AN/SPS-74雷達(dá)性能分析

皇甫一江

(海軍裝備部信息系統(tǒng)局，北京 100841)

0 引 言

20世紀(jì)美軍啟動了自動雷達(dá)潛望鏡探測和識別計劃(ARPDD)，用于論證機(jī)載條件下自動潛望鏡探測能力，隨后發(fā)展到艦載條件[1]。

近年來美國海軍逐漸由深海向近海轉(zhuǎn)移，利用主被動聲納實(shí)現(xiàn)反潛的方式在近海區(qū)域受到限制，針對美軍“尼米茲”系列航母反潛作戰(zhàn)需要，2006年8月美軍啟動了艦載潛望鏡探測雷達(dá)系統(tǒng)研究計劃。該計劃的目的是在低虛警概率條件下探測暴露時間極短的潛望鏡目標(biāo)。

本文針對美軍這一專用雷達(dá)的發(fā)展歷史、功能特點(diǎn)以及性能進(jìn)行了初步分析。

1 AN/SPS-74研制歷程

AN/SPS-74雷達(dá)來源于AN/APS-116、AN/APS-137機(jī)載反潛搜索雷達(dá)，1996年開始，海軍研究部(ONR)先進(jìn)雷達(dá)潛望鏡檢測和識別計劃(ARPDD)工作人員就開始周期性地部署和密集測試處于發(fā)展階段的試驗(yàn)系統(tǒng)。美軍艦載反潛雷達(dá)發(fā)展路線如圖1所示。

圖1 美軍艦載反潛雷達(dá)發(fā)展路線圖

從2008年4月起，AN/SPS-74測試小組對試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試環(huán)境是存在潛艇和類似潛艇目標(biāo)的環(huán)境[2]。

2009年1月開始在橫須賀基地“華盛頓”航母上為該雷達(dá)進(jìn)行了4個月的改裝，新安裝的AN/SPS-74雷達(dá)可為“華盛頓”號航母提供探測潛艇潛望鏡的能力。美軍計劃為10艘“尼米茲”級航空母艦全部加裝該雷達(dá)系統(tǒng)。

截止到2016年，美軍已完成該雷達(dá)在“華盛頓”號“斯坦尼斯”號等航母上的加裝，如圖2所示。

圖2 “華盛頓”號航母加裝該雷達(dá)后

2 功能特點(diǎn)

該雷達(dá)系統(tǒng)由2個空氣冷卻的機(jī)柜(1個用于收發(fā)機(jī)柜，1個用于雷達(dá)數(shù)據(jù)處理)、1個位于甲板的天線單元等組成。其組成如圖3所示。

圖3 AN/SPS-74雷達(dá)

位于甲板上的天線單元由一個穩(wěn)定基座上的旋轉(zhuǎn)天線罩、機(jī)械穩(wěn)定反射面天線組成。AN/SPS-74雷達(dá)天線罩與處理機(jī)柜實(shí)物如圖4所示。

圖4 雷達(dá)天線罩與機(jī)柜

潛艇的潛望鏡具有機(jī)構(gòu)尺寸小、雷達(dá)有效反射面積較小(典型值為1 m2)、架高較低、相對于海面是靜止或者做零速運(yùn)動且露出水面的時間較短的特性[3]。從潛望鏡特性可知，該雷達(dá)需要重點(diǎn)解決強(qiáng)海雜波背景下潛望鏡類“低小慢”目標(biāo)檢測問題。

經(jīng)初步資料搜集，該雷達(dá)具備以下特點(diǎn)和工作參數(shù)：

(1) 專門用于潛望鏡目標(biāo)探測，海雜波抑制能力較強(qiáng)，小目標(biāo)探測距離遠(yuǎn)(最大44.448 km)；

(2) X波段雷達(dá)，機(jī)械穩(wěn)定平臺；

(3) 天線轉(zhuǎn)速較高，方位波寬約2.4°；

(4) 瞬時信號帶寬大于400 MHz；

(5) 采用掃描間積累技術(shù)抑制海雜波。

3 初步性能分析

3.1 X波段海雜波特性

較低的信雜比是制約雷達(dá)對該類目標(biāo)探測的最主要因素。提高信雜比的主要手段是對海雜波進(jìn)行有效抑制，主要途徑有2個：一是降低海雜波強(qiáng)度，二是降低海雜波的相關(guān)性[4]。

海雜波雷達(dá)截面(RCS)計算公式為：

σ=σ0RθAcτsecψ/2

(1)

式中：σ0為海面后向散射系數(shù)；R為觀測距離；θA為方位波束寬度；τ為脈沖寬度，脈壓方式下，cτ/2為脈壓后寬度，即為雷達(dá)的距離分辨力；ψ為掠射角。

