機載非正側視陣雷達雜波分布特性研究

鄧杏松,任 斌

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101;2.北京航天長征飛行器研究所,北京100076)

0 引 言

空時自適應處理(STAP)技術是陣列自適應技術的推廣和延伸,可實現對機載雷達強雜波的有效抑制,顯著改善機載雷達對地面運動目標的檢測性能。1973年,Brennan和Reed首次提出了空時二維自適應處理的概念,將陣列信號處理的基本原理推廣到脈沖和陣元采樣的二維數據立方中。經過四十多年的發展,STAP技術已經成功應用于美國新一代“先進鷹眼”E-2D預警機雷達中[1-3]。

STAP技術的基礎是機載雷達雜波的建模,機載雷達通常處于下視工作,由于機載平臺的運動,主雜波中心頻率將產生多普勒頻移,偏離雜波譜的中心,不再位于零頻處,同時主瓣和旁瓣雜波的頻譜將發生展寬。這種雜波相對于機載平臺運動的特殊性,帶來雜波的空時耦合。因此,機載雷達要實現強雜波背景中的低速目標探測,首先必須對雜波分布特性進行研究[4-6]。

然而,目前文獻中關于機載雜波的研究大都是基于正側視陣的,但在實際使用時,為了完成全空域的態勢感知,機載雷達通常需要具備全方位多角度的掃描和對特定扇區目標連續跟蹤的能力,這就需要機載平臺安裝多個覆蓋不同空域的天線陣列,從而出現天線陣列軸線方向與載機飛行速度方向不在一條直線上,也即非正側視陣的情況[7]。針對這一問題,本文開展了機載非正側視陣雷達雜波分布特性研究。

1 機載非正側視陣雜波建模

假設載機沿Y軸方向水平飛行,速度為V,如圖1所示,天線陣面與載機飛行方向夾角為θp(θp=0°為正側視),機載雷達波長為λ,若地面雜波散射點相對于天線的方位角和俯仰角分別為θa和φ,則該散射點的多普勒頻率為:

式中:fdm=2 V/λ,代表最大多普勒頻率;ψ為相對于天線軸的錐角。

圖1 機載非正側視陣的幾何關系

對式(1)移項可以得到:

對于θp不為零,當φ為常數時,式(4)為橢圓方程,此時為斜側視陣的情況。

當θp取零時,機載雷達天線陣面平行于載機的飛行方向,此時為正側視陣情形,式(5)變為:

根據上面的推導可知,機載雷達的雜波分布特性和天線陣面與載機飛行方向夾角θp關系密切。當θp為0°時,機載雷達處于正側視陣列情況下,雜波二維功率譜在歸一化多普勒頻率和空域錐角余弦構成的坐標軸上呈現為一條固定斜率的直線分布;當θp的取值是0°到90°之間時,機載雷達就處于非正側視陣列環境下,雜波譜在上述坐標軸上不再只是簡單的線性函數關系,而是更加復雜的變化曲線,即呈現為一簇橢圓或者圓形分布。

2 機載非正側視陣雜波的仿真

根據上一節建立的模型,對非正側視陣雷達雜波進行仿真。當θp=0°、30°、60°和90°時,地雜波的分布如圖2所示。

從圖中可以看出,在由歸一化多普勒頻率和歸一化空域錐角余弦構成的坐標平面內,正側視陣雷達(θp=0°)的雜波呈現為高斯分布的切面分布,其投影為一條固定斜率的直線。當θp不為零時,雜波分布隨θp的增大而增大,并逐漸發生偏轉,從橢圓最終變成圓形。

由式(5)可以知道,雜波的分布除了與θp有關外,還與β和φ等變量相關。下面分別對這些變量的影響進行仿真。圖3為在不同β下,當θp=0°、30°、60°和90°時,地雜波的二維分布曲線。

由圖3可以看出,地雜波分布隨β的變化而變化。對于正側視陣,雷達雜波在β=2時,出現了多普勒模糊,即對同一空域錐角余弦,存在多個多普勒頻率。對于非正側視陣,對于同一個β,雜波分布隨著θp的變化而發生偏轉,并且偏轉的程度隨θp的增大而加劇。此外,隨著β的增大,雜波分布區域變大,達到一定程度時會出現多普勒模糊。

圖4為在不同φ下,當θp=0°、30°、60°和90°時,地雜波的二維分布曲線。

由圖4可以看出,機載雷達地雜波的分布隨φ的變化而變化,當φ由30°增大到50°時,對于同一θp,雜波分布的歸一化多普勒頻率和歸一化的空域錐角余弦覆蓋范圍變小。

在進行雜波濾波時,雜波相關矩陣的大特征值數目決定了空時二維處理的運算量和運算速度。圖5為不同β下的雜波特征值圖。

圖2 不同θp下的地雜波分布

圖3 不同β下的地雜波分布

圖4 不同φ下的地雜波分布

由圖5可以看出,機載雷達雜波特征值隨β的變化而變化,對于非正側視陣雷達,當β由0.5增大到1時,特征值的數目由54逐漸增大到85,對于正側視陣,特征值的數目和特征值的大小基本不變。當θp從30°增大到90°時,對于相同的β,其特征值的數目和特征值的大小基本不變。

圖6為不同φ下的雜波特征值圖。

由圖6可以看出,機載雷達雜波特征值隨φ的變化而變化,對于非正側視陣雷達,當φ由30°增大到50°時,特征值的數目由80逐漸減小到62,對于正側視陣,特征值的數目和特征值的基本不變。當θp從30°增大到90°時,對于相同的φ,其特征值的數目和特征值的大小基本不變。

圖7為不同主副瓣比下的雜波特征值圖。

圖5 不同β下的雜波特征值

圖6 不同φ下的雜波特征值圖

圖7 不同幅瓣電平下的雜波特征值圖

由圖7可以看出,機載雷達雜波特征值隨主副瓣比的變化而變化,對于非正側視陣雷達,當主副瓣比由-20 d B減小到-40 dB時,特征值的數目由90逐漸減小到85,對于正側視陣,特征值的數目和特征值的大小基本不變。當θp從30°增大到90°時,對于相同的主副瓣比,其特征值的數目和特征值的大小基本不變。

3 結束語

本文針對機載雷達非正側視下的雜波分布特性進行了研究。首先分析了非正側視陣雜波分布的基本原理,然后對機載非正側視陣雜波建立了模型,最后通過改變天線陣面與載機飛行方向夾角、雜波脊的斜率、俯仰角的數值,對機載雷達雜波分布和雜波特征值影響進行了仿真研究。本文的研究可以為機載非正側視雷達的空時自適應處理設計提供一定的參考。