基于环境约束的天波超视距雷达任务规划方法

张海成

(空军预警学院研究生管理大队， 武汉430019)

0 引言

天波超视距雷达工作在短波段，通过电离层的反射来传输信号，可获得超视距大范围的区域覆盖能力，是具有相当性价比优势的大面积实时监视系统［1］。由于具有多任务、多功能特点，天波超视距雷达可对飞机(包括隐身飞机)、舰船、弹道导弹主动段以及巡航导弹等目标实施远程预警和监视，也能够完成电离层探测、海态遥感、干扰监测等其他任务［2］。不同的目标探测任务对应不同的探测机理，天波超视距雷达完成不同任务时采用的工作方式、工作参数及处理算法也相应存在着较大的差异。

当出现多任务需求时，各任务对雷达系统资源的占用、参数的选取以及算法的优化可能存在冲突，因而需要设计一个专用的任务规划系统来进行统筹，以充分利用系统资源，获得最佳探测效能。

天波超视距雷达的传输媒质电离层随每日时段、季节和11年太阳活动周期变化，具有周期性、时变性和非平稳性，在雷达工作过程中通常需要将电离层看作不可缺少的一个组成部分［3］。电离层的各种效应，如电离层暴、行波扰动、多径传输、前沿聚焦、Es层遮蔽等，会对雷达探测效能产生直接影响，严重情况甚至导致任务失败。同时，由于高频段用户较多，频谱占用严重，也会使在雷达工作的频带内面临严重的干扰［4］，干扰环境也将对探测效果产生影响。

天波超视距雷达所面临的这些困难使得任务规划系统变得复杂。与常规任务规划系统相比，需要引入环境参量，包括电离层传输条件和电磁环境等，并结合其时变特性进行动态规划。

天波超视距雷达任务规划系统主要解决以下3个问题:

(1)当前环境条件下指定任务能否正常完成?

(2)当前环境条件下如何保证以最佳性能完成指定任务?

(3)环境条件随时间变化后影响如何?是否需要调整规划?

本文以上述三个问题的解答为出发点，结合环境特性，提出了基于环境约束条件的天波超视距雷达任务规划方法。

1 任务规划参量

1.1 探测任务类型与工作机理

1.1.1 空中目标

天波超视距雷达探测空中目标雷达方程［5］为

式中:S为目标回波能量;N为噪声能量;N0为噪声功率密度;Pav为平均发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;T为相干积累时间;λ为工作波长;σr为目标的雷达截面积;Fp为极化及其他失配损耗;L为路径及系统损耗;R为作用距离。

由于空中目标的速度较快，目标回波具有较大的多普勒频移，检测远离地物杂波。在噪声和干扰背景下进行，目标发现能力取决于目标回波的信噪比(SNR)。

为获得较高的信噪比，对空中目标探测需要更高的发射功率，更低的外部噪声(选择无干扰“干净”的工作频率)和更长的积累时间。但积累时间的增加受制于电离层的相位稳定性、目标运动姿态的变化以及所能接受的重访速率，典型值在几秒至十几秒之间。

1.1.2 舰船

天波超视距雷达探测舰船目标检测处理方式与探测空中飞机目标不同。由于舰船目标速度较低，在多普勒上与海杂波分量相邻近，这样决定系统对舰船目标的探测能力就不再是信噪比，而是信杂比。信杂比中的杂波分量主要指海杂波二阶分量(二阶谱)。因此，由雷达方程可以得出下列简化公式

式中:Rp为射线距离;σt目标的雷达散射截面积;S/C为检测所需信号杂波功率比;σc杂波后向散射截面积(与距离和方位分辨单元乘积成正比)。

杂波强度与分辨单元的大小有关(包括距离、方位和多普勒)。距离、方位和多普勒分辨单元越小，杂波强度越小。这也就要求对海探测采用更宽的天线孔径(提高方位分辨率)、更大的工作带宽(提高距离分辨率)和更长的积累时间(提高多普勒分辨率)。

