低空逃逸小RCS目標(biāo)PD雷達(dá)探測技術(shù)

劉明輝，劉 昊，陳浩川

低空逃逸小RCS目標(biāo)PD雷達(dá)探測技術(shù)

劉明輝，劉 昊，陳浩川

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)之一是來自于對低空逃逸微弱目標(biāo)的探測?，F(xiàn)代軍事逐漸向低空領(lǐng)域擴(kuò)展，超低空逃逸技術(shù)也在日益發(fā)展，促使對低空逃逸微弱目標(biāo)檢測技術(shù)研究的地位日益提升。雷達(dá)對低空微弱目標(biāo)進(jìn)行下視探測時(shí)，目標(biāo)的低空和超低空飛行致使雷達(dá)接收的回波功率變?nèi)?，被淹沒在強(qiáng)烈的背景雜波中。與傳統(tǒng)脈沖多普勒PD（Pulse-Doppler）雷達(dá)不同，合成寬帶脈沖多普勒雷達(dá)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離和速度的二維高分辨，并且具備良好的相參性和抗干擾性能。針對低空飛行目標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行定性定量分析，對探測所遇到的雜波環(huán)境進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提供了一種基于合成寬帶脈沖多普勒雷達(dá)低空逃逸小雷達(dá)截面積RCS目標(biāo)的探測方法，并對參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析，降低漏探概率。

低空逃逸；合成寬帶；相參積累；相位補(bǔ)償

引 言

由于雷達(dá)在低空安防領(lǐng)域表現(xiàn)的高效和先進(jìn)性，因此在此領(lǐng)域逐漸占據(jù)了核心位置[1]。低空逃逸目標(biāo)以及隱身技術(shù)對雷達(dá)的挑戰(zhàn)巨大[2]，隱身技術(shù)的發(fā)展使得目標(biāo)的雷達(dá)截面積RCS大大降低，而低空弱小目標(biāo)更是帶來了多徑效應(yīng)，更容易被強(qiáng)雜波環(huán)境所影響。簡而言之，就是此類目標(biāo)RCS小、背景雜波強(qiáng)，使得其不能很好地被探測出來。針對此類目標(biāo)，一方面可以使用現(xiàn)代信號處理的技術(shù)解決問題，比如動(dòng)目標(biāo)顯示（Moving Target Indicator）技術(shù)、動(dòng)目標(biāo)檢測（Moving Target Detection）技術(shù)、脈沖多普勒技術(shù)以及長時(shí)間積累等技術(shù)。另一方面，還需要通過在雷達(dá)自身設(shè)施上采取手段來進(jìn)行雜波抑制或者改善，比如采用頻率捷變技術(shù)、大寬帶技術(shù)，或者在硬件上采取超低副瓣技術(shù)等[3,4]。綜上，由于探測目標(biāo)飛行高度低、散射面積小，在復(fù)雜環(huán)境中容易被噪聲和雜波淹沒，雷達(dá)需要具備同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離維和速度維的二維高分辨，才能完成對目標(biāo)的精確探測任務(wù)。

傳統(tǒng)脈沖多普勒雷達(dá)的處理方式是通過多普勒濾波器組進(jìn)行速度分辨[5]，從而在強(qiáng)雜波的環(huán)境下對其進(jìn)行抑制，并從中提取出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息。根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)理論知識(shí)，距離維的高分辨可以通過增大帶寬來實(shí)現(xiàn)。而雷達(dá)想要實(shí)現(xiàn)速度的高分辨，往往需要相參積累技術(shù)，并且積累的時(shí)間越長分辨率越高，PD雷達(dá)可以通過采用脈沖串的形式來增加信號處理的時(shí)間。但是大寬帶和較長的處理時(shí)間存在一定的兼容問題。帶寬越大，目標(biāo)在脈沖串內(nèi)包絡(luò)走動(dòng)的現(xiàn)象越明顯，往往對相參積累造成損失。目前常用的寬帶信號體制有線性調(diào)頻信號、相位編碼、瞬時(shí)窄脈沖信號以及頻率步進(jìn)信號[6]。目前，頻率步進(jìn)合成寬帶與PD雷達(dá)結(jié)合是一種新型體制，與傳統(tǒng)PD雷達(dá)相比，它具有能夠?qū)崿F(xiàn)二維距離高分辨、極強(qiáng)的雜波抑制能力、可解速度模糊、抗干擾能力強(qiáng)、子脈沖瞬時(shí)窄帶等特點(diǎn)。

