鐘永磊

(南京國睿防務(wù)系統(tǒng)有限公司,江蘇 南京 210039)

0 引言

機(jī)載雷達(dá)在探測地面目標(biāo)或海上目標(biāo)時(shí),主要依托多普勒特點(diǎn)對不同目標(biāo)測算方式,獲取探測目標(biāo)位置。為了保證海面或地面目標(biāo)探測的效率,可基于稀疏傅里葉變換檢測算法提高目標(biāo)探測效率,但需預(yù)先設(shè)定信號稀疏性。在目前的雜波研究中,有學(xué)者借助目標(biāo)和背景間的多普勒特征差異性,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分解重構(gòu)處理,基于迭代獲取近似值,提取目標(biāo)數(shù)據(jù),從而得到雜波抵抗方法。對于移動(dòng)速度緩慢或靜止的目標(biāo),除了采用成像方法提取目標(biāo)外,還可以使用CFAR算法進(jìn)行分析。近些年,研究人員不僅對檢測器和CFAR進(jìn)行設(shè)計(jì),還從波形、空間與極化分集等角度提升機(jī)載雷達(dá)勘測能力。但現(xiàn)有研究均沒有將機(jī)載雷達(dá)運(yùn)行階段的射頻隱身性能作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。本研究將機(jī)載雷達(dá)射頻隱身需求引入機(jī)載雷達(dá)探測地面或海上目標(biāo)中,分析雜波散射系數(shù)對機(jī)載雷達(dá)射頻隱身性能的影響。

1 機(jī)載雷達(dá)信號影響因素

機(jī)載雷達(dá)探測距離是衡量其性能的主要數(shù)據(jù),影響雷達(dá)探測距離的因素包括機(jī)載雷達(dá)發(fā)射出來的能量及能量傳播在環(huán)境中的損耗,這是因?yàn)闄C(jī)載雷達(dá)主要借助目標(biāo)散射的回波能量實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測。

1.1 大氣損耗對探測性能的影響

大氣內(nèi)部小分子對電磁波的吸收或折射對機(jī)載雷達(dá)傳播信號有一定影響。地球大氣從地面開始到15 km范圍內(nèi)均屬于對流層,機(jī)載雷達(dá)飛行高度在1～10 km,所以大氣對電磁波的衰減和對流層相關(guān)。研究表明,大氣氣體損耗和電磁波波長及機(jī)載雷達(dá)傳輸距離相關(guān)。若機(jī)載雷達(dá)在天氣晴朗的條件下探測目標(biāo),此時(shí)大氣對電磁波的損耗來源于氣體分子,在UEF波段和X波段之內(nèi),電磁波衰減比0.012 5 dB/km小。若機(jī)載雷達(dá)在冰雪天氣時(shí)探測目標(biāo),電磁波受雪和冰的影響較小,電磁波衰減微乎其微[1]。若機(jī)載雷達(dá)在雨霧天氣中工作,大氣中空氣濕度較大,且水分主要以液態(tài)的形式呈現(xiàn),此時(shí)電磁波衰減最為顯著。機(jī)載雷達(dá)發(fā)送的電磁波在雨水中衰減速度和含水量相關(guān),雨的大小不同,電磁波衰減速度不同。當(dāng)頻段為VHF時(shí),小雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為2.81e～7 dB/km、中雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為3.39e～7 dB/km、大雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為4.69e～7 dB/km、暴雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為5.21e～7 dB/km。當(dāng)頻段為UHF時(shí),小雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為7.74e～6 dB/km,中雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為1.34e～5 dB/km,大雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為3.44e～5 dB/km,暴雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為4.68e～5 dB/km。當(dāng)頻段為L時(shí),小雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為5.53e～5 dB/km,中雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為1.18e～4 dB/km,大雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為4.3e～4 dB/km,暴雨?duì)顟B(tài)電磁波損耗率為6.56e～4 dB/km。

1.2 機(jī)載雷達(dá)雜波成分

機(jī)載雷達(dá)雜波就是干擾機(jī)載雷達(dá)正常運(yùn)作的非期望信號回波,包括非目標(biāo)物體反射的回波,如樹木、地表、海面、波浪等反射的回波。針對參數(shù)固定的雷達(dá),機(jī)載雷達(dá)海雜波強(qiáng)度和地海面粗糙度和介電特性相關(guān)。機(jī)載雷達(dá)探測地面或海上目標(biāo)時(shí),機(jī)載雷達(dá)波束向下輻射所照射的區(qū)域?yàn)闄E圓形。如果雷達(dá)天線和地海面夾角呈現(xiàn)為掠射角,低掠射角探測海面目標(biāo)時(shí),受橢圓長軸跨過的距離影響,雜波輻射區(qū)域被機(jī)載雷達(dá)分割為多個(gè)單元[2]。當(dāng)海雜波十分嚴(yán)重時(shí),目標(biāo)物體的回波很可能被雜波淹沒,機(jī)載雷達(dá)無法接收到需求信號,從而無法辨別目標(biāo)真實(shí)位置[3]。

