基于目標RCS垂直分布的雷達門限計算方法

林新黨(海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京210003)

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基于目標RCS垂直分布的雷達門限計算方法

林新黨
(海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京210003)

摘要:對雷達探測距離的準確預測計算對于合理把握雷達開機時機、提高雷達生存能力有重要的意義。在蒸發波導條件下，把海上艦船目標當作點目標處理，可能會導致計算所得雷達對小目標探測距離大于對大目標探測距離。文章首先分析了產生此異常計算結果的原因，隨后在此基礎上提出了基于RCS垂直分布的雷達門限計算方法。該方法能保證計算所得雷達對小目標探測距離小于對大目標探測距離，且適用于任何RCS垂直分布情況。

關鍵詞:蒸發波導; RCS垂直分布;雷達門限

0　引言

蒸發波導是海面上出現概率非常高的一種大氣波導形式［1］，是由海面水汽隨高度上升銳減造成的。雷達在蒸發波導條件下可能會出現超視距探測現象，對雷達探測距離的準確預測計算、合理把握雷達的開機時機、提高雷達的生存能力有重要的意義。文獻［1-2］等對蒸發波導條件下雷達探測距離計算方法進行了介紹，思路如下:先由氣溫、氣壓、濕度、風速和海表溫度等氣象參數，經蒸發波導模型計算得到蒸發波導高度和折射率剖面，隨后根據折射率剖面和雷達參數經電磁波傳播衰減計算模型得到傳播衰減，最后將傳播衰減與由雷達方程和目標特性計算出來的雷達門限比較，從而得到雷達探測距離。其中，文獻［3-4］等對蒸發波導模型進行了詳細介紹，文獻［5-6］等對電磁波傳播模型進行了詳細介紹。雷達門限是上述雷達探測距離計算方法的一個關鍵環節，如果把海上艦船目標當作某高度上的點目標來處理，有可能導致計算所得雷達對小目標探測距離大于對大目標探測距離，不符合實際探測情況。文章首先分析產生該異常計算結果的原因，然后提出基于目標RCS垂直分布的雷達門限計算方法。

1　雷達探測距離計算結果異常的原因分析

在蒸發波導條件下，雷達波在同一距離處的傳播衰減隨高度的分布是不均勻的，圖3是某雷達波在80 km距離處不同高度的傳播衰減曲線，其中5 m高度傳播衰減明顯小于12 m高度處傳播衰減，兩者的差值超過25 dB。

圖1　某雷達波在80 km處傳播損耗曲線

雷達接收到一定距離處目標的回波信號強度S為

其中

式中，Pt為雷達發射功率(dB)，G為天線增益(dB)，Ls為系統損耗(dB)，Lp為單程傳播衰減(dB)，σ為目標RCS(m2)，λ為雷達波長(m)。當雷達參數確定時，Pt、G、Ls、λ都是定值，此時用S0將這幾項分離出來，S0也為定值。

由于單程傳播衰減Lp在高度上分布不均勻，RCS在高度上的分布特征必然會影響接收信號的強度。當把艦船目標看作某高度上的點目標時，圖2給出了不同高度的大、小點目標對應的回波信號強度。令σi= 10lg(σj)，σi單位為dB;σj為目標RCS大小，單位為m2，其中，i、j =1、2;目標1的RCS為σ1(dB)，高度為d1(m);目標2的RCS為σ2(dB)，高度為d2(m)，且σ1＞σ2。

兩目標的回波信號強度分別為

則兩者回波信號強度之差為

其中Lp(d1)、Lp(d2)分別為高度d1和d2處的傳播衰減。當σ1－σ2＜2［Lp(d1)－Lp(d2)］時，S(d1)＜S(d2)，即在相同距離處小目標的回波信號強度明顯強于大目標回波信號強度。在這種情況下，計算所得到的雷達對小目標探測距離大于對大目標探測距離。

2　基于目標RCS垂直分布的雷達門限計算方法

2.1目標RCS分布模型

計算所得雷達對小目標探測距離大于大目標探測距離的根本原因在于電磁波在高度上的分布是不均勻的，而雷達對艦船目標的探測應該是各高度處探測效果之和。因此，在計算雷達對艦船目標探測距離時應考慮目標RCS隨高度的分布。

