微波雷達抗海雜波能力評估方法

江利中, 譚姍姍, 高林星, 陳 曦, 史秀花

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

0 引言

當微波雷達工作在海洋環境中,雷達接收機將接收到大量的海雜波,目標回波信號往往淹沒在海雜波中,對雷達的目標檢測和跟蹤性能產生相當程度的影響。當前,用戶對微波雷達抗海雜波能力越來越關注,對其提出了明確的量化指標要求。因此,為了提高微波雷達的工作性能,開展雷達抗海雜波能力的論證和評估顯得尤為重要。根據雷達抗海雜波性能的評估結果,可以衡量雷達的參數設計是否達標,進而優化參數設計,提升雷達抗海雜波能力。

本文提出一種利用信雜比與檢測門限的相對關系來衡量雷達抗海雜波能力的評估方法,建立海雜波后向散射系數與雷達參數、海情之間的數學模型,確定衡量雷達抗海雜波能力的指標,并利用該方法對現有雷達的抗海雜波能力進行仿真與評估。

1 海雜波后向散射系數

國內外研究表明,海雜波回波與雷達波長、極化、入射角、海情、風向、風速等因素密切相關。常用的海雜波后向散射系數經驗模型有佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology,GIT)模型、技術服務公司(technology service corporation,TSC)模型、混合(hybrid)模型以及Morchin模型。國內外研究機構對一系列海雜波模型進行了對比分析,發現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、也是應用最多的計算海雜波后向散射系數的模型,它綜合考慮了極化、風向、風速、浪高等因素。

1.1 擦海角與距離的關系

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

圖1 擦海角幾何關系示意圖

根據幾何關系可知,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數、蒲福風級、本地表面風速、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見參考文獻[2]。

GIT模型是由佐治亞理工學院提出的針對單位面積的平均雷達散射截面確定參數模型。該模型是擦海角、風向、風速、平均波高、雷達波長和極化的函數。

海雜波水平極化歸一化后向散射系數

式中:為雷達波長;為干涉項,用于估計多徑或干涉參數;為風向因子;為風速因子。

利用GIT海雜波模型,對海雜波后向散射系數進行仿真。設雷達工作在X波段,不同海情下海雜波垂直極化歸一化后向散射系數的仿真結果如圖2所示。其中圖2(a)和圖2(b)分別為逆風條件和順風條件下的仿真結果。

圖2 不同海情下海雜波垂直極化歸一化后向散射系數

可見,在其他參數相同的情況下,順風與逆風對的影響較大,順風情況下的較之逆風情況小(4～6)dB。因此,順風情況下雷達回波信雜比將優于逆風情況。從這個角度來說,雷達天線軸線與逆風向之間夾角的選取對提高雷達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級海情所對應的歸一化后向散射系數約為-33.8 dB?！独走_手冊》所給出的海雜波后向散射系數曲線中,擦海角為10°時,3級海情所對應的后向散射系數約為-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的準確性。

2 海雜波雷達散射截面積計算

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

后向散射系數的水平及垂直極化分量的計算方法見式(2)和式(3)。

雷達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的海雜波。雷達照射區域海雜波分割示意圖如圖3所示。

圖3 雷達照射區域海雜波分割示意圖

雷達單位距離分辨單元內海雜波的等效面積

式中:為雷達天線的3 dB波束寬度;Δ為雷達的距離分辨率。

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

設雷達高度為400 m,天線3 dB波束寬度為8°,雷達距離分辨率為3.75 m,采用垂直極化。對不同海情和不同風向條件下的海雜波RCS進行仿真,結果如圖5所示?？芍?順風條件下的海雜波RCS比逆風條件下小。

圖5 不同海情不同風向條件下的海雜波RCS

3 微波雷達抗海雜波能力評估方法

當海雜波和目標回波信號同時進入雷達的接收通道,能否將目標信號從雜波中檢測出來,取決于信雜比是否能夠達到雷達的檢測門限,而信雜比主要取決于目標RCS和海雜波RCS的相對比值。若雷達采用捷變頻或者其他海雜波去相關信號處理方法,則能夠進一步提高目標RCS和海雜波RCS相對比值,提升雷達的抗海雜波能力。

假設雷達單位距離分辨單元內的海雜波RCS為,目標RCS為,由于信號處理而帶來的信雜比增益為,則信雜比

根據信號檢測理論,在海雜波環境中,信雜比是衡量雷達抗海雜波能力的關鍵指標。越大,則目標檢測概率越高,雷達的抗海雜波性能越好。設雷達的信號檢測門限為,則可通過與之間的關系,來衡量雷達抗海雜波的能力。若≥,則檢測判決目標存在,表明目標未被海雜波淹沒,雷達能夠對抗海雜波干擾;若＜,則檢測判決目標不存在,表明目標被海雜波淹沒,雷達不能對抗海雜波干擾。

在雷達設計的前期,通過本方法可評估雷達的抗海雜波能力是否滿足指標要求,進而完善雷達設計參數。通過提高雷達距離分辨率、減小擦海角、去除海雜波相關性、優化雷達高度等技術手段進行參數優化,可以使微波雷達的抗海雜波能力滿足指標需求。

4 微波雷達抗海雜波能力評估驗證

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

(1)逆風條件

在逆風條件下,對不同海情下該雷達的信雜比與檢測門限關系進行仿真,如圖6所示。

圖6 逆風條件下不同海情雷達信雜比與檢測門限的關系

由圖6(a)可知,(0～3)級海情下,(2～40)km的距離范圍內,信雜比均高于檢測門限,說明該雷達可全程對抗海雜波。由圖6(b)可知,3級海情下,近距離區間內,由于距離的增加導致單位距離分辨單元內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,由于擦海角的減小,海雜波后向散射系數急劇下降,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,信雜比大于檢測門限;在(5.4～40.0)km的距離范圍內,信雜比小于檢測門限,無法探測到目標。說明在逆風4級海情的條件下,該雷達抗海雜波能力較弱,僅能對抗5.4 km以內的海雜波。而5級海情下,在所有距離范圍內信雜比均小于檢測門限,雷達無法對抗海雜波。

(2)順風條件

在順風條件下,對不同海情下該雷達的信雜比與檢測門限關系進行仿真,如圖7所示。

圖7 順風條件不同海情下雷達信雜比與檢測門限的關系

由圖7(a)可知,(0～4)級海情下,(2～40)km的距離范圍內,信雜比均高于檢測門限,說明該雷達可全程對抗海雜波。由圖7(b)可知,5級海情下,(2～33)km距離范圍內,信雜比大于檢測門限,該雷達能夠對抗海雜波;當距離大于33 km后,信雜比小于檢測門限,目標被海雜波淹沒,該雷達不能對抗海雜波。

綜上所述,雷達在逆風條件下,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以內的海雜波,無法對抗5級海情下的海雜波。在順風條件下,該雷達可全程對抗(0～4)級海情下的海雜波和5級海情下距離在33 km以內的海雜波。

5 結束語

本文詳細論述了海雜波RCS與雷達參數、海情、風向、極化之間的關系,并給出了海雜波RCS的詳細計算方法。同時,綜合考慮信號處理算法帶來的信雜比增益等相關因素,提出了利用信雜比與檢測門限之間的相對關系來衡量微波雷達的抗海雜波性能的評估方法,并基于具體的雷達參數設計,對該雷達的抗海雜波能力進行了仿真與評估。仿真結果表明,本文提出的抗海雜波性能評估方法能夠衡量雷達在海洋環境中的工作性能,有助于在雷達設計前期優化系統參數,提升雷達的整體性能。