機載PD雷達雜波建模與仿真研究

楊繼庚，董文鋒

(空軍預(yù)警學(xué)院,武漢 430019)

機載PD雷達雜波建模與仿真研究

楊繼庚，董文鋒

(空軍預(yù)警學(xué)院,武漢 430019)

摘要：針對機載脈沖多普勒(PD)雷達地雜波仿真實現(xiàn)的復(fù)雜性，基于一種簡化的機載PD雷達相干地雜波仿真模型，建立了機載PD雷達在地雜波中檢測目標(biāo)的模型。該方法能準(zhǔn)確反映出高度線雜波、主瓣雜波、副瓣雜波、目標(biāo)回波的功率關(guān)系。結(jié)合仿真結(jié)果分析了機載PD雷達對處于不同雜波區(qū)目標(biāo)的檢測能力，結(jié)果與實際情況符合較好。

關(guān)鍵詞：脈沖多普勒雷達；地雜波；主瓣雜波；相干

0引言

機載雷達平臺高，克服了地面雷達對低空小目標(biāo)探測能力弱的缺點。但是機載PD雷達處于下視工作狀態(tài)時，回波中有強的地雜波，機載雷達檢測出目標(biāo)必須克服地雜波的影響[1]。對地雜波進行建模分析是仿真研究PD雷達目標(biāo)檢測能力的基礎(chǔ)。

文獻[2]和[3]里面采用網(wǎng)格積分法處理地雜波，這種方法計算量大，在積分區(qū)容易出現(xiàn)反常積分。文獻[4]單純地從地雜波角度考慮，沒有反映出地雜波對檢測目標(biāo)的影響。

本文基于以上情況，采用網(wǎng)格映像法對相干地雜波進行建模與仿真，將一個網(wǎng)格單元近似為一個矩形平面，從而避開了積分法遇到的反常積分，大大減小了計算量。并假定了目標(biāo)與載機的運動航跡，分析了目標(biāo)處于不同雜波區(qū)時雜波對信噪比的影響。

1雜波建模

1.1　雜波單元網(wǎng)格劃分

設(shè)機載雷達沿Y軸水平飛行，速度為V0，載機高度為H，方位角(與X軸正方向夾角)、仰角分別設(shè)為φ、α。由于機載平臺與地面有相對運動，地雜波信號會產(chǎn)生多普勒頻移:

(1)

在對雜波單元進行網(wǎng)格劃分時，本文基于距離-速度劃分方法，采用距離-方位劃分網(wǎng)格單元。在距離上，將雷達最小分辨距離作為雷達到地面斜線的劃分單元，將此單元投影到地面上，地面等距離線單元大小為：

(2)

可以看出，等距離環(huán)是以雷達在地面垂直投影點為圓心的同心圓，但是等距離線之間的間隔隨著俯仰角的變大而變大。在同一距離環(huán)內(nèi)仰角不變,于是有：

(3)

(4)

劃分網(wǎng)格單元如圖1所示。

于是雜波單元面積為:

(5)

1.2　地面反射特性

圖1　雜波網(wǎng)格劃分圖

本文采用文獻[3]里面修正的地面散射系數(shù):

(6)

式中:α為雷達波擦地角(入射余角);θ0為定值，表示鏡面反射區(qū)域，一般取5°;σos和σod也為定值，σos比σod大很多，通常取σos=8，σod=0.01;等式右邊第一項為漫反射分量，第二項為鏡面反射分量，此項構(gòu)成高度線雜波，所以高度回波一般較強。

1.3　天線方向圖

方位角、仰角為(α,φ)方向上的天線增益為:

(7)

式中:φ0為主瓣方位角;α0為主瓣仰角;行列均采用泰勒加權(quán)；M為陣列行數(shù)；N為陣列列數(shù)；α0.5為水平波瓣寬度，α0.5=100°/N；φ0.5為垂直波瓣寬度，φ0.5=100°/M。

1.4　相干地雜波回波信號模型

根據(jù)雷達距離方程可推導(dǎo)出第m個雜波單元反射的雷達回波信號幅度：

(8)

此雜波單元對應(yīng)的回波信號多普勒相移為:

(9)

式中:ψ0為服從[0,2π]均勻分布的隨機相位;f0為雷達發(fā)射信號的載頻;fd為此回波單元的多普勒頻移。

對于機載PD雷達而言，雷達波束照射到地面的距離會大于雷達的最大不模糊距離，也就是會有距離模糊。距離為R的檢測單元的地雜波回波信號其實是下列距離單元信號的相干累加，也就是[5]:

Ri=R+iRu

(10)

式中:H≤Ri≤Rmax，Rmax為載機最大探測距離;R為目標(biāo)所處的雜波單元的距離，R∈[0,Ru]，Ru=cTrep/2,為雷達最大不模糊距離。

此距離單元經(jīng)接收機混頻后的回波信號為:

(11)

式中:M為次距離單元模糊次數(shù);N為一個距離單元內(nèi)雜波單元的個數(shù)。

2目標(biāo)的多普勒頻移計算

設(shè)載機速度為V0，目標(biāo)初始位置為B點，位于預(yù)警機右側(cè)，速度為V1，與雷達照射波速的夾角為θ1(t)，目標(biāo)相對于雷達的仰角為α1(t)，方位角為φ1(t)，航向角為β，如圖2所示。于是有：

(12)