本文首先對合成寬帶PD雷達(dá)的兩種信號形式進(jìn)行介紹，闡釋其原理，提出基于合成寬帶PD雷達(dá)的信號處理流程；然后針對探測過程中可能遭遇的強(qiáng)地、海雜波進(jìn)行仿真建模分析，從而分析本系統(tǒng)所適應(yīng)的雷達(dá)擦地角、回波主瓣雜波強(qiáng)度、目標(biāo)的最小可檢測速度進(jìn)行定量分析，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 信號模型

1.1 合成寬帶PD信號模型

頻率步進(jìn)信號是典型的瞬時(shí)窄帶寬合成寬帶信號[7]，它是寬帶PD雷達(dá)的基礎(chǔ)。寬帶PD雷達(dá)的信號形式主要有兩種，一種是多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號，另一種是多周期脈沖內(nèi)頻率步進(jìn)信號。

多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號的時(shí)頻形式如圖1所示。由圖可以看出，其特點(diǎn)是周期內(nèi)發(fā)射單個(gè)脈沖，每個(gè)周期內(nèi)的脈沖載頻是步進(jìn)的。脈沖周期重復(fù)發(fā)射，在此周期內(nèi)信號頻率步進(jìn)。多周期脈沖內(nèi)頻率步進(jìn)信號的時(shí)頻圖[8]如圖2所示。

圖1 多周期脈沖間頻率步進(jìn)信號時(shí)頻圖

圖2 多周期脈沖內(nèi)頻率步進(jìn)信號時(shí)頻圖

經(jīng)過接收機(jī)本振混頻后，基帶信號可以表示為：

對一共個(gè)子脈沖進(jìn)行重排，載頻相同的子脈沖為一組，形成N個(gè)脈沖串[10]。對N個(gè)脈沖串進(jìn)行FFT，即對窄帶信號進(jìn)行脈沖多普勒處理。然后對頻率步進(jìn)的幀內(nèi)進(jìn)行IFFT處理，得到高分辨結(jié)果。此過程可以從頻域?qū)Σ煌俣鹊哪繕?biāo)和雜波進(jìn)行分離，測得所有目標(biāo)的速度后可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而削弱運(yùn)動(dòng)對一維距離向的影響。每個(gè)速度通道進(jìn)行相參合成脈壓處理，進(jìn)而得到速度維的高分辨結(jié)果。對相參積累進(jìn)行二維恒虛警檢測，最后可實(shí)現(xiàn)二維的高分辨檢測。圖3所示為合成寬帶PD雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高分辨處理流程圖。

2 探測環(huán)境與性能分析

2.1 雜波特性

針對低空逃逸目標(biāo)的探測任務(wù)分析，主要面對的雜波情況是地雜波或海雜波[11]。地海雜波的建模方法已有很多學(xué)者做出了很多研究，本節(jié)選取兩個(gè)針對性強(qiáng)且常用的建模方法進(jìn)行分析。

2.1.1 地雜波單位面積散射系數(shù)

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，各個(gè)參數(shù)的取值與地形地貌的關(guān)系見表1。

表1 不同地貌地雜波模型取值

2.1.2 海雜波單位面積散射系數(shù)

采用Morchin模型進(jìn)行分析。Morchin海雜波模型是一種典型的海雜波后向散射參數(shù)簡化模型[12]。根據(jù)資料，海雜波主要受載頻、海情和擦地角影響，假設(shè)載頻范圍可以任意，擦海角考慮范圍為0.1°～90°，則可得具體模型如下：

2.1.3 雜波RCS

其中，為合成帶寬。

2.2 信雜比改善因子需求

假設(shè)雷達(dá)采用步進(jìn)頻方式合成寬帶，任意時(shí)刻是窄帶系統(tǒng)，甚至是單頻系統(tǒng)，則在處理過程當(dāng)中可以把濾波器設(shè)計(jì)得很窄，可以對熱噪聲進(jìn)行良好濾除，因此暫不考慮熱噪聲。

雷達(dá)所接收到的目標(biāo)回波功率為：

雷達(dá)所接收到的雜波功率為：

則信雜比為：

為了實(shí)現(xiàn)可靠探測，信雜比改善因子需求為：

為滿足一定發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率下的最終信雜比。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 雜波仿真

假設(shè)雷達(dá)高度在6 km開始探測，取合成信號帶寬100 MHz，可進(jìn)行海雜波RCS的仿真，如圖5所示。根據(jù)雷達(dá)海雜波瑞利準(zhǔn)則知識(shí)，大于60°可以認(rèn)為是高擦地角區(qū)，即可認(rèn)為是表面粗糙的。從圖中可以看出，到了高擦地角范圍海雜波的RCS普遍激增。

