地/海杂波背景下机载火控雷达效能评估

王 斌,刘春生，卢义成

（电子工程学院，合肥 230037）

地/海杂波背景下机载火控雷达效能评估

王 斌,刘春生，卢义成

（电子工程学院，合肥 230037）

战斗机在对地/海攻击时，地/海杂波对机载火控雷达的工作效能会产生较大影响。分别针对无干扰和压制干扰条件下两类典型体制的机载火控雷达，给出地/海杂波功率的确定方法，建立了地/海杂波背景下机载火控雷达效能评估模型。通过仿真，分析了无干扰与压制干扰条件下地/海杂波对机载火控雷达工作效能的影响，为机载火控雷达技术的研究提供了一定参考。

机载火控雷达，地/海杂波，效能评估

0 引言

机载火控雷达主要用于战斗机在实施空中拦截、空对地（海）攻击、跟踪目标并实施格斗［1］。在战斗机对地/海攻击时，为量化地/海杂波对机载火控雷达的搜索和跟踪所产生的影响，本文给出了地/海杂波功率的确定方法，并针对脉冲多普勒雷达和单脉冲雷达两种典型机载火控雷达，选取相应指标对无干扰和压制干扰条件下两类典型雷达的工作效能进行评估，为地/海杂波背景下机载火控雷达工作效能的评估提供了理论支撑。

1 地/海杂波背景下机载脉冲多普勒雷达的效能评估模型

1.1 无干扰条件下机载PD雷达的作用距离和发现概率

机载PD雷达最基本的任务是探测发现、跟踪目标并测量其坐标，因此，作用距离和发现概率是衡量机载PD雷达性能的重要指标。机载PD雷达在进行目标探测时，如果目标速度与雷达平台垂直，即目标在雷达探测线的垂直方向上的速度分量为零时，目标回波落入主瓣杂波区中，雷达将无法探测到目标。

对于迎头目标，由于雷达接近目标的速率大于雷达载机的速度，目标多普勒频率大于任何地面回波的频率，目标回波落入无杂波区。对于尾追目标，由于雷达接近目标的速率要小于雷达载机速度，目标回波落入旁瓣杂波区中；其落入位置与雷达接近目标的速率相关，如果雷达接近目标的速率为零，目标回波落入高度线杂波区中。对于尾拉目标，如果目标远离雷达载机的速率大于雷达载机速度，目标回波落入无杂波区；如果目标远离雷达载机的速率小于雷达载机速度，目标回波落入旁瓣杂波区。机载PD雷达搜索探测目标示意图如图1所示。

图1 机载火控雷达搜索探测目标示意图

假设机载PD雷达平均发射功率为PT，在目标方向的天线增益为GT，工作波长为λ，雷达与目标之间的距离为R，回波宽度为，脉冲重复周期为Tr，目标的雷达截面积为σ。考虑到发射脉冲遮挡效应和跨越效应，使得进入接收机的目标回波有效宽度实际将为s，再加之频域处理和带宽的影响，使得机载雷达检测目标回波信号的功率折算到输入端的功率值要比常规雷达的功率值降低ds2，那么实际检测到的信号功率 Sd为［2］：

式中，ds为考虑遮挡和跨越后的回波信号占空比，。由于PD雷达的信号处理方式，噪声功率也会受到同样的影响。噪声功率由于跨越效应在通过距离波门选通并经过单边带滤波器后，其值降低了dG，那么实际检测到的噪声功率Nd为：

式中，dG为距离波门占空比，dG=G/Tr，G为距离波门宽度。

1.1.1 杂波区为地面时的杂波功率

目标多普勒频率与雷达和目标之间的相对速度有关，根据二者之间的关系得到：

敌方飞机和地面的回波进入机载雷达，其相应的脉冲多普勒频率fdT、fdC分别落入多普勒滤波器组中的某个滤波器，于是存在NT和NC（NT，NC为正整数）使得：

根据地面产生的多普勒频率fdC可以求得杂波区到雷达载机的水平距离dNC为：

式中，GC为杂波区方向的接收增益；dA为一小块杂波区的雷达截面积；σC为杂波后向散射系数。每个雷达分辨单元的杂波功率为式（6）的积分，即：。根据以上计算可以求得地杂波功率Cland为：

根据式（1）、式（2）、式（7），地杂波功率由于跨越效应在通过距离波门选通并经过多普勒滤波器后，其值降低了dG，得到地杂波背景下PD雷达接收机输入端信噪比［3-4］为：

