海雜波對機載雷達探測距離的影響

鐘永磊

(南京國睿防務系統有限公司,江蘇 南京 210039)

0 引言

機載雷達在檢測海上目標的過程中,海面情況會影響機載雷達對海面目標的探測距離,所以需關注海雜波干擾問題。 而且不同海情下的海雜波強度存在差異,海雜波對小型海上目標勘測距離影響較大。 高海情狀態下的海雜波弱于目標信號,所以機載雷達可勘測到海面信號。 針對小型海上目標的勘測,海雜波強于目標信號,其對勘測距離影響較大。 近年來,我國學者及技術工作者從不同層面對海雜波與機載雷達探測距離的關系進行研究,并取得了一定進展。 在小型海上目標探測時,海雜波對海情的依賴程度較高,可利用分數布朗運動模型分析分型差量與干擾元素的關系。 此外,有研究指出,基于海雜波特性,可通過建立臨近實際的地海雜波模型對機載雷達性能進行研究。 本研究主要對不同海情下的機載雷達飛行數據進行分析,探討飛行階段的海雜波數據,推演機載雷達在指定海情下的探測距離,為海上目標探測提供數據參考。

1 海雜波對探測距離的影響

機載雷達是在海雜波背景下勘測海面上靜止或運動的目標,其在探測海上目標時會受到海雜波影響,而海雜波與噪聲共同影響機載雷達工作性能[1]。

雜波的存在會影響雷達使用性能,導致目標勘測出現不同程度誤差。 為了保證勘測數據的準確性,需了解機載雷達在不同條件下對海雜波的影響程度。 海雜波與噪聲共同影響機載雷達工作性能[1]。

式(1)中:D 與S 和N 商值最小值相等,代表檢測力因子。 海雜波環境下,N 采用干擾源、雜波與噪聲功率之和代替,干擾源用J 表示,噪聲功率用C 表示,S 和N 的比值可使用信號雜波功率比代替,也就是用信號雜比代替,表示為S/I。 根據上述轉換關系,可將檢測力因子轉化為:

在機載雷達運行過程中,如果發現待勘測目標,海雜波與信號雜波比可表示為:

機載雷達探測海面上的載波區域目標時,海雜波對距離相近的區域和海面目標距離一致,也就是R 與Rc相同時,可以計算出雷達海雜波平均反射面積[2]。當探測距離與海面探測目標距離較遠時,機載雷達視向入射余角角度較小,此時機載雷達天線方向圖傳播因子表示為:

式(4)和式(5)中:h1與h2表示機載雷達與探測目標高度,將機載雷達方向圖傳播因子帶入雷達距離可得出方程:

式(6)中:θa代表天線方位波束寬度,θc表示天線俯仰波束寬度。Fc表示海雜波方向的方向傳播因子,λ表示機載雷達工作波長,φ表示入射余角,σ0表示海雜波后向散射系數。代表海面目標平均RCS,L 代表機載雷達運行過程中的系統損耗。 綜合式中各項數據,機載雷達對海面目標探測距離和海雜波方向圖傳播因子、雜波散射系數相關[3]。 如果機載雷達對海情勘測距離一定,可得出對應的海雜波系數,實際探測的距離和與真實海情之間存在一定差距,對此需了解機載雷達實際勘測距離與設計數值和海雜波系數以及天線方圖之間的關系:

式(7)中Fc表示海雜波方向圖傳播因子。 如果入射余角無限接近于最大值,方向圖傳播因子等于1,這個時候海雜波方向圖傳播因子受海雜波影響可以忽略不計。 如果入射余角無限接近最小值,方向圖傳播因子受影響十分明顯。 總的來說,機載雷達對海情探測距離和設計數值之間有一定關聯。 為了判斷實際海雜波與實現指標之間的關系,需了解不同海雜波情況下,雜波散射系數的數值,如此便可以得到設計數值與機載雷達實際探測距離[4]。 在試驗操作中,獲取試驗過程中海雜波真實系數,保證試驗數值的真實性。 通常而言,海雜波系數獲得方法包括兩種:第一種是采用雜波測量雷達檢測。 在機載雷達飛行作業期間實際測量數值對應海區雜波系數[5]。 第二種是借助海雜波模型計算。 借助模型參數變量的關系求救海雜波系數。 在采用第一種方法時,海雜波系數主要通過實際測量得到,獲得的數據十分可靠,但在實際作業過程中真實測量到的數據受成本及設備影響,很難得到滿足實驗要求的海雜波系數[6]。 所以第二種方法是相對可靠且采用度較高的方法,不僅實驗成本相對較低,而且通過借助海雜波理論模型,結合探測區域氣象條件求解海雜波系數,以此得到指標條件限制要求的機載雷達探測距離[7]。

