夏 棟,戚甫峰,沈建森,紀(jì)曉佳

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū),山東 青島 266041)

雷達(dá)是一種大功率、高頻率的電磁探測(cè)設(shè)備。隨著工作年限的增加,其發(fā)射功率、波導(dǎo)損耗、接收機(jī)靈敏度都可能出現(xiàn)指標(biāo)下降,從而導(dǎo)致探測(cè)威力下降,因此，雷達(dá)探測(cè)威力監(jiān)控是一項(xiàng)重要的工作[1]。目前，雷達(dá)探測(cè)威力監(jiān)控的傳統(tǒng)方法分為兩種:一種是通過(guò)檢測(cè)設(shè)備對(duì)雷達(dá)的發(fā)射功率、射頻組件駐波比、接收機(jī)靈敏度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果與雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)真實(shí)取值對(duì)雷達(dá)的探測(cè)威力進(jìn)行監(jiān)控[2-4];另一種方法是通過(guò)靶機(jī)檢飛的方式[5-7],通過(guò)目標(biāo)配合以試驗(yàn)飛行的方式測(cè)出雷達(dá)的探測(cè)威力。第一種方法涉及測(cè)試環(huán)節(jié)多,測(cè)試步驟復(fù)雜,并且測(cè)試內(nèi)容不能覆蓋影響探測(cè)威力的所有因素;第二種方法能夠真實(shí)反映雷達(dá)當(dāng)前的探測(cè)威力,但是需要組織靶機(jī)飛行配合,費(fèi)用較高。針對(duì)以上兩種方法的不足,本文提出了一種利用雷達(dá)底噪和目標(biāo)回波數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)威力進(jìn)行監(jiān)控的方法。實(shí)現(xiàn)思路為:從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中提取干凈區(qū)域的底噪數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出雷達(dá)接收機(jī)底噪信號(hào)強(qiáng)度水平;從回波數(shù)據(jù)中提取探測(cè)遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)回波數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算目標(biāo)回波強(qiáng)度,根據(jù)雷達(dá)距離方程和目標(biāo)距離、目標(biāo)回波強(qiáng)度、底噪強(qiáng)度對(duì)雷達(dá)探測(cè)威力進(jìn)行評(píng)估。

1 接收機(jī)底噪電平估計(jì)

雷達(dá)采集數(shù)據(jù)一般為正交解調(diào)后I/Q雙通道數(shù)據(jù),一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如圖1所示。對(duì)于該P(yáng)RT中第i個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電平的計(jì)算方法如式(1)所示。

圖1 采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

(1)

為了得到雷達(dá)工作期間的底噪電平,需要合理選擇底噪數(shù)據(jù)樣本。具體方法為從雷達(dá)數(shù)據(jù)回放PPI畫(huà)面中選擇無(wú)目標(biāo)、干擾、雜波等回波的干凈區(qū)域,如圖2所示。提取出該區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間段多個(gè)掃描周期回波數(shù)據(jù),然后根據(jù)提取到的底噪數(shù)據(jù)分別計(jì)算底噪電平均值和方差,根據(jù)統(tǒng)計(jì)知識(shí)其計(jì)算公式如式(2)和式(3)所示。

圖2 雷達(dá)數(shù)據(jù)回放PPI畫(huà)面

(2)

(3)

其中,E(N)為噪聲均值,表明了接收機(jī)噪聲水平;D(N)為噪聲的方差,代表了接收機(jī)噪聲起伏大小;N為采集數(shù)據(jù)掃描周期數(shù)量,M為每個(gè)掃描周期內(nèi)提取噪聲數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);N(i,j)為提取數(shù)據(jù)的功率值,計(jì)算公式如式(1)。

2 目標(biāo)回波強(qiáng)度估計(jì)

