雷达导引头抗海背景干扰关键技术研究

2020-05-12杜向辉吴元伟

火控雷达技术 2020年1期

杜向辉吴元伟

(1.海装驻洛阳地区军事代表室河南洛阳 471000；2.中国空空导弹研究院河南洛阳 471009)

0 引言

近年来我国确立了建设“海洋强国”战略，随着国产航母的下海，一大批新型武器装备随之服役，我国海军力量不断增强，但这些武器装备对海洋环境的适应性有待进一步的研究。另外，“一带一路”和“海上丝绸之路”建设的启动、以及南海博弈时的日益复杂化，使海上护航、巡逻和战训成为常态化，对我国舰船等高价值目标的有效防卫成为一项亟待解决的艰巨任务。空空导弹作为整个海战精确杀伤的最关键环节，在防卫舰船、飞行器的安全、主动拦截敌对目标方面发挥着至关重要的作用，直接决定着海上局部战争的最终成败，而雷达型导弹以其全天时、全天候、作用距离远的优点，成为夺取制空、制海权的主要武器[1]。

由于海面是一种相对平坦均匀、同时又复杂多变的独特背景环境，反舰导弹、巡航导弹、无人机和隐身飞机等飞行器通常可以采用低空甚至超低空的飞行方式突防，避开敌方的雷达探测和火力网，其飞行高度可低至距海面仅几米的距离，具有飞行高度低、飞行速度快、雷达反射截面小、机动性强等特点[2-3]。因此，研究海背景干扰对雷达导引头性能的影响，无论对提高我方武器的杀伤力，还是提高对敌方目标的拦截能力上来说都很必要。

雷达对低空掠海目标的探测与跟踪会受到海面背景的强烈干扰，强海杂波、以及目标散射与海面复杂的耦合作用，很可能影响雷达的探测能力和跟踪稳定性，使其性能不能完全满足实际使用需求。因此，低空、超低空目标的探测和跟踪一直是雷达目标特性领域具有挑战性的课题之一[4-8]。国内外学者基于公开的岸基雷达对海探测实验采集数据，对海杂波特性和岸基雷达目标检测算法展开了比较深入的研究，但是对于弹载雷达导引头来说，由于其技术敏感性、数据获取的难度大、平台的可用空间有限等难题，目前的研究有限[9-11]。本文针对雷达导引头，力图梳理出海背景干扰对其探测和跟踪性能的影响，以及亟待解决的关键技术。

1 海背景干扰影响

海背景干扰对雷达导引头的影响主要表现在两个方面：一是在高海情下目标检测能力下降，在高海情下，海面的后向散射系数增大，杂波的回波幅值变大，杂波的统计特性偏离传统的高斯分布模型，雷达导引头需要从复杂随机的杂波信号中提取出目标回波信号，恒虚增加检测能力下降；二是目标低空掠海飞行时，目标与海面复合形成的镜像可能与目标同时落入导引头主波束内，产生多路径效应，改变目标直达波幅度和相位信息，造成雷达导引头最大作用距离的损失和俯仰角测量的误差。

1.1 海杂波的影响

海面背景可以视为由大量随机分布的运动散射体所组成的平面，海面的起伏与风速和风向有关。雷达杂波信号是来自海面回波的叠加，对于雷达导引头来说，海面与雷达的相对姿态变化引起了杂波幅度、相位的变化以及杂波在功率谱上的展开，海杂波总体上可以描述为一个具有特定概率幅度分布特性和功率谱的随机过程，杂波的强度和分布特性与雷达平台的实时姿态、海面的后向散射系数有关，随海情的变化而有所不同。

海面的后向散射系数取决于海面的风速、风向、雷达频率、雷达波束擦地角、极化方式、分辨率等，按照海况可分为五个等级，如表1所示，理论上海情越高海浪的起伏越大，海面的后向散射系数越大，海杂波的强度越大，对雷达导引头的影响越严重。基于国外采集的试验数据发展出了许多半经验的模型来描述海面的后向散射系数，其中Morchin模型可覆盖地海背景，使用条件宽泛，可用于构建一般的仿真模型，但精度有限。

