杜向輝 吳元偉

(1.海裝駐洛陽地區(qū)軍事代表室 河南洛陽 471000；2.中國空空導(dǎo)彈研究院 河南洛陽 471009)

0 引言

近年來我國確立了建設(shè)“海洋強國”戰(zhàn)略，隨著國產(chǎn)航母的下海，一大批新型武器裝備隨之服役，我國海軍力量不斷增強，但這些武器裝備對海洋環(huán)境的適應(yīng)性有待進一步的研究。另外，“一帶一路”和“海上絲綢之路”建設(shè)的啟動、以及南海博弈時的日益復(fù)雜化，使海上護航、巡邏和戰(zhàn)訓(xùn)成為常態(tài)化，對我國艦船等高價值目標(biāo)的有效防衛(wèi)成為一項亟待解決的艱巨任務(wù)?？湛諏?dǎo)彈作為整個海戰(zhàn)精確殺傷的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在防衛(wèi)艦船、飛行器的安全、主動攔截敵對目標(biāo)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，直接決定著海上局部戰(zhàn)爭的最終成敗，而雷達(dá)型導(dǎo)彈以其全天時、全天候、作用距離遠(yuǎn)的優(yōu)點，成為奪取制空、制海權(quán)的主要武器[1]。

由于海面是一種相對平坦均勻、同時又復(fù)雜多變的獨特背景環(huán)境，反艦導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、無人機和隱身飛機等飛行器通?？梢圆捎玫涂丈踔脸涂盏娘w行方式突防，避開敵方的雷達(dá)探測和火力網(wǎng)，其飛行高度可低至距海面僅幾米的距離，具有飛行高度低、飛行速度快、雷達(dá)反射截面小、機動性強等特點[2-3]。因此，研究海背景干擾對雷達(dá)導(dǎo)引頭性能的影響，無論對提高我方武器的殺傷力，還是提高對敵方目標(biāo)的攔截能力上來說都很必要。

雷達(dá)對低空掠海目標(biāo)的探測與跟蹤會受到海面背景的強烈干擾，強海雜波、以及目標(biāo)散射與海面復(fù)雜的耦合作用，很可能影響雷達(dá)的探測能力和跟蹤穩(wěn)定性，使其性能不能完全滿足實際使用需求。因此，低空、超低空目標(biāo)的探測和跟蹤一直是雷達(dá)目標(biāo)特性領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的課題之一[4-8]。國內(nèi)外學(xué)者基于公開的岸基雷達(dá)對海探測實驗采集數(shù)據(jù)，對海雜波特性和岸基雷達(dá)目標(biāo)檢測算法展開了比較深入的研究，但是對于彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭來說，由于其技術(shù)敏感性、數(shù)據(jù)獲取的難度大、平臺的可用空間有限等難題，目前的研究有限[9-11]。本文針對雷達(dá)導(dǎo)引頭，力圖梳理出海背景干擾對其探測和跟蹤性能的影響，以及亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 海背景干擾影響

海背景干擾對雷達(dá)導(dǎo)引頭的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是在高海情下目標(biāo)檢測能力下降，在高海情下，海面的后向散射系數(shù)增大，雜波的回波幅值變大，雜波的統(tǒng)計特性偏離傳統(tǒng)的高斯分布模型，雷達(dá)導(dǎo)引頭需要從復(fù)雜隨機的雜波信號中提取出目標(biāo)回波信號，恒虛增加檢測能力下降；二是目標(biāo)低空掠海飛行時，目標(biāo)與海面復(fù)合形成的鏡像可能與目標(biāo)同時落入導(dǎo)引頭主波束內(nèi)，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，改變目標(biāo)直達(dá)波幅度和相位信息，造成雷達(dá)導(dǎo)引頭最大作用距離的損失和俯仰角測量的誤差。

