針對海上目標(biāo)的不同體制雷達(dá)性能對比

丁建良

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針對海上目標(biāo)的不同體制雷達(dá)性能對比

丁建良

（金交恒通有限公司，北京 100011）

針對海上多目標(biāo)的檢測與跟蹤問題，給出不同體制雷達(dá)的性能對比。介紹不同海上目標(biāo)的雷達(dá)檢測性能，分析脈沖雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的工作原理，并給出雷達(dá)在對海上目標(biāo)進(jìn)行檢測時的參數(shù)計(jì)算，最后對各體制雷達(dá)的性能參數(shù)作對比。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各體制雷達(dá)的檢測性能。

海上目標(biāo)；雷達(dá)參數(shù)；脈沖壓縮雷達(dá)；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

1 概述

隨著我國水運(yùn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，沿海港口的貿(mào)易量急劇增長。在港口通航環(huán)境日益復(fù)雜的情況下，船舶交通管理系統(tǒng)等海上監(jiān)視系統(tǒng)的建立成為一種必然。在這些系統(tǒng)中，雷達(dá)是不可缺少的一部分，它承擔(dān)了監(jiān)視海上目標(biāo)、提供目標(biāo)基本信息、實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測與跟蹤等多項(xiàng)功能。如何在系統(tǒng)中選擇合適的雷達(dá)，從而為系統(tǒng)提供及時有效且全面的信息支撐是一個實(shí)際且重要的問題。

針對上述問題，檢測海上目標(biāo)的雷達(dá)被學(xué)者們廣泛研究，并給出了大量文獻(xiàn)。其中，孫昭峰等針對復(fù)雜背景的海上目標(biāo)特性進(jìn)行研究，說明了姿態(tài)角對高分辨距離像的影響，證明了目標(biāo)的近姿態(tài)角一維距離像符合檢測目標(biāo)的尺度性和強(qiáng)相關(guān)性[1]；饒輝等人的研究基于低分辨雷達(dá)目標(biāo)分類的識別技術(shù)，提高了低分辨雷達(dá)的目標(biāo)檢測性能[2]；王君等以最大化雷達(dá)組網(wǎng)靜態(tài)覆蓋能力與動態(tài)探測能力為優(yōu)化目標(biāo)，提出一種基于多目標(biāo)差分進(jìn)化算法的解決方案，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[3]；朱松、王燕等人這對海上雷達(dá)的電子支援措施做了廣泛研究[4]；楊守仁等人對船舶交通管理系統(tǒng)中的雷達(dá)導(dǎo)航設(shè)備的準(zhǔn)確性進(jìn)行了討論[5]；張韜等人對船舶交通管理系統(tǒng)中的雷達(dá)信號檢測與錄取作了介紹[6]。在其他領(lǐng)域，海上雷達(dá)也具有十分重要的作用[7-9]。

本文針對海上目標(biāo)的特性，首先介紹不同海上目標(biāo)的雷達(dá)檢測性能，然后分析脈沖雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的工作原理，并給出雷達(dá)在對海上目標(biāo)進(jìn)行檢測時的參數(shù)計(jì)算，最后對各體制雷達(dá)的性能參數(shù)作對比。分析不同雷達(dá)對海上目標(biāo)檢測的能力，能夠?yàn)楦飨到y(tǒng)的雷達(dá)選取提供參考。

2 海上目標(biāo)雷達(dá)檢測性能

海上目標(biāo)種類繁多，如何選用合適的雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)的檢測與跟蹤，是船舶交通控制系統(tǒng)及其他海上檢測系統(tǒng)需要解決的問題。典型的海上物體往往被認(rèn)為是點(diǎn)目標(biāo)，在雷達(dá)的檢測區(qū)域內(nèi)，需要考慮目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積和高度屬性，同時目標(biāo)的抖動特性也對雷達(dá)目標(biāo)檢測有直接的影響。表1列舉了一些典型目標(biāo)的雷達(dá)檢測特性以作參考。

