江利中, 譚姍姍, 高林星, 陳 曦, 史秀花

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109;2.華中科技大學(xué)人工智能與自動化學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

當(dāng)微波雷達(dá)工作在海洋環(huán)境中,雷達(dá)接收機(jī)將接收到大量的海雜波,目標(biāo)回波信號往往淹沒在海雜波中,對雷達(dá)的目標(biāo)檢測和跟蹤性能產(chǎn)生相當(dāng)程度的影響。當(dāng)前,用戶對微波雷達(dá)抗海雜波能力越來越關(guān)注,對其提出了明確的量化指標(biāo)要求。因此,為了提高微波雷達(dá)的工作性能,開展雷達(dá)抗海雜波能力的論證和評估顯得尤為重要。根據(jù)雷達(dá)抗海雜波性能的評估結(jié)果,可以衡量雷達(dá)的參數(shù)設(shè)計是否達(dá)標(biāo),進(jìn)而優(yōu)化參數(shù)設(shè)計,提升雷達(dá)抗海雜波能力。

本文提出一種利用信雜比與檢測門限的相對關(guān)系來衡量雷達(dá)抗海雜波能力的評估方法,建立海雜波后向散射系數(shù)與雷達(dá)參數(shù)、海情之間的數(shù)學(xué)模型,確定衡量雷達(dá)抗海雜波能力的指標(biāo),并利用該方法對現(xiàn)有雷達(dá)的抗海雜波能力進(jìn)行仿真與評估。

1 海雜波后向散射系數(shù)

國內(nèi)外研究表明,海雜波回波與雷達(dá)波長、極化、入射角、海情、風(fēng)向、風(fēng)速等因素密切相關(guān)。常用的海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀凶糁蝸喞砉W(xué)院(Georgia Institute of Technology,GIT)模型、技術(shù)服務(wù)公司(technology service corporation,TSC)模型、混合(hybrid)模型以及Morchin模型。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對一系列海雜波模型進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)GIT模型和TSC模型比較符合較小擦海角的情況。其中GIT模型是目前比較完善、也是應(yīng)用最多的計算海雜波后向散射系數(shù)的模型,它綜合考慮了極化、風(fēng)向、風(fēng)速、浪高等因素。

1.1 擦海角與距離的關(guān)系

擦海角為微波雷達(dá)波束中心與海平面的夾角,幾何關(guān)系如圖1所示。圖中,為擦海角,為雷達(dá)距海平面的高度,為雷達(dá)的斜視探測距離。

圖1 擦海角幾何關(guān)系示意圖

根據(jù)幾何關(guān)系可知,擦海角的計算公式為

1.2 海雜波后向散射GIT模型

海表面的情況可以用海態(tài)數(shù)、蒲福風(fēng)級、本地表面風(fēng)速、均方根高度偏差和平均波高來表示。不同海情的海表面參數(shù)見參考文獻(xiàn)[2]。

GIT模型是由佐治亞理工學(xué)院提出的針對單位面積的平均雷達(dá)散射截面確定參數(shù)模型。該模型是擦海角、風(fēng)向、風(fēng)速、平均波高、雷達(dá)波長和極化的函數(shù)。

海雜波水平極化歸一化后向散射系數(shù)

式中:為雷達(dá)波長;為干涉項,用于估計多徑或干涉參數(shù);為風(fēng)向因子;為風(fēng)速因子。

利用GIT海雜波模型,對海雜波后向散射系數(shù)進(jìn)行仿真。設(shè)雷達(dá)工作在X波段,不同海情下海雜波垂直極化歸一化后向散射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示。其中圖2(a)和圖2(b)分別為逆風(fēng)條件和順風(fēng)條件下的仿真結(jié)果。

圖2 不同海情下海雜波垂直極化歸一化后向散射系數(shù)

