基于艦載雷達(dá)的海雜波特性分析與仿真

王雨辰

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，西安 710068）

引言

利用雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí)，由于受到環(huán)境、設(shè)備等各種方式的干擾，往往會(huì)接收到一些干擾雷達(dá)正常工作的雷達(dá)回波信號(hào)，該種信號(hào)被稱作雜波。根據(jù)進(jìn)入路徑的不同，可分為主瓣回波和旁瓣回波。而根據(jù)產(chǎn)生雜波載體的不同，可分為面雜波和體雜波。面雜波通常包括一定面積內(nèi)的自然環(huán)境，包括植被、樹木、人造建筑及海表面等散射的回波，又稱為區(qū)域雜波，主要包含地雜波和海雜波。體雜波通常包括更大面積或具有一定活動(dòng)屬性的雜波，主要包括較大尺寸的云雨、箔條、鳥及昆蟲等的散熱回波[1]。

對(duì)于探測(cè)不同目標(biāo)的雷達(dá)而言，會(huì)有不同的雜波對(duì)雷達(dá)進(jìn)行干擾。而對(duì)于探測(cè)海面目標(biāo)的雷達(dá)來說，由于鏡面反射和漫反射，常常會(huì)產(chǎn)生后向散射效應(yīng)，影響到雷達(dá)的探測(cè)識(shí)別能力，這種干擾信號(hào)就是海雜波。海雜波會(huì)受到多種環(huán)境因素的干擾，包括海浪大小，風(fēng)速大小，溫濕度等，相對(duì)地雜波更為復(fù)雜。因此，為了探測(cè)海面目標(biāo)的雷達(dá)具備更好的性能，下文將對(duì)雷達(dá)將接收到的海雜波進(jìn)行分析說明。

1 海雜波的后向散射特性

雷達(dá)回波是指雷達(dá)在工作過程中，通過空間散射體接收到的散射回波。需要對(duì)雷達(dá)回波的強(qiáng)度進(jìn)行描述，從而確定雷達(dá)回波的特性。此處使用雷達(dá)截面積（RCS）對(duì)回波強(qiáng)度進(jìn)行描述。根據(jù)雷達(dá)原理，雷達(dá)截面積往往與多個(gè)因素相關(guān)，包括雷達(dá)發(fā)射參數(shù)，如極化方式、電磁波的頻率、入射角等，也與探測(cè)目標(biāo)的特性相關(guān)，包括探測(cè)目標(biāo)的外形、體積、組成結(jié)構(gòu)和使用材料等，因此，通過雷達(dá)截面積的描述，能夠?qū)δ繕?biāo)的特性（如大小、形狀和指向）[3]進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。

雜波產(chǎn)生的原理與雷達(dá)回波類似，只因探測(cè)的不是目標(biāo)而是干擾因素而產(chǎn)生，因此，通過雜波散射截面積能夠較好地對(duì)雜波功率進(jìn)行分析。此處的等效散射截面積為雜波區(qū)（面積為Ac）反射產(chǎn)生。雜波的平均RCS 由式（1）給出：

式中：

σ0—單位面積的雷達(dá)反射率；

Ac—被照射的地面或海面區(qū)域面積，m2；

σ—被照射的區(qū)域的雷達(dá)散射截面積，m2[4]。

σ0是一個(gè)無量綱的系數(shù)，單位為分貝：σ0=10log10（σ/A）。

1.1 雜波散射系數(shù)

以上定義了雷達(dá)雜波單位面積的雷達(dá)反射率為，該參數(shù)也被稱為雜波散射系數(shù)。通過雜波散射系數(shù)，可以對(duì)雜波特性進(jìn)行描述，從而通過衡量散射體反射電磁波的能力評(píng)估雷達(dá)性能。對(duì)雜波散射系數(shù)及散射體的雷達(dá)截面積進(jìn)行空間范圍（面積或體積）的歸一化或平均[5]可得到雜波后向散射系數(shù)。

使用雜波散射系數(shù)時(shí)，對(duì)散射體的均勻程度有要求?！熬鶆颉钡拿枋鲆粋€(gè)相對(duì)概念，散射體的均勻程度與多個(gè)因素相關(guān)，包括散射體本身的結(jié)構(gòu)特性，用于探測(cè)該散射體雷達(dá)的分辨率特性等。當(dāng)散射體自身越均勻，用于探測(cè)目標(biāo)的雷達(dá)其分辨率越低，使用式（1）計(jì)算出來的后向散射系數(shù)就越精準(zhǔn)[6]。

而海雜波恰好符合散射體均勻這個(gè)特性。海雜波往往是一個(gè)較大的平面，遮蔽效應(yīng)較弱，可使用雜波散射系數(shù)進(jìn)行較準(zhǔn)確的計(jì)算。通過以上討論，我們了解到由于雜波散射系數(shù)可由雜波散射截面積計(jì)算得來，因此海雜波散射系數(shù)也同樣受到多個(gè)因素的影響，包括雷達(dá)發(fā)射參數(shù)，如極化方式、電磁波的頻率、入射角等，同時(shí)還受到雷達(dá)分辨率的影響。此外，也與探測(cè)的雜波其特性相關(guān)，包括探測(cè)目標(biāo)的外形、體積、組成結(jié)構(gòu)和使用材料等，在此處就可以解讀為可由海浪、風(fēng)速、海浪相對(duì)于雷達(dá)波束的方向、持續(xù)時(shí)間所決定，同時(shí)還要受到浪峰的出現(xiàn)、退潮、漲潮以及影響表面張力的污染的影響[7]。