圖2　目標(biāo)和雷達載機的航線

3雜波區(qū)域分布仿真與分析

3.1　仿真條件

仿真條件如表1所示。

表1　雜波區(qū)域分布仿真條件

3.2　仿真結(jié)果

當(dāng)方位角為44°，仰角為12°，重頻為1 kHz時，仿真結(jié)果如圖3所示；當(dāng)方位角為44°，仰角為12°，重頻為6 kHz時，仿真結(jié)果如圖4所示；當(dāng)方位角為44°，仰角為12°，重頻為80 kHz時，仿真結(jié)果如圖5所示；當(dāng)方位角為-11.2°，仰角為3.55°，重頻為40 kHz,vtarget=0 km/h時，仿真結(jié)果如圖6所示；當(dāng)方位角為-11.2°，仰角為3.55°，重頻為40 kHz,vtarget=600 km/h時，仿真結(jié)果如圖7所示；當(dāng)方位角為-11.2°，仰角為3.55°，重頻為40 kHz,vtarget=1 400 km/h時，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖3　低重頻地雜波譜

圖4　中重頻地雜波譜

圖5　高重頻地雜波譜

圖6　目標(biāo)處于主瓣雜波區(qū)

圖7　目標(biāo)處于旁瓣雜波區(qū)

圖8　目標(biāo)處于無雜波區(qū)

3.3　仿真分析

圖3～圖5的仿真條件是載機高度為3 km，方位角44°，仰角12°。脈沖重復(fù)頻率依次為1 kHz(低重頻)，6 kHz(中重頻)，80 kHz(高重頻)。通過公式R=H/sinα和式(1)計算出主瓣雜波的距離為14.4 km，主瓣雜波多普勒頻移為7 550 Hz，最大地雜波多普勒頻移為11.1 kHz。可以看出，雷達主瓣雜波較窄，主瓣雜波很強，其次是高度線雜波，然后是副瓣雜波。

主瓣雜波高于高度線雜波10 dB左右，高于副瓣雜波30 dB左右。高度線雜波在載機的高度距離3 km處。從圖3可以看出，低重頻時沒有距離模糊，雜波落在14.5 km處，而頻域高度模糊，主瓣雜波落在600 Hz處，雜波覆蓋整個頻域。圖4中主瓣雜波落在1 680 Hz處，產(chǎn)生頻率模糊，由于主瓣距離較近，最大不模糊距離為30 km, 此時沒有距離模糊，但雷達掃描過程中主瓣的距離往往會大于30 km,也就很容易出現(xiàn)距離模糊。圖5沒有頻率模糊，頻域上雜波高度集中，而距離上產(chǎn)生高度模糊，雜波落在1.46 km處。

說明重頻低時沒有距離模糊，但會導(dǎo)致頻域嚴(yán)重模糊；中重頻時，頻域與距離域都會有模糊；高重頻時，沒有頻率模糊，但是距離上嚴(yán)重模糊。同時，重頻越高，雜波單元覆蓋的距離單元越多。

圖6～圖8仿真條件是:目標(biāo)高度為1 km，載機高度為8 km，主瓣方位角為-11.2°，仰角為3.55°，目標(biāo)航向30°。由于仰角太低，導(dǎo)致主瓣覆蓋到整個距離單元。相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6中，目標(biāo)切向速度為0，此時目標(biāo)完全淹沒在主板雜波中，無法檢測；圖7中，目標(biāo)處于旁瓣雜波區(qū)，此時目標(biāo)可以被檢測出，但是對于小目標(biāo)而言，回波較弱，很難檢測出；圖8中，目標(biāo)處于無雜波區(qū)，可以被清晰地檢測出。

表2　不同條件下的信雜比對照表

4結(jié)束語

本文采用網(wǎng)格映像法對機載多普勒雷達雜波進行了仿真，結(jié)論與實際情況符合較好。驗證了多普勒雷達在低重頻時，頻率高度模糊；中重頻時，頻域距離域均有模糊；高重頻時距離高度模糊。同時高重頻時或者低仰角時，主瓣雜波覆蓋距離單元數(shù)較多。

文章還仿真并分析了脈沖多普勒雷達對不同速度運動目標(biāo)的檢測能力，在無雜波區(qū)可以清楚地檢測目標(biāo)，在副瓣雜波區(qū)可以檢測到雷達截面積較大的目標(biāo)，而在主瓣雜波區(qū)和高度線雜波區(qū)無法檢測目標(biāo)。

參考文獻

[1]賁得,韋偉安,林幼權(quán).機載雷達技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[2]楊儉,宋強,宛清,靳小超. 一種機載PD雷達實時地雜波功率譜仿真算法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007,27(3):281-283.

[3]張弓,朱兆達.一種簡捷的機載PD雷達雜波仿真算法研究[J].雷達與對抗，2002(3):31-36.

[4]阮鋒,李明,吳順君.一種簡捷的機載PD雷達地雜波仿真方法[J].現(xiàn)代雷達，2006,28(12):30-32.

[5]王雪松，肖順平，馮德軍，等.現(xiàn)代雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

Research into Modeling and Simulation of

Airborne Pulse Doppler Radar Clutter

YANG Ji-geng,DONG Wen-feng

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

Abstract:Aiming at the complexity to realize ground clutter simulation of airborne pulse Doppler (PD) radar,this paper builds up the model of airborne PD radar detecting targets in ground clutter based on a simplified coherent ground clutter simulation model of airborne PD radar.The method can accurately reflect the power relations among height clutter,main-lobe clutter,side-lobe clutter and target echo.Combined with simulation result,the target detection capability of airborne PD radar in different clutter zones is analyzed,and the result is consistent with practice.

Key words:pulse Doppler radar;ground clutter;main lobe clutter；coherent

收稿日期:2014-12-17

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.018

中圖分類號：TN958.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0065-05