一種末制導(dǎo)雷達(dá)海面小目標(biāo)檢測(cè)模式研究

逯 程，李相平，趙 駿，李 睿，鄧 焯

(1.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001; 2. 92665部隊(duì)，湖南 張家界 427200)

【信息科學(xué)與控制工程】

一種末制導(dǎo)雷達(dá)海面小目標(biāo)檢測(cè)模式研究

逯 程1，李相平1，趙 駿1，李 睿2，鄧 焯2

(1.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001; 2. 92665部隊(duì)，湖南 張家界 427200)

為了解決當(dāng)前末制導(dǎo)雷達(dá)檢測(cè)海面小目標(biāo)困難的問(wèn)題，提出了一種基于距離掃描定位的間接角度測(cè)量模式。該模式運(yùn)用距離向的掃描和一維信號(hào)處理目標(biāo)檢測(cè)方法，確定目標(biāo)的距離信息；劃分方位向波束掃描區(qū)域，運(yùn)用二分法并結(jié)合距離向的檢測(cè)結(jié)果，間接確定目標(biāo)的方位信息。該種小目標(biāo)檢測(cè)模式避開(kāi)了末制導(dǎo)雷達(dá)遠(yuǎn)距離測(cè)角精度受限問(wèn)題，可以有效地檢測(cè)海面小目標(biāo)。

距離掃描定位；一維信號(hào)處理目標(biāo)檢測(cè)；區(qū)域劃分；二分法

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，反艦導(dǎo)彈是參與作戰(zhàn)的主要武器，其作戰(zhàn)性能往往是成敗的關(guān)鍵。隨著越來(lái)越多型號(hào)和功用的水面艦艇投入實(shí)用，反艦導(dǎo)彈需要打擊的目標(biāo)類型也不斷增加。傳統(tǒng)的反艦導(dǎo)彈設(shè)計(jì)思想認(rèn)為能夠產(chǎn)生較強(qiáng)雷達(dá)回波信號(hào)的海面大中型目標(biāo)具有較大威脅性，故而導(dǎo)彈目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)都是按照以攻擊海面大中型目標(biāo)為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)的。而今以導(dǎo)彈快艇為代表的海面小型艦艇擁有速度快、攻擊性強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，已然成為了海戰(zhàn)中的重要威脅。由于海面小目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)很容易淹沒(méi)在海雜波之中[2]，原本用來(lái)捕捉海面大中型目標(biāo)的導(dǎo)彈目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)難以有效識(shí)別海面小目標(biāo)。為此，需要尋求一種末制導(dǎo)雷達(dá)海面小目標(biāo)檢測(cè)模式來(lái)加強(qiáng)對(duì)海面小目標(biāo)的檢測(cè)。

1 傳統(tǒng)檢測(cè)模式檢測(cè)海面小目標(biāo)情況

末制導(dǎo)雷達(dá)最主要的任務(wù)就是完成對(duì)目標(biāo)的“搜”和“捕”，即是完成搜索海面發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置和精確跟蹤移動(dòng)目標(biāo)這2個(gè)過(guò)程[3]。傳統(tǒng)的末制導(dǎo)雷達(dá)采用單脈沖體制進(jìn)行對(duì)目標(biāo)角度的精確測(cè)量。常用的振幅和差式單脈沖雷達(dá)的波束由2個(gè)相同的子波束組成[4]，它們以天線軸為對(duì)稱中心，如圖1所示。

圖1 振幅和差式單脈沖雷達(dá)波束示意圖

而在探測(cè)海面小目標(biāo)時(shí)，回波脈沖信噪比較高這一前提并不成立，海面小目標(biāo)的回波信號(hào)較弱，其幅度與海雜波相近，經(jīng)常淹沒(méi)在海雜波之中。在這種情況下，單脈沖雷達(dá)接收目標(biāo)回波的情況就發(fā)生了改變。單脈沖雷達(dá)的波束寬度是有限制的，因此其角度分辨率也是有限制的。常見(jiàn)的X波段末制導(dǎo)單脈沖體制雷達(dá)波束寬度一般在7°～9°，而Ka波段以及毫米波波段的雷達(dá)雖然波束寬度有變窄，但也很難縮減到1.5°以下。末制導(dǎo)雷達(dá)需要遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標(biāo)，在距離目標(biāo)幾十千米之外就要有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力，而在這個(gè)距離上的角度分辨率按較窄的波束寬度來(lái)算也在幾百米左右。海面小目標(biāo)的代表導(dǎo)彈快艇的長(zhǎng)度一般不超過(guò)40 m，寬度一般不超過(guò)10 m。這就意味著在一個(gè)波束的角度分辨單元內(nèi)存在著大量的海水區(qū)域，小目標(biāo)的回波信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如大片海水的回波信號(hào)強(qiáng)烈[5]。若是不采用其他方法進(jìn)行信號(hào)處理，僅靠方位上就想測(cè)出小目標(biāo)所在角度，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2 基于距離掃描定位的間接角度測(cè)量模式

