针对海上目标的不同体制雷达性能对比

2018-09-21丁建良

科技与创新 2018年18期

丁建良

针对海上目标的不同体制雷达性能对比

丁建良

（金交恒通有限公司，北京 100011）

针对海上多目标的检测与跟踪问题，给出不同体制雷达的性能对比。介绍不同海上目标的雷达检测性能，分析脉冲雷达、脉冲压缩雷达、调频连续波雷达的工作原理，并给出雷达在对海上目标进行检测时的参数计算，最后对各体制雷达的性能参数作对比。计算机仿真实验验证了各体制雷达的检测性能。

海上目标；雷达参数；脉冲压缩雷达；调频连续波雷达

1 概述

随着我国水运事业的蓬勃发展，沿海港口的贸易量急剧增长。在港口通航环境日益复杂的情况下，船舶交通管理系统等海上监视系统的建立成为一种必然。在这些系统中，雷达是不可缺少的一部分，它承担了监视海上目标、提供目标基本信息、实现多目标检测与跟踪等多项功能。如何在系统中选择合适的雷达，从而为系统提供及时有效且全面的信息支撑是一个实际且重要的问题。

针对上述问题，检测海上目标的雷达被学者们广泛研究，并给出了大量文献。其中，孙昭峰等针对复杂背景的海上目标特性进行研究，说明了姿态角对高分辨距离像的影响，证明了目标的近姿态角一维距离像符合检测目标的尺度性和强相关性[1]；饶辉等人的研究基于低分辨雷达目标分类的识别技术，提高了低分辨雷达的目标检测性能[2]；王君等以最大化雷达组网静态覆盖能力与动态探测能力为优化目标，提出一种基于多目标差分进化算法的解决方案，并进行仿真实验[3]；朱松、王燕等人这对海上雷达的电子支援措施做了广泛研究[4]；杨守仁等人对船舶交通管理系统中的雷达导航设备的准确性进行了讨论[5]；张韬等人对船舶交通管理系统中的雷达信号检测与录取作了介绍[6]。在其他领域，海上雷达也具有十分重要的作用[7-9]。

本文针对海上目标的特性，首先介绍不同海上目标的雷达检测性能，然后分析脉冲雷达、脉冲压缩雷达、调频连续波雷达的工作原理，并给出雷达在对海上目标进行检测时的参数计算，最后对各体制雷达的性能参数作对比。分析不同雷达对海上目标检测的能力，能够为各系统的雷达选取提供参考。

2 海上目标雷达检测性能

海上目标种类繁多，如何选用合适的雷达实现对多目标的检测与跟踪，是船舶交通控制系统及其他海上检测系统需要解决的问题。典型的海上物体往往被认为是点目标，在雷达的检测区域内，需要考虑目标的雷达反射截面积和高度属性，同时目标的抖动特性也对雷达目标检测有直接的影响。表1列举了一些典型目标的雷达检测特性以作参考。

表1 一些典型目标的雷达检测特性

编号典型代表雷达反射截面积高度/m目标抖动特性 S波段/m2X波段/m2 1小快艇、漂浮物等<<111快速抖动 2帆船、快艇等<132 3特制浮标等导航标志4103 4渔船、商船等401005稳定 5小型沿海贸易船等4001 0008 6大型沿海贸易船等4 00010 00012不抖动 7集装箱船等40 000100 00018

3 海上雷达参数计算

针对海上目标的雷达需要考虑具体实际情况，计算相关参数，以确定雷达的实际工作性能，实现目标检测与跟踪的有效性与准确性。如何选取合适的参数，直接影响雷达的工作状态，因此具有十分重要的实际应用意义。海上雷达的主要参数有雷达作用距离、天线选址、距离分辨率与方位分辨率、天线发射波束极化方式以及雷达最小探测距离等，其中的雷达作用距离、雷达距离分辨率与方位分辨率是雷达目标检测的重要指标。

雷达作用距离是检测雷达性能的重要指标，而针对海上目标的雷达在计算实际作用距离时，需要考虑天线架设位置高度和地球曲率的因素。天线架设位置越高，接收到的海杂波影响就越大，而雷达作用距离越远，地球曲率对作用距离的影响就越大。同时，目标较小、天气情况较差也会直接影响雷达的作用距离。

雷达的距离分辨率与方位分辨率直接影响雷达检测目标的精度，而雷达的距离分辨率与方位分辨率一般由雷达的性能所决定，但部分雷达也可以通过信号处理等方法提高分辨率，从而提升雷达的目标检测能力。