1.1 海雜波的影響

海面背景可以視為由大量隨機分布的運動散射體所組成的平面，海面的起伏與風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)。雷達(dá)雜波信號是來自海面回波的疊加，對于雷達(dá)導(dǎo)引頭來說，海面與雷達(dá)的相對姿態(tài)變化引起了雜波幅度、相位的變化以及雜波在功率譜上的展開，海雜波總體上可以描述為一個具有特定概率幅度分布特性和功率譜的隨機過程，雜波的強度和分布特性與雷達(dá)平臺的實時姿態(tài)、海面的后向散射系數(shù)有關(guān)，隨海情的變化而有所不同。

海面的后向散射系數(shù)取決于海面的風(fēng)速、風(fēng)向、雷達(dá)頻率、雷達(dá)波束擦地角、極化方式、分辨率等，按照海況可分為五個等級，如表1所示，理論上海情越高海浪的起伏越大，海面的后向散射系數(shù)越大，海雜波的強度越大，對雷達(dá)導(dǎo)引頭的影響越嚴(yán)重。基于國外采集的試驗數(shù)據(jù)發(fā)展出了許多半經(jīng)驗的模型來描述海面的后向散射系數(shù)，其中Morchin模型可覆蓋地海背景，使用條件寬泛，可用于構(gòu)建一般的仿真模型，但精度有限。

表1 海情海況分級

等級12345海情一二級三級四級五級六級及以上

圖1為Morchin模型2、3及海情下VV極化的后向散射系數(shù)的理論值與某次試驗實測值的對比，實測兩條曲線屬于同一海域同一時間段，但相對海浪的飛行方向不同。從圖中可以看出理論模型與實測值存在一定的偏差，海面后向散射系數(shù)隨風(fēng)向的不同而有所不同。由此可以反映出海面是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，后向散射系數(shù)模型其只給出了一定置信度的均值水平，實際地型的后向散射系數(shù)是分布式獨立散射體的綜合統(tǒng)計結(jié)果，但是由于雷達(dá)導(dǎo)引頭應(yīng)用的技術(shù)敏感性和試驗組織難度大，使得可用的試驗數(shù)據(jù)有限，限制了相應(yīng)的海雜波特性研究、海雜波仿真建模技術(shù)研究和抗雜波技術(shù)研究。

圖1 VV極化海面后向散射系數(shù)理論與實測值對比

雷達(dá)導(dǎo)引頭由于其處于高速運動平臺上，不同于岸基雷達(dá)，海雜波在頻域上展開，雜波的時頻分布特性也與岸基雷達(dá)有所不同。對于在頻域檢測的雷達(dá)導(dǎo)引頭來說，在檢測和跟蹤低空掠海目標(biāo)時面臨的雜波環(huán)境包括：主雜波、旁瓣雜波、高度線雜波等，占據(jù)頻譜位置關(guān)系如圖2所示，對應(yīng)不同的彈目態(tài)勢。

圖2 雜波環(huán)境位置關(guān)系圖

1.1.1 迎頭攻擊區(qū)

當(dāng)導(dǎo)引頭在高重頻模式攻擊迎頭目標(biāo)時，理論上目標(biāo)回波信號將處于頻域的無雜波區(qū)，得出這一結(jié)論的一個前提條件是認(rèn)為導(dǎo)引頭發(fā)射信號頻譜為單一譜線，或其相位噪聲和雜散足夠低，從而地面回波信號的相噪遠(yuǎn)小于導(dǎo)引頭熱噪聲本底，對目標(biāo)檢測構(gòu)不成影響。實際中，導(dǎo)引頭頻率綜合器產(chǎn)生的發(fā)射激勵信號總是存在一定的相位噪聲，在頻域表現(xiàn)為發(fā)射信號并非僅有單一譜線存在，而是同時伴隨發(fā)射載頻鋪滿整個頻帶的隨機噪底，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引頭發(fā)射信號相位噪聲曲線示意圖