2.1 距離向目標(biāo)檢測(cè)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)海面小目標(biāo)的有效檢測(cè)，必須改進(jìn)末制導(dǎo)雷達(dá)的測(cè)角、測(cè)距模式。由于單脈沖雷達(dá)難以遠(yuǎn)距離測(cè)出小目標(biāo)方位，因此改用其他雷達(dá)體制進(jìn)行探測(cè)。建立一種基于距離掃描定位的間接角度測(cè)量模式。該模式下末制導(dǎo)雷達(dá)的天線波束無(wú)需像單脈沖體制一樣由2個(gè)子波束組成，只需一個(gè)完整的波束，其波束寬度越窄越好。其距離向檢測(cè)目標(biāo)示意圖分別如圖2所示。

圖2 距離向檢測(cè)目標(biāo)示意圖

在距離向檢測(cè)小目標(biāo)時(shí)，探測(cè)脈沖寬度為τ，脈沖重復(fù)周期為T(mén)r，距離掃描范圍為L(zhǎng)min～Lmax，導(dǎo)彈飛行速度為Vm，目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度為Vt，電磁波傳播速度為c。則波束距離向的分辨單元為

(1)

掃描一個(gè)距離探測(cè)范圍所花費(fèi)的時(shí)間為

(2)

依據(jù)常規(guī)的導(dǎo)彈參數(shù)計(jì)算，并設(shè)置Lf與小目標(biāo)長(zhǎng)度相仿，得到Ts是分秒量級(jí)的。則每一個(gè)周期Ts內(nèi)，末制導(dǎo)雷達(dá)都在掃描范圍Lmin～Lmax內(nèi)無(wú)間隔地由遠(yuǎn)至近掃描了一遍，以每個(gè)波束距離向分辨單元Tf內(nèi)的回波信號(hào)為基本數(shù)值形成了海面回波按照距離由遠(yuǎn)及近的一串?dāng)?shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)串中只有一個(gè)距離點(diǎn)的數(shù)值是回波信號(hào)，其他距離點(diǎn)的數(shù)值是海雜波。這些海雜波是海面上一個(gè)連續(xù)的直線帶形成的，符合海雜波的統(tǒng)計(jì)信息。運(yùn)用相參積累和FRFT等信號(hào)處理方法[6-12]處理這個(gè)一維信息，可以將小目標(biāo)回波信號(hào)區(qū)分出來(lái)，得到它的距離。

2.2 方位向目標(biāo)檢測(cè)

設(shè)波束寬度為φ，天線從左至右掃描一個(gè)扇形范圍的總角度為φa。取一個(gè)合適的整數(shù)N，使得

(3)

并使φa落于20°～25°范圍內(nèi)。

令天線第一次從左至右掃描整個(gè)扇形范圍的時(shí)間為

Ta=N·Ts

(4)

則在Ta時(shí)間內(nèi)，把末制導(dǎo)雷達(dá)的方位掃描范圍等分成了N個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域角度范圍與天線波束寬度相同，且掃描時(shí)間為T(mén)s，恰好是距離掃描的一個(gè)周期。運(yùn)用距離向一維小目標(biāo)檢測(cè)方法，可以知道小目標(biāo)所在角度區(qū)域和距離區(qū)域。即第一次掃描就可以確定目標(biāo)的大致方位和距離。

第二次掃描確定目標(biāo)的具體方位和距離信息，波束的掃描范圍為第一次掃描確定的小目標(biāo)所在角度區(qū)域中心角度±φ。其方位向檢測(cè)目標(biāo)示意圖如圖3所示。

