針對海上目標的不同體制雷達性能對比

丁建良

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針對海上目標的不同體制雷達性能對比

丁建良

（金交恒通有限公司，北京 100011）

針對海上多目標的檢測與跟蹤問題，給出不同體制雷達的性能對比。介紹不同海上目標的雷達檢測性能，分析脈沖雷達、脈沖壓縮雷達、調頻連續波雷達的工作原理，并給出雷達在對海上目標進行檢測時的參數計算，最后對各體制雷達的性能參數作對比。計算機仿真實驗驗證了各體制雷達的檢測性能。

海上目標；雷達參數；脈沖壓縮雷達；調頻連續波雷達

1 概述

隨著我國水運事業的蓬勃發展，沿海港口的貿易量急劇增長。在港口通航環境日益復雜的情況下，船舶交通管理系統等海上監視系統的建立成為一種必然。在這些系統中，雷達是不可缺少的一部分，它承擔了監視海上目標、提供目標基本信息、實現多目標檢測與跟蹤等多項功能。如何在系統中選擇合適的雷達，從而為系統提供及時有效且全面的信息支撐是一個實際且重要的問題。

針對上述問題，檢測海上目標的雷達被學者們廣泛研究，并給出了大量文獻。其中，孫昭峰等針對復雜背景的海上目標特性進行研究，說明了姿態角對高分辨距離像的影響，證明了目標的近姿態角一維距離像符合檢測目標的尺度性和強相關性[1]；饒輝等人的研究基于低分辨雷達目標分類的識別技術，提高了低分辨雷達的目標檢測性能[2]；王君等以最大化雷達組網靜態覆蓋能力與動態探測能力為優化目標，提出一種基于多目標差分進化算法的解決方案，并進行仿真實驗[3]；朱松、王燕等人這對海上雷達的電子支援措施做了廣泛研究[4]；楊守仁等人對船舶交通管理系統中的雷達導航設備的準確性進行了討論[5]；張韜等人對船舶交通管理系統中的雷達信號檢測與錄取作了介紹[6]。在其他領域，海上雷達也具有十分重要的作用[7-9]。

本文針對海上目標的特性，首先介紹不同海上目標的雷達檢測性能，然后分析脈沖雷達、脈沖壓縮雷達、調頻連續波雷達的工作原理，并給出雷達在對海上目標進行檢測時的參數計算，最后對各體制雷達的性能參數作對比。分析不同雷達對海上目標檢測的能力，能夠為各系統的雷達選取提供參考。

2 海上目標雷達檢測性能

海上目標種類繁多，如何選用合適的雷達實現對多目標的檢測與跟蹤，是船舶交通控制系統及其他海上檢測系統需要解決的問題。典型的海上物體往往被認為是點目標，在雷達的檢測區域內，需要考慮目標的雷達反射截面積和高度屬性，同時目標的抖動特性也對雷達目標檢測有直接的影響。表1列舉了一些典型目標的雷達檢測特性以作參考。

表1 一些典型目標的雷達檢測特性

編號典型代表雷達反射截面積高度/m目標抖動特性 S波段/m2X波段/m2 1小快艇、漂浮物等<<111快速抖動 2帆船、快艇等<132 3特制浮標等導航標志4103 4漁船、商船等401005穩定 5小型沿海貿易船等4001 0008 6大型沿海貿易船等4 00010 00012不抖動 7集裝箱船等40 000100 00018

3 海上雷達參數計算

針對海上目標的雷達需要考慮具體實際情況，計算相關參數，以確定雷達的實際工作性能，實現目標檢測與跟蹤的有效性與準確性。如何選取合適的參數，直接影響雷達的工作狀態，因此具有十分重要的實際應用意義。海上雷達的主要參數有雷達作用距離、天線選址、距離分辨率與方位分辨率、天線發射波束極化方式以及雷達最小探測距離等，其中的雷達作用距離、雷達距離分辨率與方位分辨率是雷達目標檢測的重要指標。

