雷达阵地杂波测量和动态STC建立方法

张 峰

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

雷达回波包括目标回波、杂波回波和干扰回波等。雷达杂波包括面杂波和体杂波，面杂波主要包括地杂波和海杂波，体杂波主要包括云、雨杂波和箔条干扰等。雷达地杂波的大小取决于雷达系统参数和照射地面参数。雷达系统参数包括距离、工作波长、发射功率、距离分辨率、波束宽度(照射面积、角度分辨率)、波束指向和天线极化方式等。地面参数一般指地面反射系数，包括导电率、介电常数和地面粗糙度［1］。

一般来说，地面导电率和介电常数越大，地面越粗糙，则反射系数越大，地物回波越强。布满森林和灌木的丘陵回波明显高于光秃秃的丘陵回波。地面湿度越大，则介电常数越大，造成反射的回波越强。对相同的地物环境，地物回波在下雨时会比天气干燥时强。

地面、海面、箔条干扰、云雨所产生的杂波特性与热噪声相似，其幅度和相位都是随机起伏的，一般情况下，具有瑞利分布函数特性，但其频谱特性比白噪声窄得多。杂波对目标检测的影响等同于接收机的基底噪声，会造成雷达有效探测的目标淹没在杂波中而不能正常检测，或降低目标检测概率。

由于随风而动的物体会产生一定的相移，造成雷达照射波束发射频谱的展宽，所以主要由森林、灌木和草地等覆盖的地面比沙漠、戈壁等覆盖地面回波频谱更宽，并且在大风速条件下，地杂波频谱展宽更大。

利用动目标回波和固定地物回波的多普勒频移特性不同进行杂波抑制，通常采用动目标显示(MTI)、动目标检测(MTD)或脉冲多普勒(PD)检测方法抑制地物杂波的影响。

1 雷达静态STC对地杂波的抑制效果分析

雷达进行全程搜索时，如果接收机通道增益较高，同样接收机灵敏度也较高，则近程杂波会使接收机饱和，造成地杂波频谱的大大展宽，使得雷达不能很好地抑制地杂波，而无法检测目标回波;如果把接收机通道增益调得太低，虽然近程杂波回波不过载，但接收机灵敏度太低，影响远区目标的检测。为了解决这个矛盾，现代雷达一般采用数字灵敏度时间控制(STC)［2］电路。在每个发射脉冲之后，随时间在射频(RF)、中频(IF)或在接收机前端的馈线中通过数控衰减器对接收机通道增益进行某种规律的控制，近距离时可降低接收机通道增益和灵敏度，远距离时保持原来的增益和灵敏度，以保证正常发现和检测小目标信号回波。

数字STC电路具有控制灵活，控制信号可随雷达周围的环境预先或实时编程的特点，可以有效地提高接收机的抗过载能力。对射频和中频衰减尽量采用先射频衰减，再中频衰减的方式进行数控衰减器控制，防止接收机系统前端饱和。

常规雷达一般采用静态STC，一般预先设置一组或几组静态STC曲线。根据式(1)、式(2)、式(3)，可得到雷达全程理论静态STC。实际静态STC曲线要综合考虑接收机衰减器调节范围和好的工程实现，图1为三坐标雷达的一条静态STC曲线。

图1 静态STC曲线示意图

雷达在不同阵地，即使同一阵地在不同气象等条件下，实际杂波强度不可预计，常常会造成接收通道饱和，引起地杂波频谱的大大展宽，从而使雷达不能很好地抑制地杂波，造成杂波剩余太多，雷达录取性能下降;或者设置的STC衰减太大，造成雷达小目标探测能力下降。

现在有些雷达的静态STC曲线可采用手动方式现场调整，杂波剩余状况略有改善，但一般只对杂波较大的某一方位设置静态STC曲线，其他方位同样会出现小目标探测能力下降的问题。如对所有方位、仰角均手动设置STC曲线，工作量太大，很难完成。

雷达最大输入动态范围Din计算方法为

式中:σ0=0.000 32/λ0，σ0为面杂波反射系数，λ0为雷达波长;c为光速，c=3×108m/s;τ为脉压后脉冲宽度;Rmax为最大作用距离;Rmin为最小作用距离;θ0为方位波束宽度，单位为rad;ξ为最大方位扫描角;LBS为波束形状损失;σt为目标RCS;σc为杂波面积;S/N为单一脉冲检测信噪比。