假設目標RCS在高度上均勻分布，即目標RCS在高度上分N段，RCS值平均分布在每一段上，如圖3所示。

圖3　目標RCS在高度上均勻分布

RCS均勻分布情況相當于大、小目標的強散射點的高度完全相同，且始終位于傳播衰減最小的高度位置。此時，大、小目標的回波接收信號強度分別為

此時

這就完全克服了小目標回波信號強度大于大目標的問題。此時，計算得到的雷達對小目標探測距離也小于對大目標探測距離。

2.2雷達門限計算方法

雷達方程可以表示為

其中

考慮到目標RCS分布的影響，雷達對艦船目標的檢測是各高度處檢測效果之和，對雷達方程進行如下修正:其中，σ(h)為高度h處RCS，L(h)為高度h處雷達波傳播損耗，w(h)為h高度RCS占總RCS的比值，包括RCS隨高度均勻分布和非均勻分布情況。

當Pr≥Smin時，雷達能檢測到目標。轉化為dB形式:

令

其中，LT為雷達門限，L(R)可以理解為在距離處R的總的雷達波傳播衰減。當L(R)≤LT時雷達能檢測到目標。

3　仿真分析

仿真試驗進行了3種假設:(1)假設RCS在高度剖面上為均勻分布:目標RCS在高度上分N段，RCS值平均分布在每一段上，如圖3所示;(2)假設RCS在高度剖面上為對稱分布(非均勻分布):目標RCS在高度上分N段，中間段代表艦船的強散射高度，占RCS值的比例最高，其他段依次遞減，如圖4所示;(3)根據已知典型目標的RCS在垂直剖面上的非對稱分布，目標RCS在高度上分N段，根據測量值確定各段RCS值占的比例，如圖5所示。

圖4　RCS高度對稱分布模型

圖5　RCS高度非對稱分布模型

試驗采用Monte Calo方法。假定艦船總RCS為10000，對3種類型RCS分布的艦船進行檢測，統計發現概率為50%時雷達的探測距離作為雷達威力預報值，與基于簡單RCS模型的雷達威力預報值進行比較，得到如表4所示結論。

表4　威力預報準確度試驗結果

4　結束語

在蒸發波導條件下，雷達波傳播衰減在同一距離處隨高度的分布是不均勻的，把海上艦船目標當作某高度上的點目標處理，可能會導致計算所得雷達對小

目標探測距離大于對大目標探測距離，這與實際探測情況不符。文章分析了產生此現象的原因，并提出了基于RCS垂直分布的雷達門限計算方法。采用該方法能夠保證計算所得雷達對小目標探測距離小于對大目標探測距離。文章提出的雷達門限計算方法適用于任何RCS垂直分布情況，掌握目標RCS的垂直分布有助于準確預測雷達對艦船目標的探測距離。

參考文獻:

［1］察豪.蒸發波導條件下雷達探測距離的估計方法［J］.現代雷達，2006，28(9):5-7.

［2］黃小毛.蒸發波導環境下雷達超視距性能評估方法［J］.電子科技大學學報，2007，36(1): 36-39.

［3］Babin S.A new model of the oceanic evaporation duct［J］.Applied Meteorology，1997，36:193-204.

［4］Paulus R A.Practical application of an evaporation duct model［J］.Radio Science，1985，20(4): 887-896.

［5］Levy M.Parabolic equation methods for electromagnetic wave propagation［M］.London : IEE Press，2000:10-94.

［6］王紅光.大氣波導傳播的拋物方程模型研究綜述［J］.裝備環境工程，2008，5(1):11-15.

A method of computing radar threshold based on vertical distribution of RCS

LIN Xin-dang
(Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing，Nanjing 210003)

Abstract:Accurate prediction and computation of radar detection range have a significant impact on reasonably grasping the startup time and improving the survivability of radar.If the ships at sea are regarded as point targets，the radar detection range for small targets is probably more than that for big targets under the condition of evaporation duct.The cause that results in such an abnormal result is analyzed，on the basis of which a method of computing the radar threshold is presented based on the vertical distribution of the RCS.This method can ensure that the radar detection range for small targets is less than that for big targets and it is applicable to any vertical distribution conditions of the RCS.

Keywords:evaporation duct; vertical distribution of RCS; radar threshold

作者簡介:林新黨(1970-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:雷達總體技術。

收稿日期:2014-12-23

文章編號:1009－0401(2015)01－0018－03

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN011