海雜波對機(jī)載雷達(dá)探測距離的影響

鐘永磊

(南京國睿防務(wù)系統(tǒng)有限公司,江蘇 南京 210039)

0 引言

機(jī)載雷達(dá)在檢測海上目標(biāo)的過程中,海面情況會影響機(jī)載雷達(dá)對海面目標(biāo)的探測距離,所以需關(guān)注海雜波干擾問題。 而且不同海情下的海雜波強(qiáng)度存在差異,海雜波對小型海上目標(biāo)勘測距離影響較大。 高海情狀態(tài)下的海雜波弱于目標(biāo)信號,所以機(jī)載雷達(dá)可勘測到海面信號。 針對小型海上目標(biāo)的勘測,海雜波強(qiáng)于目標(biāo)信號,其對勘測距離影響較大。 近年來,我國學(xué)者及技術(shù)工作者從不同層面對海雜波與機(jī)載雷達(dá)探測距離的關(guān)系進(jìn)行研究,并取得了一定進(jìn)展。 在小型海上目標(biāo)探測時,海雜波對海情的依賴程度較高,可利用分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動模型分析分型差量與干擾元素的關(guān)系。 此外,有研究指出,基于海雜波特性,可通過建立臨近實(shí)際的地海雜波模型對機(jī)載雷達(dá)性能進(jìn)行研究。 本研究主要對不同海情下的機(jī)載雷達(dá)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探討飛行階段的海雜波數(shù)據(jù),推演機(jī)載雷達(dá)在指定海情下的探測距離,為海上目標(biāo)探測提供數(shù)據(jù)參考。

1 海雜波對探測距離的影響

機(jī)載雷達(dá)是在海雜波背景下勘測海面上靜止或運(yùn)動的目標(biāo),其在探測海上目標(biāo)時會受到海雜波影響,而海雜波與噪聲共同影響機(jī)載雷達(dá)工作性能[1]。

雜波的存在會影響雷達(dá)使用性能,導(dǎo)致目標(biāo)勘測出現(xiàn)不同程度誤差。 為了保證勘測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,需了解機(jī)載雷達(dá)在不同條件下對海雜波的影響程度。 海雜波與噪聲共同影響機(jī)載雷達(dá)工作性能[1]。

式(1)中:D 與S 和N 商值最小值相等,代表檢測力因子。 海雜波環(huán)境下,N 采用干擾源、雜波與噪聲功率之和代替,干擾源用J 表示,噪聲功率用C 表示,S 和N 的比值可使用信號雜波功率比代替,也就是用信號雜比代替,表示為S/I。 根據(jù)上述轉(zhuǎn)換關(guān)系,可將檢測力因子轉(zhuǎn)化為:

在機(jī)載雷達(dá)運(yùn)行過程中,如果發(fā)現(xiàn)待勘測目標(biāo),海雜波與信號雜波比可表示為:

機(jī)載雷達(dá)探測海面上的載波區(qū)域目標(biāo)時,海雜波對距離相近的區(qū)域和海面目標(biāo)距離一致,也就是R 與Rc相同時,可以計(jì)算出雷達(dá)海雜波平均反射面積[2]。當(dāng)探測距離與海面探測目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時,機(jī)載雷達(dá)視向入射余角角度較小,此時機(jī)載雷達(dá)天線方向圖傳播因子表示為:

式(4)和式(5)中:h1與h2表示機(jī)載雷達(dá)與探測目標(biāo)高度,將機(jī)載雷達(dá)方向圖傳播因子帶入雷達(dá)距離可得出方程:

式(6)中:θa代表天線方位波束寬度,θc表示天線俯仰波束寬度。Fc表示海雜波方向的方向傳播因子,λ表示機(jī)載雷達(dá)工作波長,φ表示入射余角,σ0表示海雜波后向散射系數(shù)。代表海面目標(biāo)平均RCS,L 代表機(jī)載雷達(dá)運(yùn)行過程中的系統(tǒng)損耗。 綜合式中各項(xiàng)數(shù)據(jù),機(jī)載雷達(dá)對海面目標(biāo)探測距離和海雜波方向圖傳播因子、雜波散射系數(shù)相關(guān)[3]。 如果機(jī)載雷達(dá)對海情勘測距離一定,可得出對應(yīng)的海雜波系數(shù),實(shí)際探測的距離和與真實(shí)海情之間存在一定差距,對此需了解機(jī)載雷達(dá)實(shí)際勘測距離與設(shè)計(jì)數(shù)值和海雜波系數(shù)以及天線方圖之間的關(guān)系:

