機(jī)載PD雷達(dá)雜波建模與仿真研究

楊繼庚，董文鋒

(空軍預(yù)警學(xué)院,武漢 430019)

機(jī)載PD雷達(dá)雜波建模與仿真研究

楊繼庚，董文鋒

(空軍預(yù)警學(xué)院,武漢 430019)

摘要：針對(duì)機(jī)載脈沖多普勒(PD)雷達(dá)地雜波仿真實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，基于一種簡化的機(jī)載PD雷達(dá)相干地雜波仿真模型，建立了機(jī)載PD雷達(dá)在地雜波中檢測目標(biāo)的模型。該方法能準(zhǔn)確反映出高度線雜波、主瓣雜波、副瓣雜波、目標(biāo)回波的功率關(guān)系。結(jié)合仿真結(jié)果分析了機(jī)載PD雷達(dá)對(duì)處于不同雜波區(qū)目標(biāo)的檢測能力，結(jié)果與實(shí)際情況符合較好。

關(guān)鍵詞：脈沖多普勒雷達(dá)；地雜波；主瓣雜波；相干

0引言

機(jī)載雷達(dá)平臺(tái)高，克服了地面雷達(dá)對(duì)低空小目標(biāo)探測能力弱的缺點(diǎn)。但是機(jī)載PD雷達(dá)處于下視工作狀態(tài)時(shí)，回波中有強(qiáng)的地雜波，機(jī)載雷達(dá)檢測出目標(biāo)必須克服地雜波的影響[1]。對(duì)地雜波進(jìn)行建模分析是仿真研究PD雷達(dá)目標(biāo)檢測能力的基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[2]和[3]里面采用網(wǎng)格積分法處理地雜波，這種方法計(jì)算量大，在積分區(qū)容易出現(xiàn)反常積分。文獻(xiàn)[4]單純地從地雜波角度考慮，沒有反映出地雜波對(duì)檢測目標(biāo)的影響。

本文基于以上情況，采用網(wǎng)格映像法對(duì)相干地雜波進(jìn)行建模與仿真，將一個(gè)網(wǎng)格單元近似為一個(gè)矩形平面，從而避開了積分法遇到的反常積分，大大減小了計(jì)算量。并假定了目標(biāo)與載機(jī)的運(yùn)動(dòng)航跡，分析了目標(biāo)處于不同雜波區(qū)時(shí)雜波對(duì)信噪比的影響。

1雜波建模

1.1　雜波單元網(wǎng)格劃分

設(shè)機(jī)載雷達(dá)沿Y軸水平飛行，速度為V0，載機(jī)高度為H，方位角(與X軸正方向夾角)、仰角分別設(shè)為φ、α。由于機(jī)載平臺(tái)與地面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地雜波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移:

(1)

在對(duì)雜波單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，本文基于距離-速度劃分方法，采用距離-方位劃分網(wǎng)格單元。在距離上，將雷達(dá)最小分辨距離作為雷達(dá)到地面斜線的劃分單元，將此單元投影到地面上，地面等距離線單元大小為：

(2)

可以看出，等距離環(huán)是以雷達(dá)在地面垂直投影點(diǎn)為圓心的同心圓，但是等距離線之間的間隔隨著俯仰角的變大而變大。在同一距離環(huán)內(nèi)仰角不變,于是有：

(3)

(4)

劃分網(wǎng)格單元如圖1所示。

于是雜波單元面積為:

(5)

1.2　地面反射特性

圖1　雜波網(wǎng)格劃分圖

本文采用文獻(xiàn)[3]里面修正的地面散射系數(shù):

(6)

式中:α為雷達(dá)波擦地角(入射余角);θ0為定值，表示鏡面反射區(qū)域，一般取5°;σos和σod也為定值，σos比σod大很多，通常取σos=8，σod=0.01;等式右邊第一項(xiàng)為漫反射分量，第二項(xiàng)為鏡面反射分量，此項(xiàng)構(gòu)成高度線雜波，所以高度回波一般較強(qiáng)。