為了準(zhǔn)確掌握雷達(dá)的探測(cè)威力,應(yīng)當(dāng)選取探測(cè)區(qū)域遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)作為評(píng)估依據(jù)。通過(guò)遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)對(duì)雷達(dá)探測(cè)威力進(jìn)行監(jiān)控的思想為:如果目標(biāo)回波強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于接收機(jī)底噪,說(shuō)明雷達(dá)發(fā)射機(jī)、天線、射頻組件工作性能良好,目標(biāo)回波強(qiáng),雷達(dá)探測(cè)性能良好,仍能夠探測(cè)更遠(yuǎn)距離的目標(biāo);如果目標(biāo)強(qiáng)度接近或者低于噪聲電平,說(shuō)明目標(biāo)回波較弱,雷達(dá)對(duì)該目標(biāo)的探測(cè)距離已接近極限,不能探測(cè)到更遠(yuǎn)。這需要提取出只屬于目標(biāo)的數(shù)據(jù),提取出目標(biāo)回波數(shù)據(jù)如圖3所示,計(jì)算提取目標(biāo)回波強(qiáng)度的方法與式(2)類(lèi)似,如式(4)所示。

圖3 6個(gè)天線掃描周期內(nèi)提取目標(biāo)回波數(shù)據(jù)

(4)

其中,E(S)為目標(biāo)回波均值,表明了目標(biāo)回波強(qiáng)度;S(i,j)為提取目標(biāo)回波數(shù)據(jù);其他各符號(hào)含義與式(2)相同。N表示采集了多個(gè)PRT的目標(biāo)回波數(shù)據(jù),通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均可以減小目標(biāo)由于姿態(tài)變化等原因造成的RCS在不同PRT間的起伏。

3 雷達(dá)探測(cè)威力監(jiān)控

根據(jù)雷達(dá)距離方程的推導(dǎo)過(guò)程,目標(biāo)回波強(qiáng)度計(jì)算公式如下所示[8]。

(5)

式中,Pt為雷達(dá)發(fā)射功率,Gt為雷達(dá)天線發(fā)射增益,Gr為雷達(dá)天線接收增益,λ為雷達(dá)發(fā)射電磁波波長(zhǎng),σ為目標(biāo)反射截面積,R為目標(biāo)距離,Lr為雷達(dá)系統(tǒng)損耗。

雷達(dá)威力一般用雷達(dá)的最大探測(cè)距離表示,雷達(dá)最大探測(cè)距離是一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)值[9],一般取目標(biāo)RCS為5 m2、發(fā)現(xiàn)概率為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離的最大值。若雷達(dá)接收機(jī)靈敏度為Simin,目標(biāo)RCS為σ0=5 m2,最大探測(cè)距離為Rmax,由式(5)接收機(jī)靈敏度為Simin與最大探測(cè)距離Rmax的關(guān)系如式(6)所示。

(6)

式中,各參數(shù)含義與式(5)一致,由于式(6)中發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度及系統(tǒng)損耗可能隨著雷達(dá)工作年限增加而變差,因此不能直接通過(guò)式(6)計(jì)算得到。為了得到Rmax的值,將式(5)和式(6)相比后可以得到式(7)。

(7)

對(duì)式(7)中各變量進(jìn)行分析,σ0為標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)RCS,一般取σ0=5 m2。R為目標(biāo)距離,可以根據(jù)目標(biāo)回波的距離中心和測(cè)距公式得到,假設(shè)目標(biāo)的距離中心為第l個(gè)采樣數(shù)據(jù),那么目標(biāo)距離為如式(8),其中c為光速,fs為采集頻率。

(8)

Simin為接收機(jī)靈敏度,如果發(fā)現(xiàn)概率取Pd=0.5,那么Simin近似為式(2)中的噪聲電平均值,理由是當(dāng)目標(biāo)回波功率等于接收機(jī)噪聲電平時(shí),目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率近似為0.5。Pr為目標(biāo)回波強(qiáng)度,可由式(4)得到。因此,在式(7)中只有目標(biāo)的反射截面積σ是未知的。在雷達(dá)的真實(shí)工作過(guò)程中某些情況下可以通過(guò)目標(biāo)識(shí)別手段識(shí)別出目標(biāo),比如SAR圖像識(shí)別、AIS系統(tǒng)識(shí)別海上目標(biāo)和ADS-B識(shí)別空中目標(biāo)等。這些設(shè)備一般與雷達(dá)一起配套于大的任務(wù)系統(tǒng)中。此時(shí)可以將識(shí)別出目標(biāo)的典型RCS代入式(7)求解出雷達(dá)的最大探測(cè)距離Rmax,典型目標(biāo)RCS取值如表1所示[10]。