由此可見，海雜波RCS和雷達(dá)距離分辨力存在著直接的關(guān)系，在距離高分辨力的情況下，由于海雜波照射面積的減小使得海雜波RCS值隨之降低，實(shí)現(xiàn)了單個距離分辨單元內(nèi)海雜波強(qiáng)度的減小。

從圖5實(shí)測的IPIX雷達(dá)的海雜波時間相關(guān)性分析可知，X波段海雜波的相關(guān)時間遠(yuǎn)大于雷達(dá)的重復(fù)周期，因此脈沖間積累對信雜比的改善受到海雜波相關(guān)性的嚴(yán)重限制。幀間時間遠(yuǎn)大于脈沖間時間，海雜波已基本不相關(guān)，因此采用幀間積累能夠雜波去相關(guān)，提高信雜比[5]。

圖5 X波段IPIX雷達(dá)海雜波相關(guān)性

3.2 低小慢目標(biāo)檢測技術(shù)

由于慢速弱小目標(biāo)回波能量低，速度與海雜波重合，在海雜波背景中難以使用常規(guī)的多普勒處理方法對目標(biāo)回波進(jìn)行積累以提高信雜比，將目標(biāo)與海雜波進(jìn)行有效區(qū)分。

因此，該雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)是如何在有限的時間和較強(qiáng)的海雜波背景下檢測“低小慢”目標(biāo)，該雷達(dá)的技術(shù)途徑初步分析如下：

(1) 采用300 rpm的高轉(zhuǎn)速一則為滿足高數(shù)據(jù)率要求，針對短時暴露的目標(biāo)高轉(zhuǎn)速能夠獲取較多的脈沖個數(shù)；另一方面，采用高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)幀間積累技術(shù)可以抑制海雜波。

(2) 雷達(dá)的理論距離分辨率與潛望鏡外形直徑相當(dāng)。

(3) 采用先進(jìn)的目標(biāo)識別算法，實(shí)現(xiàn)潛望鏡識別功能，區(qū)別潛望鏡與海面碎片、小艇、漂雷等。

由于潛望鏡目標(biāo)較小，雷達(dá)回波信號微弱，海上的小船、漂浮物都可能產(chǎn)生同樣的回波信號，本雷達(dá)主要利用海雜波與潛望鏡之間空間與時間上的特性不同來區(qū)分的[6-7]，該雷達(dá)的總體框圖如圖6所示。

圖6 原理框圖

接收機(jī)接收到回波信號后，該回波信號分為3路，一路經(jīng)過模/數(shù)(A/D)變換為數(shù)字信號后，進(jìn)入存儲設(shè)備，與預(yù)先存儲的目標(biāo)(潛望鏡)圖像特征進(jìn)行匹配處理，對威脅目標(biāo)進(jìn)行直接識別；另外2路信號分別進(jìn)入2個探測通道。

其中一個探測通道負(fù)責(zé)慢速目標(biāo)自動探測，包含恒虛警處理器、幀間積累，專門用于探測慢速運(yùn)動潛望鏡桅桿，恒虛警率(CFAR)降低了系統(tǒng)對外部雜波和大目標(biāo)的靈敏度，保證不變的虛警概率，第2級為M-N檢測器。如圖7所示。

圖7 慢速目標(biāo)檢測信號處理流程

另一個通道為快速目標(biāo)探測器，包含一個具備快時間常數(shù)的一級閾值對數(shù)檢測器，用于慢速通道無法檢測的快速目標(biāo)探測和跟蹤。

幀間積累處理時，首先在脈沖間進(jìn)行成組非相參積累，然后通過雜波圖迭代完成幀間積累，增強(qiáng)時間相關(guān)性強(qiáng)的目標(biāo)回波，抑制時間相關(guān)性弱的海雜波，大大提升了回波信雜比，有利于海面小目標(biāo)檢測。

假定搜索空域劃分為N個距離單元、M個方位單元，則成組非相參積累的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式中：Dn,m為距離-方位單元(n,m)內(nèi)的脈沖積累數(shù)據(jù)，該距離-方位單元占有I個距離分辨單元和J個脈沖；xn+i,m+j為該距離-方位單元內(nèi)第j個脈沖、第i個距離分辨單元上的原始回波幅值[8]。

將距離-方位單元作為雜波圖單元，對每個雜波圖單元內(nèi)的脈沖積累數(shù)據(jù)Dn,m進(jìn)行雜波圖迭代處理，原理框圖如圖8所示。

圖8 雜波圖迭代技術(shù)原理框圖

可以看到，雜波圖迭代采用一階遞歸濾波器來實(shí)現(xiàn)，Dn,m為成組非相參積累處理后的脈沖積累數(shù)據(jù)，En,m為雜波圖迭代處理后的幀間積累數(shù)據(jù)，其中加權(quán)系數(shù)ω的取值范圍為0<ω<1。雜波圖迭代的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