表1 一些典型目標(biāo)的雷達(dá)檢測特性

編號典型代表雷達(dá)反射截面積高度/m目標(biāo)抖動特性 S波段/m2X波段/m2 1小快艇、漂浮物等<<111快速抖動 2帆船、快艇等<132 3特制浮標(biāo)等導(dǎo)航標(biāo)志4103 4漁船、商船等401005穩(wěn)定 5小型沿海貿(mào)易船等4001 0008 6大型沿海貿(mào)易船等4 00010 00012不抖動 7集裝箱船等40 000100 00018

3 海上雷達(dá)參數(shù)計(jì)算

針對海上目標(biāo)的雷達(dá)需要考慮具體實(shí)際情況，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，以確定雷達(dá)的實(shí)際工作性能，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測與跟蹤的有效性與準(zhǔn)確性。如何選取合適的參數(shù)，直接影響雷達(dá)的工作狀態(tài)，因此具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用意義。海上雷達(dá)的主要參數(shù)有雷達(dá)作用距離、天線選址、距離分辨率與方位分辨率、天線發(fā)射波束極化方式以及雷達(dá)最小探測距離等，其中的雷達(dá)作用距離、雷達(dá)距離分辨率與方位分辨率是雷達(dá)目標(biāo)檢測的重要指標(biāo)。

雷達(dá)作用距離是檢測雷達(dá)性能的重要指標(biāo)，而針對海上目標(biāo)的雷達(dá)在計(jì)算實(shí)際作用距離時，需要考慮天線架設(shè)位置高度和地球曲率的因素。天線架設(shè)位置越高，接收到的海雜波影響就越大，而雷達(dá)作用距離越遠(yuǎn)，地球曲率對作用距離的影響就越大。同時，目標(biāo)較小、天氣情況較差也會直接影響雷達(dá)的作用距離。

雷達(dá)的距離分辨率與方位分辨率直接影響雷達(dá)檢測目標(biāo)的精度，而雷達(dá)的距離分辨率與方位分辨率一般由雷達(dá)的性能所決定，但部分雷達(dá)也可以通過信號處理等方法提高分辨率，從而提升雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力。

4 不同體制的雷達(dá)介紹

4.1 脈沖雷達(dá)

脈沖雷達(dá)的發(fā)射波形為短脈沖形式，同時需要較長的脈沖重復(fù)周期保證較大的測距范圍，在接收機(jī)接收目標(biāo)反射回波后，計(jì)算出對應(yīng)的時間延遲，就可以測量出目標(biāo)的距離[10]。脈沖雷達(dá)所發(fā)射脈沖的脈沖寬度通常為定值，因此性能較為穩(wěn)定；脈沖寬度一般極短，以保證雷達(dá)的距離分辨率。增加脈沖寬度，雖然能夠提高雷達(dá)的作用距離，但會降低雷達(dá)的距離分辨率，后向散射的增加導(dǎo)致雷達(dá)穿透降水的能力下降?？紤]到相鄰雷達(dá)同時工作的情況，需要給脈沖雷達(dá)組網(wǎng)分配不同的發(fā)射頻率帶寬，同時需要考慮帶外信號的抑制問題。

4.2 脈沖壓縮雷達(dá)

脈沖壓縮雷達(dá)將寬度較短的調(diào)頻連續(xù)波作為短脈沖發(fā)射出去，同時應(yīng)用匹配濾波原理，能夠在相同作用距離的情況下大幅度增加雷達(dá)的距離分辨率，解決了雷達(dá)距離分辨率受限于脈沖寬度的問題[11]。

脈沖壓縮雷達(dá)的概念被提出后，經(jīng)過多年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)十分成熟，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。由于距離分辨率的提高，雷達(dá)對發(fā)射功率的需求大大降低，因此在一些應(yīng)用環(huán)境中，不再需要使用磁控管發(fā)射機(jī)，而是使用固態(tài)發(fā)射機(jī)，因此發(fā)射機(jī)的性能更加穩(wěn)定，不再需要進(jìn)行周期性的維護(hù)，而使用高頻的固態(tài)發(fā)射機(jī)會產(chǎn)生較大電流，需要更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來獲得足夠的穩(wěn)定性。同時，脈沖壓縮雷達(dá)的脈沖寬度可以調(diào)很大，且發(fā)射波形可以被調(diào)制，一定程度上能避免惡劣天氣所帶來的縮小雷達(dá)作用距離的負(fù)面影響。

