基于二維相控陣體制的“低慢小”目標(biāo)探測雷達(dá)頻率捷變技術(shù)

摘要：“低慢小”無人機由于飛行高度低、飛行速度慢、體積小等特點，在多徑效應(yīng)的影響下，一直是雷達(dá)目標(biāo)探測的一個難點。文章在分析了頻率捷變帶寬對于多徑的改善效果后，提出了基于二維相控陣體制的頻率捷變技術(shù)，通過頻率捷變技術(shù)結(jié)合二維相控陣波束固定不會因為轉(zhuǎn)動帶來回波幅度調(diào)制的優(yōu)點，采用相參積累的脈沖組間頻率捷變改善雷達(dá)探測性能。在雷達(dá)整機上進行外場技術(shù)驗證，在1 GHz的天線帶寬內(nèi)進行頻率捷變。實測結(jié)果表明，采用該技術(shù)能夠提升雷達(dá)對于極低空飛行目標(biāo)的探測性能。

關(guān)鍵詞：多徑；低慢??；頻率捷變；二維相控陣

中圖分類號：TN957" 文獻標(biāo)志碼：A

0引言

近幾年隨著科技的發(fā)展，無人機的使用日益普遍，以航拍為目的的無人機變得炙手可熱。但由于監(jiān)管體制的不健全，無人機對于重點目標(biāo)、重點觀測區(qū)域以及重大社會活動的威脅日益突出。另外在軍事方面，低空目標(biāo)一直是較為棘手的問題。從二戰(zhàn)開始，低空甚至超低空目標(biāo)對一些國家的防空系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的沖擊。其中，“低慢小”無人機由于處于低空環(huán)境，飛行速度慢，容易與地雜波混疊，體積小難以探測等問題成為雷達(dá)的探測難點。雷達(dá)探測低空目標(biāo)時，由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致直射信號（雷達(dá)到目標(biāo)）和反射信號（雷達(dá)到地表到目標(biāo)）之間的干涉，導(dǎo)致天線俯仰方向圖分裂，回波信號衰減，跟蹤誤差增大，容易丟失目標(biāo)。

頻率捷變技術(shù)作為雷達(dá)常用的抗干擾措施，在寬頻帶內(nèi)通過頻率的跳變實現(xiàn)多徑信號去相關(guān)，能夠削減多徑效應(yīng)帶來的影響。本文基于二維相控陣體制雷達(dá)，首先分析了多徑效應(yīng)對于雷達(dá)探測低空目標(biāo)的影響，以及頻率捷變對于多徑效應(yīng)的改善；接著介紹了基于二維相控陣體制雷達(dá)的頻率捷變技術(shù)，通過脈組間頻率捷變，提升低空目標(biāo)探測性能；最后在二維相控陣?yán)走_(dá)上進行外場驗證。從探測結(jié)果對比來看，通過頻率捷變技術(shù)能夠提升低空無人機目標(biāo)的探測概率。

1頻率捷變對于多徑效應(yīng)的改善

1.1多徑模型

以大地坐標(biāo)系作為參考系，多徑中的直射信號和反射信號示意如圖 1所示［1］。直射信號與天線中心的連線與天線所在O點的水平線的夾角為θ。信號經(jīng)過地球表面的A點形成反射信號，其掠地角為ψ，反射點A對應(yīng)的地心角為γ。天線中心O與地面以直射信號為參考，反射信號與直射信號的波程差距離地面B點的高度差為ha，等效地球半徑為αe。地球半徑r0=6 367 444.466 m，等效地球半徑αe=4r0/3。若天線架設(shè)高度＞0 m，反射信號波程差δ（θ）可以分為兩種情況。

1.1.1球面反射模型

Ψ=θ+γ

θr=θ+2γ

δ（θ）=2h2a+ae（ae+ha）γ2［sin（θ+γ）］2（1）

式（1）中，γ=tanθ32+2ha3ae-tanθ3

1.1.2鏡面反射模型

Ψ=θ-sp

θr=θ-2sp

δ（θ）=2hacosθtan（θ-sp）（2）

式（2）中，sp為平面反射面的傾斜角，水平面向上為正，向下為負(fù)。

假設(shè)天線在俯仰維的幅度和相位方向圖函數(shù)分別為E（θ）和β（θ），則反射波的場強為E（-θr）ejβ（θr）。在俯仰角θ方向上，直射信號和反射信號合成的場強為：

