主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭海雜波回波信號(hào)計(jì)算與測(cè)試

常曉蘭 賈志考 蘇琪雅 范慶輝

摘要： ? ? ? 采用復(fù)合制導(dǎo)體制的防空導(dǎo)彈， 在其末制導(dǎo)階段下視攻擊低空目標(biāo)時(shí)， 主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭會(huì)接收到較強(qiáng)的地/海雜波， 此時(shí)進(jìn)入接收機(jī)的雜波信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)引頭目標(biāo)的檢測(cè)和分析。 因此， 關(guān)于雜波的精確計(jì)算對(duì)評(píng)估導(dǎo)引頭在雜波下的截獲和跟蹤能力具有至關(guān)重要的意義。 本文將主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與海雜波理論模型相結(jié)合， 提出了一種實(shí)時(shí)計(jì)算海雜波回波信號(hào)強(qiáng)度的方法。 該方法在雜波理論模型的基礎(chǔ)上， 通過引入試驗(yàn)數(shù)據(jù)為算法提供標(biāo)定基準(zhǔn)， 能夠保證海雜波計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)測(cè)結(jié)果。 仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞： ? ? ?導(dǎo)引頭; 海雜波; 實(shí)時(shí)計(jì)算; 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)： ? ? TJ765.3+31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ? ? A文章編號(hào)： ? ? ?1673-5048（2019）02-0057-05

0引言

現(xiàn)代先進(jìn)的中/遠(yuǎn)程防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)， 通常采用復(fù)合制導(dǎo)體制， 在末制導(dǎo)階段采用主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭， 并采用高拋彈道來(lái)增大導(dǎo)彈射程。 在末制導(dǎo)階段下視攻擊低空目標(biāo)時(shí)， 主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭會(huì)接收到較強(qiáng)的地/海雜波， 并且進(jìn)入接收機(jī)的雜波信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)引頭目標(biāo)的檢測(cè)和分析。 因此， 主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的地/海雜波功率的精確計(jì)算對(duì)于評(píng)估導(dǎo)引頭地/海雜波下的截獲和跟蹤能力具有至關(guān)重要的意義。

雜波計(jì)算方法在20世紀(jì)60年代末至70年代初形成[1-3]， 大多采用等多普勒線-距離線組成網(wǎng)格的方法計(jì)算。 1985年， Jao和Goggins在假設(shè)近距內(nèi)地球表面是平面的條件下， 提出了網(wǎng)格積分的閉合解[4]， 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格單元面積計(jì)算的最高精度; 為了進(jìn)行實(shí)時(shí)雜波仿真， 需要在100 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)攻擊狀態(tài)下的雜波計(jì)算和實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)[5-6]， 針對(duì)實(shí)時(shí)性問題， Sandhu和Mitchell分別提出了不同的改進(jìn)方法[5， 7]。

不同于以往僅基于理論模型的雜波計(jì)算方法， 本文結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與雜波理論模型， 提出一種實(shí)時(shí)計(jì)算海雜波回波信號(hào)強(qiáng)度的方法。 該方法利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)為算法提供標(biāo)定基準(zhǔn)， 使得雜波計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)測(cè)結(jié)果。 本文主要考慮導(dǎo)引頭主波束照射海面區(qū)域產(chǎn)生的回波所構(gòu)成的主瓣雜波。 主瓣雜波的強(qiáng)度與發(fā)射機(jī)功率、 天線主波束的增益、 地面或海面對(duì)電磁波的反射能力、 載機(jī)與地面或海面的高度等因素有關(guān)， 其強(qiáng)度可以比雷達(dá)接收機(jī)的噪聲強(qiáng)70 dB左右[8-9]。

1海雜波回波功率模型

通常用后向散射系數(shù)σ0來(lái)表述海雜波的后向散射特性， 定義為單位面積的等效雷達(dá)散射截面積， 單位為m2/m2。 有很多自然因素決定著來(lái)自海面的雷達(dá)后向散射特性[10-11]， 包括海情、 風(fēng)速、 風(fēng)向和海浪相對(duì)于雷達(dá)的方向等。 同時(shí)后向散射的測(cè)量也取決于某些雷達(dá)的自身參數(shù)， 諸如雷達(dá)載波頻率、 帶寬（距離分辨率）、 天線波束寬度、 發(fā)射功率、 極化方式和擦地角（波束入射余角）等。 后向散射系數(shù)σ0通常需試驗(yàn)測(cè)定。

海雜波是由導(dǎo)引頭的分辨單元中存在很多面散射所引起的， 假設(shè)散射表面是一個(gè)平面， 考慮主瓣范圍內(nèi)的散射表面， 則導(dǎo)引頭照射的面雜波區(qū)域（如圖1所示）分為以下兩種情況[12]：