發(fā)射信號的相位噪聲隨主譜線一起輻射出去，經(jīng)反射后進入導(dǎo)引頭接收系統(tǒng)。伴隨的相位噪聲基底高度與大信號強度成正比， 由于此前雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)射功率有限，導(dǎo)引頭信號處理系統(tǒng)的相噪水平較高，相噪引起的噪底抬高問題很少發(fā)生，因此迎頭區(qū)相噪問題處于認(rèn)識的盲區(qū)。隨著固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)在導(dǎo)引頭上的應(yīng)用，雷達(dá)的發(fā)射功率不斷提高，當(dāng)導(dǎo)引頭下視迎頭攻擊低空掠海飛行目標(biāo)時，強主雜波泄露的相位噪聲基底與系統(tǒng)熱噪聲合成后將抬高系統(tǒng)噪底，從而減小導(dǎo)引頭的作用距離。

假設(shè)主雜波的功率為Pc，導(dǎo)引頭在頻偏fd處相位噪聲功率譜密度為Pp(dBc/Hz)，導(dǎo)引頭系統(tǒng)的頻域分析帶寬是B，則在相應(yīng)頻偏處相位噪聲引起的噪底P0為

P0=Pc+Pp+10lgB

(1)

相對于純噪聲環(huán)境下，相噪引起的噪底抬高Td為

Td=P0/kBTF=Pc+Pp+10lg(kTF)

(2)

其中kBTF為系統(tǒng)的熱噪聲，k波爾茲曼常數(shù)，T為常溫290K，F(xiàn)為導(dǎo)引頭噪聲系數(shù)。因此，若導(dǎo)引頭的最大作用距離為Rm，則相噪與系統(tǒng)熱噪聲合成后導(dǎo)引頭的作用距離R為

R=Rm(10-Td/10+1)0.25

(3)

1.1.2 主雜波區(qū)

在導(dǎo)彈攻擊下方機動目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)速度矢量與彈目視線夾角接近90°時，目標(biāo)相對于導(dǎo)彈的徑向速度趨近于0，信號多普勒接近主雜波，出現(xiàn)主雜波湮沒目標(biāo)回波信號的現(xiàn)象。主雜波幅度由天線波束下視角、導(dǎo)彈飛行高度、地面后向散射系數(shù)等多方面因素決定，由于主波束增益很大，主雜波幅度往往會超過導(dǎo)引頭接收機噪聲本底60 dB以上。在此期間雷達(dá)導(dǎo)引頭可能無法檢測目標(biāo)。若在遇靶時或遇靶前短時間內(nèi)出現(xiàn)這一情況，將導(dǎo)致飛控?zé)o法接收到目標(biāo)測量信息，對彈體的控制僅能依賴濾波算法外推，導(dǎo)彈命中概率下降、脫靶量增大。具體概率下降程度受多種因素影響：

1)目標(biāo)RCS (雷達(dá)散射截面積)越小，目標(biāo)回波信號越弱，越難燒穿主雜波，脫靶風(fēng)險增大。

2)主雜波幅度越強(低空、大下視角)，回波信號越難燒穿，脫靶風(fēng)險增大。

3)遇靶前過主雜波時間越長，彈道控制參數(shù)的誤差越大，脫靶風(fēng)險增大。彈道誤差大到一定程度，即使目標(biāo)在遇靶前短時間內(nèi)重新恢復(fù)，也難以將彈道調(diào)整到位。

4)中重頻波形有利于改善信雜比，減小過主雜波時間降低過主雜波脫靶風(fēng)險。但仍無法從根本上解決主雜波的影響，可能出現(xiàn)主雜波虛警導(dǎo)致脫靶風(fēng)險增大。

綜上所述，主雜波區(qū)內(nèi)目標(biāo)信號丟失的時間與主雜波的幅度、頻譜寬度，目標(biāo)機動大小等均有關(guān)，導(dǎo)彈是否脫靶與目標(biāo)的機動時機由很大關(guān)系，理論上控制目標(biāo)機動使其在彈道末端進入雷達(dá)導(dǎo)引頭主雜波區(qū)，或者采用L機動飛行，能降低雷達(dá)導(dǎo)引頭的命中概率，當(dāng)然，在空戰(zhàn)中實際操作中會有很大的風(fēng)險。

