基于基波海洋建模的末制導(dǎo)雷達(dá)海雜波仿真＊

（海軍指揮學(xué)院信息系 南京 211800）

1 引言

目前，相對較成熟的海雜波模型有基于單一點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量的瑞利分布、對數(shù)正態(tài)分布、韋布爾分布［1］以及考慮海雜波時(shí)空相關(guān)性的K 分布［2］等。現(xiàn)階段對于海雜波的研究基于功能級的研究較多，基于信號的研究較少。文獻(xiàn)［3］提出了基于功率擬合的時(shí)空相關(guān)K 分布海雜波信號級合成方法。該方法通過設(shè)定海情等級，仿真出末制導(dǎo)雷達(dá)在打擊海上目標(biāo)沿跡照射海域的海雜波波形。空間性較高，仿真的海雜波信號對于雷達(dá)導(dǎo)引頭信號級仿真可用性較高。但是，海洋表面復(fù)雜多變，沿跡照射海域海情本身會發(fā)生改變，因此設(shè)定的固定海情等級已無法滿足海洋水文氣象條件的實(shí)時(shí)性要求。為此，要研究海雜波的實(shí)時(shí)性必須先研究海洋的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于基波海洋表面建模方法，該方法將海域劃分成不同區(qū)域大小，以區(qū)域?yàn)橹行膶Ｑ蟊砻骘L(fēng)場和浪涌進(jìn)行模擬，該思想對于研究反艦導(dǎo)彈沿跡雷達(dá)照射區(qū)域海雜波仿真具有參考意義。為此，本文提出一種應(yīng)用于基于基波海洋建模的末制導(dǎo)雷達(dá)海雜波仿真方法。

2 反艦導(dǎo)彈軌跡仿真

反艦導(dǎo)彈［5］作為精確制導(dǎo)武器的一種，可以從水面、潛艇、作戰(zhàn)飛機(jī)上發(fā)射，已對水面艦艇構(gòu)成嚴(yán)重威脅。反艦導(dǎo)彈有多種末制導(dǎo)方式，雷達(dá)末制導(dǎo)為其中重要的一種形式。多數(shù)的反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)距離在10km～15km 之間。在末制導(dǎo)階段，海雜波成為影響反艦導(dǎo)彈打擊目標(biāo)的重要因素［6］。要研究反艦導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)沿跡末制導(dǎo)雷達(dá)照射海域的海雜波，就得先研究反艦導(dǎo)彈打擊目標(biāo)的軌跡。

反艦導(dǎo)彈的自控段飛行是一種高、低結(jié)合的大空域變軌彈道，大空域變軌彈道一般分為四段：爬升段、高空巡航段、降高段和低空巡航段。仿真中設(shè)定反艦導(dǎo)彈由水面艦艇發(fā)射，目標(biāo)靶船坐標(biāo)［118．78，32．05，300．0］，則反艦導(dǎo)彈的軌跡仿真圖如圖1所示。

圖1 反艦導(dǎo)彈打擊目標(biāo)軌跡圖

3 基于基波海洋表面建模

目前關(guān)于海洋表面模型較多，大多數(shù)海面波形建模主要是從視覺效果的角度考慮，忽略了真實(shí)海洋環(huán)境中不同區(qū)域內(nèi)波浪所受風(fēng)速和風(fēng)向環(huán)境驅(qū)動不同，導(dǎo)致波向、波高和波速等不同的場景情況，這種采用局部區(qū)域同一風(fēng)場要素條件下進(jìn)行建模的方法可以體現(xiàn)海面各個(gè)區(qū)域風(fēng)浪顯示效果之間的相似性，但無法體現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)由于不同風(fēng)向和風(fēng)速引起的波形變化，因此與真實(shí)物理海洋表面具有一定差距。真實(shí)的海洋環(huán)境中，無法用統(tǒng)一的波浪模型表達(dá)整個(gè)場景內(nèi)波浪形態(tài)。對于這種情況，文獻(xiàn)［2］借鑒粒子系統(tǒng)思想，把海洋表面理解為由很多不同大小的區(qū)域波浪塊組合而成，這些區(qū)域波浪塊稱為基波塊，基波塊一般是均勻分布在海面上，但為了保證它們之間波形連續(xù)過渡，在邊緣區(qū)域存在重疊（圖中用粗線表示）。如圖2所示。

