反潛巡邏機搜索雷達(dá)感知環(huán)模型研究?

王新為 尹成義（海軍大連艦艇學(xué)院艦艇指揮系大連116018）

反潛巡邏機搜索雷達(dá)感知環(huán)模型研究?

王新為 尹成義
（海軍大連艦艇學(xué)院艦艇指揮系大連116018）

針對反潛巡邏機使用搜索雷達(dá)對海面及空中目標(biāo)搜索問題，基于機載搜索雷達(dá)戰(zhàn)技性能，提出了搜索雷達(dá)感知環(huán)的概念并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，給出了反潛巡邏機使用搜索雷達(dá)目標(biāo)探測的方式方法。通過仿真計算，探討了感知環(huán)寬度隨反潛巡邏機飛行高度以及雷達(dá)視軸俯角的變化規(guī)律，為確定反潛巡邏機使用搜索雷達(dá)目標(biāo)搜索的最佳飛行高度和雷達(dá)最佳視軸俯角提供參考依據(jù)。

反潛巡邏機；搜索雷達(dá)；感知環(huán)

ClassNumber TN95

1 引言

搜索雷達(dá)是反潛巡邏機裝備的主要對潛搜索載荷，其機械掃描天線安裝在機首下方，可在全天候氣象條件下，對海面和空中目標(biāo)進(jìn)行搜索和跟蹤；采用先進(jìn)的成像技術(shù)實現(xiàn)對潛艇潛望鏡、排氣管以及海面各類艦船的探測與目標(biāo)識別，完成海上反潛、配合武器火控系統(tǒng)完成攻潛等任務(wù)。由于反潛巡邏機自身結(jié)構(gòu)特點，后向機體遮擋區(qū)無法探測目標(biāo)。在研究反潛巡邏機使用雷達(dá)目標(biāo)搜索方法時，必須確定搜索雷達(dá)有效探測空間，而感知環(huán)能夠較好地描述這一問題。

感知環(huán)是指，搜索雷達(dá)機械掃描天線旋轉(zhuǎn)一個周期時雷達(dá)波束在海面（任一高度平面）掃視到的區(qū)域［1］。只有位于感知環(huán)內(nèi)的目標(biāo)才可能被探測，該指標(biāo)一定程度上反映了反潛巡邏機的搜索效率。

2 基本假設(shè)

1）反潛巡邏機作等速直線運動，飛行高度為ha，飛行速度為va；

2）搜索雷達(dá)視軸俯角，即視軸與水平面夾角為θ；

3）搜索雷達(dá)水平波束角為θa，垂直波束角為θr；

4）忽略雷達(dá)波瓣分裂。

3 感知環(huán)模型建立

感知環(huán)大小主要取決于搜索雷達(dá)垂直波束角θr，通常用感知環(huán)寬度ρ和（或）感知環(huán)面積Sρ描述，如圖1所示。

當(dāng)反潛巡邏機飛行高度h、雷達(dá)視軸俯角θ一定時，垂直波束角θr越大，感知環(huán)寬度ρ越大。在確定的垂直波束角θr下，感知環(huán)寬度ρ是反潛巡邏機空間狀態(tài)的函數(shù)ρ=f(ha，θ，θr)，如圖2所示。

由幾何分析可知，感知環(huán)寬度ρ可表示為

從式（3）可以看出：在任意搜索時刻，感知環(huán)大小與反潛巡邏機飛行速度無關(guān)，而感知環(huán)寬度與飛行高度成正比，與雷達(dá)視軸俯角正弦函數(shù)平方成反比。垂直波束角θr由雷達(dá)戰(zhàn)技性能決定，雷達(dá)型號給定時，其垂直波束角一定。

通常情況下，當(dāng)搜索雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率fr過高將導(dǎo)致距離模糊［2~7］，如圖3所示。其中，目標(biāo)P1與天線距離較近為l1，則回波達(dá)到天線時間t1=2l1c，并設(shè)t11 fr，造成距離模糊。