4 不同体制的雷达介绍

4.1 脉冲雷达

脉冲雷达的发射波形为短脉冲形式，同时需要较长的脉冲重复周期保证较大的测距范围，在接收机接收目标反射回波后，计算出对应的时间延迟，就可以测量出目标的距离[10]。脉冲雷达所发射脉冲的脉冲宽度通常为定值，因此性能较为稳定；脉冲宽度一般极短，以保证雷达的距离分辨率。增加脉冲宽度，虽然能够提高雷达的作用距离，但会降低雷达的距离分辨率，后向散射的增加导致雷达穿透降水的能力下降。考虑到相邻雷达同时工作的情况，需要给脉冲雷达组网分配不同的发射频率带宽，同时需要考虑带外信号的抑制问题。

4.2 脉冲压缩雷达

脉冲压缩雷达将宽度较短的调频连续波作为短脉冲发射出去，同时应用匹配滤波原理，能够在相同作用距离的情况下大幅度增加雷达的距离分辨率，解决了雷达距离分辨率受限于脉冲宽度的问题[11]。

脉冲压缩雷达的概念被提出后，经过多年的发展，其技术已经十分成熟，被广泛应用于各个领域中。由于距离分辨率的提高，雷达对发射功率的需求大大降低，因此在一些应用环境中，不再需要使用磁控管发射机，而是使用固态发射机，因此发射机的性能更加稳定，不再需要进行周期性的维护，而使用高频的固态发射机会产生较大电流，需要更为严谨的结构设计来获得足够的稳定性。同时，脉冲压缩雷达的脉冲宽度可以调很大，且发射波形可以被调制，一定程度上能避免恶劣天气所带来的缩小雷达作用距离的负面影响。

4.3 调频连续波雷达

调频连续波雷达不同于脉冲雷达与脉冲压缩雷达，其不再通过发射短脉冲波形来检测目标，而是通过发射连续波形来检测目标[12]。由于在重复周期内持续发射连续波形，调频连续波雷达可以在重复周期内获得良好的距离分辨率。调频连续波雷达同样是一种很成熟的技术，具有很高的系统稳定性，同样可以采用固态发射机发射信号，而不需要对发射机进行周期性维护。

相比于脉冲压缩雷达，调频连续波雷达的距离分辨率更高，但其在接收信号时引入的干扰也更为复杂，且对接收信号进行压缩后所产生的副瓣更大，对大目标附近的小目标淹没更为严重，因此降低了雷达的目标检测概率，且调频连续波雷达需要更复杂的天线设计以支撑发射连续波信号。

5 计算机仿真

设检测目标为远场窄带点目标，雷达接收信号信噪比为35 dB，且已经将回波调制到基带。在雷达照射方向设置三对邻近目标，每对邻近目标间距150 m，6个目标距离分别为10.5 km、10.65 km、12 km、12.15 km、13 km、13.15 km，将对应的雷达截面积归一化，分别为1，1，1，0.1，1，0.01.

实验一：令脉冲雷达发射脉冲宽度为100 ns，脉冲重复周期为1 000 Hz。

图1为脉冲雷达目标检测性能。从图中可以看出，6个目标都能被脉冲雷达检测到。

图1 脉冲雷达目标检测性能

实验二：多目标下线性调频脉冲压缩雷达目标检测。

令脉冲雷达发射脉冲宽度为1 000 ns，脉冲重复周期为1 000 Hz。图2为线性调频脉冲雷达目标检测性能。从图中可以看出，虽然脉冲压缩雷达的发射脉冲较宽，但线性调频脉冲压缩雷达的分辨率依旧很高。线性调频脉冲压缩雷达具有副瓣，图中第6个雷达截面积为0.01的小目标被淹没在附近大目标的副瓣中，对雷达的目标检测性能造成了影响。在实际应用中，可以考虑采用频域加权技术压低线性调频脉冲压缩雷达的副瓣。

实验三：多目标下线性调频连续波雷达目标检测。

线性调频连续波雷达无需设置脉冲宽度，令线性调频连续波雷达的脉冲重复周期为1 000 Hz，通过计算频差直接分辨出目标距离，图3为对应的线性调频连续波雷达目标检测性能。可以看出，通过频差检测目标所获得的检测性能与脉压相似，但具有更低的副瓣，对小目标检测有较大优势。另外，通过采用三角波调制，线性调频连续波雷达可同时获得目标的距离与速度信息。