Fc（θ）=ηD（θ）ρs（Ψ）?！ぃé罚〦（-θr）ej·β（-θr）-2πλδ（θ）+E（θ）ejβ（θ）（3）

式（3）中：η為漫反射調(diào)節(jié)系數(shù)；D（θ）為地球表面發(fā)散因子；ρs（Ψ）為反射面的粗糙度系數(shù)；?！ぃé罚榉瓷涿娴膹?fù)反射系數(shù)，可表示為ρ0（Ψ）ej（Ψ）。

1.1.3地球表面發(fā)散因子D（θ）

D（θ）=131+2btanθ（btanθ）2+31/2（4）

式（4）中，b=ae2ha。

1.1.4反射面的粗糙度系數(shù)ρs（Ψ）和漫反射調(diào)節(jié)系數(shù)η

反射面的粗糙程度與反射面起伏均方根偏差σh相關(guān)，反射面的粗糙將帶來鏡面發(fā)射和漫反射，鏡面反射以粗糙度系數(shù)ρs（Ψ）表示。

ρs（Ψ）=exp-22πσhsinΨλ2（5）

漫反射和鏡面反射類似，可以將漫反射系數(shù)合并于ρs（Ψ）中，通過適當(dāng)增大σh使ρs（Ψ）中包含漫反射的影響。由于實際地表環(huán)境情況十分復(fù)雜，在特定環(huán)境下需要通過漫反射調(diào)節(jié)系數(shù)η進行修正，根據(jù)實測結(jié)果校正系數(shù)。根據(jù)文獻［2］，漫反射因子與掠地角ψ相關(guān)，當(dāng)目標(biāo)處于低空，雷達(dá)架設(shè)在地面時，目標(biāo)高度越低，鏡面發(fā)射因子將遠(yuǎn)大于漫反射因子，此時可以將漫反射信號當(dāng)做隨機噪聲處理。

1.1.5復(fù)反射系數(shù)?！ぃé罚?/p>

本文所采用的二維相控陣?yán)走_(dá)天線為水平極化方式，因此?！ぃé罚椋?/p>

Γ.h（Ψ）=sinΨ-εc-（cosΨ）2sinΨ+εc-（cosΨ）2（6）

式（6）中，εc為復(fù)介電常數(shù)，εc=εr+j60λσ，其中λ為天線的工作波長，εr為介電常數(shù)，σ為導(dǎo)電率。介電常數(shù)和導(dǎo)電率與地表反射面類型以及天線頻率相關(guān)。

1.2頻率捷變對于多徑信號的去相關(guān)

雷達(dá)采用多頻點工作，不同頻點上的直射信號和發(fā)射信號的幅度差與相位差也不同。直射信號與發(fā)射信號之間的波程差為δ（θ），則相位差α=2πδ（θ）/λ。定義直射信號為Ad（t），發(fā)射信號為Ai（t），二者之間的歸一化相關(guān)系數(shù)［2］為：

γ=E［Ad（t）A*i（t）］2E［|Ad（t）|2］E［|Ai（t）|2］=|E［ejα］|（7）

頻率捷變便是利用不同頻點下，相關(guān)信號之間相關(guān)系數(shù)不同的關(guān)系，通過提高捷變帶寬，減小相關(guān)系數(shù)，達(dá)到去相關(guān)目的，減小多徑效應(yīng)的影響。

假設(shè)雷達(dá)工作中心頻率為f0，對應(yīng)波長為λ0，工作帶寬為ΔF，相對帶寬L=ΔF/f0，瞬時工作帶寬f=f0+Δf。直射信號與反射信號之間的相位差為：

α=2πδ（θ）λ0ff0+φ=2πδ（θ）λ0f0+Δff0+φ=2πδ（θ）λ0+φ+2πδ（θ）λ0β（8）

式（8）中，β=Δf/f0，－L/2≤β≤L/2。假設(shè)各個頻點在天線射頻工作帶寬內(nèi)均勻分布，則：

E［ejα］=ej2πδ（θ）λ0+φ·1L∫L/2-L/2ej2πδ（θ）λ0βdβ

=ej2πδ（θ）λ0+φsincπδ（θ）λ0L（9）

相關(guān)系數(shù)：

γ=|E［ejα］|=sincπδλ0L=sincπδcΔF（10）

可以看出，相關(guān)系數(shù)與sinc函數(shù)呈正相關(guān)，隨著捷變頻率帶寬的增大，相關(guān)系數(shù)越小，去相關(guān)效果越明顯，多徑效應(yīng)的影響越小。