表1 海情海况分级

等级12345海情一二级三级四级五级六级及以上

图1为Morchin模型2、3及海情下VV极化的后向散射系数的理论值与某次试验实测值的对比，实测两条曲线属于同一海域同一时间段，但相对海浪的飞行方向不同。从图中可以看出理论模型与实测值存在一定的偏差，海面后向散射系数随风向的不同而有所不同。由此可以反映出海面是一个复杂的动态系统，后向散射系数模型其只给出了一定置信度的均值水平，实际地型的后向散射系数是分布式独立散射体的综合统计结果，但是由于雷达导引头应用的技术敏感性和试验组织难度大，使得可用的试验数据有限，限制了相应的海杂波特性研究、海杂波仿真建模技术研究和抗杂波技术研究。

图1 VV极化海面后向散射系数理论与实测值对比

雷达导引头由于其处于高速运动平台上，不同于岸基雷达，海杂波在频域上展开，杂波的时频分布特性也与岸基雷达有所不同。对于在频域检测的雷达导引头来说，在检测和跟踪低空掠海目标时面临的杂波环境包括：主杂波、旁瓣杂波、高度线杂波等，占据频谱位置关系如图2所示，对应不同的弹目态势。

图2 杂波环境位置关系图

1.1.1 迎头攻击区

当导引头在高重频模式攻击迎头目标时，理论上目标回波信号将处于频域的无杂波区，得出这一结论的一个前提条件是认为导引头发射信号频谱为单一谱线，或其相位噪声和杂散足够低，从而地面回波信号的相噪远小于导引头热噪声本底，对目标检测构不成影响。实际中，导引头频率综合器产生的发射激励信号总是存在一定的相位噪声，在频域表现为发射信号并非仅有单一谱线存在，而是同时伴随发射载频铺满整个频带的随机噪底，如图3所示。

图3 导引头发射信号相位噪声曲线示意图

发射信号的相位噪声随主谱线一起辐射出去，经反射后进入导引头接收系统。伴随的相位噪声基底高度与大信号强度成正比，由于此前雷达导引头的发射功率有限，导引头信号处理系统的相噪水平较高，相噪引起的噪底抬高问题很少发生，因此迎头区相噪问题处于认识的盲区。随着固态有源相控阵雷达在导引头上的应用，雷达的发射功率不断提高，当导引头下视迎头攻击低空掠海飞行目标时，强主杂波泄露的相位噪声基底与系统热噪声合成后将抬高系统噪底，从而减小导引头的作用距离。

假设主杂波的功率为Pc，导引头在频偏fd处相位噪声功率谱密度为Pp(dBc/Hz)，导引头系统的频域分析带宽是B，则在相应频偏处相位噪声引起的噪底P0为

P0=Pc+Pp+10lgB

(1)

相对于纯噪声环境下，相噪引起的噪底抬高Td为

Td=P0/kBTF=Pc+Pp+10lg(kTF)

(2)

其中kBTF为系统的热噪声，k波尔兹曼常数，T为常温290K，F为导引头噪声系数。因此，若导引头的最大作用距离为Rm，则相噪与系统热噪声合成后导引头的作用距离R为

R=Rm(10-Td/10+1)0.25

(3)

1.1.2 主杂波区

在导弹攻击下方机动目标，当目标速度矢量与弹目视线夹角接近90°时，目标相对于导弹的径向速度趋近于0，信号多普勒接近主杂波，出现主杂波湮没目标回波信号的现象。主杂波幅度由天线波束下视角、导弹飞行高度、地面后向散射系数等多方面因素决定，由于主波束增益很大，主杂波幅度往往会超过导引头接收机噪声本底60 dB以上。在此期间雷达导引头可能无法检测目标。若在遇靶时或遇靶前短时间内出现这一情况，将导致飞控无法接收到目标测量信息，对弹体的控制仅能依赖滤波算法外推，导弹命中概率下降、脱靶量增大。具体概率下降程度受多种因素影响：

1)目标RCS (雷达散射截面积)越小，目标回波信号越弱，越难烧穿主杂波，脱靶风险增大。

2)主杂波幅度越强(低空、大下视角)，回波信号越难烧穿，脱靶风险增大。

3)遇靶前过主杂波时间越长，弹道控制参数的误差越大，脱靶风险增大。弹道误差大到一定程度，即使目标在遇靶前短时间内重新恢复，也难以将弹道调整到位。

4)中重频波形有利于改善信杂比，减小过主杂波时间降低过主杂波脱靶风险。但仍无法从根本上解决主杂波的影响，可能出现主杂波虚警导致脱靶风险增大。

综上所述，主杂波区内目标信号丢失的时间与主杂波的幅度、频谱宽度，目标机动大小等均有关，导弹是否脱靶与目标的机动时机由很大关系，理论上控制目标机动使其在弹道末端进入雷达导引头主杂波区，或者采用L机动飞行，能降低雷达导引头的命中概率，当然，在空战中实际操作中会有很大的风险。