（1） ?波束寬度限制。 在大擦地角條件下， 脈沖寬度決定的作用距離（即脈沖的距離分辨率ΔR）與天線俯仰波束在徑向上的投影長(zhǎng)度相比足夠大。

（2） ?脈沖長(zhǎng)度限制（距離分辨率限制）。 在低、 中擦地角條件下， 脈沖長(zhǎng)度決定的作用距離小于天線俯仰波束在徑向上的投影長(zhǎng)度。

散射體要對(duì)導(dǎo)引頭的接收信號(hào)產(chǎn)生影響， 有兩個(gè)條件： 首先要被導(dǎo)引頭照射， 其次必須位于天線的主瓣內(nèi)。 其結(jié)果是距離分辨單元內(nèi)沿散射表面的有效寬度， 是投影到散射面上的距離分辨率和投影到散射面上的俯仰波束寬度中較小的一個(gè)數(shù)值。 這兩種情況的分界線為

式中： Pt為導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)功率; λ為導(dǎo)引頭工作波長(zhǎng); σ0為雜波的后向散射系數(shù); ?Ls為系統(tǒng)損耗因子; La為大氣衰減因子; ΔA（R0，θ，φ）為距離R0的照射面積; ?P（θ，φ）為天線功率方向圖; ? θ為導(dǎo)引頭方位波束寬度; ?dA為散射表面的微分面積。

基于以上分析結(jié)果， 在波束限制和脈沖限制兩種情況下， 導(dǎo)引頭雜波的回波信號(hào)分別滿足：

（1） 波束限制情況下， 在散射表面順著距離方向， 波束的寬度為R0φ/sinδ， 如圖1（a）所示， 垂直距離維的波束寬度為R0θ。 因此， 在任意時(shí)刻對(duì)后向散射有貢獻(xiàn)的散射面積為R20φθ/sinδ。 由此可得， 對(duì)接收功率有貢獻(xiàn)的微分面積為

dA=R0dθR0sinδdφ=R20sinδdθdφ（4）

將dA代入式（3）， 并將天線3 dB波束寬度內(nèi)的增益近似為常數(shù)G， 得到在波束限制情況下， 導(dǎo)引頭接收的主瓣雜波功率為

Pr=PtG2λ2σ0φθ（4π）3R20LsLasinδ（5）

（2） 脈沖限制情況下， 距離分辨單元內(nèi)的散射體分布寬度為ΔR/cosδ， 如圖1（b）所示， 垂直距離維的波束寬度為R0θ。 因此， 在任意時(shí)刻對(duì)后向散射有貢獻(xiàn)的散射面積為R0θΔR/cosδ。 由此可得， 對(duì)接收功率有貢獻(xiàn)的微分面積為

dA=R0dθΔRcosδdφ=R0ΔRcosδdθdφ（6）

航空兵器2019年第26卷第2期常曉蘭， 等： ?主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭海雜波回波信號(hào)計(jì)算與測(cè)試同理可得， 在脈沖限制情況下， 導(dǎo)引頭接收的主瓣雜波功率為

Pr=PtG2λ2σ0ΔRθ（4π）3R30LsLacosδ（7）

綜上可得， 在波束限制情況下， 雜波回波功率是隨R-20變化的， 而在脈沖限制情況下， 雜波回波功率是隨R-30變化的。

2結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的海雜波計(jì)算方法

點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)接收功率可表示為[13]

Pr=PtG2λ2σ（4π）3R4LsLa（8）

式中： Pt為導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)功率; λ為導(dǎo)引頭工作波長(zhǎng); σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積（RCS）; R為彈目距離; ?Ls為系統(tǒng)損耗因子; La為大氣衰減因子。 點(diǎn)目標(biāo)回波功率是隨R-4變化的。

根據(jù)式（5）和式（7）～（8）， 可以得到波束限制和脈沖限制兩種情況下， 信號(hào)雜波比（SCR）分別為

波束限制：

SCR=σsinδR2φθσ0（9）

脈沖限制：

SCR=σcosδRΔRθσ0（10）

基于導(dǎo)引頭的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 海雜波計(jì)算方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 對(duì)RCS為σ1的目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)， 獲得算法的標(biāo)定基準(zhǔn)。 在試驗(yàn)中， 需要采集該目標(biāo)在某個(gè)距離范圍內(nèi)的信號(hào)幅度， 并記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻導(dǎo)引頭接收機(jī)保護(hù)器是否進(jìn)行保護(hù)， 以及中頻增益衰減量;

（2） 根據(jù)式（8）， 以及試驗(yàn)結(jié)果中RCS為σ1的目標(biāo)在R1距離上的信號(hào)幅度為F1（dB）， 可以計(jì)算出RCS為1 m2的目標(biāo)在1 m距離上的信號(hào)幅度為