1.3 雜波對目標(biāo)探測的影響

傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)探測目標(biāo)時(shí),通常采用固定門限的檢測模式,也就是假設(shè)干擾電平作為已知且恒定的常數(shù),依照干擾電平設(shè)定虛警概率檢測門限,從而獲得探測目標(biāo)的具體位置。但在實(shí)際探測中,干擾電平并非固定的常數(shù),這導(dǎo)致實(shí)際的虛警概率存在較大的波動(dòng)[4]。當(dāng)雜波平均功率增量在10 dB以內(nèi)時(shí),虛警概率和雷達(dá)期望虛警概率的比值變化幅度較大,此時(shí)為固定檢測門限。假定雜波平均功率出現(xiàn)變化,虛警概率會(huì)在大范圍內(nèi)改變,從而降低探測的準(zhǔn)確性。在這種條件下,即便雜波的信噪聲較大,也沒有辦法檢測到正確的目標(biāo)信號。

2 雜波背景下機(jī)載雷達(dá)信號參數(shù)的射頻隱身優(yōu)化

2.1 地面移動(dòng)目標(biāo)脈沖對消

如果目標(biāo)處于移動(dòng)狀態(tài),可借助多普勒信息對移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測,達(dá)到改善信雜比的目的。從脈沖對消的地面移動(dòng)目標(biāo)檢測入手,借助脈沖多普勒技術(shù)提取目標(biāo)移動(dòng)數(shù)據(jù)[5]。脈沖對消濾波器使用延遲對消的方式,如圖1所示。如果參與對消的脈沖個(gè)數(shù)為n,延遲對消需要n-1次脈沖對消濾波器。

圖1 脈沖濾波器結(jié)構(gòu)

通過改善因子分析多普勒濾波對信雜波的影響效果。脈沖對消無法對噪聲做出回應(yīng),因此如果脈沖對消改善因子較大,則檢測設(shè)備性能與噪聲限制情況相近;如果雜波功率寬度十分窄小,可將改善因子用脈沖周期的形式表示,避免機(jī)載雷達(dá)受雜波影響。經(jīng)過脈沖對消處理后,目標(biāo)回波幅度數(shù)值呈現(xiàn)出增大趨勢,同時(shí)脈沖對消改善因子存在最佳數(shù)值。圖2中對一階段、二階段、三階段脈沖對消濾波器的歸一化幅頻響應(yīng),圖2中f表示多普勒頻率[6]。從圖2中可以了解到,脈沖對消濾波器對多普勒頻移近似情況為零時(shí),可取得最為良好的雜波控制效果。在雜波消除設(shè)備特殊的持續(xù)增加下,脈沖對消濾波會(huì)變得很窄。雜波功率譜保持恒定時(shí),窄小的通道可以提高雜波改善因子,但會(huì)將部分目標(biāo)信號過濾掉,影響探測精度[7]。

圖2 幅頻響應(yīng)

2.2 基于射頻隱身的地面移動(dòng)目標(biāo)探測

當(dāng)機(jī)載雷達(dá)受地面雜波影響時(shí),機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)回波信號經(jīng)過脈沖對消處理后,產(chǎn)生的信號與雜波比例會(huì)比雷達(dá)最小可檢測到的信號與雜波比例要小。為了得到最大的信雜比,依照機(jī)載雷達(dá)探測距離,可以對信雜比的約束項(xiàng)進(jìn)行更改。射頻隱身隱含的限制條件是脈沖重復(fù)周期。機(jī)載雷達(dá)照射目標(biāo)的角度確定以后,其與待測目標(biāo)的距離與波束覆蓋區(qū)域呈正比關(guān)系,與信號和雜波比例呈反比關(guān)系。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),可用移動(dòng)參數(shù)代表駐留時(shí)間約束項(xiàng)的非優(yōu)化參數(shù),從而得到機(jī)載雷達(dá)射頻隱身工作過程中的優(yōu)化目標(biāo)[8]。

2.3 基于射頻隱身的海面目標(biāo)檢測

海雜波的平均多普勒射頻移動(dòng)很少為零,機(jī)載雷達(dá)探測目標(biāo)和雜波在多普勒頻譜上容易呈現(xiàn)出重疊趨勢,所以適用于地面雜波的脈沖對消濾波并不適用于海面目標(biāo)。原因是運(yùn)用地雜波脈沖對消濾波時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)虛警。對于海面目標(biāo)勘測,可使用CFAR進(jìn)行分析推導(dǎo)的方法得出海雜波條件下機(jī)載雷達(dá)信號參數(shù)的射頻隱身優(yōu)化模型[9-10]。針對地雜波復(fù)雜的射頻隱身模型,兩種場景下使用的雷達(dá)均為脈沖形式,區(qū)別是機(jī)載雷達(dá)對雜波的處理方式不同,除了SCR約束外,其余約束基本相同。

3 仿真分析

在對地雜波與海雜波條件下的脈沖雷達(dá)參數(shù)的射頻隱身優(yōu)化效果進(jìn)行分析,采用遺傳算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解時(shí),可將目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)數(shù)值,優(yōu)化數(shù)據(jù)時(shí)采用二進(jìn)制編碼的方式,將變異概率設(shè)置為0.001,最開始的種群數(shù)量為200個(gè),共進(jìn)行5 000次迭代,從而分析射頻隱身性能。

3.1 地雜波條件下機(jī)載樂達(dá)信號參數(shù)射頻隱身優(yōu)化分析

如果地雜波散射系數(shù)為-25 dB時(shí),目標(biāo)RCS為5 m2,最小探測距離為41 km,極限駐留市場為1 s,樣本選擇最為合適的適應(yīng)度是0.36,也就是目標(biāo)函數(shù)數(shù)值為0.36。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)數(shù)值比1小的時(shí),可以代表機(jī)載雷達(dá)滿足射頻隱身的基本條件,最佳個(gè)體為9.92 dBw,最佳個(gè)數(shù)為996。按照這些參數(shù)設(shè)計(jì)機(jī)載雷達(dá)不同距離的目標(biāo)探測概率以及相同距離的無源截獲概率。如果探測距離在20 km以內(nèi),機(jī)載雷達(dá)對無源探測概率明顯比無源對機(jī)載雷達(dá)的截獲概率要高。在60 km的位置,機(jī)載雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率為0.97,無源截獲概率僅為0.006,意味著機(jī)載雷達(dá)具有十分優(yōu)異的射頻隱身功能。

假設(shè)散射系數(shù)為-25 dB,在對不同RCS大小的目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí),如果雷達(dá)最小探測距離發(fā)生改變,求解得到的最優(yōu)個(gè)體和與之對應(yīng)的截獲因子變化趨勢,如圖3所示。如果RCS為0.3 m2,探測距離大于130 km,截獲因子表現(xiàn)為無窮大。從圖3中可以看出,目標(biāo)RCS比0.3 m2小時(shí),沒有具備射頻隱身功能的機(jī)載雷達(dá)參數(shù),同時(shí)截獲因子伴隨著距離的增大逐漸變化,伴隨著RCS的減小不斷變小,可推斷出目標(biāo)RCS比0.3 m2大時(shí),探測距離在一定區(qū)間內(nèi)機(jī)載雷達(dá)存在射頻隱身功能。

圖3 地雜波下目標(biāo)RCS和截獲因子的關(guān)系

3.2 海雜波條件下機(jī)載雷達(dá)信號參數(shù)射頻隱身優(yōu)化分析

如果海雜波散射系數(shù)為-30 dB,目標(biāo)RCS為1 000 m2,最小探測距離是41 km,極限駐留時(shí)長為1 s,可以從樣本中找到最優(yōu)的個(gè)體適應(yīng)度,也就是0.087 4,目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)數(shù)值為0.087 4。當(dāng)距離在10 km以內(nèi)時(shí),機(jī)載雷達(dá)與無源相互之間均能發(fā)現(xiàn)對象的存在。機(jī)載雷達(dá)勘測距離在10 km以上時(shí),機(jī)載雷達(dá)無源探測概率高于無源對機(jī)載雷達(dá)的截獲概率,同時(shí)機(jī)載雷達(dá)在距離為40～100 km時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率為1。此時(shí),無源對機(jī)載雷達(dá)的截獲概率為零,可認(rèn)為機(jī)載雷達(dá)存在優(yōu)異的射頻隱身功能。

假設(shè)目標(biāo)RCS大小為1 000 m2,對不同海雜波散射系數(shù)下的射頻隱身性能進(jìn)行分析。如果雷達(dá)最小探測距離不斷變化,通過模型求解可獲得最優(yōu)質(zhì)的適應(yīng)度。雜波散射系數(shù)越小時(shí),機(jī)載雷達(dá)射頻隱身性能更佳。如果雜波散射系數(shù)為-35～-30 dB,最優(yōu)質(zhì)的的個(gè)體對應(yīng)的截獲因子處于恒定趨勢。除此之外,如果雷達(dá)最小探究距離在4～180 km,雜波散射系數(shù)在-22 dB條件下時(shí),可滿足射頻隱身需求的雷達(dá)信號數(shù)量。

4 結(jié)語

本研究對雜波條件下機(jī)載雷達(dá)信號參數(shù)射頻隱身性能進(jìn)行分析,探討了適用于地雜波和海雜波的雷達(dá)信號,并對機(jī)載雷達(dá)射頻隱身進(jìn)行仿真分析。目前,雜波條件下機(jī)載雷達(dá)信號參數(shù)優(yōu)化受多種因素影響,如雜波中草叢的多普勒寬度、海情變化等,這些影響因素均需要進(jìn)行深入的探討。