低重频雷达导引头副瓣杂波特性分析

黄新松 张江华

(1.海军驻南昌地区军事代表室南昌;2.西安电子工程研究所西安710100)

总体工程

低重频雷达导引头副瓣杂波特性分析

黄新松1张江华2

(1.海军驻南昌地区军事代表室南昌;2.西安电子工程研究所西安710100)

常规反舰导弹雷达导引头一般采取掠海飞行弹道，此时海面后向散射系数很小，距离折叠因素影响很小;对于高弹道飞行条件下时，需要考虑距离折叠因素对雷达导引头检测性能影响，本文通过对海面杂波进行距离－角度剖分，进而把杂波能量映射到距离－多普勒单元内。仿真结果显示，当考虑距离折叠因素以后，海杂波将会提高约2dB(相对于不考虑距离折叠情形)，对作用距离估计影响可达12%。

电磁环境;统计;分析

0 引 言

通常，反舰导弹采用掠海飞行弹道飞行，雷达导引头天线波束与海平面之间夹角很小，海面后向散射系数也很小，海杂波对相参体制雷达导引头作用距离影响很小，不需要特殊考虑。当导弹需要从无人机、固定翼平台高空发射近程反舰导弹时，由于导弹飞行弹道高度高，下视角大，海面后向散射系数大幅度增加，海杂波影响已无法忽略。Fred E.Nathanson的研究［1］显示，在5级海情下，30°下视角后向散射系数可以达到－20dBm2/ m2，当下视角1°时，后向散射系数则为－32 dBm2/ m2。张鹏［2］等基于混沌学分析了海杂波特性;陈闹［3］研究了韦布尔分布海杂波的建模与其FPGA实现;熊昭华等基于统计杂波模型研究了海杂波的空时二维特性［4］;徐湛等研究了相关K分布海杂波模型［5］;卢宁等研究了但上述文献均未考虑近程反舰导弹雷达导引头的距离折叠影响［6］;Tan Hui［7］等研究了不同海情对杂波影响。与地面探测不同，海面探测不存在地物遮挡，近程反舰导弹导引头作用距离一般只有几公里远，现代先进体制雷达导引头一般采用固态发射机技术，为了尽可能降低发射功率，要求在保证最远探测距离测距不模糊的前提下，尽量提高脉冲重复频率，海面高空飞行导弹雷达导引头可视距离达数十公里，远远超出常规导引头的模糊距离，对低重频雷达导引头距离折叠影响尚未见研究报道。

1 海面最大视距估算

如图1所示，雷达距离海平面高度为h，从雷达到地球球面做射线r，与球面夹角为θ从雷达到地球切平面做射线长度也是r，与切平面的夹角为θ'。根据球面三角公式有:

由于导弹飞行高度相对地球曲率半径来说很小，可以忽略式中的h2项，上式为:

视距的极限为射线r和地球球面相切的情况，即θ=0;

这时，射线r的长度为:

注意，这里，re=8500km。

2 海面杂波计算

对于脉冲多普勒体制雷达导引头来说，一般采用距离－多普勒处理技术来减小杂波影响，距离维把整个模糊距离上划分为若干个距离分辨单元去处理，多普勒维则把脉冲重复频率划分成2n个多普勒分辨单元处理。

为了利用数值方法模拟杂波，一般需要把杂波在距离维和多普勒维进行剖分，且保证杂波剖分单元(距离/多普勒)达到雷达分辨单元(距离/多普勒)1/2－1/4。

图1 理想球面视距计算

根据公开发表资料可以获得各级海情以及不同下视角条件下的后向散射系数，为了考虑海杂波影响可以对海面进行网格剖分，计算海杂波。

为了简化后续计算，可以以雷达导引头天线为中心作为坐标原点，假定导弹速度位于(X，Y)平面内，速度矢量与X轴之间夹角为δ，雷达导引头的坐标为(xR，yR，zR)，地面杂波单元的坐标为(xC，yC，zC)，雷达与杂波之间的距离

根据前面的假定，

根据雷达与杂波单元之间的相对速度进一步可以得到杂波相对于载波的多普勒频率

考虑到低重频导引头在多普勒维是模糊的，即多普勒频率超过脉冲重复频率(PRF)以后会发生折叠，杂波所处的多普勒单元号由下式给出:

理论上讲，低重频雷达导引头尽管在距离维不会发生折叠，实际中为了尽可能提高导引头的平均发射功率，总是在满足最大探测距离的前提下尽可能提高导引头的脉冲重复频率。最大不模糊距离由下式给出:

如近距离反舰导引头的典型重频是10KHz，最大不模糊距离只有15km，在海面背景，这么近的不模糊距离不仅会导致杂波很容易发生折叠，有些大型目标也会发生距离折叠。

根据雷达导引头的距离分辨率进一步可以确定杂波所处距离单元号(考虑距离折叠):