F2=F1+40lgR1-10lgσ1+T+AGC（11）

式中： AGC為此時(shí)的中頻增益衰減量; T為接收機(jī)保護(hù)器的衰減量， dB。 當(dāng)前時(shí)刻接收機(jī)保護(hù)器未進(jìn)行保護(hù)時(shí)不加T， 保護(hù)時(shí)加T。

（3） 計(jì)算導(dǎo)引頭的理論作用距離。 設(shè)導(dǎo)引頭的目標(biāo)截獲門限是信雜比達(dá)到SCRmin， 則根據(jù)式（9）～（10）， 可以得到波束限制和脈沖限制兩種情況下， 針對(duì)RCS為σ1的目標(biāo)， 導(dǎo)引頭的理論作用距離分別為

波束限制：

Rmax=σ1sinδSCRminφθσ01（12）

脈沖限制：

Rmax=σ1cosδSCRminΔRθσ01（13）

式中： 后向散射系數(shù)σ01選取固定擦地角為δ時(shí)的雜波散射系數(shù)。

（4） 根據(jù)式（8）和式（11）， 以及目標(biāo)截獲門限SCRmin， 可以得到導(dǎo)引頭在Rmax處的雜波幅度為

F3=F2-40lgRmax+10lgσ1-10lgSCRmin （14）

（5） 根據(jù)式（5）和式（7）， 可得在兩種限制情況下， 1 m處的雜波幅度分別為

波束限制：

F4=F3+20lgRmax（15）

脈沖限制：

F4=F3+30lgRmax（16）

（6） 為了使計(jì)算的海雜波功率更加接近實(shí)測(cè)海雜波功率， 在步驟（3）中固定擦地角的散射系數(shù)σ01的基礎(chǔ)上， 考慮基于實(shí)測(cè)擦地角的后向散射系數(shù)σ0z。 則根據(jù)式（5）和式（7）， 可以得到在波束限制和脈沖限制兩種情況下， 距離為R處的海雜波回波信號(hào)幅度為

波束限制：

Fz=F3+20lgRmax-20lgR-10lgσ01+

10lgσ0z-T-AGCz（17）

脈沖限制：

Fz=F3+30lgRmax-30lgR-10lgσ01+

10lgσ0z-T-AGCz （18）

式中： σ01為固定擦地角為δ時(shí)的散射系數(shù); ?σ0z為基于擦地角測(cè)量值的散射系數(shù); ?當(dāng)前時(shí)刻， 接收機(jī)保護(hù)器未進(jìn)行保護(hù)時(shí)不減T， 保護(hù)時(shí)減T; ?AGCz為當(dāng)前時(shí)刻的導(dǎo)引頭中頻增益衰減量。

3仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述算法的有效性， 將所計(jì)算的海雜波結(jié)果與實(shí)測(cè)海雜波結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 在計(jì)算過程中， 選用脈沖限制條件下的理論雜波模型， 后向散射系數(shù)σ0選用試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果， 并分別采用0～5級(jí)海情下的6種散射系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

兩種不同實(shí)際海情下的實(shí)測(cè)海雜波結(jié)果與相應(yīng)的計(jì)算海雜波結(jié)果對(duì)比， 分別如圖2～3所示。 圖中實(shí)線是實(shí)測(cè)海雜波的幅度均值， 虛線是基于0～5級(jí)海情的散射系數(shù)所計(jì)算出的海雜波回波信號(hào)幅度， 點(diǎn)劃線是10倍距離， 點(diǎn)線是擦地角+20°的結(jié)果。 從圖中可以看出， 計(jì)算所得海雜波隨距離圖2計(jì)算海雜波和實(shí)測(cè)海雜波對(duì)比圖Ⅰ

和擦地角的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)海雜波的變化趨勢(shì)相同。 同時(shí)， 圖2所示的實(shí)測(cè)海雜波與0～1級(jí)海情的計(jì)算海雜波在幅度和變化趨勢(shì)上都較為吻合， 圖3所示的實(shí)測(cè)海雜波與4～5級(jí)海情的計(jì)算海雜波在幅度和變化趨勢(shì)上也都比較吻合。 仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提算法的有效性和可行性。

4結(jié)論

本文將主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與海雜波理論模型相結(jié)合， 提出一種實(shí)時(shí)計(jì)算海雜波回波信號(hào)強(qiáng)度的方法。 該方法在雜波理論模型的基礎(chǔ)上， 通過引入試驗(yàn)數(shù)據(jù)為算法提供標(biāo)定基準(zhǔn)， 能夠保證海雜波計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)測(cè)海雜波結(jié)果。 文中給出的仿真實(shí)例驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性。

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