2基于二維相控陣的脈組間頻率捷變

2.1長時間相參積累的脈組間頻率捷變

常用的頻率捷變有3種形式，脈沖內(nèi)頻率捷變、脈沖間頻率捷變、脈沖組間頻率捷變［3］，如圖2所示。

為了在低空環(huán)境中實現(xiàn)“低慢小”目標(biāo)，需要通過長時間積累提升目標(biāo)信噪比。積累分為兩種方式，相參積累和非相參積累。由于非相參積累相對于相參積累存在信噪比的積累損失，所以本文采用相參積累。

對于脈沖間頻率捷變而言，由于不同頻點的增益和相位不同，無法進行相參積累［4］，本文采用的是脈沖組間頻率捷變。

2.2二維相控陣體制的脈組間頻率捷變

本文采用二維相控陣體制雷達(dá)對“低慢小”無人機目標(biāo)進行探測。二維相控陣采用全固態(tài)收發(fā)組件，通過通道相位切換快速實現(xiàn)方位俯仰波束指向切換，相較于一維電掃一維機掃的相控陣?yán)走_(dá)而言，不存在由于天線轉(zhuǎn)動帶來的幅度調(diào)制。采用二維相控陣體制來實現(xiàn)脈組間頻率捷變，相對于一維雷達(dá)，不會由于天線方位轉(zhuǎn)動帶來不同頻點的波束指向不同而影響脈組間頻率捷變的探測性能。

本文的二維相控陣?yán)走_(dá)工作在ku波段，其天線射頻工作帶寬為1 GHz，工作原理如圖3所示。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)出正常工作模式下的指令包（包含波形、波位排布、積累時間、工作頻點等信息），發(fā)送到信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)中的接口模塊對命令包中的命令進行解譯，依據(jù)命令包的信息轉(zhuǎn)譯為收發(fā)信道、頻率源、DDS、陣面等分系統(tǒng)控制命令包和相應(yīng)的工作時序，控制整個系統(tǒng)有序工作。

其射頻信號流程為：信號處理系統(tǒng)DDS產(chǎn)生發(fā)射中頻信號，送往射頻系統(tǒng)中的收發(fā)信道與頻率源模塊，射頻系統(tǒng)對該信號進行上變頻、濾波、放大后，形成ku波段的低功率激勵信號，進入天線分系統(tǒng)中的饋線網(wǎng)絡(luò)分配后驅(qū)動T/R組件輸出功率，經(jīng)天線陣面對外輻射；陣面輻射出去的信號遇到目標(biāo)后反射回天線陣面，陣面接收后經(jīng)T/R組件放大后進入饋線網(wǎng)絡(luò)合成為和差三路波束，與保護天線對應(yīng)的保護通道一同送入射頻子系統(tǒng)，進行放大、濾波和下變頻處理，下變頻至中頻信號送往信號處理系統(tǒng)。

信號處理系統(tǒng)對和差差加保護通道輸出的中頻信號進行采樣、數(shù)字下變頻、脈壓、相參積累、恒虛警、和差測角等工作后，送往數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)跟蹤處理，經(jīng)跟蹤處理后，再進行顯示處理。信號處理流程如圖4所示。

雷達(dá)在1 GHz帶寬內(nèi)進行脈沖組間頻點切換，按照上述信號處理流程，對目標(biāo)進行多頻點探測，疊加多個頻點的探測結(jié)果進行目標(biāo)凝聚，輸出最終探測結(jié)果，如圖5所示，降低多徑效應(yīng)的影響。

3頻率捷變技術(shù)驗證

為了驗證頻率捷變技術(shù)對于低空無人機目標(biāo)探測性能的改善，選擇在城市環(huán)境下進行測試，測試環(huán)境如圖 6所示。

使用大疆精靈4無人機作為探測目標(biāo)。統(tǒng)計無人機飛行5 km內(nèi)利用1 G帶寬內(nèi)的頻率捷變技術(shù)以及不利用頻率捷變的探測概率變化，其中探測概率為無人機飛行期間，雷達(dá)探測到無人機的次數(shù)除以雷達(dá)搜索次數(shù)。為了更詳細(xì)地驗證頻率捷變技術(shù)對于雷達(dá)探測效果的改善情況，測試增加對不同頻點，以及開啟頻率捷變下的不同無人機飛行高度的探測威力、探測距離、方位、俯仰精度的分析。