若式(1)的Rmin改为R，即为距离R处输入动态范围DRin，输出动态范围为Dout(线性动态范围)，即可得到距离R处的STC值DRSTC

2 雷达动态STC对地杂波的抑制效果分析

雷达到达阵地后，如果有方法自动测量覆盖范围内所有方位和仰角的实际杂波强度，建立不同方位、仰角、距离的雷达阵地杂波图，应用一定的算法，计算出不同方位、仰角、距离的动态STC值，建立雷达动态STC曲线，则可解决静态STC带来的问题。

一般情况下，对雷达方位覆盖可根据方位波束宽度进行等分，也可略大于波束宽度;仰角覆盖可根据搜索仰角波位进行分层;距离上的分段一般根据接收机EPROM存储量进行划分，不需全程进行STC设置，因为远区不需通道增益调整。STC衰减的最小量化单元越精细越好，但从工程实现上，一般情况下最小量化单位为1 dB或2 dB对系统已足够。

例如，雷达方位波束宽度1.2°，360°方位覆盖，仰角搜索波位13个，最大作用距离400 km，最小作用距离15 km，可建立的动态STC为方位256等分，仰角分为13层，距离按4 km进行量化，STC衰减最小量化刻度1 dB。该雷达实测阵地杂波如图2所示。采用静态STC曲线杂波剩余情况如图3所示，采用动态STC杂波剩余情况如图4所示。

图2 雷达实测阵地杂波

图3 雷达静态STC杂波剩余情况

图4 雷达动态STC杂波剩余情况

采用动态STC后单圈杂波剩余由约600个减为约50个，杂波抑制效果明显改善。若结合雷达剩余杂波图进行杂波滤除，基本可以实现雷达全程自动录取。

下面分别介绍模拟相控阵雷达和数字阵列雷达阵地杂波图测量和动态STC建立方法。

3 模拟相控阵雷达动态STC建立方法

模拟相控阵雷达是指相控阵天线发射波束和接收波束采用强制馈电或空间馈电集中形成［3］。模拟相控阵雷达接收机系统分为集中式接收机和分布加集中式接收机。集中式接收机是指馈电网络形成接收波束后才进入接收机系统进行信号放大和变频。分布加集中式接收机是指在馈电网络中先进行接收信号的部分放大，在接收波束形成后进行合成接收信号的放大和变频。

3.1 集中式接收机动态STC建立方法

对于集中式接收机，最大输入动态范围Din一般为90 dB～100 dB，输出动态范围Dout一般为50 dB ～60 dB。考虑到强杂波的影响，根据工程经验，STC的设计范围DSTC一般设置为

其中，DSTC的射频STC值DRFSTC和中频STC值DIFSTC一般对半设置。

一般情况下，在接收机不设置STC时，近距离通道会饱和。可设计一路对数放大接收机，在不设置STC时，近距离通道也不会饱和，可用于测量近距离强杂波信号。

采用对放接收机测量距离R处阵地杂波，计算动态STC值DRSTC的方法如下:

首先，统计对放通道远端非杂波区的噪声基底平均值DN，一般取远端16个距离采样单元回波进行平均。

然后，测量对放通道输入回波与输出回波的对应关系。在接收机对放通道前端灌入连续波信号，调整输入信号强度，测量输出信号变化。假定输出信号增加1个量化刻度，输入信号强度增加X。

雷达系统开机，进行杂波测量，若对放通道在距离R处杂波回波幅度为Sout，则接收机输入端的杂噪比CNR为

通过式(1)计算出距离R处输入基本动态范围

距离R处考虑阵地杂波输入动态范围为

若雷达的输出动态范围为Dout，则距离R处的动态STC值为

假定动态STC最小量化单位为1 dB，若DRSTC大于0 dB，则按STC的最小量化单位量化取大，动态STC测量值4.5 dB，则量化为5.0 dB;若DRSTC小于等于0 dB，动态STC值设为0 dB。

