地波雷達(dá)組網(wǎng)探測(cè)高空目標(biāo)優(yōu)化布站

陳朝暉,郭徽東

(1.東海艦隊(duì)參謀部海情中心，浙江寧波　315122;2.海軍92403部隊(duì)51分隊(duì)，福建福州　350007)

地波雷達(dá)組網(wǎng)探測(cè)高空目標(biāo)優(yōu)化布站

陳朝暉1,郭徽東2

(1.東海艦隊(duì)參謀部海情中心，浙江寧波315122;2.海軍92403部隊(duì)51分隊(duì)，福建福州350007)

摘要:針對(duì)高空無人機(jī)等目標(biāo),建立基于高頻地波雷達(dá)為主的2D雷達(dá)探測(cè)網(wǎng),以目標(biāo)高度估計(jì)和協(xié)同補(bǔ)盲為約束條件,對(duì)2D雷達(dá)網(wǎng)的優(yōu)化布站問題進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)例仿真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明布站方法的有效性。

關(guān)鍵詞:地波雷達(dá);高度估計(jì);盲區(qū);布站

美“全球鷹”、“捕食者”等無人機(jī)在全球開展各種偵查任務(wù),尤其在我沿海抵近偵查任務(wù)越趨頻繁;高空無人機(jī)外形和橫截面設(shè)計(jì)自由度大,采取了雷達(dá)和紅外隱身等技術(shù),對(duì)一般的地面雷達(dá)而言,其RCS只有0.1m2,探測(cè)難度大[1]。高頻地波雷達(dá)工作波段長、電磁波繞射超視距探測(cè),對(duì)隱身目標(biāo)具有較好的探測(cè)性能,如何利用地波雷達(dá)和其他常規(guī)警戒雷達(dá)進(jìn)行優(yōu)化組網(wǎng)布站,并對(duì)其進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位,從而引導(dǎo)其他傳感器對(duì)其準(zhǔn)確定位和連續(xù)跟蹤,對(duì)高空隱身無人機(jī)目標(biāo)的預(yù)警具有重要意義[2]。

1雷達(dá)組網(wǎng)類型

高頻地波雷達(dá)利用垂直極化電磁波沿海面繞射傳播衰減較小的特點(diǎn),能夠探測(cè)數(shù)百千米外的海上飛行目標(biāo),其工作頻率在短波段,超出了隱形飛機(jī)設(shè)計(jì)頻率范圍,使雷達(dá)所呈現(xiàn)的雷達(dá)截面積增大,如厘米波條件下的隱形目標(biāo)的雷達(dá)截面積為0.01m2,同一目標(biāo)在米波條件下的0.1-0.3m2,提高10-35dB;然而高頻地波雷達(dá)只能直接測(cè)量到目標(biāo)的距離和方位信息,無法直接得到飛行目標(biāo)高度信息,忽略高度信息直接在二維平面上對(duì)飛行目標(biāo)進(jìn)行跟蹤將造成較大的定位誤差[3]。為充分利用高頻地波雷達(dá)反隱身特點(diǎn),將高頻地波雷達(dá)、常規(guī)對(duì)空警戒雷達(dá)等不同頻段和不同體制的雷達(dá)進(jìn)行優(yōu)化布站,形成對(duì)空2D雷達(dá)組網(wǎng),組網(wǎng)類型主要為:高頻地波雷達(dá)和常規(guī)對(duì)空雷達(dá)網(wǎng)形成的2D雷達(dá)網(wǎng)。

2布站分析

由于高頻地波雷達(dá)與其他2D雷達(dá)組成反隱身探測(cè)網(wǎng)時(shí),主要考慮其他雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)來襲方向上的補(bǔ)盲系數(shù)和對(duì)空域隱身目標(biāo)的高度定位,為從戰(zhàn)術(shù)配置上同時(shí)兼顧上述考慮,需分析區(qū)域補(bǔ)盲系數(shù)和高度定位的布站優(yōu)化問題。

2.1高度估計(jì)

