海洋环境对低入射角导航雷达影响分析研究

2016-08-29陕西长岭电子科技有限责任公司产品开发部冯冬冬李林涛王文军秦光明

电子世界 2016年15期

陕西长岭电子科技有限责任公司产品开发部　陈　立　冯冬冬　卢　哲　李林涛　王文军　秦光明

海洋环境对低入射角导航雷达影响分析研究

陕西长岭电子科技有限责任公司产品开发部陈立冯冬冬卢哲李林涛王文军秦光明

海洋环境的复杂多变对低入射角导航雷达提出了更高的要求，本文首先详细分析了低入射角导航雷达的原理，然后对影响其性能的海浪、雨雪以及大气波导传输进行了深入的分析，最后对低入射角导航雷达在复杂海情条件下性能的提高给出了自己的看法，对今后的工作有一定的指导意义。

海洋环境；低入射角导航雷达；中频采样；小目标提取

1.引言

随着雷达在各行各业得到广泛应用，导航雷达的定位精度也得到了极大的发展。但对于低入射角导航雷达而言，因应用环境下有海浪、雨、雪、雾等现象的存在，其精度的提高却受到了极大的影响。

在复杂的海洋环境中，有雷达就会产生干扰，每种新雷达技术的应用也会兴起一种新的干扰技术［1］。在此条件下，如何正常发挥低入射角导航雷达的功能，以及进一步提高其导航精度，是一项极具挑战性的课题。

2.低入射角导航雷达原理分析

对低入射角导航雷达来说，因天线露出水面高度只有几米，海洋环境对其影响有一定的特殊性。低入射角导航雷达示意图如图1所示。

图1　　低入射角导航雷达示意图

图2　低入射角导航雷达角度变化图

从图1可知，由收发机产生的射频信号，经过波导系统从天线发射出去，被目标反射回来。回波信号经由接收天线和波导系统的传输，再经过信号处理机的处理，最终在屏幕上显示出目标画面。

低入射角导航雷达角度变化如图2所示。在图2中，OA为天线出水高度h，OC为雷达可探测的水平最近距离，OB为雷达可探测的水平最远距离，α为雷达的最小入射角，β为雷达的最大入射角。由计算得出α～β角度的范围，在0.02785°～2.575°之间。正是由于低入射角导航雷达这些固有的特性，其主要应用于海面导航，同时兼顾低空目标探测。

3.海洋环境对低入射角导航雷达性能的影响

电磁波信号在整个的传输过程中，会受到海浪、雨、雪、雾和大气波导等因素的影响。下面分别从这几方面分析海洋环境对低入射角导航雷达性能的影响。

3.1海浪对低入射角导航雷达性能的影响

在海洋环境中，海浪对低入射角导航雷达的影响主要体现在以下几点［2］：

（1）当海浪距离雷达较近时，海浪对电磁波的反射很强；当距离雷达较远时，海浪对电磁波的反射按指数规律快速递减。一般海情下，雷达显示屏上0 n mile～5 n mile区域有成片的鱼鳞状闪亮斑点；高海情下，整个雷达显示屏上会出现鱼鳞状闪亮斑点。

（2）海浪反射电磁波的强弱与相对风向有关，风向天空时，其反射电磁波较强，显示距离也远，风向海面时，其反射电磁波较弱，显示距离也近。

（3）在海浪较大时，舰船的摇摆对雷达回波也会产生一定的影响。对于近距离目标，在舰艏线周围海浪对其影响较大。

3.2雨雪对低入射角导航雷达性能的影响

雨雪对低入射角导航雷达的影响主要在雷达显示屏上一定的区域内表现，在此区域内分布着成片的回波信号，雨雪的大小决定着雷达显示屏上回波区域的大小。在实际应用中，通过FTC电路对海面上的雨雪进行抑制，能使连片的假回波信号变成离散的点目标，提高回波信号的分辨率。该电路的缺点是抑制了海面上的小目标。

3.3大气波导传输对低入射角导航雷达性能的影响

对于低入射角导航雷达来说，影响其性能的大气波导主要是贴地大气波导中的蒸发波导。蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊的表面波导，主要由海平面水汽蒸发产生，随着高度增加而迅速减小的低海面大气湿度变化而变化，主要发生在近地40米以下的范围。

大气波导传输对低入射角导航雷达的影响主要体现在以下三点：

（1）电磁波能通过在平流层不断的反射，扩大其传输距离。因而波导传播距离能够达到其正常传输距离的好几倍；

（2）由于传输过程中平流层对电磁波的反射，减小了电磁波信号在传输过程中的能量损失［4］；

（3）对于非本周期回波信号的距离模糊问题，可以通过雷达参差模式来解决，对不同波束回波信号采用不同的雷达重复频率，即对不同的回波信号采用不同的周期。因此，此方法就能够消除同频信号之间的干扰。

4.复杂海况下低入射角导航雷达性能的改善

在复杂的海情下，低入射角导航雷达将面临着回波信号变差，杂波增强等问题。因此，在高海情下，如何提高低入射角导航雷达的性能已经变成一项非常紧迫的工作，特别是对复杂海情下小目标的提取显得尤为重要。下面从以下三点来分析如何提高复杂海情下低入射角导航雷达的性能。

4.1天线极化方式的改变

天线作为低入射角导航雷达的重要组成部分，在整个系统中发挥着重要的作用。众所周知，在天线生产出来以后，其增益将不再改变，而通过调整天线的极化方式能够对雷达的性能进行改善。在复杂海情下，通过适当的调整天线的极化方式，能对海平面的海浪、雨、雪等海杂波进行有效的的抑制。

天线极化分为HH极化方式和VV极化方式。采用不同的极化方式对海杂波的多普勒特性产生不同的影响效果［6］。例如，在HH极化方式下海杂波会减到最弱。

4.2提高中频采样A/D的有效位数

中频采样能够提高回波信号的信噪比。对整个雷达系统来说，A/D采样芯片的选择尤为重要。一般条件下，芯片资料所标注的A/ D采样有效位数往往都是理想参数。在实际应用中，A/D采样的有效位数往往会比标称的位数少。因此，对同一型号A/D采样芯片应该优选一些有效位数高的芯片。这样就能够有效提高回波信号的分辨率。更重要的是，实际使用中输入信号自身信噪比较差会对A/D采样有效位数造成严重的影响。

4.3提高雷达信号处理系统检测小目标的性能

信号处理系统作为整个雷达系统中最重要的组成部分，其性能的优劣直接影响整个系统的性能。

当前，由于FPGA和DSP等高速信号处理芯片的处理能力变得越来越强大，为复杂海洋环境下实现小目标的提取带来了便利。在保证实时性处理的前提下，增加处理点数能够提高低入射角导航雷达的距离分辨率，从而在复杂海洋环境下提升小目标的检测能力。