2 海雜波散射系數模型的建立

機載雷達在檢測海上目標時,既易受到海面余波、海面回波等因素的影響,又與海情也有著極為緊密的關聯,如海浪高度與海面風向對機載雷達波束方向及設備表面污染度相關、海面回波與機載雷達部分參數有關、頻率、極化以及波束入射余角均影響海面回波長度[8]。 由于影響海雜波強度的因素較多,且海情處于時刻變化的趨勢,因此無法精準把握某個海域的海雜波系數。 目前,關于海雜波散射系數的模型較多,但僅適用于一定條件下,不適用于所有場景,測量的海雜波系數誤差在幾十dB 左右。 假定測量條件及測量人員不同,則測量結果無法作為誤差評估的依據[9-10]。

GIT 模型是適用于海雜波散射系數計算的模型。該模型適用于X 波段機載雷達,且使用相對廣泛。 從實驗數據可以發現,這個模型和實踐數據基本吻合,在機載雷達執行探測任務時,可以描述海雜波特性,作為海雜波分析的理論模型。

表1 海情描述

機載雷達執行任務的過程中,對海面照射時記錄了飛行階段海面海況級別,借助海雜波GIT 模型可計算出機載雷達在不同飛行高度下的海雜波散射系數。

3 機載雷達探測距離與海雜波的關系

假設飛機在海平面2 500 m 以上高度飛行,機載雷達探測距離為遠離飛機180 km 的位置,也就是機載雷達發現海面目標的距離在180 km。 計算該區域180°范圍內不同雷達視向和風向的夾角的數值,2 級和3 級海情水平極化仿真結果為:當風向和雷達夾角為0°時,2 級海情為-34.43 dB×m2/m2,3 級海情為-31.44 dB×m2/m2;當風向和雷達夾角為30°時,2 級海情為-34.79 dB×m2/m2,3 級海情為-31.88 dB×m2/m2;當風向和雷達夾角為60° 時, 2 級海情為-36.13 dB×m2/m2,3 級海情為-33.09 dB×m2/m2;當風向和雷達夾角為90°時,2 級海情為-37.77 dB×m2/m2,3 級海情為-34.78 dB×m2/m2;當風向和雷達夾角為120°時,2 級海情為-39.48 dB×m2/m2,3 級海情為-36.46 dB×m2/m2;當風向和雷達夾角為150°時,2 級海 情 為- 40.03 dB × m2/m2, 3 級 海 情 為-37.44 dB×m2/m2;當風向和雷達夾角為180°時,2 級海情為-41.43 dB×m2/m2,3 級海情為-38.45 dB×m2/m2。

假設飛機在海平面1 000 m 以上飛行,機載雷達照射區域距離飛機為90 km,也就是雷達發現海面目標的距離在90 km 左右。 對180°范圍內的風險和視向夾角進行分析,3 級和4 級海情模擬數值為:當風向和機載雷達夾角為0°時,3 級海情垂直極化計算數值為-34.05 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計算數值為-32.19 dB×m2/m2;當風向和機載雷達夾角為30°時,3 級海情垂直極化計算數值為-32.69 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計算數值為-30.09 dB×m2/m2;

當風向和機載雷達夾角為60°時,3 級海情垂直極化計算數值為-29.05 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計算數值為-27.13 dB×m2/m2;當風向和機載雷達夾角為 90° 時, 3 級海情垂直極化計算數值為-23.91 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計算數值為-22.09 dB×m2/m2;當風向和機載雷達夾角為120°時,3 級海情垂直極化計算數值為-18.88 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計算數值為-17.06 dB×m2/m2;當風向和機載雷達夾角為150°時,3 級海情垂直極化計算數值為-15.19 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計算數值為-13.33 dB×m2/m2;當風向和機載雷達夾角為180°時,3 級海情垂直極化計算數值為-13.82 dB×m2/m2,4 級海情垂直極化計算數值為-11.98 dB×m2/m2。

結合試驗階段記錄的海面氣象情況,通過計算可得到飛行過程中海面雜波系數,從而計算海面目標實際距離與機載雷達的關系。 上述方案采用某型號機載雷達設備對海面試驗數據進行驗證,該方法符合預期效果。

4 結語

機載雷達對海面目標探測距離是機載雷達性能評估的主要指標。 海面目標探測距離和海浪高度等數據相關,意味著機載雷達探測海面目標存在多種不穩定因素,所以機載雷達對海面目標的探測不存在絕對距離。 本研究借助飛行過程中記錄的試驗海域浪高、風向等數據,可得到不同雜波情況下雜波散射系數。 依照雜波散射系數與探測距離的關系可求出雜波與雷達探測距離的關系,有效解決了機載雷達對不同雜波條件下探測距離的問題,對機載雷達海上試驗具有一定價值。