高頻地波雷達(dá)只能直接測(cè)量到目標(biāo)的距離和方位信息,無法直接得到飛行目標(biāo)高度信息。通過多部雷達(dá)合理布站數(shù)據(jù)融合,綜合利用來自多部雷達(dá)的資源和相關(guān)冗余信息,可以獲得比運(yùn)用單部、孤立的雷達(dá)更加詳細(xì)而精確的目標(biāo)位置[4-5]，如圖1所示。

圖1　雙站地波雷達(dá)測(cè)高示意圖

可得目標(biāo)高度表達(dá)式為

(1)

高度估計(jì)方差為σH,有

(2)

其中，

(3)

綜合文獻(xiàn)[3]高頻地波雷達(dá)仿真參數(shù),假設(shè)高頻地波雷達(dá)1[X1,Y1]=[0km,0km], 高頻地波雷達(dá)2[X2,Y2]=[80km,0km]距離量測(cè)均方誤差為200m,角度均方誤差為1°,前置雷達(dá)[X,Y]=[40km,40km],距離量測(cè)均方誤差為100m,角度均方誤差為0.5°,無人機(jī)目標(biāo)高度19000m;前置雷達(dá)與兩套高頻地波雷達(dá)成等腰三角形配置。由圖2知,雙站地波雷達(dá)組網(wǎng)對(duì)高空目標(biāo)的高度估計(jì)誤差較大,距離30km時(shí)高度估計(jì)誤差約13%;引入哨艦部署的前置雷達(dá)組網(wǎng)后(見圖3),以等腰三角形配置時(shí),對(duì)高空目標(biāo)高度估計(jì)有顯著改善,前出雷達(dá)平臺(tái)附近30km內(nèi)目標(biāo)高度估計(jì)誤差約3%;即在地波雷達(dá)主要方向上配置1部常規(guī)警戒雷達(dá)對(duì)組網(wǎng)地波雷達(dá)的高空目標(biāo)估計(jì)具有明顯戰(zhàn)術(shù)作用。

圖2雙站地波雷達(dá)測(cè)高

圖3　地波雷達(dá)與前置雷達(dá)組網(wǎng)測(cè)高

2.2補(bǔ)盲系數(shù)

研究結(jié)果表明[6-7],在空間上隱身飛機(jī)的隱身設(shè)計(jì)主要針對(duì)其機(jī)頭機(jī)尾方向,隱身飛機(jī)在鼻錐方向和尾后方向一定角度范圍內(nèi)RCS縮減明顯,而在其它方向縮減不多。將隱身目標(biāo)的RCS作如下處理[1]:機(jī)頭±45°方向和機(jī)尾±45°方向的RCS很小或接近為零,其它方向的RCS等同于普通飛機(jī),單基雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤范圍如圖4所示。高頻地波雷達(dá)與常規(guī)對(duì)空警戒雷達(dá)組網(wǎng)時(shí),網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)均為2D雷達(dá),前置雷達(dá)平臺(tái)部署首先考慮對(duì)空警戒雷達(dá)的補(bǔ)盲系數(shù)問題,組網(wǎng)形式主要為1部前置常規(guī)對(duì)空2D警戒雷達(dá)在重點(diǎn)方向上進(jìn)行協(xié)同補(bǔ)盲。

圖4　雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的跟蹤范圍

雙站地波雷達(dá)補(bǔ)盲:假設(shè)地波雷達(dá)性能相同,最大探測(cè)距離均為Rmax(圖5),雷達(dá)O2對(duì)雷達(dá)O1進(jìn)行凹口補(bǔ)盲,d為雷達(dá)間距,隱身飛機(jī)入侵方位角為w。

圖5　雙站地波雷達(dá)補(bǔ)盲

(4)

(5)

(6)

O1C=dsin(π/4-w)

(7)

SABO1C≈BO1·O1C·sin(π/2)

(8)

(9)

(10)

補(bǔ)盲系數(shù)由式(10)計(jì)算。其中，

(11)

