雜波背景下機載雷達信號參數的射頻隱身優化

鐘永磊

(南京國睿防務系統有限公司,江蘇 南京 210039)

0 引言

機載雷達在探測地面目標或海上目標時,主要依托多普勒特點對不同目標測算方式,獲取探測目標位置。為了保證海面或地面目標探測的效率,可基于稀疏傅里葉變換檢測算法提高目標探測效率,但需預先設定信號稀疏性。在目前的雜波研究中,有學者借助目標和背景間的多普勒特征差異性,將采集到的數據進行時頻分解重構處理,基于迭代獲取近似值,提取目標數據,從而得到雜波抵抗方法。對于移動速度緩慢或靜止的目標,除了采用成像方法提取目標外,還可以使用CFAR算法進行分析。近些年,研究人員不僅對檢測器和CFAR進行設計,還從波形、空間與極化分集等角度提升機載雷達勘測能力。但現有研究均沒有將機載雷達運行階段的射頻隱身性能作為設計指標。本研究將機載雷達射頻隱身需求引入機載雷達探測地面或海上目標中,分析雜波散射系數對機載雷達射頻隱身性能的影響。

1 機載雷達信號影響因素

機載雷達探測距離是衡量其性能的主要數據,影響雷達探測距離的因素包括機載雷達發射出來的能量及能量傳播在環境中的損耗,這是因為機載雷達主要借助目標散射的回波能量實現對目標的探測。

1.1 大氣損耗對探測性能的影響

大氣內部小分子對電磁波的吸收或折射對機載雷達傳播信號有一定影響。地球大氣從地面開始到15 km范圍內均屬于對流層,機載雷達飛行高度在1～10 km,所以大氣對電磁波的衰減和對流層相關。研究表明,大氣氣體損耗和電磁波波長及機載雷達傳輸距離相關。若機載雷達在天氣晴朗的條件下探測目標,此時大氣對電磁波的損耗來源于氣體分子,在UEF波段和X波段之內,電磁波衰減比0.012 5 dB/km小。若機載雷達在冰雪天氣時探測目標,電磁波受雪和冰的影響較小,電磁波衰減微乎其微[1]。若機載雷達在雨霧天氣中工作,大氣中空氣濕度較大,且水分主要以液態的形式呈現,此時電磁波衰減最為顯著。機載雷達發送的電磁波在雨水中衰減速度和含水量相關,雨的大小不同,電磁波衰減速度不同。當頻段為VHF時,小雨狀態電磁波損耗率為2.81e～7 dB/km、中雨狀態電磁波損耗率為3.39e～7 dB/km、大雨狀態電磁波損耗率為4.69e～7 dB/km、暴雨狀態電磁波損耗率為5.21e～7 dB/km。當頻段為UHF時,小雨狀態電磁波損耗率為7.74e～6 dB/km,中雨狀態電磁波損耗率為1.34e～5 dB/km,大雨狀態電磁波損耗率為3.44e～5 dB/km,暴雨狀態電磁波損耗率為4.68e～5 dB/km。當頻段為L時,小雨狀態電磁波損耗率為5.53e～5 dB/km,中雨狀態電磁波損耗率為1.18e～4 dB/km,大雨狀態電磁波損耗率為4.3e～4 dB/km,暴雨狀態電磁波損耗率為6.56e～4 dB/km。

1.2 機載雷達雜波成分

機載雷達雜波就是干擾機載雷達正常運作的非期望信號回波,包括非目標物體反射的回波,如樹木、地表、海面、波浪等反射的回波。針對參數固定的雷達,機載雷達海雜波強度和地海面粗糙度和介電特性相關。機載雷達探測地面或海上目標時,機載雷達波束向下輻射所照射的區域為橢圓形。如果雷達天線和地海面夾角呈現為掠射角,低掠射角探測海面目標時,受橢圓長軸跨過的距離影響,雜波輻射區域被機載雷達分割為多個單元[2]。當海雜波十分嚴重時,目標物體的回波很可能被雜波淹沒,機載雷達無法接收到需求信號,從而無法辨別目標真實位置[3]。

1.3 雜波對目標探測的影響

傳統機載雷達探測目標時,通常采用固定門限的檢測模式,也就是假設干擾電平作為已知且恒定的常數,依照干擾電平設定虛警概率檢測門限,從而獲得探測目標的具體位置。但在實際探測中,干擾電平并非固定的常數,這導致實際的虛警概率存在較大的波動[4]。當雜波平均功率增量在10 dB以內時,虛警概率和雷達期望虛警概率的比值變化幅度較大,此時為固定檢測門限。假定雜波平均功率出現變化,虛警概率會在大范圍內改變,從而降低探測的準確性。在這種條件下,即便雜波的信噪聲較大,也沒有辦法檢測到正確的目標信號。

2 雜波背景下機載雷達信號參數的射頻隱身優化

2.1 地面移動目標脈沖對消

如果目標處于移動狀態,可借助多普勒信息對移動目標進行檢測,達到改善信雜比的目的。從脈沖對消的地面移動目標檢測入手,借助脈沖多普勒技術提取目標移動數據[5]。脈沖對消濾波器使用延遲對消的方式,如圖1所示。如果參與對消的脈沖個數為n,延遲對消需要n-1次脈沖對消濾波器。