統(tǒng)計航跡從起批到終止期間的探測概率、雷達(dá)探測到目標(biāo)的次數(shù)（n）和雷達(dá)搜索次數(shù)（m）。探測次數(shù)除以搜索次數(shù)，得到雷達(dá)的探測概率：

p=nm（11）

統(tǒng)計5 km范圍內(nèi)距離精度值，雷達(dá)測量的無人機斜距與無人機真實斜距的誤差均方根值：

σR=1nΣni=0（Ri-Rui）2（12）

式（12）中：Ri為雷達(dá)測量斜距；Rui為無人機真實斜距。

統(tǒng)計5 km范圍內(nèi)方位精度值，雷達(dá)測量的無人機方位角與無人機真實方位角的誤差均方根值：

σA=1nΣni=0（Ai-Aui）2（13）

式（13）中：Ai為雷達(dá)測量方位角；Aui為無人機真實方位角。

統(tǒng)計5 km范圍內(nèi)俯仰精度值，雷達(dá)測量的無人機俯仰角與無人機真實俯仰角的誤差均方根值：

σE=1nΣni=0（Ei-Eui）2（14）

式（14）中：Ei為雷達(dá)測量俯仰角；Eui為無人機真實俯仰角。

多徑效應(yīng)的影響和掠地角有關(guān)，對比測試不同高度無人機的探測效果。其中：50 m高度受制于環(huán)境因素，只能飛行2 km距離；其他的高度100 m、150 m、200 m均飛行5 km距離。測試結(jié)果如表1～5所示。

從單頻點測試結(jié)果上看，當(dāng)無人機飛行在50 m高度時，雷達(dá)各個頻點的探測概率差距非常大，隨著無人機飛行高度的升高，各個頻點的探測概率也對應(yīng)提高。采用頻率捷變后，對于50 m低空飛行的無人機探測效果有顯著改善，其他不同高度的目標(biāo)探測概率和精度（特別是測角精度）都有一定提升。

4結(jié)語

本文綜述了多徑效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析了頻率捷變技術(shù)對于多徑效應(yīng)的改善，分析了在二維相控陣體制下，采用脈沖組間頻率分集技術(shù)對低空目標(biāo)探測的優(yōu)勢，并描述二維相控陣?yán)走_(dá)的整機方案以及信號處理流程，最后在雷達(dá)整機上對頻率捷變技術(shù)進行外場驗證。實測結(jié)果表明，頻率捷變技術(shù)能夠提升特別是極低空目標(biāo)的探測概率，對于雷達(dá)探測精度也有一定的改善。

參考文獻

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［3］郭利榮，何明浩，郁春來，等.頻率捷變雷達(dá)信號相參特征的表述［J］.火力與指揮控制，2015（7）：4.

［4］趙彥君.雷達(dá)低空微弱目標(biāo)檢測技術(shù)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2019.

（編輯編輯李春燕）

Frequency agility technology for “l(fā)ow-flying， slow and small” target detection radar based on two-dimensional phased array systemZhou" Shiqi1， Ye

Zhou2， Tian" Gege2， Lu" Xiaoming1

（1.ZARD （Beijing） Electronic Technology Co.， Ltd.， Beijing 100070， China;

2.Shanghai Aerospace Electronics Equipment Research Institute， Shanghai 201101， China）Abstract：nbsp; Due to the characteristics of low altitude， slow flight speed， and small size， the “l(fā)ow-flying， slow and small” drone has always been a difficulty in radar target detection under the influence of multi-path effects. After analyzing the improvement effect of frequency agility bandwidth on multi-path， the article proposes a frequency agility technology based on the two-dimensional phased array system. By combining frequency agility technology with the advantage that the two-dimensional phased array beam is fixed and does not cause echo amplitude modulation due to rotation， the coherent accumulation pulse group frequency agility is used to improve radar detection performance. Perform field technology verification on the entire radar system， and perform frequency agility within 1 GHz antenna bandwidth. The actual measurement results indicate that using this technology can improve the radar’s detection performance for extremely low altitude flying targets.

Key words： multi-path; low-flying， slow and small; frequency agility; two-dimensional phased array