李宏武， 王燊燊， 徐 秦， 祁華峰

（1.軍事科學(xué)院戰(zhàn)略評估咨詢中心， 北京 100091； 2.中國人民解放軍93110 部隊， 北京 100038）

0 引 言

隨著世界軍事格局變化，尤其是近年來美軍亞太軍事呈現(xiàn)的新局面，我國國家海洋安全面臨前所未有的挑戰(zhàn)，未來海戰(zhàn)場面臨著維護國家主權(quán)和領(lǐng)土領(lǐng)海完整、海洋權(quán)益與海洋資源爭端、保衛(wèi)海上貿(mào)易通道等尖銳問題。使用作戰(zhàn)飛機對海面艦船目標實施跟蹤監(jiān)視，具有機動靈活、處置高效等特點。然而，機載雷達對海面目標進行搜索跟蹤時，不僅能收到目標回波，還會收到大量海雜波，這些雜波對機載雷達探測會造成一定影響。對于海雜波，前人做了很多研究工作，文獻[1]對海雜波典型幅度分布模型進行了仿真分析，文獻[2]結(jié)合實測數(shù)據(jù)對海雜波進行建模分析，文獻[3-6]給出了海雜波的各種計算方法。然而，現(xiàn)有文獻[7-9]大都分析雜波的散射和分布特性，沒有系統(tǒng)定量分析海雜波對機載雷達探測性能的影響。

本文重點研究海雜波對機載雷達探測性能的影響，給出了海雜波等效RCS 的計算方法，并通過綜合信噪比、檢測概率、測量誤差等指標，定量評估海雜波對機載雷達的影響效應(yīng)，并進行仿真分析，為機載雷達的設(shè)計和作戰(zhàn)飛機的戰(zhàn)術(shù)運用提供參考依據(jù)。

1 海雜波等效RCS 計算

對海雜波進行仿真，首先對其雷達散射特性進行分析。海雜波的雷達散射截面積定義為由雜波區(qū)反射造成的等效雷達散射截面積，平均雜波雷達散射截面積[3]為：

式中σ0為雜波散射系數(shù)。

1.1 海雜波散射系數(shù)

機載雷達對海面目標探測時，主要受海雜波影響[10]。機載雷達波束照射海面示意圖如圖1 所示。其中，擦地角ψg是海面與發(fā)射波束主軸間的夾角。

圖2 照射區(qū)劃分示意圖

三個因素會影響雷達波束中的雜波，分別是擦地角、表面粗糙程度及雷達波長。在低擦地角的雜波常被認為是散布的雜波，在此區(qū)域內(nèi)，雷達波束內(nèi)有相當大數(shù)量的雜波回波。在平坦區(qū)域，σ0對擦地角的依賴程度很小。在高擦地角區(qū)，雜波更多的是鏡面反射，此時散布雜波成分消失，在該區(qū)域，光滑表面比粗糙表面具有更大的σ0，這與低擦地角情形正好相反[4]。對海面散射系數(shù)的估算，比較常用的有SIT 模型、GIT 模型、TSC模型和HYB 模型，這4 種模型考慮了入射角、海況、風(fēng)向、雷達波長和極化等參量，其中TSC 模型適用于雷達頻率范圍為0.5～35 GHz 時后向散射系數(shù)的估計，應(yīng)用范圍廣。在該模型中，對于水平極化方式，海雜波后向散射系數(shù)[5]（單位為dB）公式如下：