可見,在其他參數(shù)相同的情況下,順風(fēng)與逆風(fēng)對的影響較大,順風(fēng)情況下的較之逆風(fēng)情況小(4～6)dB。因此,順風(fēng)情況下雷達(dá)回波信雜比將優(yōu)于逆風(fēng)情況。從這個角度來說,雷達(dá)天線軸線與逆風(fēng)向之間夾角的選取對提高雷達(dá)抗海雜波性能較為重要。垂直極化條件下,擦海角為10°時,利用GIT海雜波模型仿真得到的3級海情所對應(yīng)的歸一化后向散射系數(shù)約為-33.8 dB?！独走_(dá)手冊》所給出的海雜波后向散射系數(shù)曲線中,擦海角為10°時,3級海情所對應(yīng)的后向散射系數(shù)約為-31.5 dB。二者十分接近,這說明了利用GIT模型仿真得到的海雜波后向散射系數(shù)的準(zhǔn)確性。

2 海雜波雷達(dá)散射截面積計算

雷達(dá)單位距離分辨單元內(nèi)的海雜波雷達(dá)散射截面積(RCS)主要由兩個因素決定:一是海雜波的后向散射系數(shù),二是單位距離分辨單元內(nèi)的海雜波等效面積。在小擦海角的情況下,一個距離分辨單元內(nèi)的海雜波雷達(dá)散射截面積

后向散射系數(shù)的水平及垂直極化分量的計算方法見式(2)和式(3)。

雷達(dá)在單脈沖跟蹤階段的海雜波對抗主要采用距離分割方式,減小海雜波截面積,從而有效地抑制單位距離分辨單元內(nèi)的海雜波。雷達(dá)照射區(qū)域海雜波分割示意圖如圖3所示。

圖3 雷達(dá)照射區(qū)域海雜波分割示意圖

雷達(dá)單位距離分辨單元內(nèi)海雜波的等效面積

式中:為雷達(dá)天線的3 dB波束寬度;Δ為雷達(dá)的距離分辨率。

綜合上述分析,計算海雜波RCS的步驟如圖4所示。

圖4 海雜波RCS計算步驟示意圖

設(shè)雷達(dá)高度為400 m,天線3 dB波束寬度為8°,雷達(dá)距離分辨率為3.75 m,采用垂直極化。對不同海情和不同風(fēng)向條件下的海雜波RCS進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5所示?？芍?順風(fēng)條件下的海雜波RCS比逆風(fēng)條件下小。

圖5 不同海情不同風(fēng)向條件下的海雜波RCS

3 微波雷達(dá)抗海雜波能力評估方法

當(dāng)海雜波和目標(biāo)回波信號同時進(jìn)入雷達(dá)的接收通道,能否將目標(biāo)信號從雜波中檢測出來,取決于信雜比是否能夠達(dá)到雷達(dá)的檢測門限,而信雜比主要取決于目標(biāo)RCS和海雜波RCS的相對比值。若雷達(dá)采用捷變頻或者其他海雜波去相關(guān)信號處理方法,則能夠進(jìn)一步提高目標(biāo)RCS和海雜波RCS相對比值,提升雷達(dá)的抗海雜波能力。

假設(shè)雷達(dá)單位距離分辨單元內(nèi)的海雜波RCS為,目標(biāo)RCS為,由于信號處理而帶來的信雜比增益為,則信雜比

根據(jù)信號檢測理論,在海雜波環(huán)境中,信雜比是衡量雷達(dá)抗海雜波能力的關(guān)鍵指標(biāo)。越大,則目標(biāo)檢測概率越高,雷達(dá)的抗海雜波性能越好。設(shè)雷達(dá)的信號檢測門限為,則可通過與之間的關(guān)系,來衡量雷達(dá)抗海雜波的能力。若≥,則檢測判決目標(biāo)存在,表明目標(biāo)未被海雜波淹沒,雷達(dá)能夠?qū)购ｋs波干擾;若＜,則檢測判決目標(biāo)不存在,表明目標(biāo)被海雜波淹沒,雷達(dá)不能對抗海雜波干擾。

在雷達(dá)設(shè)計的前期,通過本方法可評估雷達(dá)的抗海雜波能力是否滿足指標(biāo)要求,進(jìn)而完善雷達(dá)設(shè)計參數(shù)。通過提高雷達(dá)距離分辨率、減小擦海角、去除海雜波相關(guān)性、優(yōu)化雷達(dá)高度等技術(shù)手段進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,可以使微波雷達(dá)的抗海雜波能力滿足指標(biāo)需求。

