低重頻雷達(dá)導(dǎo)引頭副瓣雜波特性分析

黃新松 張江華

(1.海軍駐南昌地區(qū)軍事代表室南昌;2.西安電子工程研究所西安710100)

總體工程

低重頻雷達(dá)導(dǎo)引頭副瓣雜波特性分析

黃新松1張江華2

(1.海軍駐南昌地區(qū)軍事代表室南昌;2.西安電子工程研究所西安710100)

常規(guī)反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭一般采取掠海飛行彈道，此時(shí)海面后向散射系數(shù)很小，距離折疊因素影響很小;對(duì)于高彈道飛行條件下時(shí)，需要考慮距離折疊因素對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測(cè)性能影響，本文通過(guò)對(duì)海面雜波進(jìn)行距離－角度剖分，進(jìn)而把雜波能量映射到距離－多普勒單元內(nèi)。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)考慮距離折疊因素以后，海雜波將會(huì)提高約2dB(相對(duì)于不考慮距離折疊情形)，對(duì)作用距離估計(jì)影響可達(dá)12%。

電磁環(huán)境;統(tǒng)計(jì);分析

0 引 言

通常，反艦導(dǎo)彈采用掠海飛行彈道飛行，雷達(dá)導(dǎo)引頭天線波束與海平面之間夾角很小，海面后向散射系數(shù)也很小，海雜波對(duì)相參體制雷達(dá)導(dǎo)引頭作用距離影響很小，不需要特殊考慮。當(dāng)導(dǎo)彈需要從無(wú)人機(jī)、固定翼平臺(tái)高空發(fā)射近程反艦導(dǎo)彈時(shí)，由于導(dǎo)彈飛行彈道高度高，下視角大，海面后向散射系數(shù)大幅度增加，海雜波影響已無(wú)法忽略。Fred E.Nathanson的研究［1］顯示，在5級(jí)海情下，30°下視角后向散射系數(shù)可以達(dá)到－20dBm2/ m2，當(dāng)下視角1°時(shí)，后向散射系數(shù)則為－32 dBm2/ m2。張鵬［2］等基于混沌學(xué)分析了海雜波特性;陳鬧［3］研究了韋布爾分布海雜波的建模與其FPGA實(shí)現(xiàn);熊昭華等基于統(tǒng)計(jì)雜波模型研究了海雜波的空時(shí)二維特性［4］;徐湛等研究了相關(guān)K分布海雜波模型［5］;盧寧等研究了但上述文獻(xiàn)均未考慮近程反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭的距離折疊影響［6］;Tan Hui［7］等研究了不同海情對(duì)雜波影響。與地面探測(cè)不同，海面探測(cè)不存在地物遮擋，近程反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭作用距離一般只有幾公里遠(yuǎn)，現(xiàn)代先進(jìn)體制雷達(dá)導(dǎo)引頭一般采用固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)，為了盡可能降低發(fā)射功率，要求在保證最遠(yuǎn)探測(cè)距離測(cè)距不模糊的前提下，盡量提高脈沖重復(fù)頻率，海面高空飛行導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭可視距離達(dá)數(shù)十公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)導(dǎo)引頭的模糊距離，對(duì)低重頻雷達(dá)導(dǎo)引頭距離折疊影響尚未見(jiàn)研究報(bào)道。

1 海面最大視距估算

如圖1所示，雷達(dá)距離海平面高度為h，從雷達(dá)到地球球面做射線r，與球面夾角為θ從雷達(dá)到地球切平面做射線長(zhǎng)度也是r，與切平面的夾角為θ'。根據(jù)球面三角公式有:

由于導(dǎo)彈飛行高度相對(duì)地球曲率半徑來(lái)說(shuō)很小，可以忽略式中的h2項(xiàng)，上式為:

視距的極限為射線r和地球球面相切的情況，即θ=0;

這時(shí)，射線r的長(zhǎng)度為:

注意，這里，re=8500km。

2 海面雜波計(jì)算

對(duì)于脈沖多普勒體制雷達(dá)導(dǎo)引頭來(lái)說(shuō)，一般采用距離－多普勒處理技術(shù)來(lái)減小雜波影響，距離維把整個(gè)模糊距離上劃分為若干個(gè)距離分辨單元去處理，多普勒維則把脈沖重復(fù)頻率劃分成2n個(gè)多普勒分辨單元處理。