式中：ψg為擦地角（單位為rad）；GA為擦地角因子；Gu為風(fēng)向因子；Gw為風(fēng)速因子；λ為雷達波長（單位為m）。

擦地角因子GA為：

式中：σz為海表面高度標準差（單位為m），σz=，Sstate為道格拉斯海況級別。

風(fēng)向因子Gu為：

式中：φ是風(fēng)向和雷達視線探測方向的夾角（單位為rad）；B可隨實測數(shù)據(jù)進行調(diào)整，一般大于0.25 即可。

風(fēng)速因子Gw為：

式中：

針對垂直極化方式，海雜波后向散射系數(shù)（單位為dB）公式如下：

上述計算中尚未包含鏡面反射分量，鏡面反射分量為：

式中：

因此，海雜波模型總的散射系數(shù)為：

研究者們已經(jīng)詳細分析過散射系數(shù)隨著極化方式和風(fēng)向的變化，然而，這些變化通常足夠小，以致于被風(fēng)級或海浪的不確定性掩蓋，因此在精度要求一般的仿真中可不考慮極化和風(fēng)向的影響。對大多數(shù)情況，海面反射系數(shù)可用下式估算[6]：

式中：Sstate、ψg、λ分別為道格拉斯海情級別、擦地角、雷達波長。

1.2 雜波區(qū)域

考慮下視模式下的末制導(dǎo)雷達，天線波束與海面相交的區(qū)域形成一個橢圓形狀的照射區(qū)，照射區(qū)大小是關(guān)于擦地角和波束寬度的函數(shù)，照射區(qū)劃分示意圖見2。

照射區(qū)被分為很多個地面距離單元，雷達在照射方向上的距離分辨單元為cτ/2，這里τ是脈沖寬度。結(jié)合波束擦地角，根據(jù)幾何關(guān)系可計算得到每個單元的地面投影寬度為cτsecψg/2，該區(qū)域長度可近似為橢圓短軸距離Rθ3dB，則雜波區(qū)域面積近似為：

但是，當?shù)孛嫱队皩挾萩τsecψg/2 超過橢圓長軸Rθ3dBcscψg時，此時照射區(qū)域為整個橢圓，其面積近似為cscψg/4。因此有：

2 海雜波對機載雷達影響效應(yīng)

2.1 綜合信噪比

在機載雷達接收機的輸出端，目標回波信號總是和噪聲及海雜波混雜在一起，雷達檢測能力取決于綜合信噪比[11]。接收機噪聲用噪聲系數(shù)NF來衡量，它定義為實際接收機的輸出噪聲功率與理想接收機的輸出噪聲功率之比。接收機噪聲模型可以表示為一個服從均值為0、方差為σ2n的正態(tài)分布，噪聲平均功率為：

式中：k為波耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23；T0為接收機參考溫度；Br為接收機帶寬。一般情況下，噪聲系數(shù)NF的取值范圍為：0＜NF＜10 dB。

機載雷達從海面目標接收的回波功率為：

式中：Pt是峰值發(fā)射功率；G是天線增益；σt為目標RCS；λ是波長。

雷達從海雜波區(qū)域接收到的雜波功率為：

計算綜合信噪比時要考慮回波信號、雜波信號和噪聲信號的影響，結(jié)合以上分析，可以得到機載雷達綜合信噪比為：

2.2 檢測模型

雷達對目標的單次檢測概率與目標起伏類型、檢測準則相關(guān)[12-14]，根據(jù)雷達脈沖幅度起伏情況，雷達領(lǐng)域定義了四種信號類型，分別是確知信號、未知相位信號、斯韋林Ⅰ、Ⅱ型和Ⅲ、Ⅳ型回波信號。確知信號是幅度和初相固定的信號，未知相位信號為相位變化的信號。

設(shè)雷達檢測器輸入端信噪比為Sn，平均信噪比為，虛警概率為Pfa，對于單個脈沖檢測，檢測概率[4]為：

式中：Φ(x) =為Φ(x)反函數(shù)，x為檢測門限。

斯韋林Ⅰ、Ⅱ型目標單個脈沖檢測概率為：

斯韋林Ⅲ、Ⅳ型目標單個脈沖檢測概率為：

機載雷達在對目標的探測過程中，可能會產(chǎn)生多個照射脈沖，即多脈沖累積檢測，此時雷達會通過脈沖積累來提高檢測概率。設(shè)單個脈沖檢測的平均信噪比為Sˉn，積累脈沖數(shù)為N，則雷達對目標的積累檢測概率與目標起伏類型相關(guān)。