對雷達(dá)導(dǎo)引頭來說，低空飛行、小RCS、慢徑向速度目標(biāo)的檢測與跟蹤問題是一個亟待解決的難題，通過控制導(dǎo)引頭波形或者信號處理算法可以提高主雜波附近導(dǎo)引頭檢測能力，提高對低小慢目標(biāo)的跟蹤穩(wěn)定性。

1.1.3 副瓣雜波區(qū)

導(dǎo)彈尾后下視攻擊時，雷達(dá)導(dǎo)引頭工作在旁瓣雜波區(qū)，目標(biāo)回波需與旁瓣雜波、相位噪聲、系統(tǒng)熱噪聲進行競爭，因此導(dǎo)引頭的作用距離取決于信雜噪比和雜波的概率分布。海雜波的統(tǒng)計特征偏離高斯分布，隨雷達(dá)分辨率及海面狀況不同，適于描述海雜波統(tǒng)計特性的模型也不同，如瑞利(Rayleigh)分布模型、萊斯( Rice) 分布模型、對數(shù)正態(tài)(Log-Normal) 分布模型、威布爾( Weibull) 分布模型和 K分布模型等來表示。

海雜波功率分布的形狀參數(shù)隨海況發(fā)生變化，波浪頂部的離散的碎浪導(dǎo)致海雜波的相應(yīng)數(shù)值要大于瑞利分布預(yù)期給出的數(shù)值。波浪等級越大，較大數(shù)值出現(xiàn)的概率越高，相應(yīng)分布的拖尾就越長(均值中位數(shù)之比就越大)，為保持恒虛警雷達(dá)導(dǎo)引頭必須提高相應(yīng)的檢測門限，這將導(dǎo)致其作用距離的損失。圖4為三種分布下虛警概率隨門限系數(shù)的變化關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在三種雜波分布背景之下，虛警概率隨著門限系數(shù)的升高而降低，形狀參數(shù)c越大，Pfa受門限系數(shù)T的影響越大。當(dāng)T=1時，三條曲線相交于一點；當(dāng)T>1且門限系數(shù)相同時，虛警概率從低到高依次為指數(shù)分布、瑞利分布和韋布爾分布；當(dāng)T<1且門限系數(shù)相同時，虛警概率從低到高依次為韋布爾分布、瑞利分布和指數(shù)分布；這是由于當(dāng)門限系數(shù)相同時，隨著形狀參數(shù)c的減小，具有較大幅度的非規(guī)則樣本對高門限的影響大于低門限。

圖4 不同分布下虛警概率隨門限系數(shù)的變化關(guān)系曲線

為提高雷達(dá)導(dǎo)引頭在雜波下的性能，重點研究其雜波抑制技術(shù)和特定雜波背景下的目標(biāo)檢測技術(shù)，如通過自適應(yīng)波束形成等抑制雜波信號的強度，通過MIMO體制、小波變換、人工智能等雜波統(tǒng)計特征提取技術(shù)提高雜波下目標(biāo)的檢測和識別概率，降低雜波的虛警率，減小雜波引起的作用距離損失。

1.1.4 高度雜波區(qū)

高度雜波與雷達(dá)波束近垂直入射時副瓣接收到的雜波回波有關(guān)，相對于其他雜波來說，高度雜波雖然天線增益較小，但路徑最短，且不同于陸地上背景，海面上近垂直入射區(qū)的后向散射系數(shù)極大，因此高度雜波的強度很高，可使雷達(dá)導(dǎo)引頭形成主雜波以外的另一個檢測盲區(qū)。

圖5為某次海上試驗采集的雜波功率譜，其中零頻附近的尖峰為高度雜波，中間的尖峰為主雜波，即個別條件下高度雜波的強度和寬度甚至可以超過主雜波，因此需要對高度雜波區(qū)的目標(biāo)信號作出特殊處理。當(dāng)然，除了帶來檢測問題以外，利用高度雜波信號可以測量當(dāng)前導(dǎo)彈的高度，作為導(dǎo)引頭檢測與跟蹤的一個可靠的輔助信息。