圖1 脈沖濾波器結構

通過改善因子分析多普勒濾波對信雜波的影響效果。脈沖對消無法對噪聲做出回應,因此如果脈沖對消改善因子較大,則檢測設備性能與噪聲限制情況相近;如果雜波功率寬度十分窄小,可將改善因子用脈沖周期的形式表示,避免機載雷達受雜波影響。經過脈沖對消處理后,目標回波幅度數值呈現出增大趨勢,同時脈沖對消改善因子存在最佳數值。圖2中對一階段、二階段、三階段脈沖對消濾波器的歸一化幅頻響應,圖2中f表示多普勒頻率[6]。從圖2中可以了解到,脈沖對消濾波器對多普勒頻移近似情況為零時,可取得最為良好的雜波控制效果。在雜波消除設備特殊的持續增加下,脈沖對消濾波會變得很窄。雜波功率譜保持恒定時,窄小的通道可以提高雜波改善因子,但會將部分目標信號過濾掉,影響探測精度[7]。

圖2 幅頻響應

2.2 基于射頻隱身的地面移動目標探測

當機載雷達受地面雜波影響時,機載雷達目標回波信號經過脈沖對消處理后,產生的信號與雜波比例會比雷達最小可檢測到的信號與雜波比例要小。為了得到最大的信雜比,依照機載雷達探測距離,可以對信雜比的約束項進行更改。射頻隱身隱含的限制條件是脈沖重復周期。機載雷達照射目標的角度確定以后,其與待測目標的距離與波束覆蓋區域呈正比關系,與信號和雜波比例呈反比關系。根據以往經驗,可用移動參數代表駐留時間約束項的非優化參數,從而得到機載雷達射頻隱身工作過程中的優化目標[8]。

2.3 基于射頻隱身的海面目標檢測

海雜波的平均多普勒射頻移動很少為零,機載雷達探測目標和雜波在多普勒頻譜上容易呈現出重疊趨勢,所以適用于地面雜波的脈沖對消濾波并不適用于海面目標。原因是運用地雜波脈沖對消濾波時會出現多個虛警。對于海面目標勘測,可使用CFAR進行分析推導的方法得出海雜波條件下機載雷達信號參數的射頻隱身優化模型[9-10]。針對地雜波復雜的射頻隱身模型,兩種場景下使用的雷達均為脈沖形式,區別是機載雷達對雜波的處理方式不同,除了SCR約束外,其余約束基本相同。

3 仿真分析

在對地雜波與海雜波條件下的脈沖雷達參數的射頻隱身優化效果進行分析,采用遺傳算法對優化模型進行求解時,可將目標函數作為適應數值,優化數據時采用二進制編碼的方式,將變異概率設置為0.001,最開始的種群數量為200個,共進行5 000次迭代,從而分析射頻隱身性能。

3.1 地雜波條件下機載樂達信號參數射頻隱身優化分析

如果地雜波散射系數為-25 dB時,目標RCS為5 m2,最小探測距離為41 km,極限駐留市場為1 s,樣本選擇最為合適的適應度是0.36,也就是目標函數數值為0.36。當目標函數數值比1小的時,可以代表機載雷達滿足射頻隱身的基本條件,最佳個體為9.92 dBw,最佳個數為996。按照這些參數設計機載雷達不同距離的目標探測概率以及相同距離的無源截獲概率。如果探測距離在20 km以內,機載雷達對無源探測概率明顯比無源對機載雷達的截獲概率要高。在60 km的位置,機載雷達發現概率為0.97,無源截獲概率僅為0.006,意味著機載雷達具有十分優異的射頻隱身功能。

假設散射系數為-25 dB,在對不同RCS大小的目標進行探測時,如果雷達最小探測距離發生改變,求解得到的最優個體和與之對應的截獲因子變化趨勢,如圖3所示。如果RCS為0.3 m2,探測距離大于130 km,截獲因子表現為無窮大。從圖3中可以看出,目標RCS比0.3 m2小時,沒有具備射頻隱身功能的機載雷達參數,同時截獲因子伴隨著距離的增大逐漸變化,伴隨著RCS的減小不斷變小,可推斷出目標RCS比0.3 m2大時,探測距離在一定區間內機載雷達存在射頻隱身功能。

圖3 地雜波下目標RCS和截獲因子的關系

3.2 海雜波條件下機載雷達信號參數射頻隱身優化分析

如果海雜波散射系數為-30 dB,目標RCS為1 000 m2,最小探測距離是41 km,極限駐留時長為1 s,可以從樣本中找到最優的個體適應度,也就是0.087 4,目標函數最優數值為0.087 4。當距離在10 km以內時,機載雷達與無源相互之間均能發現對象的存在。機載雷達勘測距離在10 km以上時,機載雷達無源探測概率高于無源對機載雷達的截獲概率,同時機載雷達在距離為40～100 km時發現目標的概率為1。此時,無源對機載雷達的截獲概率為零,可認為機載雷達存在優異的射頻隱身功能。

假設目標RCS大小為1 000 m2,對不同海雜波散射系數下的射頻隱身性能進行分析。如果雷達最小探測距離不斷變化,通過模型求解可獲得最優質的適應度。雜波散射系數越小時,機載雷達射頻隱身性能更佳。如果雜波散射系數為-35～-30 dB,最優質的的個體對應的截獲因子處于恒定趨勢。除此之外,如果雷達最小探究距離在4～180 km,雜波散射系數在-22 dB條件下時,可滿足射頻隱身需求的雷達信號數量。

4 結語

本研究對雜波條件下機載雷達信號參數射頻隱身性能進行分析,探討了適用于地雜波和海雜波的雷達信號,并對機載雷達射頻隱身進行仿真分析。目前,雜波條件下機載雷達信號參數優化受多種因素影響,如雜波中草叢的多普勒寬度、海情變化等,這些影響因素均需要進行深入的探討。