低重頻雷達導引頭副瓣雜波特性分析

黃新松 張江華

(1.海軍駐南昌地區軍事代表室南昌;2.西安電子工程研究所西安710100)

總體工程

低重頻雷達導引頭副瓣雜波特性分析

黃新松1張江華2

(1.海軍駐南昌地區軍事代表室南昌;2.西安電子工程研究所西安710100)

常規反艦導彈雷達導引頭一般采取掠海飛行彈道，此時海面后向散射系數很小，距離折疊因素影響很小;對于高彈道飛行條件下時，需要考慮距離折疊因素對雷達導引頭檢測性能影響，本文通過對海面雜波進行距離－角度剖分，進而把雜波能量映射到距離－多普勒單元內。仿真結果顯示，當考慮距離折疊因素以后，海雜波將會提高約2dB(相對于不考慮距離折疊情形)，對作用距離估計影響可達12%。

電磁環境;統計;分析

0 引 言

通常，反艦導彈采用掠海飛行彈道飛行，雷達導引頭天線波束與海平面之間夾角很小，海面后向散射系數也很小，海雜波對相參體制雷達導引頭作用距離影響很小，不需要特殊考慮。當導彈需要從無人機、固定翼平臺高空發射近程反艦導彈時，由于導彈飛行彈道高度高，下視角大，海面后向散射系數大幅度增加，海雜波影響已無法忽略。Fred E.Nathanson的研究［1］顯示，在5級海情下，30°下視角后向散射系數可以達到－20dBm2/ m2，當下視角1°時，后向散射系數則為－32 dBm2/ m2。張鵬［2］等基于混沌學分析了海雜波特性;陳鬧［3］研究了韋布爾分布海雜波的建模與其FPGA實現;熊昭華等基于統計雜波模型研究了海雜波的空時二維特性［4］;徐湛等研究了相關K分布海雜波模型［5］;盧寧等研究了但上述文獻均未考慮近程反艦導彈雷達導引頭的距離折疊影響［6］;Tan Hui［7］等研究了不同海情對雜波影響。與地面探測不同，海面探測不存在地物遮擋，近程反艦導彈導引頭作用距離一般只有幾公里遠，現代先進體制雷達導引頭一般采用固態發射機技術，為了盡可能降低發射功率，要求在保證最遠探測距離測距不模糊的前提下，盡量提高脈沖重復頻率，海面高空飛行導彈雷達導引頭可視距離達數十公里，遠遠超出常規導引頭的模糊距離，對低重頻雷達導引頭距離折疊影響尚未見研究報道。

1 海面最大視距估算

如圖1所示，雷達距離海平面高度為h，從雷達到地球球面做射線r，與球面夾角為θ從雷達到地球切平面做射線長度也是r，與切平面的夾角為θ'。根據球面三角公式有:

由于導彈飛行高度相對地球曲率半徑來說很小，可以忽略式中的h2項，上式為:

視距的極限為射線r和地球球面相切的情況，即θ=0;

這時，射線r的長度為:

注意，這里，re=8500km。

2 海面雜波計算

對于脈沖多普勒體制雷達導引頭來說，一般采用距離－多普勒處理技術來減小雜波影響，距離維把整個模糊距離上劃分為若干個距離分辨單元去處理，多普勒維則把脈沖重復頻率劃分成2n個多普勒分辨單元處理。

為了利用數值方法模擬雜波，一般需要把雜波在距離維和多普勒維進行剖分，且保證雜波剖分單元(距離/多普勒)達到雷達分辨單元(距離/多普勒)1/2－1/4。

圖1 理想球面視距計算

根據公開發表資料可以獲得各級海情以及不同下視角條件下的后向散射系數，為了考慮海雜波影響可以對海面進行網格剖分，計算海雜波。

為了簡化后續計算，可以以雷達導引頭天線為中心作為坐標原點，假定導彈速度位于(X，Y)平面內，速度矢量與X軸之間夾角為δ，雷達導引頭的坐標為(xR，yR，zR)，地面雜波單元的坐標為(xC，yC，zC)，雷達與雜波之間的距離

根據前面的假定，

根據雷達與雜波單元之間的相對速度進一步可以得到雜波相對于載波的多普勒頻率

考慮到低重頻導引頭在多普勒維是模糊的，即多普勒頻率超過脈沖重復頻率(PRF)以后會發生折疊，雜波所處的多普勒單元號由下式給出:

理論上講，低重頻雷達導引頭盡管在距離維不會發生折疊，實際中為了盡可能提高導引頭的平均發射功率，總是在滿足最大探測距離的前提下盡可能提高導引頭的脈沖重復頻率。最大不模糊距離由下式給出:

如近距離反艦導引頭的典型重頻是10KHz，最大不模糊距離只有15km，在海面背景，這么近的不模糊距離不僅會導致雜波很容易發生折疊，有些大型目標也會發生距離折疊。

根據雷達導引頭的距離分辨率進一步可以確定雜波所處距離單元號(考慮距離折疊):