非相參積累條件下，檢測概率為：

2.3 測量誤差模型

機載雷達的參數(shù)測量誤差與信噪比直接相關(guān)，設(shè)監(jiān)視雷達單個脈沖信噪比為Sn1，非相參積累脈沖數(shù)為n，當n較大時，可用近似累積增益。此時測距誤差[6]計算為：

式中：B為信號帶寬；c 為光速；τ為脈沖寬度。

機載雷達可以測量目標的徑向速度，徑向速度測量誤差為：

式中λ為雷達工作波長。

機載雷達測角誤差為：

式中θ0.5為波束寬度。

如果θ0.5為方位波束寬度，則σθ為方位角測量誤差；如果θ0.5為仰角波束寬度，則σθ為仰角測量誤差。

3 仿真分析

通過計算機仿真對海雜波反射系數(shù)和機載雷達探測性能等進行分析，仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真分析中雷達性能參數(shù)

仿真得到的海面反射系數(shù)與海情級別的關(guān)系如圖3 所示，海面反射系數(shù)與擦地角的關(guān)系如圖4 所示。固定擦地角為70°，機載雷達探測綜合信噪比與距離的關(guān)系如圖5 所示。

圖3 反射系數(shù)與海情級別的關(guān)系曲線

圖4 反射系數(shù)與擦地角的關(guān)系曲線

圖5 綜合信噪比與距離的關(guān)系曲線

固定雷達和目標的距離為50 km，機載雷達探測綜合信噪比、探測概率、測距誤差、測速誤差、測角誤差與擦地角的關(guān)系分別如圖6～圖10 所示。

圖6 綜合信噪比與擦地角的關(guān)系曲線

圖7 探測概率與擦地角的關(guān)系曲線

圖8 測距誤差與擦地角的關(guān)系曲線

圖9 測速誤差與擦地角的關(guān)系曲線

圖10 測角誤差與擦地角的關(guān)系曲線

由圖可以看出，海面反射系數(shù)隨海情級別和擦地角的增加而增大，在海情級別超過5 時，反射系數(shù)迅速增大，此時海雜波影響較大。

在擦地角固定時，雷達探測綜合信噪比隨距離減小逐步增加，這是由于隨著距離減小，雜波等效RCS 在不斷減小，從而綜合信噪比不斷增加。在距離固定時，綜合信噪比隨擦地角增加逐步降低，在擦地角較小時，降低較明顯，在擦地角較大時，信噪比幾乎不變，這是因為在大擦地角時，雜波區(qū)域基本等于波束橢圓面積，其變化較小。

由圖7 可知，機載雷達探測概率隨擦地角增加迅速減小，在擦地角為20°時，對輕浪海況探測概率幾乎降至5%以下。雷達的測距、測速、測角誤差隨擦地角增加不斷增大，其趨勢相似，當擦地角較大時，誤差基本不變，這是由于測量誤差與綜合信噪比相關(guān)。

4 結(jié) 語

本文研究了一種定量分析海雜波對機載雷達影響效應(yīng)的方法，通過經(jīng)驗公式建立海雜波散射系數(shù)計算模型，根據(jù)雷達距離和角度分辨力計算雜波區(qū)域，從而得到雜波的等效RCS。在此基礎(chǔ)上，以綜合信噪比、探測概率和測量誤差等建立影響效應(yīng)評估指標，給出了各指標的定量計算方法。仿真結(jié)果給出了海雜波散射系數(shù)、綜合信噪比、探測概率、測量誤差等隨海情級別、擦地角的定量變化情況，得出在小擦地角時，機載雷達具有較好的探測性能。

為抑制海雜波影響，一方面可以在雷達信號處理中采用先進的海雜波濾除算法；另一方面可控制載機低空飛行，保持較小的擦地角。本文成果可為機載雷達的抗雜波設(shè)計和載機的戰(zhàn)術(shù)運用提供參考依據(jù)。

注：本文通訊作者為徐秦。