基于當(dāng)前豐富的海雜波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，不同學(xué)者使用不同思路提出了提出了多個(gè)海雜波雜波散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｈ鏝athanson 統(tǒng)計(jì)了近60 組實(shí)測(cè)海雜波的雜波散射系數(shù)的數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)他使用較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型GIT 模型進(jìn)行了擬合，該模型與實(shí)際情況差別較大。

根據(jù)以上現(xiàn)有的60 組實(shí)測(cè)的海雜波數(shù)據(jù)，Gregers提出了改進(jìn)的海雜波模型[8]。這個(gè)模型將雷達(dá)的多個(gè)參數(shù)考慮進(jìn)行，建立了海雜波雜波散射系數(shù)σH，V與雷達(dá)工作頻率f、極化方式、海態(tài)SS 和掠射角之間的關(guān)系，其具體表達(dá)式如下：

式中：

c1、c2、c3、c4、c5— 一種固定參數(shù)，根據(jù)天線極化的方式不同，具有不同的取值，水平極化和垂直極化條件下這五個(gè)參數(shù)的取值如表1 所示。

表1 海雜波經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膮?shù)

表2 仿真結(jié)果

1.2 雜波區(qū)域面積

此處，主要討論的雜波區(qū)域的面積是指進(jìn)入天線主瓣的雜波。建立如圖1 所示的雜波幾何圖。角度和分別表示方位和垂直維的3 dB 波束寬度；表示擦地角即掠射角；雷達(dá)高度（從地面到天線相位中心）由表示，目標(biāo)高度由表示；目標(biāo)斜距是，其在地面上的投影為；距離分辨率是，其在地面的投影為；主瓣雜波區(qū)的面積由表示[9]。

圖2 f=8 GHz 時(shí)，不同海情下雜波RCS 隨距離的變化

圖3 f=10 GHz 時(shí)，不同海情下雜波RCS 隨距離的變化

圖4 f=12 GHz 時(shí)，不同海情下雜波RCS 隨距離的變化

將主瓣雜波區(qū)的面積近似為矩形，由上圖可得雜波區(qū)域的面積為：

2 基于艦載雷達(dá)的海雜波RCS 仿真

為了驗(yàn)證海雜波的后向散射特性，對(duì)不同工作頻率，不同海情，距離條件下的雜波RCS 進(jìn)行仿真。仿真具體參數(shù)設(shè)置分別是：工作頻段為X 波段，距離分辨率27.5 m，方位角3 °，垂直極化。

繪制出同一頻率下，不同海情條件下雜波RCS 隨距離的變化情況。

觀察仿真結(jié)果，可以了解到在艦載雷達(dá)所處的環(huán)境下，海情越大，其所受到的海雜波散射截面積越大，對(duì)艦載雷達(dá)的干擾性越強(qiáng)。在信號(hào)處理算法中，我們可以針對(duì)海雜波的這種后向散射特性進(jìn)行特別的抑制處理，從而降低海雜波對(duì)艦載雷達(dá)的影響[10]。

可通過設(shè)計(jì)雜波抑制軟件，實(shí)時(shí)接收實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)采集的回波數(shù)據(jù)；同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)讀取與回放。在軟件獲取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、信號(hào)處理和智能環(huán)境感知等四大模塊，最終輸出目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。首先，通過數(shù)據(jù)接收模塊將來自雷達(dá)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或者讀入的保存數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與存儲(chǔ)；之后通過預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離并讀取有效數(shù)據(jù)；之后，通過信號(hào)處理模塊對(duì)獲取的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，此處會(huì)選用專門的雜波抑制濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；最后將信號(hào)處理模塊處理后的脈壓結(jié)果發(fā)給智能環(huán)境感知模塊進(jìn)行當(dāng)前環(huán)境參數(shù)估計(jì)，并反饋雜波抑制的相關(guān)參數(shù)用于雷達(dá)去海雜波處理，最終輸出目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果等相關(guān)信息。

通過以上處理方式，可對(duì)不同海情下的海雜波進(jìn)行抑制處理，最終使雷達(dá)獲得更高的目標(biāo)探測(cè)性能。

4 結(jié)語

本文在艦載雷達(dá)所受海雜波的基礎(chǔ)上，分析了海雜波的后向散射特性，提出了雜波散射系數(shù)和雜波區(qū)域面積，基于海雜波的后向散射特性對(duì)于海雜波的散射截面積進(jìn)行了建模與仿真。利用這種方法，可以對(duì)艦載雷達(dá)的海雜波后向散射特性進(jìn)行分析，有針對(duì)性的在艦載雷達(dá)中進(jìn)行雜波抑制處理。