对雷达导引头来说，低空飞行、小RCS、慢径向速度目标的检测与跟踪问题是一个亟待解决的难题，通过控制导引头波形或者信号处理算法可以提高主杂波附近导引头检测能力，提高对低小慢目标的跟踪稳定性。

1.1.3 副瓣杂波区

导弹尾后下视攻击时，雷达导引头工作在旁瓣杂波区，目标回波需与旁瓣杂波、相位噪声、系统热噪声进行竞争，因此导引头的作用距离取决于信杂噪比和杂波的概率分布。海杂波的统计特征偏离高斯分布，随雷达分辨率及海面状况不同，适于描述海杂波统计特性的模型也不同，如瑞利(Rayleigh)分布模型、莱斯( Rice) 分布模型、对数正态(Log-Normal) 分布模型、威布尔( Weibull) 分布模型和 K分布模型等来表示。

海杂波功率分布的形状参数随海况发生变化，波浪顶部的离散的碎浪导致海杂波的相应数值要大于瑞利分布预期给出的数值。波浪等级越大，较大数值出现的概率越高，相应分布的拖尾就越长(均值中位数之比就越大)，为保持恒虚警雷达导引头必须提高相应的检测门限，这将导致其作用距离的损失。图4为三种分布下虚警概率随门限系数的变化关系曲线，从图中可以看出，在三种杂波分布背景之下，虚警概率随着门限系数的升高而降低，形状参数c越大，Pfa受门限系数T的影响越大。当T=1时，三条曲线相交于一点；当T>1且门限系数相同时，虚警概率从低到高依次为指数分布、瑞利分布和韦布尔分布；当T<1且门限系数相同时，虚警概率从低到高依次为韦布尔分布、瑞利分布和指数分布；这是由于当门限系数相同时，随着形状参数c的减小，具有较大幅度的非规则样本对高门限的影响大于低门限。

图4 不同分布下虚警概率随门限系数的变化关系曲线

为提高雷达导引头在杂波下的性能，重点研究其杂波抑制技术和特定杂波背景下的目标检测技术，如通过自适应波束形成等抑制杂波信号的强度，通过MIMO体制、小波变换、人工智能等杂波统计特征提取技术提高杂波下目标的检测和识别概率，降低杂波的虚警率，减小杂波引起的作用距离损失。

1.1.4 高度杂波区

高度杂波与雷达波束近垂直入射时副瓣接收到的杂波回波有关，相对于其他杂波来说，高度杂波虽然天线增益较小，但路径最短，且不同于陆地上背景，海面上近垂直入射区的后向散射系数极大，因此高度杂波的强度很高，可使雷达导引头形成主杂波以外的另一个检测盲区。

图5为某次海上试验采集的杂波功率谱，其中零频附近的尖峰为高度杂波，中间的尖峰为主杂波，即个别条件下高度杂波的强度和宽度甚至可以超过主杂波，因此需要对高度杂波区的目标信号作出特殊处理。当然，除了带来检测问题以外，利用高度杂波信号可以测量当前导弹的高度，作为导引头检测与跟踪的一个可靠的辅助信息。

图5 某海上试验采集的杂波功率谱

1.2 多路径效应

雷达导引头检测低空目标时，多径效应是影响雷达导引头检测性能的另一个主要因素。图6为多径效应的示意图，当目标低空飞行时，目标与镜像可能同时位于导引头主波束内，此时镜像目标将在相位和幅度上调制目标信号，可能影响导引头的测角。

图6 多路径效应示意图

多径效应包括镜反射和漫反射，镜反射是前向散射，多径效应的强度与雷达导引头下视射角、反射面粗糙度等因素密切相关。掠射角越小、反射面越光滑，镜反射越强，漫反射越弱；随着掠射角的增大和反射面粗糙度的增加，镜反射成分逐渐减弱，漫反射成分逐渐增强。分别选取三个典型频点，对不同极化条件下镜面反射系数模值与擦地角变化关系进行分析，分析结果如图7所示。