圖5 某海上試驗采集的雜波功率譜

1.2 多路徑效應(yīng)

雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測低空目標(biāo)時，多徑效應(yīng)是影響雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測性能的另一個主要因素。圖6為多徑效應(yīng)的示意圖，當(dāng)目標(biāo)低空飛行時，目標(biāo)與鏡像可能同時位于導(dǎo)引頭主波束內(nèi)，此時鏡像目標(biāo)將在相位和幅度上調(diào)制目標(biāo)信號，可能影響導(dǎo)引頭的測角。

圖6 多路徑效應(yīng)示意圖

多徑效應(yīng)包括鏡反射和漫反射，鏡反射是前向散射，多徑效應(yīng)的強度與雷達(dá)導(dǎo)引頭下視射角、反射面粗糙度等因素密切相關(guān)。掠射角越小、反射面越光滑，鏡反射越強，漫反射越弱；隨著掠射角的增大和反射面粗糙度的增加，鏡反射成分逐漸減弱，漫反射成分逐漸增強。分別選取三個典型頻點，對不同極化條件下鏡面反射系數(shù)模值與擦地角變化關(guān)系進行分析，分析結(jié)果如圖7所示。

可以看出，對于HH極化，反射系數(shù)隨擦地角和頻率的變化較小，且明顯大于VV極化，表明其反射回波能力較強；對于VV極化，反射系數(shù)首先隨擦地角的增大而減小，隨后又出現(xiàn)變大的趨勢，其出現(xiàn)最小值時對應(yīng)的擦地角即為Brewster角，在該角度附近，入射到海表面內(nèi)的透射分量迅速增加，從而使反射系數(shù)出現(xiàn)較大的變化，且頻率越低，變化越劇烈。此外，隨頻率的增加，Brewster角呈現(xiàn)出增大的趨勢，但是均小于20°，利用Brewster可減弱鏡像路徑回波的強度。

圖7 反射系數(shù)與擦地角和極化方式的關(guān)系

多徑效應(yīng)改變了直達(dá)波的振幅、相位和方向，對雷達(dá)性能的影響主要有：一是引起波瓣分裂，改變場強的空間分布，影響雷達(dá)的探測性能；二是對雷達(dá)的俯仰角、方位角及距離等參數(shù)都有影響，但是影響最嚴(yán)重的是俯仰角測量。多徑效應(yīng)會導(dǎo)致目標(biāo)回波信號隨彈目距離接近起伏。

關(guān)于多徑效應(yīng)的研究主要集中在岸基雷達(dá)的應(yīng)用中，這是由于岸基雷達(dá)探測低空目標(biāo)時仰角很小多徑效應(yīng)相對明顯，多徑效應(yīng)對于雷達(dá)導(dǎo)引頭的影響缺乏系統(tǒng)的研究，目前多徑效應(yīng)的仿真模型比較簡單，多采用主要考慮鏡面反射的四路徑模型，缺乏對海面漫反射的精確建模。

2 抗海背景干擾關(guān)鍵技術(shù)

由于雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)應(yīng)用的敏感性，組織試驗難度大，平臺運動速度高，目標(biāo)檢測與跟蹤的信號處理周期短，且彈上平臺的內(nèi)部空間有限，一方面使得可用于雜波特性分析與建模的試驗數(shù)據(jù)很難獲得，另一方面，許多在地基雷達(dá)、岸基雷達(dá)、機載雷達(dá)驗證有效的算法很難應(yīng)用到雷達(dá)導(dǎo)引頭上，因此雷達(dá)導(dǎo)引頭抗海背景干擾技術(shù)有待進一步的研究。

根據(jù)上文梳理的情況，抗海背景干擾的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

1) 海背景下雷達(dá)導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)采集試驗

建立系統(tǒng)的彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭采集試驗方法，構(gòu)建包含海況、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象條件的完備試驗數(shù)據(jù)庫，為定量分析提供基礎(chǔ)。