1.3　天線方向圖

方位角、仰角為(α,φ)方向上的天線增益為:

(7)

式中:φ0為主瓣方位角;α0為主瓣仰角;行列均采用泰勒加權(quán)；M為陣列行數(shù)；N為陣列列數(shù)；α0.5為水平波瓣寬度，α0.5=100°/N；φ0.5為垂直波瓣寬度，φ0.5=100°/M。

1.4　相干地雜波回波信號(hào)模型

根據(jù)雷達(dá)距離方程可推導(dǎo)出第m個(gè)雜波單元反射的雷達(dá)回波信號(hào)幅度：

(8)

此雜波單元對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)多普勒相移為:

(9)

式中:ψ0為服從[0,2π]均勻分布的隨機(jī)相位;f0為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的載頻;fd為此回波單元的多普勒頻移。

對(duì)于機(jī)載PD雷達(dá)而言，雷達(dá)波束照射到地面的距離會(huì)大于雷達(dá)的最大不模糊距離，也就是會(huì)有距離模糊。距離為R的檢測單元的地雜波回波信號(hào)其實(shí)是下列距離單元信號(hào)的相干累加，也就是[5]:

Ri=R+iRu

(10)

式中:H≤Ri≤Rmax，Rmax為載機(jī)最大探測距離;R為目標(biāo)所處的雜波單元的距離，R∈[0,Ru]，Ru=cTrep/2,為雷達(dá)最大不模糊距離。

此距離單元經(jīng)接收機(jī)混頻后的回波信號(hào)為:

(11)

式中:M為次距離單元模糊次數(shù);N為一個(gè)距離單元內(nèi)雜波單元的個(gè)數(shù)。

2目標(biāo)的多普勒頻移計(jì)算

設(shè)載機(jī)速度為V0，目標(biāo)初始位置為B點(diǎn)，位于預(yù)警機(jī)右側(cè)，速度為V1，與雷達(dá)照射波速的夾角為θ1(t)，目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的仰角為α1(t)，方位角為φ1(t)，航向角為β，如圖2所示。于是有：

(12)

圖2　目標(biāo)和雷達(dá)載機(jī)的航線

3雜波區(qū)域分布仿真與分析

3.1　仿真條件

仿真條件如表1所示。

表1　雜波區(qū)域分布仿真條件

3.2　仿真結(jié)果

當(dāng)方位角為44°，仰角為12°，重頻為1 kHz時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示；當(dāng)方位角為44°，仰角為12°，重頻為6 kHz時(shí)，仿真結(jié)果如圖4所示；當(dāng)方位角為44°，仰角為12°，重頻為80 kHz時(shí)，仿真結(jié)果如圖5所示；當(dāng)方位角為-11.2°，仰角為3.55°，重頻為40 kHz,vtarget=0 km/h時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示；當(dāng)方位角為-11.2°，仰角為3.55°，重頻為40 kHz,vtarget=600 km/h時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示；當(dāng)方位角為-11.2°，仰角為3.55°，重頻為40 kHz,vtarget=1 400 km/h時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖3　低重頻地雜波譜

圖4　中重頻地雜波譜

圖5　高重頻地雜波譜

圖6　目標(biāo)處于主瓣雜波區(qū)

圖7　目標(biāo)處于旁瓣雜波區(qū)

圖8　目標(biāo)處于無雜波區(qū)

3.3　仿真分析

圖3～圖5的仿真條件是載機(jī)高度為3 km，方位角44°，仰角12°。脈沖重復(fù)頻率依次為1 kHz(低重頻)，6 kHz(中重頻)，80 kHz(高重頻)。通過公式R=H/sinα和式(1)計(jì)算出主瓣雜波的距離為14.4 km，主瓣雜波多普勒頻移為7 550 Hz，最大地雜波多普勒頻移為11.1 kHz?？梢钥闯觯走_(dá)主瓣雜波較窄，主瓣雜波很強(qiáng)，其次是高度線雜波，然后是副瓣雜波。

主瓣雜波高于高度線雜波10 dB左右，高于副瓣雜波30 dB左右。高度線雜波在載機(jī)的高度距離3 km處。從圖3可以看出，低重頻時(shí)沒有距離模糊，雜波落在14.5 km處，而頻域高度模糊，主瓣雜波落在600 Hz處，雜波覆蓋整個(gè)頻域。圖4中主瓣雜波落在1 680 Hz處，產(chǎn)生頻率模糊，由于主瓣距離較近，最大不模糊距離為30 km, 此時(shí)沒有距離模糊，但雷達(dá)掃描過程中主瓣的距離往往會(huì)大于30 km,也就很容易出現(xiàn)距離模糊。圖5沒有頻率模糊，頻域上雜波高度集中，而距離上產(chǎn)生高度模糊，雜波落在1.46 km處。

說明重頻低時(shí)沒有距離模糊，但會(huì)導(dǎo)致頻域嚴(yán)重模糊；中重頻時(shí)，頻域與距離域都會(huì)有模糊；高重頻時(shí)，沒有頻率模糊，但是距離上嚴(yán)重模糊。同時(shí)，重頻越高，雜波單元覆蓋的距離單元越多。

圖6～圖8仿真條件是:目標(biāo)高度為1 km，載機(jī)高度為8 km，主瓣方位角為-11.2°，仰角為3.55°，目標(biāo)航向30°。由于仰角太低，導(dǎo)致主瓣覆蓋到整個(gè)距離單元。相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6中，目標(biāo)切向速度為0，此時(shí)目標(biāo)完全淹沒在主板雜波中，無法檢測；圖7中，目標(biāo)處于旁瓣雜波區(qū)，此時(shí)目標(biāo)可以被檢測出，但是對(duì)于小目標(biāo)而言，回波較弱，很難檢測出；圖8中，目標(biāo)處于無雜波區(qū)，可以被清晰地檢測出。

表2　不同條件下的信雜比對(duì)照表

4結(jié)束語

本文采用網(wǎng)格映像法對(duì)機(jī)載多普勒雷達(dá)雜波進(jìn)行了仿真，結(jié)論與實(shí)際情況符合較好。驗(yàn)證了多普勒雷達(dá)在低重頻時(shí)，頻率高度模糊；中重頻時(shí)，頻域距離域均有模糊；高重頻時(shí)距離高度模糊。同時(shí)高重頻時(shí)或者低仰角時(shí)，主瓣雜波覆蓋距離單元數(shù)較多。

文章還仿真并分析了脈沖多普勒雷達(dá)對(duì)不同速度運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測能力，在無雜波區(qū)可以清楚地檢測目標(biāo)，在副瓣雜波區(qū)可以檢測到雷達(dá)截面積較大的目標(biāo)，而在主瓣雜波區(qū)和高度線雜波區(qū)無法檢測目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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Research into Modeling and Simulation of

Airborne Pulse Doppler Radar Clutter

YANG Ji-geng,DONG Wen-feng

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

Abstract:Aiming at the complexity to realize ground clutter simulation of airborne pulse Doppler (PD) radar,this paper builds up the model of airborne PD radar detecting targets in ground clutter based on a simplified coherent ground clutter simulation model of airborne PD radar.The method can accurately reflect the power relations among height clutter,main-lobe clutter,side-lobe clutter and target echo.Combined with simulation result,the target detection capability of airborne PD radar in different clutter zones is analyzed,and the result is consistent with practice.

Key words:pulse Doppler radar;ground clutter;main lobe clutter；coherent

收稿日期:2014-12-17

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.018

中圖分類號(hào)：TN958.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0065-05