式中，ηland为抗地杂波因子，与雷达所采取的抗地杂波的干扰方式有关。

1.1.2 杂波区为海面时的杂波功率

在这里需要计算机载PD雷达以海面为背景进行目标的探测与跟踪时的海杂波反射系数σ0，有关求解海杂波反射系数σ0的模型，典型的有TSC模型、GIT模型及NRL模型等［5］。这些模型都是半经验模型，是根据从实际测量的海杂波数据总结分析得到的。此时入射余角会在一个比较大的范围内变化，于是选择TSC模型作为σ0的求解模型。TSC模型中所描述的海杂波散射系数σ0为［6］：

雷达分辨单元内海面面积计算模型为：

根据以上计算可以求得海杂波通过多普勒滤波后的杂波功率Csea为：

与地杂波的处理相同，考虑到PD雷达发射脉冲遮挡效应和跨越效应，海杂波的值也会降低dG，则根据式（1）、式（2）、式（11），考虑到系统与传播损耗，可得到海杂波背景下脉冲多普勒雷达接收机输入端信噪比，计算方法与式（8）同。

综上所述，在得到地/海杂波背景下脉冲多普勒雷达接收机输入端信噪比SNR后，令

式中，SNR={SNRland，SNRsea}为地 /海杂波背景下脉冲多普勒雷达接收机输入端信噪比；（S/N）min为PD雷达接收机最小可检测信噪比。SNR中含有PD雷达作用距离参数，因此，由式（12）可得到地/海杂波背景下脉冲多普勒雷达的作用距离。

当虚警概率一定时，得到PD雷达发现概率pd为：

1.2 压制干扰条件下机载PD雷达的作用距离和发现概率

对机载PD雷达进行压制干扰，干扰功率为Pj，则进入机载雷达接收机输入端的干扰信号功率JPD为：

式中，Gj（φ）为干扰机天线在机载雷达方向上的增益；φ为对机载雷达定位角度的误差值；γj为干扰信号对机载雷达的极化损失；Brj为压制干扰的频率对准因子，其计算模型为：

式中，C={Cland，Csea}，η={ηland，ηsea}。同理，令 SJRBJ=（S/N）min，由于SJRBJ中含有PD雷达作用距离参数，因此，可得到压制干扰时地/海杂波背景下PD雷达的作用距离。

当虚警概率一定时，压制干扰条件下机载PD雷达的发现概率pdj为：

2 地/海杂波背景下机载单脉冲雷达的效能评估模型

机载单脉冲雷达采用多路接收技术接收一个回波脉冲，并将所接收的回波信号的幅度或相位等参数进行比较，从而获得目标的角误差信息。因而单脉冲雷达有数据率高、获得角误差时间短、测角精度高等特点。

2.1 无干扰条件下机载单脉冲雷达的跟踪精度

2.1.1 无干扰条件下机载单脉冲雷达的距离跟踪精度不考虑目标运动而产生的测量误差，测距误差是由距离噪声产生，其中最主要的距离噪声为接收机热噪声。接收机热噪声直接影响的是到达时间的测量，根据到达时间误差εt与测距误差εdist之间的关系：

式中，c为电磁波传播速度。根据Barton和Ward对到达时间精度模型的改进［7］，得到距离误差εdist的模型为：

2.1.2 无干扰条件下机载单脉冲雷达的角跟踪精度

信噪比是影响角跟踪精度的重要因素，并且单脉冲雷达到目标的距离越大，接收机噪声对测角精度的影响越大。考虑到跟踪滞后的情况，将文献［7］中的在单脉冲雷达跟踪系统中由接收机噪声引起的测角误差εang修正为：

式中，θL为滞后角；Lθ为天线和方向图损耗；fr为脉冲重复频率；δn为伺服系统的带宽；Km为角误差检波器斜率，一般取值为1.2～1.9，是由天线差方向图陡度确定；其余参数与上同。

2.2 压制干扰条件下机载单脉冲雷达的跟踪精度

考虑地/海杂波的影响，压制干扰条件下机载单脉冲雷达接收机输入端的信干比SJRPBJ为：

式中，JP为进入机载单脉冲雷达接收机输入端的干扰信号功率，计算方法与式（14）相同。于是可以得到压制干扰条件下机载脉冲雷达的距离误差εJdist和测角误差 εJang，其计算方法与式（19）、式（20）相同。

