反潜巡逻机搜索雷达感知环模型研究∗

王新为 尹成义（海军大连舰艇学院舰艇指挥系大连116018）

反潜巡逻机搜索雷达感知环模型研究∗

王新为 尹成义
（海军大连舰艇学院舰艇指挥系大连116018）

针对反潜巡逻机使用搜索雷达对海面及空中目标搜索问题，基于机载搜索雷达战技性能，提出了搜索雷达感知环的概念并建立了相应的数学模型，给出了反潜巡逻机使用搜索雷达目标探测的方式方法。通过仿真计算，探讨了感知环宽度随反潜巡逻机飞行高度以及雷达视轴俯角的变化规律，为确定反潜巡逻机使用搜索雷达目标搜索的最佳飞行高度和雷达最佳视轴俯角提供参考依据。

反潜巡逻机；搜索雷达；感知环

ClassNumber TN95

1 引言

搜索雷达是反潜巡逻机装备的主要对潜搜索载荷，其机械扫描天线安装在机首下方，可在全天候气象条件下，对海面和空中目标进行搜索和跟踪；采用先进的成像技术实现对潜艇潜望镜、排气管以及海面各类舰船的探测与目标识别，完成海上反潜、配合武器火控系统完成攻潜等任务。由于反潜巡逻机自身结构特点，后向机体遮挡区无法探测目标。在研究反潜巡逻机使用雷达目标搜索方法时，必须确定搜索雷达有效探测空间，而感知环能够较好地描述这一问题。

感知环是指，搜索雷达机械扫描天线旋转一个周期时雷达波束在海面（任一高度平面）扫视到的区域［1］。只有位于感知环内的目标才可能被探测，该指标一定程度上反映了反潜巡逻机的搜索效率。

2 基本假设

1）反潜巡逻机作等速直线运动，飞行高度为ha，飞行速度为va；

2）搜索雷达视轴俯角，即视轴与水平面夹角为θ；

3）搜索雷达水平波束角为θa，垂直波束角为θr；

4）忽略雷达波瓣分裂。

3 感知环模型建立

感知环大小主要取决于搜索雷达垂直波束角θr，通常用感知环宽度ρ和（或）感知环面积Sρ描述，如图1所示。

当反潜巡逻机飞行高度h、雷达视轴俯角θ一定时，垂直波束角θr越大，感知环宽度ρ越大。在确定的垂直波束角θr下，感知环宽度ρ是反潜巡逻机空间状态的函数ρ=f(ha，θ，θr)，如图2所示。

由几何分析可知，感知环宽度ρ可表示为

从式（3）可以看出：在任意搜索时刻，感知环大小与反潜巡逻机飞行速度无关，而感知环宽度与飞行高度成正比，与雷达视轴俯角正弦函数平方成反比。垂直波束角θr由雷达战技性能决定，雷达型号给定时，其垂直波束角一定。

通常情况下，当搜索雷达脉冲重复频率fr过高将导致距离模糊［2~7］，如图3所示。其中，目标P1与天线距离较近为l1，则回波达到天线时间t1=2l1c，并设t11 fr，造成距离模糊。

因此，重复频率的选择必须考虑到雷达最大作用距离lmax的要求，脉冲重复频率fr应满足fr£c 2lmax。这表明，最大距离处目标回波的到达时刻满足在第一个重复周期内，则感知环最大宽度ρmax为

4 感知环参数确定

设雷达最大探测距离为Rlmax、雷达视距为Rh，目标高度为ht，则搜索雷达最小视轴俯角θmin表示为

其中，搜索雷达处于下视状态时，l02应满足l02£m in(Rlmax，Rh)。

当搜索雷达视轴俯角θ取最大值时，感知环半径最小，即：

式中：G为天线增益；λ为雷达工作波长；σt为目标反射截面积；k为玻耳兹曼常数；T0取290K；Fn为系统噪声系数；L为系统损耗；S N为检测所需的信噪比；Bd为多普勒滤波器宽度。其中，各参数大部分是可直接得到，系统损耗L和信噪比S N需通过折算或估计得到。

式（7）中检测所需信噪比与雷达检测概率及虚警概率有关。信噪比越高，雷达检测概率越大，虚警率越低［8-10］。若检测时背景是高斯白噪声，信噪比S N和检测概率Pd与虚警概率Pfa对应关系为

当反潜巡逻机与目标距离为Rt，要求的虚警概率为Pfa时，所需检测概率Pd可表示为

式中，Pav为雷达平均辐射功率。

当搜索雷达视轴俯角θ取最小值时，感知环半径最大，即：

可以看出，反潜巡逻机使用搜索雷达探测不同目标时，感知环最大宽度不尽相同。当探测确定目标时，为使反潜巡逻机尽早发现目标，应适当调整其飞行高度和雷达视轴俯角［11~12］。

其中，反潜巡逻机飞行高度ha应满足飞行约束条件，即：

式中：hamin为反潜巡逻机最低安全飞行高度，hamax为反潜巡逻机最大飞行高度。

5 仿真分析

根据某型搜索雷达性能特点，针对水面状态潜艇和低空状态飞机，应用感知环模型探索搜索雷达感知环宽度随视轴俯角以及反潜巡逻机飞行高度的变化规律，从而确定满足作战需求的最佳视轴俯角和最佳飞行高度。仿真结果分别如图4、图5和表1、表2所示。

从仿真结果可以看出：

1）反潜巡逻机搜索雷达对水面状态潜艇的最大探测距离主要受雷达视距的影响。反潜巡逻机在使用升限范围内，飞行高度越高，最大探测距离越远。因此，为增加发现距离，反潜巡逻机应采用较高的飞行高度。

2）反潜巡逻机搜索雷达视轴俯角对感知环宽度影响较大，感知环宽度随视轴俯角的增大而减小。通常探测低空目标时，最佳视轴俯角通常应选在11°~13°，此时感知环宽度最大，可使目标在感知环内逗留较长时间，利于对目标探测识别。

表1 水面状态潜艇对应的感知环相关参数

表2 低空状态飞机对应的感知环相关参数

6 结语

本文根据反潜巡逻机搜索雷达战技性能，从作战使用角度，给出了搜索雷达感知环的概念，并结合反潜巡逻机飞行性能约束、信息传输与控制要求以及作战海区环境特点等因素，建立了搜索雷达感知环数学模型，得出了满足作战使用需求的搜索雷达最佳视轴俯角和反潜巡逻机最佳搜索飞行高度，为反潜巡逻机使用搜索雷达对海面及空中目标搜索方式方法的确定提供参考依据。

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Detect Annu lusM odelof Acquisition Radar of Anti-subm arine Patrol Aircraft

WANG Xinwei YIN Chengyi
（DepartmentofOperation and Training，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

Aimed at the problem ofanti-submarine patrol aircraftdetect differentsea-surface and aerialobjects，according to the operation performance of acquisition radar，the concept of detect annulus is put forward and the correspondingmodel is estab⁃lished，themanner andmothod ofanti-submarine patrol aircraftdetected objects are given.Through simulation and calculation，the varying pattern of opticalaxis angle ofdepression and flightaltitude from thewidth of detectannulus is discussed，the basis for the bestopticalaxisangle of depression and flightaltitude tomeet the operational requirements is provided.

anti-submarine patrolaircraft，acquisition radar，detectannulus

TN95 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.016

2016年11月17日，

2016年12月22日

王新为，男，博士研究生，研究方向：军事运筹、舰载武器系统作战使用研究。尹成义，男，博士，副教授，研究方向：军事运筹，舰载武器系统作战使用研究。