4.3 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)不同于脈沖雷達(dá)與脈沖壓縮雷達(dá)，其不再通過發(fā)射短脈沖波形來檢測目標(biāo)，而是通過發(fā)射連續(xù)波形來檢測目標(biāo)[12]。由于在重復(fù)周期內(nèi)持續(xù)發(fā)射連續(xù)波形，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)可以在重復(fù)周期內(nèi)獲得良好的距離分辨率。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)同樣是一種很成熟的技術(shù)，具有很高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，同樣可以采用固態(tài)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號，而不需要對發(fā)射機(jī)進(jìn)行周期性維護(hù)。

相比于脈沖壓縮雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的距離分辨率更高，但其在接收信號時引入的干擾也更為復(fù)雜，且對接收信號進(jìn)行壓縮后所產(chǎn)生的副瓣更大，對大目標(biāo)附近的小目標(biāo)淹沒更為嚴(yán)重，因此降低了雷達(dá)的目標(biāo)檢測概率，且調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)需要更復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)以支撐發(fā)射連續(xù)波信號。

5 計(jì)算機(jī)仿真

設(shè)檢測目標(biāo)為遠(yuǎn)場窄帶點(diǎn)目標(biāo)，雷達(dá)接收信號信噪比為35 dB，且已經(jīng)將回波調(diào)制到基帶。在雷達(dá)照射方向設(shè)置三對鄰近目標(biāo)，每對鄰近目標(biāo)間距150 m，6個目標(biāo)距離分別為10.5 km、10.65 km、12 km、12.15 km、13 km、13.15 km，將對應(yīng)的雷達(dá)截面積歸一化，分別為1，1，1，0.1，1，0.01.

實(shí)驗(yàn)一：令脈沖雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度為100 ns，脈沖重復(fù)周期為1 000 Hz。

圖1為脈沖雷達(dá)目標(biāo)檢測性能。從圖中可以看出，6個目標(biāo)都能被脈沖雷達(dá)檢測到。

圖1 脈沖雷達(dá)目標(biāo)檢測性能

實(shí)驗(yàn)二：多目標(biāo)下線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)目標(biāo)檢測。

令脈沖雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度為1 000 ns，脈沖重復(fù)周期為1 000 Hz。圖2為線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)目標(biāo)檢測性能。從圖中可以看出，雖然脈沖壓縮雷達(dá)的發(fā)射脈沖較寬，但線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的分辨率依舊很高。線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)具有副瓣，圖中第6個雷達(dá)截面積為0.01的小目標(biāo)被淹沒在附近大目標(biāo)的副瓣中，對雷達(dá)的目標(biāo)檢測性能造成了影響。在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮采用頻域加權(quán)技術(shù)壓低線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的副瓣。

實(shí)驗(yàn)三：多目標(biāo)下線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)目標(biāo)檢測。

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)無需設(shè)置脈沖寬度，令線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期為1 000 Hz，通過計(jì)算頻差直接分辨出目標(biāo)距離，圖3為對應(yīng)的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)目標(biāo)檢測性能。可以看出，通過頻差檢測目標(biāo)所獲得的檢測性能與脈壓相似，但具有更低的副瓣，對小目標(biāo)檢測有較大優(yōu)勢。另外，通過采用三角波調(diào)制，線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)可同時獲得目標(biāo)的距離與速度信息。

圖2 線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)目標(biāo)檢測性能

圖3 基于頻差測距的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)目標(biāo)檢測性能

6 結(jié)束語

本文針對海上目標(biāo)，對不同體制的雷達(dá)性能作了對比，給出了各體制雷達(dá)的性能參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)對海上目標(biāo)的檢測與跟蹤時的雷達(dá)選擇提供了參考。同時，詳細(xì)介紹了脈沖雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)及調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了相應(yīng)的性能參數(shù)，最后通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行驗(yàn)證了各體制雷達(dá)的檢測性能。

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2095－6835（2018）18－0061－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.061

丁建良（1960—），男，上海人，高級工程師，本科，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒒?、現(xiàn)代信息化技術(shù)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