杂波强度与空间位置(距离和方位)有关。对于海杂波，在多普勒维上呈现两个离散的一阶谱峰，二阶谱以一阶谱为中心对称分布。而海杂波的多普勒分布函数还与所照射单元中海态相关。图1给出了典型的海杂波频谱图。对于具有相同径向速度(多普勒)的舰船目标，海态越高，杂波越强，对雷达发现能力影响越大［5］。

图1 典型海杂波频谱图

对舰船目标探测而言，当杂波强度高于背景噪声后，进一步提升发射功率并不能改善信杂比。

1.1.3 弹道导弹(主动段)

弹道导弹主动段回波存在三种不同的探测机理，即弹体、尾焰产生的等离子体(羽流)和电离层扰动(电离层洞)。

弹道导弹弹体可被看作空中目标的一类，其散射截面积与尺寸、形状、飞行姿态、雷达工作波长以及极化方式有关。但是弹道导弹弹体是一个高(变)加速目标，且到达一定高度以后，第一级火箭将脱落，这样导弹弹体尺寸将急剧减小，难以探测。

当导弹飞行到一定高度后，空气稀薄，电子与中性气体分子的中和作用减弱，尾焰电离中性大气产生的电子浓度(电离度)可达到一定水平，此时在尾焰后方将产生一个局部的等离子体(羽流)。当电波频率小于该等离子体的临界频率(也称为截止频率，与电子浓度相关)时，会产生强烈的反射现象，从而可被雷达探测到［6］。

尾焰所产生等离子体的散射回波具有下列特性:(1)回波强度随高度有变化，一定高度以下甚至不存在等离子体;(2)具有一定的存在时间;(3)回波相参性差。

当弹道导弹飞行高度到达电离层之后，在沿导弹飞行轨迹上会产生一个因导弹尾焰引起的电离层扰动效应，可以认为是原本相对均匀和稳定的电离层电子浓度分布因导弹的穿越而产生了局部的不均衡(异常)，因此这种效应通常也被称为“电离层洞”。“电离层洞”的持续时间可达十几至几十分钟。原本由均匀、稳定的介质电离层所传输的雷达信号经过这样的扰动之后，其回波(例如地海杂波和目标回波)也将产生明显的异常。由于扰动范围极大，导致目标定位困难。

对于弹道导弹主动段目标探测，需要针对其不同探测机理设计工作方式和参数，并能够根据导弹所处阶段自动进行切换。

1.2 工作方式与参数设计

对空中目标探测，工作方式需兼顾同时覆盖区域和重访速率。重访速率过低，同时可覆盖区域较大，目标运动状态的缓慢变化也会导致航迹失跟;减少扫描波位可以提高重访速率，但覆盖区域的降低对掌握整体态势不利。美国空军的AN/FPS-118雷达执行对远程轰炸机的战略预警任务时，设置有8个宽7.5°的扫描波位，形成波束屏障以覆盖整个60°扇区，同时最多可临时增设3个波位，用于补充探测、干扰监测等其他用途。图2给出了AN/FPS-118雷达东海岸系统的工作方式设置图。图中可看到其3个阵面，每个阵面60°，由8 个波位构成的屏障区［7］。

图2 AN/FPS-118雷达工作方式设置图

舰船目标探测的工作方式、参数及处理方法与空中目标探测不同，需采用更大的工作带宽和长相干积累时间，其大数据量以及复杂的处理算法对信息处理能力的要求大幅度提高。以澳大利亚JORN雷达网探测参数为例，其对海探测带宽最高可达50 kHz，积累时间长达40 s［8］。在数十秒量级的积累时间下，因电离层扰动所导致的相位污染成为影响积累得益的重要因素。相位污染抑制成为舰船目标探测中独特的处理环节，近年来成为研究热点［9-10］。

相对飞机和舰船目标，弹道导弹目标运动速度极快，且存在较强的加速度，相干积累损耗较大，采用长积累时间的效果不明显。近年来，多种机动目标检测和积累补偿方法被提出。另外，由于飞行速度快，位移明显，探测波位需要快速移动和设置能力才能对弹道导弹目标实施捕获。