表1 各類(lèi)型目標(biāo)典型RCS值

但是也存在部分雷達(dá)不能識(shí)別目標(biāo),那么未知類(lèi)型目標(biāo)的RCS將會(huì)影響Rmax的準(zhǔn)確性。針對(duì)該問(wèn)題本文的解決思路為,在雷達(dá)同一工作期間采用雷達(dá)探測(cè)到的多個(gè)不同目標(biāo)計(jì)算得到的最大探測(cè)距離求均值得到最終的Rmax。以空中目標(biāo)為例,由表1空中目標(biāo)RCS的中位數(shù)在10 m2,即σave=10 m2。對(duì)于第k個(gè)目標(biāo),對(duì)應(yīng)最大探測(cè)距離計(jì)算方法如式(9)。

(9)

當(dāng)?shù)趉個(gè)目標(biāo)的RCS大于σave時(shí)，Rkmax比真實(shí)Rmax偏小,而第k個(gè)目標(biāo)的RCS小于σave時(shí)，Rkmax比真實(shí)Rmax偏大。為了減小Rmax誤差,采用如下計(jì)算公式,其中N為參加計(jì)算目標(biāo)的個(gè)數(shù)。

(10)

以某型岸基警戒雷達(dá)為例,廠家提供的雷達(dá)探測(cè)威力指標(biāo)為當(dāng)目標(biāo)RCS為σ0=5m2時(shí),最大探測(cè)距離Rmax不小于330 km。對(duì)執(zhí)行某次探測(cè)任務(wù)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從無(wú)目標(biāo)、干擾、雜波等回波的干凈區(qū)域提取到噪聲電平樣本如圖4所示,根據(jù)式(2)得到底噪電平均值為17.94。

圖4 提取到的接收機(jī)噪聲數(shù)據(jù)

在不利用識(shí)別目標(biāo)的RCS情況下,提取10個(gè)不同目標(biāo)的回波數(shù)據(jù),圖5給出了其中一個(gè)目標(biāo)在單個(gè)天線掃描周期內(nèi)的回波數(shù)據(jù)。根據(jù)式(4)、式(8)和式(9),10個(gè)目標(biāo)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖5 目標(biāo)回波數(shù)據(jù)

根據(jù)式(10)對(duì)表2中的Rkmax求平均可以得到Rmax=320.18 km，與廠家給出威力指標(biāo)值相近,但是并沒(méi)有達(dá)到指標(biāo)值要求,說(shuō)明該雷達(dá)存在探測(cè)威力下降的現(xiàn)象。同時(shí)利用RCS為5 m2的靶機(jī)對(duì)該型雷達(dá)的性能進(jìn)行了拉距檢飛驗(yàn)證,檢飛結(jié)果表明當(dāng)靶機(jī)距離超過(guò)315 km后,該雷達(dá)無(wú)法發(fā)現(xiàn)靶機(jī)。這證明了雷達(dá)確實(shí)出現(xiàn)了探測(cè)威力下降問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)對(duì)發(fā)射機(jī)功率、接收機(jī)靈敏度以及波導(dǎo)駐波比進(jìn)行測(cè)量,查找威力指標(biāo)下降的原因。

表2 不同目標(biāo)Rkmax計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用雷達(dá)回波數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)威力進(jìn)行監(jiān)控的方法。通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算出接收機(jī)底噪電平和目標(biāo)回波幅度,結(jié)合目標(biāo)距離和RCS反演計(jì)算出雷達(dá)的最大探測(cè)距離。針對(duì)未識(shí)別目標(biāo)RCS不確定的問(wèn)題,利用同一探測(cè)環(huán)境中多個(gè)目標(biāo)計(jì)算出各自的Rkmax,通過(guò)求均值減小目標(biāo)RCS不確定的影響。通過(guò)某型岸基警戒雷達(dá)的真實(shí)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了Rmax的計(jì)算,結(jié)果證明了該方法的可行性。