因此，重復(fù)頻率的選擇必須考慮到雷達(dá)最大作用距離lmax的要求，脈沖重復(fù)頻率fr應(yīng)滿足fr￡c 2lmax。這表明，最大距離處目標(biāo)回波的到達(dá)時刻滿足在第一個重復(fù)周期內(nèi)，則感知環(huán)最大寬度ρmax為

4 感知環(huán)參數(shù)確定

設(shè)雷達(dá)最大探測距離為Rlmax、雷達(dá)視距為Rh，目標(biāo)高度為ht，則搜索雷達(dá)最小視軸俯角θmin表示為

其中，搜索雷達(dá)處于下視狀態(tài)時，l02應(yīng)滿足l02￡m in(Rlmax，Rh)。

當(dāng)搜索雷達(dá)視軸俯角θ取最大值時，感知環(huán)半徑最小，即：

式中：G為天線增益；λ為雷達(dá)工作波長；σt為目標(biāo)反射截面積；k為玻耳茲曼常數(shù)；T0取290K；Fn為系統(tǒng)噪聲系數(shù)；L為系統(tǒng)損耗；S N為檢測所需的信噪比；Bd為多普勒濾波器寬度。其中，各參數(shù)大部分是可直接得到，系統(tǒng)損耗L和信噪比S N需通過折算或估計得到。

式（7）中檢測所需信噪比與雷達(dá)檢測概率及虛警概率有關(guān)。信噪比越高，雷達(dá)檢測概率越大，虛警率越低［8-10］。若檢測時背景是高斯白噪聲，信噪比S N和檢測概率Pd與虛警概率Pfa對應(yīng)關(guān)系為

當(dāng)反潛巡邏機與目標(biāo)距離為Rt，要求的虛警概率為Pfa時，所需檢測概率Pd可表示為

式中，Pav為雷達(dá)平均輻射功率。

當(dāng)搜索雷達(dá)視軸俯角θ取最小值時，感知環(huán)半徑最大，即：

可以看出，反潛巡邏機使用搜索雷達(dá)探測不同目標(biāo)時，感知環(huán)最大寬度不盡相同。當(dāng)探測確定目標(biāo)時，為使反潛巡邏機盡早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整其飛行高度和雷達(dá)視軸俯角［11~12］。

其中，反潛巡邏機飛行高度ha應(yīng)滿足飛行約束條件，即：

式中：hamin為反潛巡邏機最低安全飛行高度，hamax為反潛巡邏機最大飛行高度。

5 仿真分析

根據(jù)某型搜索雷達(dá)性能特點，針對水面狀態(tài)潛艇和低空狀態(tài)飛機，應(yīng)用感知環(huán)模型探索搜索雷達(dá)感知環(huán)寬度隨視軸俯角以及反潛巡邏機飛行高度的變化規(guī)律，從而確定滿足作戰(zhàn)需求的最佳視軸俯角和最佳飛行高度。仿真結(jié)果分別如圖4、圖5和表1、表2所示。

從仿真結(jié)果可以看出：

1）反潛巡邏機搜索雷達(dá)對水面狀態(tài)潛艇的最大探測距離主要受雷達(dá)視距的影響。反潛巡邏機在使用升限范圍內(nèi)，飛行高度越高，最大探測距離越遠(yuǎn)。因此，為增加發(fā)現(xiàn)距離，反潛巡邏機應(yīng)采用較高的飛行高度。

2）反潛巡邏機搜索雷達(dá)視軸俯角對感知環(huán)寬度影響較大，感知環(huán)寬度隨視軸俯角的增大而減小。通常探測低空目標(biāo)時，最佳視軸俯角通常應(yīng)選在11°~13°，此時感知環(huán)寬度最大，可使目標(biāo)在感知環(huán)內(nèi)逗留較長時間，利于對目標(biāo)探測識別。

