AN/SPS-74雷達性能分析

皇甫一江

(海軍裝備部信息系統局，北京 100841)

0 引 言

20世紀美軍啟動了自動雷達潛望鏡探測和識別計劃(ARPDD)，用于論證機載條件下自動潛望鏡探測能力，隨后發展到艦載條件[1]。

近年來美國海軍逐漸由深海向近海轉移，利用主被動聲納實現反潛的方式在近海區域受到限制，針對美軍“尼米茲”系列航母反潛作戰需要，2006年8月美軍啟動了艦載潛望鏡探測雷達系統研究計劃。該計劃的目的是在低虛警概率條件下探測暴露時間極短的潛望鏡目標。

本文針對美軍這一專用雷達的發展歷史、功能特點以及性能進行了初步分析。

1 AN/SPS-74研制歷程

AN/SPS-74雷達來源于AN/APS-116、AN/APS-137機載反潛搜索雷達，1996年開始，海軍研究部(ONR)先進雷達潛望鏡檢測和識別計劃(ARPDD)工作人員就開始周期性地部署和密集測試處于發展階段的試驗系統。美軍艦載反潛雷達發展路線如圖1所示。

圖1 美軍艦載反潛雷達發展路線圖

從2008年4月起，AN/SPS-74測試小組對試驗雷達系統進行了測試，測試環境是存在潛艇和類似潛艇目標的環境[2]。

2009年1月開始在橫須賀基地“華盛頓”航母上為該雷達進行了4個月的改裝，新安裝的AN/SPS-74雷達可為“華盛頓”號航母提供探測潛艇潛望鏡的能力。美軍計劃為10艘“尼米茲”級航空母艦全部加裝該雷達系統。

截止到2016年，美軍已完成該雷達在“華盛頓”號“斯坦尼斯”號等航母上的加裝，如圖2所示。

圖2 “華盛頓”號航母加裝該雷達后

2 功能特點

該雷達系統由2個空氣冷卻的機柜(1個用于收發機柜，1個用于雷達數據處理)、1個位于甲板的天線單元等組成。其組成如圖3所示。

圖3 AN/SPS-74雷達

位于甲板上的天線單元由一個穩定基座上的旋轉天線罩、機械穩定反射面天線組成。AN/SPS-74雷達天線罩與處理機柜實物如圖4所示。

圖4 雷達天線罩與機柜

潛艇的潛望鏡具有機構尺寸小、雷達有效反射面積較小(典型值為1 m2)、架高較低、相對于海面是靜止或者做零速運動且露出水面的時間較短的特性[3]。從潛望鏡特性可知，該雷達需要重點解決強海雜波背景下潛望鏡類“低小慢”目標檢測問題。

經初步資料搜集，該雷達具備以下特點和工作參數：

(1) 專門用于潛望鏡目標探測，海雜波抑制能力較強，小目標探測距離遠(最大44.448 km)；

(2) X波段雷達，機械穩定平臺；

(3) 天線轉速較高，方位波寬約2.4°；

(4) 瞬時信號帶寬大于400 MHz；

(5) 采用掃描間積累技術抑制海雜波。

3 初步性能分析

3.1 X波段海雜波特性

較低的信雜比是制約雷達對該類目標探測的最主要因素。提高信雜比的主要手段是對海雜波進行有效抑制，主要途徑有2個：一是降低海雜波強度，二是降低海雜波的相關性[4]。

海雜波雷達截面(RCS)計算公式為：

σ=σ0RθAcτsecψ/2

(1)

式中：σ0為海面后向散射系數；R為觀測距離；θA為方位波束寬度；τ為脈沖寬度，脈壓方式下，cτ/2為脈壓后寬度，即為雷達的距離分辨力；ψ為掠射角。

由此可見，海雜波RCS和雷達距離分辨力存在著直接的關系，在距離高分辨力的情況下，由于海雜波照射面積的減小使得海雜波RCS值隨之降低，實現了單個距離分辨單元內海雜波強度的減小。

從圖5實測的IPIX雷達的海雜波時間相關性分析可知，X波段海雜波的相關時間遠大于雷達的重復周期，因此脈沖間積累對信雜比的改善受到海雜波相關性的嚴重限制。幀間時間遠大于脈沖間時間，海雜波已基本不相關，因此采用幀間積累能夠雜波去相關，提高信雜比[5]。

圖5 X波段IPIX雷達海雜波相關性

3.2 低小慢目標檢測技術

由于慢速弱小目標回波能量低，速度與海雜波重合，在海雜波背景中難以使用常規的多普勒處理方法對目標回波進行積累以提高信雜比，將目標與海雜波進行有效區分。

因此，該雷達系統設計的難點是如何在有限的時間和較強的海雜波背景下檢測“低小慢”目標，該雷達的技術途徑初步分析如下：

(1) 采用300 rpm的高轉速一則為滿足高數據率要求，針對短時暴露的目標高轉速能夠獲取較多的脈沖個數；另一方面，采用高轉速實現幀間積累技術可以抑制海雜波。

(2) 雷達的理論距離分辨率與潛望鏡外形直徑相當。

(3) 采用先進的目標識別算法，實現潛望鏡識別功能，區別潛望鏡與海面碎片、小艇、漂雷等。

由于潛望鏡目標較小，雷達回波信號微弱，海上的小船、漂浮物都可能產生同樣的回波信號，本雷達主要利用海雜波與潛望鏡之間空間與時間上的特性不同來區分的[6-7]，該雷達的總體框圖如圖6所示。