雷達作用距離是檢測雷達性能的重要指標，而針對海上目標的雷達在計算實際作用距離時，需要考慮天線架設位置高度和地球曲率的因素。天線架設位置越高，接收到的海雜波影響就越大，而雷達作用距離越遠，地球曲率對作用距離的影響就越大。同時，目標較小、天氣情況較差也會直接影響雷達的作用距離。

雷達的距離分辨率與方位分辨率直接影響雷達檢測目標的精度，而雷達的距離分辨率與方位分辨率一般由雷達的性能所決定，但部分雷達也可以通過信號處理等方法提高分辨率，從而提升雷達的目標檢測能力。

4 不同體制的雷達介紹

4.1 脈沖雷達

脈沖雷達的發射波形為短脈沖形式，同時需要較長的脈沖重復周期保證較大的測距范圍，在接收機接收目標反射回波后，計算出對應的時間延遲，就可以測量出目標的距離[10]。脈沖雷達所發射脈沖的脈沖寬度通常為定值，因此性能較為穩定；脈沖寬度一般極短，以保證雷達的距離分辨率。增加脈沖寬度，雖然能夠提高雷達的作用距離，但會降低雷達的距離分辨率，后向散射的增加導致雷達穿透降水的能力下降。考慮到相鄰雷達同時工作的情況，需要給脈沖雷達組網分配不同的發射頻率帶寬，同時需要考慮帶外信號的抑制問題。

4.2 脈沖壓縮雷達

脈沖壓縮雷達將寬度較短的調頻連續波作為短脈沖發射出去，同時應用匹配濾波原理，能夠在相同作用距離的情況下大幅度增加雷達的距離分辨率，解決了雷達距離分辨率受限于脈沖寬度的問題[11]。

脈沖壓縮雷達的概念被提出后，經過多年的發展，其技術已經十分成熟，被廣泛應用于各個領域中。由于距離分辨率的提高，雷達對發射功率的需求大大降低，因此在一些應用環境中，不再需要使用磁控管發射機，而是使用固態發射機，因此發射機的性能更加穩定，不再需要進行周期性的維護，而使用高頻的固態發射機會產生較大電流，需要更為嚴謹的結構設計來獲得足夠的穩定性。同時，脈沖壓縮雷達的脈沖寬度可以調很大，且發射波形可以被調制，一定程度上能避免惡劣天氣所帶來的縮小雷達作用距離的負面影響。

4.3 調頻連續波雷達

調頻連續波雷達不同于脈沖雷達與脈沖壓縮雷達，其不再通過發射短脈沖波形來檢測目標，而是通過發射連續波形來檢測目標[12]。由于在重復周期內持續發射連續波形，調頻連續波雷達可以在重復周期內獲得良好的距離分辨率。調頻連續波雷達同樣是一種很成熟的技術，具有很高的系統穩定性，同樣可以采用固態發射機發射信號，而不需要對發射機進行周期性維護。

相比于脈沖壓縮雷達，調頻連續波雷達的距離分辨率更高，但其在接收信號時引入的干擾也更為復雜，且對接收信號進行壓縮后所產生的副瓣更大，對大目標附近的小目標淹沒更為嚴重，因此降低了雷達的目標檢測概率，且調頻連續波雷達需要更復雜的天線設計以支撐發射連續波信號。

5 計算機仿真

設檢測目標為遠場窄帶點目標，雷達接收信號信噪比為35 dB，且已經將回波調制到基帶。在雷達照射方向設置三對鄰近目標，每對鄰近目標間距150 m，6個目標距離分別為10.5 km、10.65 km、12 km、12.15 km、13 km、13.15 km，將對應的雷達截面積歸一化，分別為1，1，1，0.1，1，0.01.