圖3 方位向檢測(cè)目標(biāo)示意圖

當(dāng)波束掃描處于不同的位置時(shí)，根據(jù)距離向一維信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果，存在波束能夠檢測(cè)出目標(biāo)和波束不能夠檢測(cè)出目標(biāo)2種情況。圖3中，位置1表示未能檢測(cè)出目標(biāo)的波束角度；位置2表示掃描過(guò)程中第一次能夠檢測(cè)出目標(biāo)的波束角度；位置4表示掃描過(guò)程中最后一次能夠檢測(cè)出目標(biāo)的波束角度；位置3表示掃描過(guò)程中介于位置2和4之間一直能夠檢測(cè)出目標(biāo)的任一波束角度。海面背景在方位向連續(xù)掃描的過(guò)程中是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，其回波信號(hào)能呈現(xiàn)出特有的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[13]。認(rèn)為在位置2和4恰好能夠在距離向檢測(cè)出目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)相對(duì)于2個(gè)波束中心角度的偏角是相同的。因此，精確的目標(biāo)角度可表示為

(5)

其中：φ2和φ4分別為位置2和4的波束中心角度。

對(duì)于任意一個(gè)波束位置，要確定其中是否有目標(biāo)，都要經(jīng)歷一次距離向的掃描和一維目標(biāo)檢測(cè)，要花費(fèi)一定的時(shí)間。所以，在確定位置2和4時(shí)，不能連續(xù)地掃描細(xì)小的角度單元。對(duì)此采用二分法來(lái)解決。在第二次掃描的左半?yún)^(qū)域，先將波束對(duì)準(zhǔn)該區(qū)域的中心角度，進(jìn)行一次距離向的掃描和一維目標(biāo)檢測(cè)。若檢測(cè)出目標(biāo)，則下一個(gè)波束角度位置確定為左側(cè)半?yún)^(qū)域的中心角；反之，則下一個(gè)波束角度位置確定為右側(cè)半?yún)^(qū)域的中心角。重復(fù)以上步驟直至達(dá)到所需的角度測(cè)量精度。根據(jù)現(xiàn)有末制導(dǎo)雷達(dá)參數(shù)及角度測(cè)量精度要求，可得用二分法確定位置2和4總共至多需要12Ts，其數(shù)值為秒量級(jí)，符合實(shí)際要求。

3 結(jié)論

采用該種基于距離掃描定位的間接角度測(cè)量模式，從理論上可以解決當(dāng)前末制導(dǎo)雷達(dá)難以檢測(cè)海面小目標(biāo)的檢測(cè)機(jī)制問(wèn)題。該檢測(cè)模式巧妙地避開(kāi)了末制導(dǎo)雷達(dá)遠(yuǎn)距離測(cè)角精度受限的問(wèn)題，運(yùn)用距離向的掃描和一維目標(biāo)檢測(cè)間接地得出目標(biāo)的角度信息。該種測(cè)量模式檢測(cè)海面小目標(biāo)相對(duì)于傳統(tǒng)的單脈沖模式檢測(cè)海面普通目標(biāo)，其得到目標(biāo)距離和方位信息的時(shí)間都在合理范圍之內(nèi)但相對(duì)較長(zhǎng)，因此也需要改進(jìn)目標(biāo)跟蹤機(jī)制。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Study on Small Sea Surface Target Detection Mode in Terminal Guidance Radar

LU Cheng1, LI Xiang-ping1, ZHAO Jun1, LI Rui2, Deng Zhuo2

(1.Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China; 2.The 92665thTroop of PLA, Zhangjiajie 427200, China)

In order to solve the issue that it is difficult for current terminal guidance radar to detect small targets on sea surface, we established a kind of indirect angle measuring mode based on positioning by scanning in distance. This mode used the methods of scanning in distance and one-dimensional signal processing target detection to determine the distance information of target; with the method of dichotomy and the result of detection in distance, azimuthal beam scanning area was divided to determine the azimuthal information of target indirectly. This kind of small target detection mode avoids the long-range terminal guidance radar problem of limited angular accuracy and it can detect small targets on sea surface effectively.

positioning by scanning in distance; one-dimensional signal processing target detection; area partition; dichotomy

2015-03-02

逯程(1990—)，男，碩士研究生，主要從事于反艦導(dǎo)彈天線與攻擊海面小目標(biāo)等方面的研究。

10.11809/scbgxb2015.08.031

逯程，李相平，趙駿，等.一種末制導(dǎo)雷達(dá)海面小目標(biāo)檢測(cè)模式研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(8):124-126.

format:LU Cheng, LI Xiang-ping, ZHAO Jun, et al.Study on Small Sea Surface Target Detection Mode in Terminal Guidance Radar[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):124-126.

TJ761.14; E933.6

A

1006-0707(2015)08-0124-03