為了利用數(shù)值方法模擬雜波，一般需要把雜波在距離維和多普勒維進(jìn)行剖分，且保證雜波剖分單元(距離/多普勒)達(dá)到雷達(dá)分辨單元(距離/多普勒)1/2－1/4。

圖1 理想球面視距計(jì)算

根據(jù)公開(kāi)發(fā)表資料可以獲得各級(jí)海情以及不同下視角條件下的后向散射系數(shù)，為了考慮海雜波影響可以對(duì)海面進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計(jì)算海雜波。

為了簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算，可以以雷達(dá)導(dǎo)引頭天線為中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，假定導(dǎo)彈速度位于(X，Y)平面內(nèi)，速度矢量與X軸之間夾角為δ，雷達(dá)導(dǎo)引頭的坐標(biāo)為(xR，yR，zR)，地面雜波單元的坐標(biāo)為(xC，yC，zC)，雷達(dá)與雜波之間的距離

根據(jù)前面的假定，

根據(jù)雷達(dá)與雜波單元之間的相對(duì)速度進(jìn)一步可以得到雜波相對(duì)于載波的多普勒頻率

考慮到低重頻導(dǎo)引頭在多普勒維是模糊的，即多普勒頻率超過(guò)脈沖重復(fù)頻率(PRF)以后會(huì)發(fā)生折疊，雜波所處的多普勒單元號(hào)由下式給出:

理論上講，低重頻雷達(dá)導(dǎo)引頭盡管在距離維不會(huì)發(fā)生折疊，實(shí)際中為了盡可能提高導(dǎo)引頭的平均發(fā)射功率，總是在滿足最大探測(cè)距離的前提下盡可能提高導(dǎo)引頭的脈沖重復(fù)頻率。最大不模糊距離由下式給出:

如近距離反艦導(dǎo)引頭的典型重頻是10KHz，最大不模糊距離只有15km，在海面背景，這么近的不模糊距離不僅會(huì)導(dǎo)致雜波很容易發(fā)生折疊，有些大型目標(biāo)也會(huì)發(fā)生距離折疊。

根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)引頭的距離分辨率進(jìn)一步可以確定雜波所處距離單元號(hào)(考慮距離折疊):

雜波回波功率滿足雷達(dá)方程，

上式中，腳標(biāo)m代表第m個(gè)距離雜波單元，k代表第k個(gè)多普勒雜波單元，θk代表相對(duì)天線電軸的方位夾角，εm代表相對(duì)天線電軸的俯仰夾角，G(θk，εm)代表雜波單元相對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭天線波束電軸的方向夾角，λ代表波長(zhǎng)，σmk代表映射到第m個(gè)距離單元、k個(gè)多普勒通道的雜波散射面積。

通常有兩種方法劃分雜波單元，一種是直接根據(jù)距離－多普勒回波單元映射到地面或海面對(duì)應(yīng)區(qū)域，由于雜波在距離、多普勒維都存在模糊，且隨方位角不斷變化，這種雜波剖分方法實(shí)現(xiàn)上十分困難。這里對(duì)海面區(qū)域采用極坐標(biāo)的剖分方案，即以雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，首先對(duì)海面區(qū)域用若干個(gè)距離環(huán)進(jìn)行剖分，環(huán)間距即是雜波單元的距離分辨力，方位上，以遠(yuǎn)小于雷達(dá)天線波束寬度的角度進(jìn)行剖分，如圖所示。

為了確定雜波功率，還需要進(jìn)一步確定雜波相對(duì)于天線電軸的夾角，在圖2的坐標(biāo)系中天線指向可以用向量表示為:

這里，α為天線俯仰指向，β為天線方位指向雜波相對(duì)天線中心的向量表示為:

φ為雜波相對(duì)于雷達(dá)的方位角，ε為雜波相對(duì)于雷達(dá)的俯仰角，

雜波單元與天線電軸之間的夾角為ξ，

仿真時(shí)天線方向圖可以采用真實(shí)的天線方向圖，也可以采用如下的近似模型:

上式中，a為天線波束寬度，Gmax為天線增益。

圖2 基于網(wǎng)格剖分的雜波計(jì)算

根據(jù)(15)式，(11)式可以進(jìn)一步改寫為:

為了計(jì)算所有距離－多普勒單元內(nèi)的雜波，可以采取如下步驟:

1)選定雜波單元所在距離、方位角;

2)利用(9)式計(jì)算雜波單元映射多普勒通道號(hào)

3)利用(11)式計(jì)算雜波映射距離單元號(hào);

4)利用(16)式計(jì)算雜波功率;

雷達(dá)距離－多普勒單元內(nèi)的雜波實(shí)際由從導(dǎo)引頭飛行高度到最大視線距離，以及方位上360°范圍內(nèi)背景反射功率決定。

5)雷達(dá)導(dǎo)引頭距離 －多普勒單元內(nèi)的雜波為:

3 計(jì)算實(shí)例

波長(zhǎng):8.6mm

天線波束寬度:4.5°

導(dǎo)彈飛行高度:1000m

多普勒單元數(shù):128

距離單元數(shù):2000

平臺(tái)速度:300m/s

海面后向散射系數(shù):－20dB(5級(jí)海情，－30°下視角)

圖4 海雜波仿真結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，考慮距離折疊影響，副瓣雜波約將會(huì)提高2dB，對(duì)作用距離的影響約為2dB，對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭作用距離影響約為12%，而主瓣雜波則主要取決于天線波束指向是否超出折疊距離。

對(duì)于低重頻雷達(dá)導(dǎo)引頭，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)都是在副瓣雜波區(qū)完成，對(duì)副瓣雜波電平的估計(jì)直接影響著導(dǎo)引頭對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)距離。

4 結(jié) 論

本文給出一種基于網(wǎng)格剖分算法的海雜波計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)海面進(jìn)行極坐標(biāo)網(wǎng)格剖分，利用海面后向散射系數(shù)，計(jì)算出雷達(dá)導(dǎo)引頭的主瓣、副瓣雜波。數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果顯示，在高彈道飛行反艦彈雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中，如果不考慮距離折疊影響，對(duì)導(dǎo)引頭作用距離影響最大可達(dá)12%。

［1］Fred E.Nathanson，et al，Radar Design Principles，McGraw－Hill，Inc，1991:275－278.

［2］張鵬等.基于混沌學(xué)的海雜波分析［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2002，(3):42－46.

［3］陳鬧.韋布爾分布海雜波的建模與FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2013，(6):4－7.

［4］熊昭華等.機(jī)載雷達(dá)空時(shí)二維海雜波分析［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，(10):350－355.

［5］徐湛等.時(shí)空相關(guān)K分布海雜波的建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，(5):868－871.

［6］盧寧等.海雜波背景下的GRNN小目標(biāo)檢測(cè)，火控雷達(dá)技術(shù)，2012，(6):4－7.

［7］Tan Hui，F(xiàn)ang Chonghua;Simulation of impact of sea clutter to radar detecting performance，2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation，and EMC Technologies(MAPE)，28－30 Oct.2015:340－343.

Analysis on Sidelobe Clutter Characteristics of Low Pulse Repetition Frequency Radar Seeker

Huang Xinsong1，Zhang Jianghua2
(1.Miltary Representative Office of Navy Stationed in Nanchang zone，Nanchang; 2.Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100)

Since conventional anti－ship missile radar seeker utilizes sea－skimming flight trajectory，the back scattering coefficient of sea surface is very small，and effect of range ambiguity factor is also very small at this time;it is required to take effect of range ambiguity factor on detectability radar seeker in high trajectory flight condition into consideration.The method of mapping clutter energy to range－Doppler bin by cutting clutter on sea surface in range－angle is presented.The simulation result shows that the effect of sea clutter will increase by 2dB while taking range ambiguity factor into consideration(relative to without taking range ambiguity status into consideration)，the evaluated effect on operational range may be up to 12%.

radar seeker;range ambiguity;sea clutter

TN952

A

1008-8652(2016)04-027-04

2016-09-10

黃新松(1962－)，男，碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。