雜波回波功率滿足雷達方程，

上式中，腳標m代表第m個距離雜波單元，k代表第k個多普勒雜波單元，θk代表相對天線電軸的方位夾角，εm代表相對天線電軸的俯仰夾角，G(θk，εm)代表雜波單元相對雷達導引頭天線波束電軸的方向夾角，λ代表波長，σmk代表映射到第m個距離單元、k個多普勒通道的雜波散射面積。

通常有兩種方法劃分雜波單元，一種是直接根據距離－多普勒回波單元映射到地面或海面對應區域，由于雜波在距離、多普勒維都存在模糊，且隨方位角不斷變化，這種雜波剖分方法實現上十分困難。這里對海面區域采用極坐標的剖分方案，即以雷達為坐標原點，首先對海面區域用若干個距離環進行剖分，環間距即是雜波單元的距離分辨力，方位上，以遠小于雷達天線波束寬度的角度進行剖分，如圖所示。

為了確定雜波功率，還需要進一步確定雜波相對于天線電軸的夾角，在圖2的坐標系中天線指向可以用向量表示為:

這里，α為天線俯仰指向，β為天線方位指向雜波相對天線中心的向量表示為:

φ為雜波相對于雷達的方位角，ε為雜波相對于雷達的俯仰角，

雜波單元與天線電軸之間的夾角為ξ，

仿真時天線方向圖可以采用真實的天線方向圖，也可以采用如下的近似模型:

上式中，a為天線波束寬度，Gmax為天線增益。

圖2 基于網格剖分的雜波計算

根據(15)式，(11)式可以進一步改寫為:

為了計算所有距離－多普勒單元內的雜波，可以采取如下步驟:

1)選定雜波單元所在距離、方位角;

2)利用(9)式計算雜波單元映射多普勒通道號

3)利用(11)式計算雜波映射距離單元號;

4)利用(16)式計算雜波功率;

雷達距離－多普勒單元內的雜波實際由從導引頭飛行高度到最大視線距離，以及方位上360°范圍內背景反射功率決定。

5)雷達導引頭距離 －多普勒單元內的雜波為:

3 計算實例

波長:8.6mm

天線波束寬度:4.5°

導彈飛行高度:1000m

多普勒單元數:128

距離單元數:2000

平臺速度:300m/s

海面后向散射系數:－20dB(5級海情，－30°下視角)

圖4 海雜波仿真結果

計算結果顯示，考慮距離折疊影響，副瓣雜波約將會提高2dB，對作用距離的影響約為2dB，對雷達導引頭作用距離影響約為12%，而主瓣雜波則主要取決于天線波束指向是否超出折疊距離。

對于低重頻雷達導引頭，運動目標的檢測都是在副瓣雜波區完成，對副瓣雜波電平的估計直接影響著導引頭對運動目標的探測距離。

4 結 論

本文給出一種基于網格剖分算法的海雜波計算方法，通過對海面進行極坐標網格剖分，利用海面后向散射系數，計算出雷達導引頭的主瓣、副瓣雜波。數值仿真計算結果顯示，在高彈道飛行反艦彈雷達導引頭設計中，如果不考慮距離折疊影響，對導引頭作用距離影響最大可達12%。

［1］Fred E.Nathanson，et al，Radar Design Principles，McGraw－Hill，Inc，1991:275－278.

［2］張鵬等.基于混沌學的海雜波分析［J］.火控雷達技術，2002，(3):42－46.

［3］陳鬧.韋布爾分布海雜波的建模與FPGA實現［J］.火控雷達技術，2013，(6):4－7.

［4］熊昭華等.機載雷達空時二維海雜波分析［J］.桂林電子科技大學學報，2015，(10):350－355.

［5］徐湛等.時空相關K分布海雜波的建模與仿真［J］.系統仿真學報，2011，(5):868－871.

［6］盧寧等.海雜波背景下的GRNN小目標檢測，火控雷達技術，2012，(6):4－7.

［7］Tan Hui，Fang Chonghua;Simulation of impact of sea clutter to radar detecting performance，2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation，and EMC Technologies(MAPE)，28－30 Oct.2015:340－343.

Analysis on Sidelobe Clutter Characteristics of Low Pulse Repetition Frequency Radar Seeker

Huang Xinsong1，Zhang Jianghua2
(1.Miltary Representative Office of Navy Stationed in Nanchang zone，Nanchang; 2.Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100)

Since conventional anti－ship missile radar seeker utilizes sea－skimming flight trajectory，the back scattering coefficient of sea surface is very small，and effect of range ambiguity factor is also very small at this time;it is required to take effect of range ambiguity factor on detectability radar seeker in high trajectory flight condition into consideration.The method of mapping clutter energy to range－Doppler bin by cutting clutter on sea surface in range－angle is presented.The simulation result shows that the effect of sea clutter will increase by 2dB while taking range ambiguity factor into consideration(relative to without taking range ambiguity status into consideration)，the evaluated effect on operational range may be up to 12%.

radar seeker;range ambiguity;sea clutter

TN952

A

1008-8652(2016)04-027-04

2016-09-10

黃新松(1962－)，男，碩士研究生。主要研究方向為電子對抗。