表1 水面狀態(tài)潛艇對應(yīng)的感知環(huán)相關(guān)參數(shù)

表2 低空狀態(tài)飛機對應(yīng)的感知環(huán)相關(guān)參數(shù)

6 結(jié)語

本文根據(jù)反潛巡邏機搜索雷達(dá)戰(zhàn)技性能，從作戰(zhàn)使用角度，給出了搜索雷達(dá)感知環(huán)的概念，并結(jié)合反潛巡邏機飛行性能約束、信息傳輸與控制要求以及作戰(zhàn)海區(qū)環(huán)境特點等因素，建立了搜索雷達(dá)感知環(huán)數(shù)學(xué)模型，得出了滿足作戰(zhàn)使用需求的搜索雷達(dá)最佳視軸俯角和反潛巡邏機最佳搜索飛行高度，為反潛巡邏機使用搜索雷達(dá)對海面及空中目標(biāo)搜索方式方法的確定提供參考依據(jù)。

［1］孫華春，李長文.反潛直升機雷達(dá)搜索概率模型［J］.艦船電子工程，2008，28（9）：116-118.

［2］劉延峰，潘泉，杜自成.機載雷達(dá)目標(biāo)搜索和跟蹤中的坐標(biāo)系問題［J］.火力與指揮控制，2005，30（3）：40-43.

［3］羅木生，侯學(xué)隆，王培源.反潛巡邏機雷達(dá)巡邏搜潛的面積等效模型［J］.電光與控制，2013，20（6）：20-23.

［4］肖漢華，萬峻，徐彬.機載雷達(dá)搜索常規(guī)潛艇的建模與分析［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（8）：13-19.

［5］蓋世昌，許騰，侯博等.復(fù)雜電磁環(huán)境下搜索雷達(dá)探測概率仿真分析［J］.指揮控制與仿真，2010，32（2）：81-83.

［6］李佳洋，沈振，李承志.直升機雷達(dá)多功能兼容下的最優(yōu)搜索設(shè)計［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2011，40（4）：5-8.

［7］王澤偉，賈宏進(jìn).搜索雷達(dá)建模與仿真研究［J］.雷達(dá)與對抗，2005（2）：7-11.

［8］屈也頻.機載搜索雷達(dá)搜潛作用距離實時預(yù)報模型［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（9）：23-28.

［9］朱偉良，野學(xué)范，胡軼.反潛機雷達(dá)離散搜潛效率建模［J］.四川兵工學(xué)報，2012，33（10）：52-54.

［10］彭世蕤，湯子躍.地（海）雜波反射率模型研究［J］.空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報，2000，14（4）：1-4.

［11］馮勝，陳杰，張娟.低入射余角下雷達(dá)地雜波反射率模型［J］.火力與指揮控制，2005，30（2）：18-25.

［12］黑云飛，鞠建波，單志超.反潛巡邏機機載雷達(dá)扇形搜潛建模與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：41-43.

Detect Annu lusM odelof Acquisition Radar of Anti-subm arine Patrol Aircraft

WANG Xinwei YIN Chengyi
（DepartmentofOperation and Training，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

Aimed at the problem ofanti-submarine patrol aircraftdetect differentsea-surface and aerialobjects，according to the operation performance of acquisition radar，the concept of detect annulus is put forward and the correspondingmodel is estab?lished，themanner andmothod ofanti-submarine patrol aircraftdetected objects are given.Through simulation and calculation，the varying pattern of opticalaxis angle ofdepression and flightaltitude from thewidth of detectannulus is discussed，the basis for the bestopticalaxisangle of depression and flightaltitude tomeet the operational requirements is provided.

anti-submarine patrolaircraft，acquisition radar，detectannulus

TN95 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.016

2016年11月17日，

2016年12月22日

王新為，男，博士研究生，研究方向：軍事運籌、艦載武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用研究。尹成義，男，博士，副教授，研究方向：軍事運籌，艦載武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用研究。