圖6 原理框圖

接收機接收到回波信號后，該回波信號分為3路，一路經過模/數(A/D)變換為數字信號后，進入存儲設備，與預先存儲的目標(潛望鏡)圖像特征進行匹配處理，對威脅目標進行直接識別；另外2路信號分別進入2個探測通道。

其中一個探測通道負責慢速目標自動探測，包含恒虛警處理器、幀間積累，專門用于探測慢速運動潛望鏡桅桿，恒虛警率(CFAR)降低了系統對外部雜波和大目標的靈敏度，保證不變的虛警概率，第2級為M-N檢測器。如圖7所示。

圖7 慢速目標檢測信號處理流程

另一個通道為快速目標探測器，包含一個具備快時間常數的一級閾值對數檢測器，用于慢速通道無法檢測的快速目標探測和跟蹤。

幀間積累處理時，首先在脈沖間進行成組非相參積累，然后通過雜波圖迭代完成幀間積累，增強時間相關性強的目標回波，抑制時間相關性弱的海雜波，大大提升了回波信雜比，有利于海面小目標檢測。

假定搜索空域劃分為N個距離單元、M個方位單元，則成組非相參積累的數學表達式為：

(2)

式中：Dn,m為距離-方位單元(n,m)內的脈沖積累數據，該距離-方位單元占有I個距離分辨單元和J個脈沖；xn+i,m+j為該距離-方位單元內第j個脈沖、第i個距離分辨單元上的原始回波幅值[8]。

將距離-方位單元作為雜波圖單元，對每個雜波圖單元內的脈沖積累數據Dn,m進行雜波圖迭代處理，原理框圖如圖8所示。

圖8 雜波圖迭代技術原理框圖

可以看到，雜波圖迭代采用一階遞歸濾波器來實現，Dn,m為成組非相參積累處理后的脈沖積累數據，En,m為雜波圖迭代處理后的幀間積累數據，其中加權系數ω的取值范圍為0<ω<1。雜波圖迭代的數學表達式如下：

En,m(l)=(1-ω)En,m(l-1)+ωDn,m(l)

(3)

將公式展開，得：

(4)

式中：En,m(l)為雜波圖單元(n,m)內第l次掃描得到的迭代處理結果；ω為加權系數；Dn,m(l)為該雜波圖單元內第l次掃描的脈沖積累數據，是時變的。

3.3 數據仿真與試驗驗證

3.3.1 仿真驗證

項目組錄取了真實的海雜波數據，用于理論分析計算，試驗時海情2～4級，驗證該雷達所采用技術的可行性。

原始雜波圖像參數：目標距離為3.7 km，錄取時間60 s，信雜比約2.5 dB，如圖9所示。

圖9 原始雜波圖像

按照非相參積累處理后，由于雜波和目標同時積累，目標不能有效檢測出來。采用該技術的檢測結果如圖10所示。

圖10 采用非相參積累處理

天線轉速按150 rpm計算，每個周期為0.4 s，經間隔6 s、15點幀間積累后的數據結果如圖11所示。可以看出，在其他距離單元上，依然存在較多的尖峰，且能量較大。若只使用門限檢測，較高的門限會導致無法檢測目標，較低的門限會導致虛警抬高。

圖11 幀間積累后數據

M-N檢測器利用海尖峰在時間上不持續，但目標存在持續性的特點。海尖峰在M次檢測中只有少數幾次超過門限，而目標超過門限的次數較多。利用這種特性判斷目標，降低虛警，保證小RCS目標的檢測。

在幀間積累后增加一級M-N檢測器，即進行M次檢測，如果有N次超過門限，則認為目標存在。

對圖11的數據設置門限后，卡掉噪聲和一部分雜波，同時取出尖峰和目標，然后進行連續7次檢測，如果有4次超過門限，則認為存在目標。處理結果如圖12所示。

圖12 最終檢測結果

3.3.2 試驗驗證

利用上述X波段試驗平臺對慢速移動/靜止的小目標進行了實際的外場試驗驗證。

試驗條件如下：風力5～6級，海情可按4級估算，設備架高約15 m，一個 RCS為0.1 m2的標準反射體作為試驗目標，其實際有效架高約0.5 m，懸浮置于海表面，用一艘小橡皮艇慢速拖曳。

采用常規非相參技術處理后，海雜波較多，小目標淹沒在海雜波中無法識別，如圖13(a)所示，標準反射體小目標在方框內，方框表示錄取波門，僅波門內的點跡數據被檢測錄取。采用該雷達技術處理后，海雜波被完全抑制掉，幀間積累次數為15，如圖13(b)所示，方框中的強散射點即為小型標準反射體目標，圓框內的散射點為橡皮艇目標。

圖13 試驗結果

理論仿真和試驗均驗證了該雷達所采用的技術措施能夠有效抑制海雜波和海尖峰，提取雜波背景下潛望鏡類小目標以及其他靜止、慢速目標。

4 結束語

本文針對美軍航母最近幾年加裝的艦載反潛雷達——AN/SPS-74雷達的研制過程、功能特點進行了分析，并對潛望鏡類低小慢目標的檢測技術進行了分析，使用實測雷達數據進行了理論仿真，并進行了外場驗證，證實該技術的可行性和有效性，使用該技術能夠很好地完成強雜波背景下潛望鏡類海面“低小慢”目標的低虛警檢測。不足之處是受限于試驗平臺和試驗條件，不能完全模擬潛望鏡目標和該雷達參數。