實驗一：令脈沖雷達發射脈沖寬度為100 ns，脈沖重復周期為1 000 Hz。

圖1為脈沖雷達目標檢測性能。從圖中可以看出，6個目標都能被脈沖雷達檢測到。

圖1 脈沖雷達目標檢測性能

實驗二：多目標下線性調頻脈沖壓縮雷達目標檢測。

令脈沖雷達發射脈沖寬度為1 000 ns，脈沖重復周期為1 000 Hz。圖2為線性調頻脈沖雷達目標檢測性能。從圖中可以看出，雖然脈沖壓縮雷達的發射脈沖較寬，但線性調頻脈沖壓縮雷達的分辨率依舊很高。線性調頻脈沖壓縮雷達具有副瓣，圖中第6個雷達截面積為0.01的小目標被淹沒在附近大目標的副瓣中，對雷達的目標檢測性能造成了影響。在實際應用中，可以考慮采用頻域加權技術壓低線性調頻脈沖壓縮雷達的副瓣。

實驗三：多目標下線性調頻連續波雷達目標檢測。

線性調頻連續波雷達無需設置脈沖寬度，令線性調頻連續波雷達的脈沖重復周期為1 000 Hz，通過計算頻差直接分辨出目標距離，圖3為對應的線性調頻連續波雷達目標檢測性能。可以看出，通過頻差檢測目標所獲得的檢測性能與脈壓相似，但具有更低的副瓣，對小目標檢測有較大優勢。另外，通過采用三角波調制，線性調頻連續波雷達可同時獲得目標的距離與速度信息。

圖2 線性調頻脈沖壓縮雷達目標檢測性能

圖3 基于頻差測距的線性調頻連續波雷達目標檢測性能

6 結束語

本文針對海上目標，對不同體制的雷達性能作了對比，給出了各體制雷達的性能參數，為實現對海上目標的檢測與跟蹤時的雷達選擇提供了參考。同時，詳細介紹了脈沖雷達、脈沖壓縮雷達及調頻連續波雷達的優缺點，并給出了相應的性能參數，最后通過計算機仿真進行驗證了各體制雷達的檢測性能。

［1］孫昭峰.復雜背景的海上目標雷達信號特性研究［J］.艦船科學技術，2016（16）.

［2］王君.基于多目標差分進化算法的海上雷達部署優化的仿真分析［J］.現代計算機，2016，10（29）：48-52.

［3］杜干，張守宏.分形模型在海上雷達目標檢測中的應用［J］.電波科學學報，1998，13（4）：377-381.

［4］毛南平，徐昌慶，張忠華.船載測控雷達海上無塔校相技術［J］.電訊技術，2004，44（1）：38-43.

［5］楊守仁.船舶交通管理系統中對雷達導航設備準確性的要求［J］.世界海運，1990，13（5）：16-20.

［6］張韜.船舶交通管理系統中的雷達信號檢測與錄取［J］.現代雷達，1991，13（4）：43-47.

［7］杜克平，楊波.海上雷達安全監控數據處理系統［J］.網絡新媒體技術，2000，21（1）：54-56.

［8］王成平，高明，張友兵，等.基于ESM和雷達的海上目標識別方法［J］.艦船電子對抗，2009，32（6）：14-16.

［9］邵余紅.美國海軍的新型海岸監視雷達［J］.現代雷達，2007，29（11）：98-98.

［10］肖永江，張興嬌，文如泉.DSP在某型海上雷達目標模擬器中的應用［J］.微型機與應用，2011，30（10）：18-21.

［11］史林，彭燕，楊萬海.脈沖壓縮雷達干擾仿真分析［J］.現代雷達，2003，25（8）：37-40.

［12］宋石玉，劉詠.單脈沖雷達海上幅相一致性標定方法初探［J］.科學技術與工程，2011，11（9）：2114-2116.

2095－6835（2018）18－0061－03

TN955

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.061

丁建良（1960—），男，上海人，高級工程師，本科，研究方向為交通信息化、現代信息化技術。

〔編輯：嚴麗琴〕