一種末制導雷達海面小目標檢測模式研究

逯 程，李相平，趙 駿，李 睿，鄧 焯

(1.海軍航空工程學院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001; 2. 92665部隊，湖南 張家界 427200)

【信息科學與控制工程】

一種末制導雷達海面小目標檢測模式研究

逯 程1，李相平1，趙 駿1，李 睿2，鄧 焯2

(1.海軍航空工程學院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001; 2. 92665部隊，湖南 張家界 427200)

為了解決當前末制導雷達檢測海面小目標困難的問題，提出了一種基于距離掃描定位的間接角度測量模式。該模式運用距離向的掃描和一維信號處理目標檢測方法，確定目標的距離信息；劃分方位向波束掃描區(qū)域，運用二分法并結(jié)合距離向的檢測結(jié)果，間接確定目標的方位信息。該種小目標檢測模式避開了末制導雷達遠距離測角精度受限問題，可以有效地檢測海面小目標。

距離掃描定位；一維信號處理目標檢測；區(qū)域劃分；二分法

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，反艦導彈是參與作戰(zhàn)的主要武器，其作戰(zhàn)性能往往是成敗的關鍵。隨著越來越多型號和功用的水面艦艇投入實用，反艦導彈需要打擊的目標類型也不斷增加。傳統(tǒng)的反艦導彈設計思想認為能夠產(chǎn)生較強雷達回波信號的海面大中型目標具有較大威脅性，故而導彈目標檢測系統(tǒng)都是按照以攻擊海面大中型目標為目的進行設計的。而今以導彈快艇為代表的海面小型艦艇擁有速度快、攻擊性強、隱蔽性好等優(yōu)點[1]，已然成為了海戰(zhàn)中的重要威脅。由于海面小目標的雷達回波信號很容易淹沒在海雜波之中[2]，原本用來捕捉海面大中型目標的導彈目標檢測系統(tǒng)難以有效識別海面小目標。為此，需要尋求一種末制導雷達海面小目標檢測模式來加強對海面小目標的檢測。

1 傳統(tǒng)檢測模式檢測海面小目標情況

末制導雷達最主要的任務就是完成對目標的“搜”和“捕”，即是完成搜索海面發(fā)現(xiàn)目標位置和精確跟蹤移動目標這2個過程[3]。傳統(tǒng)的末制導雷達采用單脈沖體制進行對目標角度的精確測量。常用的振幅和差式單脈沖雷達的波束由2個相同的子波束組成[4]，它們以天線軸為對稱中心，如圖1所示。

圖1 振幅和差式單脈沖雷達波束示意圖

而在探測海面小目標時，回波脈沖信噪比較高這一前提并不成立，海面小目標的回波信號較弱，其幅度與海雜波相近，經(jīng)常淹沒在海雜波之中。在這種情況下，單脈沖雷達接收目標回波的情況就發(fā)生了改變。單脈沖雷達的波束寬度是有限制的，因此其角度分辨率也是有限制的。常見的X波段末制導單脈沖體制雷達波束寬度一般在7°～9°，而Ka波段以及毫米波波段的雷達雖然波束寬度有變窄，但也很難縮減到1.5°以下。末制導雷達需要遠程發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標，在距離目標幾十千米之外就要有發(fā)現(xiàn)目標的能力，而在這個距離上的角度分辨率按較窄的波束寬度來算也在幾百米左右。海面小目標的代表導彈快艇的長度一般不超過40 m，寬度一般不超過10 m。這就意味著在一個波束的角度分辨單元內(nèi)存在著大量的海水區(qū)域，小目標的回波信號遠遠不如大片海水的回波信號強烈[5]。若是不采用其他方法進行信號處理，僅靠方位上就想測出小目標所在角度，是無法實現(xiàn)的。

2 基于距離掃描定位的間接角度測量模式

2.1 距離向目標檢測

要實現(xiàn)對海面小目標的有效檢測，必須改進末制導雷達的測角、測距模式。由于單脈沖雷達難以遠距離測出小目標方位，因此改用其他雷達體制進行探測。建立一種基于距離掃描定位的間接角度測量模式。該模式下末制導雷達的天線波束無需像單脈沖體制一樣由2個子波束組成，只需一個完整的波束，其波束寬度越窄越好。其距離向檢測目標示意圖分別如圖2所示。

圖2 距離向檢測目標示意圖

在距離向檢測小目標時，探測脈沖寬度為τ，脈沖重復周期為Tr，距離掃描范圍為Lmin～Lmax，導彈飛行速度為Vm，目標徑向運動速度為Vt，電磁波傳播速度為c。則波束距離向的分辨單元為

(1)

掃描一個距離探測范圍所花費的時間為

(2)

依據(jù)常規(guī)的導彈參數(shù)計算，并設置Lf與小目標長度相仿，得到Ts是分秒量級的。則每一個周期Ts內(nèi)，末制導雷達都在掃描范圍Lmin～Lmax內(nèi)無間隔地由遠至近掃描了一遍，以每個波束距離向分辨單元Tf內(nèi)的回波信號為基本數(shù)值形成了海面回波按照距離由遠及近的一串數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)串中只有一個距離點的數(shù)值是回波信號，其他距離點的數(shù)值是海雜波。這些海雜波是海面上一個連續(xù)的直線帶形成的，符合海雜波的統(tǒng)計信息。運用相參積累和FRFT等信號處理方法[6-12]處理這個一維信息，可以將小目標回波信號區(qū)分出來，得到它的距離。

2.2 方位向目標檢測

設波束寬度為φ，天線從左至右掃描一個扇形范圍的總角度為φa。取一個合適的整數(shù)N，使得

(3)

并使φa落于20°～25°范圍內(nèi)。

令天線第一次從左至右掃描整個扇形范圍的時間為

Ta=N·Ts

(4)

則在Ta時間內(nèi)，把末制導雷達的方位掃描范圍等分成了N個區(qū)域，每個區(qū)域角度范圍與天線波束寬度相同，且掃描時間為Ts，恰好是距離掃描的一個周期。運用距離向一維小目標檢測方法，可以知道小目標所在角度區(qū)域和距離區(qū)域。即第一次掃描就可以確定目標的大致方位和距離。

第二次掃描確定目標的具體方位和距離信息，波束的掃描范圍為第一次掃描確定的小目標所在角度區(qū)域中心角度±φ。其方位向檢測目標示意圖如圖3所示。

圖3 方位向檢測目標示意圖

當波束掃描處于不同的位置時，根據(jù)距離向一維信號檢測的結(jié)果，存在波束能夠檢測出目標和波束不能夠檢測出目標2種情況。圖3中，位置1表示未能檢測出目標的波束角度；位置2表示掃描過程中第一次能夠檢測出目標的波束角度；位置4表示掃描過程中最后一次能夠檢測出目標的波束角度；位置3表示掃描過程中介于位置2和4之間一直能夠檢測出目標的任一波束角度。海面背景在方位向連續(xù)掃描的過程中是一個隨機過程，其回波信號能呈現(xiàn)出特有的統(tǒng)計規(guī)律[13]。認為在位置2和4恰好能夠在距離向檢測出目標時，目標相對于2個波束中心角度的偏角是相同的。因此，精確的目標角度可表示為

(5)

其中：φ2和φ4分別為位置2和4的波束中心角度。

對于任意一個波束位置，要確定其中是否有目標，都要經(jīng)歷一次距離向的掃描和一維目標檢測，要花費一定的時間。所以，在確定位置2和4時，不能連續(xù)地掃描細小的角度單元。對此采用二分法來解決。在第二次掃描的左半?yún)^(qū)域，先將波束對準該區(qū)域的中心角度，進行一次距離向的掃描和一維目標檢測。若檢測出目標，則下一個波束角度位置確定為左側(cè)半?yún)^(qū)域的中心角；反之，則下一個波束角度位置確定為右側(cè)半?yún)^(qū)域的中心角。重復以上步驟直至達到所需的角度測量精度。根據(jù)現(xiàn)有末制導雷達參數(shù)及角度測量精度要求，可得用二分法確定位置2和4總共至多需要12Ts，其數(shù)值為秒量級，符合實際要求。

3 結(jié)論

采用該種基于距離掃描定位的間接角度測量模式，從理論上可以解決當前末制導雷達難以檢測海面小目標的檢測機制問題。該檢測模式巧妙地避開了末制導雷達遠距離測角精度受限的問題，運用距離向的掃描和一維目標檢測間接地得出目標的角度信息。該種測量模式檢測海面小目標相對于傳統(tǒng)的單脈沖模式檢測海面普通目標，其得到目標距離和方位信息的時間都在合理范圍之內(nèi)但相對較長，因此也需要改進目標跟蹤機制。

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(責任編輯 楊繼森)

Study on Small Sea Surface Target Detection Mode in Terminal Guidance Radar

LU Cheng1, LI Xiang-ping1, ZHAO Jun1, LI Rui2, Deng Zhuo2

(1.Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China; 2.The 92665thTroop of PLA, Zhangjiajie 427200, China)

In order to solve the issue that it is difficult for current terminal guidance radar to detect small targets on sea surface, we established a kind of indirect angle measuring mode based on positioning by scanning in distance. This mode used the methods of scanning in distance and one-dimensional signal processing target detection to determine the distance information of target; with the method of dichotomy and the result of detection in distance, azimuthal beam scanning area was divided to determine the azimuthal information of target indirectly. This kind of small target detection mode avoids the long-range terminal guidance radar problem of limited angular accuracy and it can detect small targets on sea surface effectively.

positioning by scanning in distance; one-dimensional signal processing target detection; area partition; dichotomy

2015-03-02

逯程(1990—)，男，碩士研究生，主要從事于反艦導彈天線與攻擊海面小目標等方面的研究。

10.11809/scbgxb2015.08.031

逯程，李相平，趙駿，等.一種末制導雷達海面小目標檢測模式研究[J].四川兵工學報，2015(8):124-126.

format:LU Cheng, LI Xiang-ping, ZHAO Jun, et al.Study on Small Sea Surface Target Detection Mode in Terminal Guidance Radar[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):124-126.

TJ761.14; E933.6

A

1006-0707(2015)08-0124-03