圖2 海洋基波塊組成與風(fēng)向

以圖2為例，假定以1km＊1km 為大小，將反艦導(dǎo)彈沿跡經(jīng)過的海洋表面劃分成N個(gè)基波塊（基波塊的大小和個(gè)數(shù)按實(shí)際需要劃分），每個(gè)基波塊外部接受風(fēng)場要素的影響，內(nèi)部應(yīng)用頻譜參數(shù)建模方法，生成各自基波塊的海面高度模型。按照蒲氏海情和道氏海情［7］劃分，海情一級，風(fēng)速＜11（kn／h），有效浪高0～0．3（m）。此時(shí)其中1個(gè)基波塊的海洋表面仿真圖如圖3所示。海情二級，風(fēng)速11～22（kn／h），有效浪高0．3～0．91（m）。此時(shí)海洋表面仿真圖如圖4所示。

圖3 海情一級基波塊海洋表面仿真圖

圖4 海情二級基波塊海洋表面仿真圖

相鄰基波塊間海情等級一般相差n個(gè)等級。為了仿真方便，目前大多數(shù)關(guān)于海雜波仿真的文章較少考慮海情等級差別引起雜波回波變化。然而通過圖3、圖4可以看出劃分后的相鄰海洋基波塊雖然海情等級為一級、二級，但是產(chǎn)生的浪涌，風(fēng)向，風(fēng)速不盡相同，因此在雷達(dá)回波中海雜波的強(qiáng)弱也不盡相同。因此研究海洋表面環(huán)境對于研究海雜波具有重要意義。

4 雷達(dá)海雜波回波仿真

本文通過設(shè)定目標(biāo)艦船位置來確定反艦導(dǎo)彈打擊目標(biāo)軌跡，以此建立基于基波塊的海洋表面環(huán)境，運(yùn)用基于功率擬合的時(shí)空相關(guān)K 分布海雜波信號級合成方法，提出一種應(yīng)用于基于基波海洋建模的末制導(dǎo)雷達(dá)海雜波仿真方法。該方法的步驟是先劃分海洋表面基波塊，確定不同基波塊內(nèi)海情等級。在此基礎(chǔ)上劃分單個(gè)基波塊內(nèi)海面散射單元，采用球不變隨機(jī)過程法產(chǎn)生K 分布海雜波序列，通過時(shí)空二維相關(guān)處理，經(jīng)過功率擬合產(chǎn)生單個(gè)基波塊內(nèi)海雜波信號。反艦導(dǎo)彈經(jīng)過的不同基波塊海域通過不斷修正海情等級合成新的海雜波信號輸入到末制導(dǎo)雷達(dá)中以此得到完整的末制導(dǎo)雷達(dá)海雜波回波。

4．1 基波塊劃分

設(shè)定反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)階段為15km，照射寬度為5km，將圖1軌跡下末制導(dǎo)雷達(dá)照射的海域劃分成1km＊1km 的75個(gè)基波塊。每個(gè)基波塊海情等級相差n級（具體以實(shí)際測量為準(zhǔn)）。為方便仿真，文章中假定相鄰基波塊之間海情等級相差1級。

4．2 海面單元劃分

反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)海面分辨單元劃分［8］，以按照距離和方位分辨力的關(guān)系劃分為多個(gè)反射單元。距離分辨力ΔR＝1／2＊cτsecθr，文獻(xiàn)［9］提出的機(jī)載雷達(dá)方向分辨力Δθ劃分方法同樣可以應(yīng)用于末制導(dǎo)雷達(dá)。具體有散射單元截面積：

4．3 單元回波序列仿真

在劃分的海面散射單元上通過SIRP法產(chǎn)生K分布海雜波序列［10］。

K 分布海雜波概率密度函數(shù)如下：

其中，Γ（·）為Gamma函數(shù)，kv（·）為第二類修正Bessel函數(shù)，v是形狀參數(shù)，α是尺度參數(shù)。文章中設(shè)定形狀參數(shù)v＝1．5，雷達(dá)回波周期2000，脈沖重復(fù)頻率5000Hz，載波波長0．05m，雜波速度方差δv＝1．0，雜波譜方差δf＝40，則K分布幅度仿真圖如圖5所示。

圖5 仿真K 分布海雜波時(shí)域波形

4．4 時(shí)空二維相關(guān)處理和功率擬合信號合成

上述通過SIRP 方法產(chǎn)生的海雜波序列為單點(diǎn)序列，本文運(yùn)用基于功率擬合的方法合成海雜波信號。通過該方法合成的海雜波信號在雜波序列的整體功率上與通過GIT 模型計(jì)算出的功率一致，并且各采樣時(shí)刻的瞬時(shí)功率不斷變化，與統(tǒng)計(jì)模型相一致。設(shè)定末制導(dǎo)雷達(dá)參數(shù)：脈沖重復(fù)頻率fre＝5000Hz，帶寬B＝10MHz，采樣頻率5MHz，導(dǎo)彈末制導(dǎo)飛行高度h＝20m，速度v＝300m／s，速度方向90°（慣性坐標(biāo)系下），發(fā)射功率Pm＝10kW，水平極化，綜合損耗-0．03dB／km，天線中心方位角85°，俯仰角0．15°，脈沖積累N＝32，海情1級，風(fēng)向方位角45°。通過該方法合成的海雜波信號在雷達(dá)回波如圖6所示。

4．5 相鄰基波塊雷達(dá)海雜波回波顯示

上述方法產(chǎn)生的海雜波信號為固定海情為一級，實(shí)際上反艦導(dǎo)彈在末制導(dǎo)階段經(jīng)過不同基波塊海域海情是不斷變化的。此時(shí)若不及時(shí)修正海情等級容易造成仿真出得海雜波出現(xiàn)誤差，與真實(shí)情況有所差別，對判斷反艦導(dǎo)彈打擊實(shí)際目標(biāo)效能產(chǎn)生一定的誤差。因此，文章中提出要實(shí)時(shí)修正反艦導(dǎo)彈經(jīng)過海域的海情等級。具體的海情等級參數(shù)一方面可通過長時(shí)間對該海域氣象記錄積累統(tǒng)計(jì)得到，也可通過氣象衛(wèi)星實(shí)時(shí)分析得到。本文設(shè)定相同的仿真參數(shù)，通過改變海情等級，截取了海雜波回波第一幀的截圖。如圖6所示，通過反艦導(dǎo)彈經(jīng)過海情為一級、二級基波塊的雷達(dá)回波對比圖發(fā)現(xiàn)相鄰基波塊雷達(dá)回波回波幅值和數(shù)量級發(fā)生了變化。

圖6 反艦導(dǎo)彈經(jīng)過海情為一級、二級基波塊時(shí)雷達(dá)回波對比圖

接著分別仿真了海情為三、四、五、六級基波塊海雜波回波圖，如圖7所示。

圖7 反艦導(dǎo)彈經(jīng)過海情為三、四、五、六級基波塊時(shí)雷達(dá)回波對比圖

通過觀察，反艦導(dǎo)彈經(jīng)過的基波塊海情從一級到二級，回波顯示海雜波實(shí)部幅度提升了一個(gè)數(shù)量級。海情從二級到三級、四級海情回波顯示海雜波實(shí)部幅度值變大。海情五級、海情六級與海情四級相比海雜波實(shí)部幅度值又提升了一個(gè)數(shù)量級。這說明不同基波塊海域海雜波由于海情等級不同造成海雜波不盡相同，并且海雜波的強(qiáng)度隨著海情升高而逐漸加大，同時(shí)仿真結(jié)果也表明海情等級越高目標(biāo)檢測越困難。因此末制導(dǎo)階段經(jīng)過不同海情等級的基波塊時(shí)，只有通過修正海情等級及時(shí)更新海雜波回波，才能與戰(zhàn)場的真實(shí)情況更貼切。

5 結(jié)語

本文通過對反艦導(dǎo)彈打擊目標(biāo)軌跡、海洋表面建模及海雜波信號級合成的研究，提出了一種基于基波海洋建模的末制導(dǎo)雷達(dá)海雜波仿真方法。通過劃分海域基波塊及時(shí)修正反艦導(dǎo)彈經(jīng)過海域的海情等級仿真出末制導(dǎo)雷達(dá)打擊目標(biāo)過程中雷達(dá)海雜波變化的全過程。該方法對于研究海雜波對反艦導(dǎo)彈的影響和改進(jìn)反艦導(dǎo)彈打擊目標(biāo)效能評估提供了參考。

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