4 微波雷達(dá)抗海雜波能力評估驗證

設(shè)雷達(dá)工作頻段為X波段,天線垂直極化,波束寬度為7°,雷達(dá)距海平面高度為400 m,距離分辨率為3.75 m,目標(biāo)RCS為20 m,目標(biāo)檢測門限為14 d B,信號處理增益為2 dB。驗證逆風(fēng)條件和順風(fēng)條件下該雷達(dá)的抗海雜波能力。

(1)逆風(fēng)條件

在逆風(fēng)條件下,對不同海情下該雷達(dá)的信雜比與檢測門限關(guān)系進(jìn)行仿真,如圖6所示。

圖6 逆風(fēng)條件下不同海情雷達(dá)信雜比與檢測門限的關(guān)系

由圖6(a)可知,(0～3)級海情下,(2～40)km的距離范圍內(nèi),信雜比均高于檢測門限,說明該雷達(dá)可全程對抗海雜波。由圖6(b)可知,3級海情下,近距離區(qū)間內(nèi),由于距離的增加導(dǎo)致單位距離分辨單元內(nèi)的海雜波等效面積增加,信雜比隨著距離的增加而降低;而在(20～40)km的距離范圍內(nèi),由于擦海角的減小,海雜波后向散射系數(shù)急劇下降,使得信雜比逐漸增大。

4級海情下,僅在(2.0～5.4)km的距離范圍內(nèi),信雜比大于檢測門限;在(5.4～40.0)km的距離范圍內(nèi),信雜比小于檢測門限,無法探測到目標(biāo)。說明在逆風(fēng)4級海情的條件下,該雷達(dá)抗海雜波能力較弱,僅能對抗5.4 km以內(nèi)的海雜波。而5級海情下,在所有距離范圍內(nèi)信雜比均小于檢測門限,雷達(dá)無法對抗海雜波。

(2)順風(fēng)條件

在順風(fēng)條件下,對不同海情下該雷達(dá)的信雜比與檢測門限關(guān)系進(jìn)行仿真,如圖7所示。

圖7 順風(fēng)條件不同海情下雷達(dá)信雜比與檢測門限的關(guān)系

由圖7(a)可知,(0～4)級海情下,(2～40)km的距離范圍內(nèi),信雜比均高于檢測門限,說明該雷達(dá)可全程對抗海雜波。由圖7(b)可知,5級海情下,(2～33)km距離范圍內(nèi),信雜比大于檢測門限,該雷達(dá)能夠?qū)购ｋs波;當(dāng)距離大于33 km后,信雜比小于檢測門限,目標(biāo)被海雜波淹沒,該雷達(dá)不能對抗海雜波。

綜上所述,雷達(dá)在逆風(fēng)條件下,可全程對抗(0～3)級海情下的海雜波,僅能對抗4級海情下距離在5.4 km以內(nèi)的海雜波,無法對抗5級海情下的海雜波。在順風(fēng)條件下,該雷達(dá)可全程對抗(0～4)級海情下的海雜波和5級海情下距離在33 km以內(nèi)的海雜波。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)論述了海雜波RCS與雷達(dá)參數(shù)、海情、風(fēng)向、極化之間的關(guān)系,并給出了海雜波RCS的詳細(xì)計算方法。同時,綜合考慮信號處理算法帶來的信雜比增益等相關(guān)因素,提出了利用信雜比與檢測門限之間的相對關(guān)系來衡量微波雷達(dá)的抗海雜波性能的評估方法,并基于具體的雷達(dá)參數(shù)設(shè)計,對該雷達(dá)的抗海雜波能力進(jìn)行了仿真與評估。仿真結(jié)果表明,本文提出的抗海雜波性能評估方法能夠衡量雷達(dá)在海洋環(huán)境中的工作性能,有助于在雷達(dá)設(shè)計前期優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),提升雷達(dá)的整體性能。