在定植前要深耕整地，施足底肥、培肥地力。根據(jù)地形南北行或東西行種植，行距1.6～1.8米，挖寬0.4～0.5米、深0.5米的定植溝。每畝施有機(jī)肥1000千克、復(fù)合肥25千克，與土混合均勻施入定植溝，灌水踏實(shí)，定植溝平面低于原地面5～7厘米。

圖4 海雜波后向散射與擦地角之間的關(guān)系

圖5 海雜波RCS圖

3.2 最小可檢測速度仿真

主瓣雜波的多普勒帶寬為：

當(dāng)目標(biāo)飛行與雷達(dá)沒有夾角時(shí)，雜波的多普勒頻率最大值為：

此時(shí)飛機(jī)速度對目標(biāo)多普勒頻率的影響也消除了，假設(shè)目標(biāo)沿著徑向飛行，此時(shí)目標(biāo)的多普勒頻率為：

由此，可計(jì)算出最小可檢測速度。

圖6 15 GHz頻段最小可檢測速度示意圖

圖7 30 GHz頻段最小可檢測速度示意圖

從圖6和圖7可知，隨著擦地角的增大，目標(biāo)的最小可檢測速度也隨之增大[13]。將兩個(gè)不同頻率的曲線相比較可以看出，當(dāng)方位角為0時(shí)，頻率對最小可檢測速度沒有影響。但是當(dāng)大方位角時(shí)，高頻段可以適應(yīng)的擦地角度顯然更大[14,15]。根據(jù)定量計(jì)算，15 GHz可以適應(yīng)的最大擦地角為53.5°，30 GHz頻段最大能適應(yīng)的擦地角為69.7°。需要注意的是，雖然高頻段能適應(yīng)的擦地角更大，但是由于頻率的提高，處理時(shí)間也相應(yīng)變長，需要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。

3.3 作用距離仿真

通過多普勒域?yàn)V波獲得信雜比改善之后，作用距離的計(jì)算忽略雜波影響，計(jì)算中考慮熱噪聲[16]。

圖8 作用距離示意圖

4 結(jié)束語

對低空逃逸小RCS目標(biāo)的探測是雷達(dá)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)[2,19]，利用合成寬帶PD雷達(dá)新體制的距離速度二維高分辨的優(yōu)勢[17]，可以獲得較強(qiáng)的探測性能，從而實(shí)現(xiàn)對該類目標(biāo)的探測任務(wù)。本文從探測中可能遇到的強(qiáng)雜波環(huán)境做了針對性的建模仿真，設(shè)定了探測所需的參數(shù)，探究了雜波RCS、擦地角、最小可檢測速度之間的關(guān)系，并且對目標(biāo)作用距離進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，得出了不同參數(shù)之間的準(zhǔn)確關(guān)系，提出雷達(dá)頻率、積累時(shí)間等參數(shù)需要綜合考慮，為后續(xù)的工程化應(yīng)用提供了有效的參考。

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PD radar detection technology of low-altitude escape small RCS targets

LIU Minghui, LIU Hao, CHEN Haochuan

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

One of the major challenges that radar faces comes from the detection of low-altitude escaping weak targets. Modern military is gradually expanding to the low-altitude field, and ultra-low-altitude escape technology is also increasingly developed, resulting in the research on low-altitude escape and weak target detection technology. When the radar performs downward-looking detection on this low-altitude weak target, due to the relatively low flying height of the target, the corresponding scattering coefficient of the target is large, so that the echo of the target is easily submerged in the sidelobe clutter. Different from traditional pulse-Doppler (PD) radar, synthetic broadband pulse-Doppler radar can achieve two-dimensional high resolution of distance and velocity at the same time, and has good coherence and anti-jamming performance. In this paper, a qualitative and quantitative analysis of the characteristics of low-altitude flying targets is carried out, and the clutter environment encountered by the detection is simulated and verified, and a detection method of low-altitude escape small radar cross-section (RCS) targets based on synthetic broadband pulsed Doppler radar is provided, so as to optimize the parameter design to reduce the probability of missed detection.

Low altitude escape; Synthetic broadband; Coherent accumulation; Phase compensation

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

TN957.51

A

CN11-1780(2022)06-0117-07

10.12347/j.ycyk.20220509001

劉明輝, 劉昊, 陳浩川.低空逃逸小RCS目標(biāo)PD雷達(dá)探測技術(shù)[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 117–123.

10.12347/j.ycyk.20220509001

: LIU Minghui, LIU Hao, CHEN Haochuan. PD radar detection technology of low-altitude escape small RCS targets[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 117–123.

2022-05-09

2022-06-01

劉明輝 1996年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理。

劉 昊 1976年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)橄嗫仃囂炀€與微波技術(shù)。

陳浩川 1979年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)總體設(shè)計(jì)。

(本文編輯：楊秀麗)