En,m(l)=(1-ω)En,m(l-1)+ωDn,m(l)

(3)

將公式展開，得：

(4)

式中：En,m(l)為雜波圖單元(n,m)內(nèi)第l次掃描得到的迭代處理結(jié)果；ω為加權(quán)系數(shù)；Dn,m(l)為該雜波圖單元內(nèi)第l次掃描的脈沖積累數(shù)據(jù)，是時變的。

3.3 數(shù)據(jù)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 仿真驗(yàn)證

項(xiàng)目組錄取了真實(shí)的海雜波數(shù)據(jù)，用于理論分析計算，試驗(yàn)時海情2～4級，驗(yàn)證該雷達(dá)所采用技術(shù)的可行性。

原始雜波圖像參數(shù)：目標(biāo)距離為3.7 km，錄取時間60 s，信雜比約2.5 dB，如圖9所示。

圖9 原始雜波圖像

按照非相參積累處理后，由于雜波和目標(biāo)同時積累，目標(biāo)不能有效檢測出來。采用該技術(shù)的檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 采用非相參積累處理

天線轉(zhuǎn)速按150 rpm計算，每個周期為0.4 s，經(jīng)間隔6 s、15點(diǎn)幀間積累后的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示。可以看出，在其他距離單元上，依然存在較多的尖峰，且能量較大。若只使用門限檢測，較高的門限會導(dǎo)致無法檢測目標(biāo)，較低的門限會導(dǎo)致虛警抬高。

圖11 幀間積累后數(shù)據(jù)

M-N檢測器利用海尖峰在時間上不持續(xù)，但目標(biāo)存在持續(xù)性的特點(diǎn)。海尖峰在M次檢測中只有少數(shù)幾次超過門限，而目標(biāo)超過門限的次數(shù)較多。利用這種特性判斷目標(biāo)，降低虛警，保證小RCS目標(biāo)的檢測。

在幀間積累后增加一級M-N檢測器，即進(jìn)行M次檢測，如果有N次超過門限，則認(rèn)為目標(biāo)存在。

對圖11的數(shù)據(jù)設(shè)置門限后，卡掉噪聲和一部分雜波，同時取出尖峰和目標(biāo)，然后進(jìn)行連續(xù)7次檢測，如果有4次超過門限，則認(rèn)為存在目標(biāo)。處理結(jié)果如圖12所示。

圖12 最終檢測結(jié)果

3.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用上述X波段試驗(yàn)平臺對慢速移動/靜止的小目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際的外場試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)條件如下：風(fēng)力5～6級，海情可按4級估算，設(shè)備架高約15 m，一個 RCS為0.1 m2的標(biāo)準(zhǔn)反射體作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，其實(shí)際有效架高約0.5 m，懸浮置于海表面，用一艘小橡皮艇慢速拖曳。

采用常規(guī)非相參技術(shù)處理后，海雜波較多，小目標(biāo)淹沒在海雜波中無法識別，如圖13(a)所示，標(biāo)準(zhǔn)反射體小目標(biāo)在方框內(nèi)，方框表示錄取波門，僅波門內(nèi)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)被檢測錄取。采用該雷達(dá)技術(shù)處理后，海雜波被完全抑制掉，幀間積累次數(shù)為15，如圖13(b)所示，方框中的強(qiáng)散射點(diǎn)即為小型標(biāo)準(zhǔn)反射體目標(biāo)，圓框內(nèi)的散射點(diǎn)為橡皮艇目標(biāo)。

圖13 試驗(yàn)結(jié)果

理論仿真和試驗(yàn)均驗(yàn)證了該雷達(dá)所采用的技術(shù)措施能夠有效抑制海雜波和海尖峰，提取雜波背景下潛望鏡類小目標(biāo)以及其他靜止、慢速目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文針對美軍航母最近幾年加裝的艦載反潛雷達(dá)——AN/SPS-74雷達(dá)的研制過程、功能特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對潛望鏡類低小慢目標(biāo)的檢測技術(shù)進(jìn)行了分析，使用實(shí)測雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論仿真，并進(jìn)行了外場驗(yàn)證，證實(shí)該技術(shù)的可行性和有效性，使用該技術(shù)能夠很好地完成強(qiáng)雜波背景下潛望鏡類海面“低小慢”目標(biāo)的低虛警檢測。不足之處是受限于試驗(yàn)平臺和試驗(yàn)條件，不能完全模擬潛望鏡目標(biāo)和該雷達(dá)參數(shù)。