式(7)中Fc表示海雜波方向圖傳播因子。 如果入射余角無限接近于最大值,方向圖傳播因子等于1,這個時候海雜波方向圖傳播因子受海雜波影響可以忽略不計(jì)。 如果入射余角無限接近最小值,方向圖傳播因子受影響十分明顯。 總的來說,機(jī)載雷達(dá)對海情探測距離和設(shè)計(jì)數(shù)值之間有一定關(guān)聯(lián)。 為了判斷實(shí)際海雜波與實(shí)現(xiàn)指標(biāo)之間的關(guān)系,需了解不同海雜波情況下,雜波散射系數(shù)的數(shù)值,如此便可以得到設(shè)計(jì)數(shù)值與機(jī)載雷達(dá)實(shí)際探測距離[4]。 在試驗(yàn)操作中,獲取試驗(yàn)過程中海雜波真實(shí)系數(shù),保證試驗(yàn)數(shù)值的真實(shí)性。 通常而言,海雜波系數(shù)獲得方法包括兩種:第一種是采用雜波測量雷達(dá)檢測。 在機(jī)載雷達(dá)飛行作業(yè)期間實(shí)際測量數(shù)值對應(yīng)海區(qū)雜波系數(shù)[5]。 第二種是借助海雜波模型計(jì)算。 借助模型參數(shù)變量的關(guān)系求救海雜波系數(shù)。 在采用第一種方法時,海雜波系數(shù)主要通過實(shí)際測量得到,獲得的數(shù)據(jù)十分可靠,但在實(shí)際作業(yè)過程中真實(shí)測量到的數(shù)據(jù)受成本及設(shè)備影響,很難得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的海雜波系數(shù)[6]。 所以第二種方法是相對可靠且采用度較高的方法,不僅實(shí)驗(yàn)成本相對較低,而且通過借助海雜波理論模型,結(jié)合探測區(qū)域氣象條件求解海雜波系數(shù),以此得到指標(biāo)條件限制要求的機(jī)載雷達(dá)探測距離[7]。

2 海雜波散射系數(shù)模型的建立

機(jī)載雷達(dá)在檢測海上目標(biāo)時,既易受到海面余波、海面回波等因素的影響,又與海情也有著極為緊密的關(guān)聯(lián),如海浪高度與海面風(fēng)向?qū)C(jī)載雷達(dá)波束方向及設(shè)備表面污染度相關(guān)、海面回波與機(jī)載雷達(dá)部分參數(shù)有關(guān)、頻率、極化以及波束入射余角均影響海面回波長度[8]。 由于影響海雜波強(qiáng)度的因素較多,且海情處于時刻變化的趨勢,因此無法精準(zhǔn)把握某個海域的海雜波系數(shù)。 目前,關(guān)于海雜波散射系數(shù)的模型較多,但僅適用于一定條件下,不適用于所有場景,測量的海雜波系數(shù)誤差在幾十dB 左右。 假定測量條件及測量人員不同,則測量結(jié)果無法作為誤差評估的依據(jù)[9-10]。

GIT 模型是適用于海雜波散射系數(shù)計(jì)算的模型。該模型適用于X 波段機(jī)載雷達(dá),且使用相對廣泛。 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),這個模型和實(shí)踐數(shù)據(jù)基本吻合,在機(jī)載雷達(dá)執(zhí)行探測任務(wù)時,可以描述海雜波特性,作為海雜波分析的理論模型。

表1 海情描述

機(jī)載雷達(dá)執(zhí)行任務(wù)的過程中,對海面照射時記錄了飛行階段海面海況級別,借助海雜波GIT 模型可計(jì)算出機(jī)載雷達(dá)在不同飛行高度下的海雜波散射系數(shù)。