入侵方向?yàn)?10°、0°、10°時(shí)兩雷達(dá)的最佳布站距離分別為0.5Rmax、0.55Rmax、0.6Rmax,補(bǔ)盲系數(shù)為分別為0.23、0.26、0.28(見圖6)。

圖6　不同配置距離時(shí)雙站地波雷達(dá)補(bǔ)盲系數(shù)

前出雷達(dá)與地波雷達(dá)補(bǔ)盲:由圖6知,雙站地波雷達(dá)組網(wǎng)的共同盲區(qū)為圓弧ACD,為保證對(duì)空觀察的區(qū)域覆蓋,前出雷達(dá)O3的協(xié)同補(bǔ)盲區(qū)域?yàn)锳CD。由于單基雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的盲區(qū)為機(jī)首方向±45°,補(bǔ)盲區(qū)域ACD應(yīng)納入前出雷達(dá)的觀察范圍內(nèi),前置雷達(dá)對(duì)地波雷達(dá)盲區(qū)ACD補(bǔ)盲后,補(bǔ)盲區(qū)域?yàn)锳′B′CC′和D′DE′G′,補(bǔ)盲系數(shù)和補(bǔ)盲面積按雙站雷達(dá)補(bǔ)盲關(guān)系計(jì)算。由幾何關(guān)系得

(12)

DE′=CC′=d′sin(π/4-w)

(13)

AC′=rmax-CC′

(14)

SA′B′CC′≈CC′·AC′

(15)

SD′DE′G′≈DD·DE′

(16)

圖7　前置雷達(dá)補(bǔ)盲

圖8　0.5Rmax時(shí)前置雷達(dá)對(duì)雙站地波雷達(dá)的補(bǔ)盲面積曲線

雙站地波雷達(dá)補(bǔ)盲仿真態(tài)勢(shì)為:沿岸部署2套高頻地波雷達(dá),地波雷達(dá)對(duì)空中隱身目標(biāo)最大探測(cè)距離Rmax=150km,假設(shè)前置雷達(dá)對(duì)空中隱身目標(biāo)最大探測(cè)距離Rmax=60km,地波雷達(dá)間配置間距、前哨雷達(dá)與地波雷達(dá)盲區(qū)端點(diǎn)的配置間距由式(10)計(jì)算;空中目標(biāo)相對(duì)地波雷達(dá)的入侵角w=-10°,0°,10°。

由圖6知,當(dāng)w=-10°,0°,10°,雙站地波雷達(dá)對(duì)來襲方向上隱身目標(biāo)探測(cè)時(shí),最佳布站距離分別為0.51Rmax、0.53Rmax、0.58Rmax;入侵角ω小,補(bǔ)盲系數(shù)低,入侵角ω增大,補(bǔ)盲系數(shù)加大,組網(wǎng)效果較好。圖8為前置雷達(dá)與雙站地波雷達(dá)共同盲區(qū)凹口點(diǎn)C(圖5)不同距離時(shí),前置雷達(dá)對(duì)雙站地波雷達(dá)的補(bǔ)盲面積值,由圖8可知,0.68倍RAC距離時(shí),補(bǔ)盲面積最大,約為2100km2。

3實(shí)例計(jì)算

在上文仿真參數(shù)和補(bǔ)盲配置基礎(chǔ)上,對(duì)地波雷達(dá)和前置雷達(dá)對(duì)高空隱身目標(biāo)進(jìn)行組網(wǎng)估計(jì);高頻地波雷達(dá)O1[X1,Y1]=[0km,0km],高頻地波雷達(dá)O2[X2,Y2]=[120km,0km],假設(shè)其最大探測(cè)距離Rmax=200km,距離量測(cè)均方誤差為200m,角度均方誤差為1°,前置雷達(dá)O3最大探測(cè)距離rmax=60km,距離量測(cè)均方誤差為100m,角度均方誤差為0.5°;無人機(jī)目標(biāo)高度15000m。

圖9　前置雷達(dá)對(duì)地波雷達(dá)盲區(qū)的補(bǔ)盲面積

圖10　前置雷達(dá)入網(wǎng)后目標(biāo)的高度估計(jì)