2 基于环境约束条件的任务规划方法

2.1 环境约束条件

2.1.1 传输损耗

传输损耗主要指电离层的吸收损耗，此外还包括法拉第极化旋转失配损失、多路径效应和电离层聚焦、散焦效应等因素组成，是天波超视距雷达方程中的特殊参量。

电离层传输损耗采用雷达探测的地海杂波强度A(R，Az，t，f)表征，它与空间、时间和频率相关。其中，R为距离，Az为方位，t为探测时刻，f为工作频率。同等条件下，杂波强度越强，表明电离层传输损耗越小。

2.1.2 噪声基底

由于天波雷达外部环境噪声功率占支配地位，在雷达方程中取代了常规雷达接收机内噪声功率。噪声基底以雷达探测各频率的噪声统计平均值N(R，Az，t，f)表征，它也是空间、时间和频率的函数，通常随着频率的升高而降低，并随着接收点的地理位置、季节和昼夜时间而变化，当雷达采用窄波束接收时，在方位上的分布也不均匀。

2.1.3 海杂波强度

海杂波强度主要由海面粗糙度(海态等级)和分辨单元大小等因素决定。它是空间、时间、频率、分辨率(带宽、阵列口径和积累时间)和海态的函数，记为C(R，Az，t，f，Re s，S)，其中 Re s为分辨率。带宽、阵列口径和积累时间分别决定距离、方位和多普勒分辨率;S为海态等级，由平均显著浪高表征。

2.2 性能评估函数

根据环境约束条件的各参量，可得到不同探测任务下的性能评估函数。再通过多维探测数据进行寻优，对雷达探测子区进行自适应规划，在保证探测效能的前提下实现最佳覆盖。

当性能评估结果得出某些区域不能满足探测任务完成需求时，给出提示，供用户参考决策。

下面以空中目标为例，给出性能评估函数。通过不同性能评估函数和评估结果，可以对不同任务(目标类型)的探测效能进行横向对比。

空中目标的性能评估函数为

任务规划的目的在某一时刻t对式(3)在距离、方位和频率三维进行计算，并与阈值进行比较。

当 SNR(R，Az，t，f)遍历所有频率均小于可用阈值K1时，则该距离-方位单元在时刻t不可用。

当SNR(R，Az，t，f)在可用阈值K1和最佳阈值 K2之间时，则该距离-方位单元在时刻t可用，并提取出可用频段。

当SNR(R，Az，t，f)大于最佳阈值 K2 时，则该距离-方位单元在时刻t可实现最佳覆盖，并提取出可用频段。

根据提取出的可用频段，分别依据探测效果优先和覆盖区域优先这两个准则进行归并，从而得到子区规划结果。

2.3 任务子区规划

以式(3)为基础采用不同准则进行任务子区规划的结果如图3所示，为仅考虑任务类型，未采用环境约束条件进行规划。图中可看到规划出的探测子区均为规则分布，但探测效能评估值差异较大，部分子区探测效能较差。

图3 常规任务子区规划结果图

图4为采用环境约束条件进行规划的子区，规划准则为探测效果优先。从图中可看出，由于考虑到电离层传输和干扰噪声等环境因素，各子区的大小和空间分布具有较大差异，但探测效能评估值分布较为均匀。规划准则以探测效果优先，导致子区数目较多。

图4 基于环境约束的任务子区规划结果图(探测效能优先准则)

图5为采用环境约束条件进行规划的子区，规划准则为覆盖区域优先。从图中可看出，各子区的大小和空间分布差异也较大，但子区数目较少，覆盖相同大小区域所用的波位最少，可获得最佳的重访速率。但此准则也导致探测效能评估值整体上比采用效能优先准则低。

图5 基于环境约束的任务子区规划结果图(覆盖范围优先准则)

3 结束语

由于天波超视距雷达的环境依赖性，使得结合特定任务类型和当前环境进行动态的任务规划成为发挥系统潜能的有效手段。以空中目标探测这一典型任务为例，开展的任务子区规划结果与设计准则相符合，所采用的方法和流程也可应用于其他任务类型的规划中，例如舰船和弹道导弹。

更进一步的研究可以考虑将任务子区规划与探测性能预测相结合，为制定任务预案提供依据。

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