杂波回波功率满足雷达方程，

上式中，脚标m代表第m个距离杂波单元，k代表第k个多普勒杂波单元，θk代表相对天线电轴的方位夹角，εm代表相对天线电轴的俯仰夹角，G(θk，εm)代表杂波单元相对雷达导引头天线波束电轴的方向夹角，λ代表波长，σmk代表映射到第m个距离单元、k个多普勒通道的杂波散射面积。

通常有两种方法划分杂波单元，一种是直接根据距离－多普勒回波单元映射到地面或海面对应区域，由于杂波在距离、多普勒维都存在模糊，且随方位角不断变化，这种杂波剖分方法实现上十分困难。这里对海面区域采用极坐标的剖分方案，即以雷达为坐标原点，首先对海面区域用若干个距离环进行剖分，环间距即是杂波单元的距离分辨力，方位上，以远小于雷达天线波束宽度的角度进行剖分，如图所示。

为了确定杂波功率，还需要进一步确定杂波相对于天线电轴的夹角，在图2的坐标系中天线指向可以用向量表示为:

这里，α为天线俯仰指向，β为天线方位指向杂波相对天线中心的向量表示为:

φ为杂波相对于雷达的方位角，ε为杂波相对于雷达的俯仰角，

杂波单元与天线电轴之间的夹角为ξ，

仿真时天线方向图可以采用真实的天线方向图，也可以采用如下的近似模型:

上式中，a为天线波束宽度，Gmax为天线增益。

图2 基于网格剖分的杂波计算

根据(15)式，(11)式可以进一步改写为:

为了计算所有距离－多普勒单元内的杂波，可以采取如下步骤:

1)选定杂波单元所在距离、方位角;

2)利用(9)式计算杂波单元映射多普勒通道号

3)利用(11)式计算杂波映射距离单元号;

4)利用(16)式计算杂波功率;

雷达距离－多普勒单元内的杂波实际由从导引头飞行高度到最大视线距离，以及方位上360°范围内背景反射功率决定。

5)雷达导引头距离 －多普勒单元内的杂波为:

3 计算实例

波长:8.6mm

天线波束宽度:4.5°

导弹飞行高度:1000m

多普勒单元数:128

距离单元数:2000

平台速度:300m/s

海面后向散射系数:－20dB(5级海情，－30°下视角)

图4 海杂波仿真结果

计算结果显示，考虑距离折叠影响，副瓣杂波约将会提高2dB，对作用距离的影响约为2dB，对雷达导引头作用距离影响约为12%，而主瓣杂波则主要取决于天线波束指向是否超出折叠距离。

对于低重频雷达导引头，运动目标的检测都是在副瓣杂波区完成，对副瓣杂波电平的估计直接影响着导引头对运动目标的探测距离。

4 结 论

本文给出一种基于网格剖分算法的海杂波计算方法，通过对海面进行极坐标网格剖分，利用海面后向散射系数，计算出雷达导引头的主瓣、副瓣杂波。数值仿真计算结果显示，在高弹道飞行反舰弹雷达导引头设计中，如果不考虑距离折叠影响，对导引头作用距离影响最大可达12%。

［1］Fred E.Nathanson，et al，Radar Design Principles，McGraw－Hill，Inc，1991:275－278.

［2］张鹏等.基于混沌学的海杂波分析［J］.火控雷达技术，2002，(3):42－46.

［3］陈闹.韦布尔分布海杂波的建模与FPGA实现［J］.火控雷达技术，2013，(6):4－7.

［4］熊昭华等.机载雷达空时二维海杂波分析［J］.桂林电子科技大学学报，2015，(10):350－355.

［5］徐湛等.时空相关K分布海杂波的建模与仿真［J］.系统仿真学报，2011，(5):868－871.

［6］卢宁等.海杂波背景下的GRNN小目标检测，火控雷达技术，2012，(6):4－7.

［7］Tan Hui，Fang Chonghua;Simulation of impact of sea clutter to radar detecting performance，2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation，and EMC Technologies(MAPE)，28－30 Oct.2015:340－343.

Analysis on Sidelobe Clutter Characteristics of Low Pulse Repetition Frequency Radar Seeker

Huang Xinsong1，Zhang Jianghua2
(1.Miltary Representative Office of Navy Stationed in Nanchang zone，Nanchang; 2.Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100)

Since conventional anti－ship missile radar seeker utilizes sea－skimming flight trajectory，the back scattering coefficient of sea surface is very small，and effect of range ambiguity factor is also very small at this time;it is required to take effect of range ambiguity factor on detectability radar seeker in high trajectory flight condition into consideration.The method of mapping clutter energy to range－Doppler bin by cutting clutter on sea surface in range－angle is presented.The simulation result shows that the effect of sea clutter will increase by 2dB while taking range ambiguity factor into consideration(relative to without taking range ambiguity status into consideration)，the evaluated effect on operational range may be up to 12%.

radar seeker;range ambiguity;sea clutter

TN952

A

1008-8652(2016)04-027-04

2016-09-10

黄新松(1962－)，男，硕士研究生。主要研究方向为电子对抗。