由探測(cè)高空隱身目標(biāo)組網(wǎng)布站流程,計(jì)算地波雷達(dá)最佳部署距離和補(bǔ)盲面積。圖9為前置雷達(dá)對(duì)地波

雷達(dá)盲區(qū)的補(bǔ)盲面積,圖10為前置雷達(dá)入網(wǎng)后目標(biāo)的高度估計(jì)。由圖9知,地波雷達(dá)間距越小,地波雷達(dá)共同盲區(qū)越大,需前置雷達(dá)進(jìn)行補(bǔ)盲的面積越大,最大可達(dá)3200km2。綜合圖6、圖9,入侵角w=0時(shí),地波雷達(dá)最佳間距約為0.5-0.6Rmax,此時(shí),前置雷達(dá)對(duì)地波雷達(dá)共同盲區(qū)的最佳間距約為0.6-0.7Rmax,補(bǔ)盲面積約為1800km2。地波雷達(dá)間距小于0.5Rmax時(shí),前置雷達(dá)應(yīng)配置在距地波雷達(dá)凹口盲區(qū)點(diǎn)0.7-0.8Rmax附近,此時(shí)補(bǔ)盲面積較大;地波雷達(dá)間距大于其最佳間距時(shí),前置雷達(dá)應(yīng)配置在距地波雷達(dá)凹口盲區(qū)點(diǎn)0.5-0.6Rmax左右附近,此時(shí)補(bǔ)盲面積較大。

根據(jù)圖9的仿真結(jié)果,配置前置雷達(dá)入網(wǎng),其配置陣位為距地波雷達(dá)凹口盲區(qū)點(diǎn)右側(cè)0.6Rmax。由圖10知,前置雷達(dá)入網(wǎng)后目標(biāo)的高度估計(jì)明顯提升,入侵角方向50km內(nèi),前置雷達(dá)對(duì)高空目標(biāo)的高度估計(jì)誤差小于1km,30km內(nèi),高度估計(jì)誤差小于500m;重點(diǎn)地波雷達(dá)2探測(cè)范圍100km內(nèi),高度估計(jì)誤差小于800m;地波雷達(dá)1探測(cè)范圍50km內(nèi),高度估計(jì)誤差小于1km。

4結(jié)束語

基于地波雷達(dá)組網(wǎng)布站是以理想2D雷達(dá)組網(wǎng)探測(cè)高空隱身目標(biāo)為應(yīng)用背景,綜合隱身目標(biāo)RCS特性和多站2D雷達(dá)高度估計(jì)等因素,對(duì)地波雷達(dá)、前置雷達(dá)的布站方法進(jìn)行計(jì)算和仿真,對(duì)發(fā)揮組網(wǎng)雷達(dá)大范圍觀察預(yù)警具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義;關(guān)于前置雷達(dá)的機(jī)動(dòng)部署和隱身目標(biāo)入侵角等因素的考慮有待進(jìn)一步研究。

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Optimized Deployment on Networked Surface Wave OTHR for Airtarget Detection

CHEN Chao-hui1, GUO Hui-dong2

(1.The Joint Naval Intelligence Center of the East China Sea Fleet Command, Ningbo 315122;2.Team 51,Unit 92403 of Navy,Fuzhou 350007, China)

Abstract:To detect the high altitude target,the model of high-frequency groud wave radar netting is established based on altitude estimation and notch blind area,The optimal deployment of radars netting is discussed when the orientation of target varies.the simulation results evaluate the performance of the proposed method.Some useful conclusions are achieved.

Key words:groud wave radar; high estimation; notch blind area; deployment

文章編號(hào)：1673-3819(2016)03-0055-04

收稿日期：2016-01-08

作者簡介：陳朝暉(1975-),男,浙江金華人,工程師,研究方向?yàn)槔走_(dá)信息處理。 郭徽東(1976-),男,博士,工程師。

中圖分類號(hào):TN958；E91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.03.010

修回日期： 2016-02-16