3 示例分析

设机载火控雷达的发射功率为150 kW，天线增益为40 dB，工作频率为1.3 GHz，工作带宽为2 MHz，主波瓣宽度为3°，考虑跨越和遮挡后的回波信号占空比为0.05，距离波门占空比为0.1，噪声系数为4 dB，目标的雷达反射截面积为15 m2，最小可检测信号功率为11 dB，虚警概率为10-6；干扰机干扰功率为30 W，干扰增益为30 dB，干扰带宽为800 MHz，干扰极化损失取0.5，干扰机与雷达距离为500 km。考虑海杂波对机载火控雷达效能评估的影响，机载火控雷达采取水平极化和垂直极化时的海杂波反射系数随入射余角变化的仿真结果如图2所示。

图2 海杂波反射系数随入射余角变化趋势

从图2中可以看出：①当雷达波束入射余角相同时，海杂波反射系数随海况等级的增加而增大；②相同海况等级下，海杂波反射系数随入射余角的增大而增大，且增大的幅度越来越小；③当雷达波束入射余角相同与海况等级都相同时，采用垂直极化波比水平极化波的海杂波反射系数大。

机载PD雷达的作用距离随雷达波束入射余角变化的仿真结果如图3所示。从图中可以看出：相同海况等级下，①与仅考虑海杂波时PD雷达的作用距离相比，对雷达实施瞄准式压制干扰能够减小雷达的作用距离，且入射余角越大干扰效果越明显；②当机载PD雷达采用垂直极化波时海杂波对其作用距离的影响比采用水平极化波时的影响大。

图3 机载PD雷达作用距离随入射余角变化趋势

机载单脉冲雷达跟踪精度随入射余角变化的仿真结果如图4所示。从图4中可以看出：①由于海杂波与压制干扰的影响，机载单脉冲雷达的跟踪误差变大，其中当机载雷达采用垂直极化时压制干扰对雷达跟踪精度的影响最大；②海杂波背景下，若机载单脉冲雷达采用水平极化波，压制干扰对雷达跟踪精度的影响不明显；③对比图4（a）和图4（b）发现，海杂波与压制干扰对机载单脉冲雷达角度跟踪精度的影响比对距离跟踪精度的影响大。

图4 机载单脉冲跟踪精度随入射余角变化趋势

地杂波对机载火控雷达效能评估影响的分析方法和过程与上述相同，且经仿真实验，得到的结论与海杂波背景下得到的一致，本文不再赘述。

4 结论

文章通过建立地/海杂波背景下机载火控雷达效能评估模型，分析了无干扰与压制干扰条件下地/海杂波对机载火控雷达工作效能的影响，为地/海杂波背景下机载火控雷达工作效能的评估提供了理论支撑，也为机载火控雷达技术的研究提供了一定程度的参考。

［1］中航雷达与电子设备研究院.机载雷达手册［M］.北京：国防工业出版社，2013.

［2］邵国培，曹志耀，何俊，等.电子对抗作战效能分析原理［M］.北京：解放军出版社，2013.

［3］马健，樊养余.机载预警雷达作用距离对探测效能的影响［J］.火力与指挥控制，2015，40（11）：131-134.

［4］唐正，高晓光，张莹.机载雷达探测系统效能评估模型分析［J］.火力与指挥控制，2007，32（11）：21-23.

［5］苏欣欣.雷达海杂波半经验统计建模和目标检测性能预测［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［6］NATHANSON F E，REILLY J P，COHEN M N.Radar design principles：signal processing and the environment［M］.New York：McCrraw-Hill，1999.

［7］张明友，汪学刚.雷达系统［M］.北京：电子工业出版社，2011.

Effectiveness Evaluation of Airborne Fire Control Radar with Ground/Sea Clutter

WANG Bin，LIU Chun-sheng，LU Yi-cheng
（Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）

The ground/sea clutter will have a great impact for the working efficiency of airborne fire control radar，when fighters attack on the ground/sea.Respectively，according to two kinds of typical airborne fire control radar with noninterference and blanket jamming，determination method of ground/sea clutter is given，and the effectiveness evaluation model of airborne fire control radar with ground/sea clutter is established.Through simulation，the influence of ground/sea clutter on the working efficiency of airborne fire control radar with noninterference and blanket jamming is analyzed，which provides some reference for the research of airborne fire control radar technology.

airborne fire control radar，ground/sea clutter，effectiveness evaluation

TN959

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.035

2016-05-25

：2016-06-27

王 斌（1977- ），男，安徽合肥人，副教授。研究方向：电子对抗效能分析与运筹决策。

1002-0640（2017）06-0154-04