬B＝10MHz，采樣頻率5MHz，導彈末制導飛行高度h＝20m，速度v＝300m／s，速度方向90°（慣性坐標系下），發(fā)射功率Pm＝10kW，水平極化，綜合損耗-0．03dB／km，天線中心方位角85°，俯仰角0．15°，脈沖積累N＝32，海情1級，風向方位角45°。通過該方法合成的海雜波信號在雷達回波如圖6所示。

4．5 相鄰基波塊雷達海雜波回波顯示

上述方法產(chǎn)生的海雜波信號為固定海情為一級，實際上反艦導彈在末制導階段經(jīng)過不同基波塊海域海情是不斷變化的。此時若不及時修正海情等級容易造成仿真出得海雜波出現(xiàn)誤差，與真實情況有所差別，對判斷反艦導彈打擊實際目標效能產(chǎn)生一定的誤差。因此，文章中提出要實時修正反艦導彈經(jīng)過海域的海情等級。具體的海情等級參數(shù)一方面可通過長時間對該海域氣象記錄積累統(tǒng)計得到，也可通過氣象衛(wèi)星實時分析得到。本文設定相同的仿真參數(shù)，通過改變海情等級，截取了海雜波回波第一幀的截圖。如圖6所示，通過反艦導彈經(jīng)過海情為一級、二級基波塊的雷達回波對比圖發(fā)現(xiàn)相鄰基波塊雷達回波回波幅值和數(shù)量級發(fā)生了變化。

圖6 反艦導彈經(jīng)過海情為一級、二級基波塊時雷達回波對比圖

接著分別仿真了海情為三、四、五、六級基波塊海雜波回波圖，如圖7所示。

圖7 反艦導彈經(jīng)過海情為三、四、五、六級基波塊時雷達回波對比圖

通過觀察，反艦導彈經(jīng)過的基波塊海情從一級到二級，回波顯示海雜波實部幅度提升了一個數(shù)量級。海情從二級到三級、四級海情回波顯示海雜波實部幅度值變大。海情五級、海情六級與海情四級相比海雜波實部幅度值又提升了一個數(shù)量級。這說明不同基波塊海域海雜波由于海情等級不同造成海雜波不盡相同，并且海雜波的強度隨著海情升高而逐漸加大，同時仿真結果也表明海情等級越高目標檢測越困難。因此末制導階段經(jīng)過不同海情等級的基波塊時，只有通過修正海情等級及時更新海雜波回波，才能與戰(zhàn)場的真實情況更貼切。

5 結語

本文通過對反艦導彈打擊目標軌跡、海洋表面建模及海雜波信號級合成的研究，提出了一種基于基波海洋建模的末制導雷達海雜波仿真方法。通過劃分海域基波塊及時修正反艦導彈經(jīng)過海域的海情等級仿真出末制導雷達打擊目標過程中雷達海雜波變化的全過程。該方法對于研究海雜波對反艦導彈的影響和改進反艦導彈打擊目標效能評估提供了參考。

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