采用对放通道测量动态STC，天线旋转一圈即可完成测量。

3.2 分布加集中式接收机动态STC建立方法

分布加集中式接收机示意图如图5所示，天线阵面包含m个天线子阵，每个子阵由n个天线单元组成，每个天线单元连接1个单元接收机。

图5 分布加集中式接收机示意图

通道接收机最大输入动态范围Din见式(1)。子阵接收机的最大输入动态范围DSA［3］为

单元接收机最大输入动态范围DAL［3］为

单元和子阵接收机输入动态范围相对通道接收机已减小很多。因此，对于分布加集中式接收机，一般单元级进行RF回波的LNA放大，不设置射频数字衰减器;子阵级进行RF回波二次放大，设置0.5DRFSTC射频衰减;波束形成后在通道接收机进行RF回波放大和下变频，设置0.5DRFSTC射频衰减和全部的DIFSTC中频衰减。对此类接收机可在通道接收机设置一路对数放大接收通道用于动态STC的测量。

距离R处动态STC值DRSTC的测量方法如下:

在阵面前方对雷达发射连续波信号，调整输入信号强度，测量输出信号变化。假定输出信号增加1个量化刻度，输入信号强度增加X。

其他步骤同集中接收机动态STC建立方法，即可完成对雷达动态STC的测量。

4 数字阵列雷达动态STC建立方法

数字阵列雷达包括子阵数字化和单元数字化雷达。子阵数字化雷达在子阵接收机进行接收信号的数字化，完成数字波束形成，接收机系统框图如图6所示;单元数字化雷达在单元接收机进行接收信号的数字化，完成数字波束形成，接收机系统框图如图7所示。

图6 子阵数字化雷达接收机系统示意图

图7 单元数字化雷达接收机系统示意图

对于子阵数字化雷达，单元接收机一般不设置射频衰减器，所有射频和中频衰减器放置在子阵接收机。按式(1)、式(2)、式(3)、式(10)建立子阵数字化雷达的理论静态STC图。

对于单元数字化雷达，按式(1)、式(2)、式(3)、式(11)计算单元数字化雷达的理论静态STC图。

不论单元或子阵数字化雷达，不可能在每个单元或子阵设置对放通道进行动态STC的测量。单元或子阵数字化雷达距离R处的动态STC值DRSTC的测量方法如下:

假设STC最小量化刻度为1 dB，接收机输出端最大幅度为Amax。

首先，对接收机全程设置最大的STC衰减STCmax，距离R处的回波为ARSTCmax。若Amax/ARSTCmax≤1 dB，则距离R处的STC值设为STCmax;若Amax/ARSTCmax＞1 dB，不进行处理。

然后，接收机全程设置STC衰减值为STCmax-1，距离R处的回波为ARSTCmax-1。若0＜Amax/ARSTCmax-1≤1 dB，则距离R处的STC值设为STCmax-1;假如Amax/ARSTCmax-1＞1 dB，不进行处理。

同理，顺序对接收机全程设置STC衰减值为STCmax-n，距离R处的回波为 ARSTCmax-n。若0＜Amax/ARSTCmax-n≤1 dB，则距离 R处的STC值设为STCmaxn;假如 Amax/ARSTCmax-n＞1 dB，不进行处理。

直至接收机全程设置STC衰减值为1 dB，距离R处的回波为ARSTC1。若0＜Amax/ARSTC1≤1 dB，则距离R处的STC值设为1 dB;假如Amax/ARSTC1＞1 dB，则距离R处的STC值设为0 dB。

按上述步骤即可建立与阵地杂波相关的动态STC图。

最后，把建立的动态STC图和理论静态STC图进行比较，对于每个距离、方位、仰角单元的STC值按取大处理即可得到最终的动态STC图。

同理，对于模拟阵雷达也可采用上述方法建立动态STC图，但测量时间较长，对于作战反应时间短的高机动雷达不太适用。

5 结束语

杂波抑制一直是雷达系统设计的重点和难点，随着雷达自动化、智能化要求越来越高，比较有效的措施是首先进行阵地杂波测量，建立动态STC防止接收机通道饱和，同时在信号处理或数据处理采用剩余杂波图［4］进行杂波的滤除。

［1］ Skolnik M I.Radar handbook［M］.2nd ed.New York:McGraw-Hill，1990.

［2］ 丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理［M］.北京:电子工业出版社，2009.Ding Lufei，Geng Fulu，Chen Jianchun.Radar principle［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［3］ 张光义.相控阵雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Zhang Guangyi.Phased array radar technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［4］ 马晓岩，向家彬.雷达信号处理［M］.长沙:湖南科学技术出版社，1999.Ma Xiaoyan，Xiang Jiabin.Radar signal processing［M］.Changsha:Hunan Science ＆ Technology Press，1999.