2) 海雜波的特性分析與建模

海雜波特性與雷達(dá)的頻段、分辨率、下視角、海況等因素相關(guān)，針對不同工作模式和應(yīng)用場景的雷達(dá)導(dǎo)引頭，某些共性的海雜波特征可以相互借鑒，但是對特定的導(dǎo)引頭需要建立獨立的精確數(shù)學(xué)模型，海雜波仿真建模技術(shù)研究和抗雜波技術(shù)研究。

3) 多徑效應(yīng)建模

多徑效應(yīng)的中，尤其是漫反射效應(yīng)的物理模型需要較為精確的動態(tài)海面模型，目前多徑效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型大多只考慮簡單的鏡面反射，且基于岸基雷達(dá)應(yīng)用的小擦地角，針對雷達(dá)導(dǎo)引頭的應(yīng)用的模型需要進一步的研究。

4) 低小慢目標(biāo)檢測算法研究

針對低空飛行、小RCS、慢徑向速度目標(biāo)的主雜波附近檢測與跟蹤問題是雷達(dá)導(dǎo)引頭應(yīng)用中一個亟待解決的難題，減小主雜波區(qū)目標(biāo)的丟失時間能夠極大地提高導(dǎo)引頭跟蹤的穩(wěn)定性，提高對目標(biāo)的命中率。

5) 雜波下目標(biāo)檢測與識別算法研究

對雷達(dá)導(dǎo)引頭在雜波背景下檢測目標(biāo)的應(yīng)用場景，需要研究雜波的統(tǒng)計特征，控制雜波下的虛警率，同時提取出的新的特征用于識別目標(biāo)和雜波，提高雷達(dá)導(dǎo)引頭的作用距離。

6) 多徑效應(yīng)抑制算法研究

多徑效應(yīng)對導(dǎo)引頭測量的影響體現(xiàn)在距離、速度、角度三個維度，其中影響最嚴(yán)重的是俯仰角測量。根據(jù)前文的分析結(jié)果，抑制多徑效應(yīng)的可行措施主要包括以下幾個方面：

①采用VV極化，利用Brewster效應(yīng)控制彈道，減小鏡像回波的幅度；

②提高雷達(dá)工作頻率，采用頻率捷變/頻率分集技術(shù)，或雙波段工作體制，可以規(guī)避探測盲區(qū)，減小俯仰角的測量誤差；

③提高雷達(dá)分辨率，利用直達(dá)波路徑和鏡像路徑的路徑差和多普勒頻率差，在檢測跟蹤前將鏡像回波信號的量進行濾除；

④采用DOA估計技術(shù)，在空間上估計直達(dá)波和反射波的到達(dá)角，并根據(jù)空間幾何位置判斷真實目標(biāo)方位。

7)深度學(xué)習(xí)

隨著近年來人工智能領(lǐng)域的迅速發(fā)展[12]，與傳統(tǒng)方法相比，深度學(xué)習(xí)算法具有自動提取深層特征、獲取較高準(zhǔn)確率等優(yōu)勢，雖然深度學(xué)習(xí)在雷達(dá)導(dǎo)引頭領(lǐng)域中應(yīng)用中存在過擬合、可解譯性、資源有限等問題，但利用深度學(xué)習(xí)算法提取目標(biāo)與雜波的特征，識別目標(biāo)與鏡像，預(yù)測目標(biāo)的航跡等在雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用前景，期待未來在這方面的研究進展。

3 結(jié)束語

受試驗條件的限制，海背景對雷達(dá)測量的研究多局限在岸基雷達(dá)，本文對于空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭在海背景下攔截低空掠海飛行目標(biāo)的應(yīng)用場景，分析了海雜波和海面多路徑效應(yīng)對雷達(dá)導(dǎo)引頭作戰(zhàn)性能的影響，在此基礎(chǔ)上針對目前該領(lǐng)域存在的問題，提出了雷達(dá)導(dǎo)引頭的戰(zhàn)術(shù)使用和性能評估中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，并給出初步的解決思路。