3 機(jī)載雷達(dá)探測距離與海雜波的關(guān)系

假設(shè)飛機(jī)在海平面2 500 m 以上高度飛行,機(jī)載雷達(dá)探測距離為遠(yuǎn)離飛機(jī)180 km 的位置,也就是機(jī)載雷達(dá)發(fā)現(xiàn)海面目標(biāo)的距離在180 km。 計(jì)算該區(qū)域180°范圍內(nèi)不同雷達(dá)視向和風(fēng)向的夾角的數(shù)值,2 級和3 級海情水平極化仿真結(jié)果為:當(dāng)風(fēng)向和雷達(dá)夾角為0°時,2 級海情為-34.43 dB×m2/m2,3 級海情為-31.44 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和雷達(dá)夾角為30°時,2 級海情為-34.79 dB×m2/m2,3 級海情為-31.88 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和雷達(dá)夾角為60° 時, 2 級海情為-36.13 dB×m2/m2,3 級海情為-33.09 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和雷達(dá)夾角為90°時,2 級海情為-37.77 dB×m2/m2,3 級海情為-34.78 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和雷達(dá)夾角為120°時,2 級海情為-39.48 dB×m2/m2,3 級海情為-36.46 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和雷達(dá)夾角為150°時,2 級海 情 為- 40.03 dB × m2/m2, 3 級 海 情 為-37.44 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和雷達(dá)夾角為180°時,2 級海情為-41.43 dB×m2/m2,3 級海情為-38.45 dB×m2/m2。

假設(shè)飛機(jī)在海平面1 000 m 以上飛行,機(jī)載雷達(dá)照射區(qū)域距離飛機(jī)為90 km,也就是雷達(dá)發(fā)現(xiàn)海面目標(biāo)的距離在90 km 左右。 對180°范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)和視向夾角進(jìn)行分析,3 級和4 級海情模擬數(shù)值為:當(dāng)風(fēng)向和機(jī)載雷達(dá)夾角為0°時,3 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-34.05 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-32.19 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和機(jī)載雷達(dá)夾角為30°時,3 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-32.69 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-30.09 dB×m2/m2;

當(dāng)風(fēng)向和機(jī)載雷達(dá)夾角為60°時,3 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-29.05 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-27.13 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和機(jī)載雷達(dá)夾角為 90° 時, 3 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-23.91 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-22.09 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和機(jī)載雷達(dá)夾角為120°時,3 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-18.88 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-17.06 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和機(jī)載雷達(dá)夾角為150°時,3 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-15.19 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-13.33 dB×m2/m2;當(dāng)風(fēng)向和機(jī)載雷達(dá)夾角為180°時,3 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-13.82 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計(jì)算數(shù)值為-11.98 dB×m2/m2。

結(jié)合試驗(yàn)階段記錄的海面氣象情況,通過計(jì)算可得到飛行過程中海面雜波系數(shù),從而計(jì)算海面目標(biāo)實(shí)際距離與機(jī)載雷達(dá)的關(guān)系。 上述方案采用某型號機(jī)載雷達(dá)設(shè)備對海面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,該方法符合預(yù)期效果。

4 結(jié)語

機(jī)載雷達(dá)對海面目標(biāo)探測距離是機(jī)載雷達(dá)性能評估的主要指標(biāo)。 海面目標(biāo)探測距離和海浪高度等數(shù)據(jù)相關(guān),意味著機(jī)載雷達(dá)探測海面目標(biāo)存在多種不穩(wěn)定因素,所以機(jī)載雷達(dá)對海面目標(biāo)的探測不存在絕對距離。 本研究借助飛行過程中記錄的試驗(yàn)海域浪高、風(fēng)向等數(shù)據(jù),可得到不同雜波情況下雜波散射系數(shù)。 依照雜波散射系數(shù)與探測距離的關(guān)系可求出雜波與雷達(dá)探測距離的關(guān)系,有效解決了機(jī)載雷達(dá)對不同雜波條件下探測距離的問題,對機(jī)載雷達(dá)海上試驗(yàn)具有一定價(jià)值。