可以看出，对于HH极化，反射系数随擦地角和频率的变化较小，且明显大于VV极化，表明其反射回波能力较强；对于VV极化，反射系数首先随擦地角的增大而减小，随后又出现变大的趋势，其出现最小值时对应的擦地角即为Brewster角，在该角度附近，入射到海表面内的透射分量迅速增加，从而使反射系数出现较大的变化，且频率越低，变化越剧烈。此外，随频率的增加，Brewster角呈现出增大的趋势，但是均小于20°，利用Brewster可减弱镜像路径回波的强度。

图7 反射系数与擦地角和极化方式的关系

多径效应改变了直达波的振幅、相位和方向，对雷达性能的影响主要有：一是引起波瓣分裂，改变场强的空间分布，影响雷达的探测性能；二是对雷达的俯仰角、方位角及距离等参数都有影响，但是影响最严重的是俯仰角测量。多径效应会导致目标回波信号随弹目距离接近起伏。

关于多径效应的研究主要集中在岸基雷达的应用中，这是由于岸基雷达探测低空目标时仰角很小多径效应相对明显，多径效应对于雷达导引头的影响缺乏系统的研究，目前多径效应的仿真模型比较简单，多采用主要考虑镜面反射的四路径模型，缺乏对海面漫反射的精确建模。

2 抗海背景干扰关键技术

由于雷达导引头技术应用的敏感性，组织试验难度大，平台运动速度高，目标检测与跟踪的信号处理周期短，且弹上平台的内部空间有限，一方面使得可用于杂波特性分析与建模的试验数据很难获得，另一方面，许多在地基雷达、岸基雷达、机载雷达验证有效的算法很难应用到雷达导引头上，因此雷达导引头抗海背景干扰技术有待进一步的研究。

根据上文梳理的情况，抗海背景干扰的关键技术主要有：

1) 海背景下雷达导引头的数据采集试验

建立系统的弹载雷达导引头采集试验方法，构建包含海况、温度、风向、风速等气象条件的完备试验数据库，为定量分析提供基础。

2) 海杂波的特性分析与建模

海杂波特性与雷达的频段、分辨率、下视角、海况等因素相关，针对不同工作模式和应用场景的雷达导引头，某些共性的海杂波特征可以相互借鉴，但是对特定的导引头需要建立独立的精确数学模型，海杂波仿真建模技术研究和抗杂波技术研究。

3) 多径效应建模

多径效应的中，尤其是漫反射效应的物理模型需要较为精确的动态海面模型，目前多径效应的数学模型大多只考虑简单的镜面反射，且基于岸基雷达应用的小擦地角，针对雷达导引头的应用的模型需要进一步的研究。

4) 低小慢目标检测算法研究

针对低空飞行、小RCS、慢径向速度目标的主杂波附近检测与跟踪问题是雷达导引头应用中一个亟待解决的难题，减小主杂波区目标的丢失时间能够极大地提高导引头跟踪的稳定性，提高对目标的命中率。

5) 杂波下目标检测与识别算法研究

对雷达导引头在杂波背景下检测目标的应用场景，需要研究杂波的统计特征，控制杂波下的虚警率，同时提取出的新的特征用于识别目标和杂波，提高雷达导引头的作用距离。

6) 多径效应抑制算法研究

多径效应对导引头测量的影响体现在距离、速度、角度三个维度，其中影响最严重的是俯仰角测量。根据前文的分析结果，抑制多径效应的可行措施主要包括以下几个方面：

①采用VV极化，利用Brewster效应控制弹道，减小镜像回波的幅度；

②提高雷达工作频率，采用频率捷变/频率分集技术，或双波段工作体制，可以规避探测盲区，减小俯仰角的测量误差；

③提高雷达分辨率，利用直达波路径和镜像路径的路径差和多普勒频率差，在检测跟踪前将镜像回波信号的量进行滤除；

④采用DOA估计技术，在空间上估计直达波和反射波的到达角，并根据空间几何位置判断真实目标方位。

7)深度学习

随着近年来人工智能领域的迅速发展[12]，与传统方法相比，深度学习算法具有自动提取深层特征、获取较高准确率等优势，虽然深度学习在雷达导引头领域中应用中存在过拟合、可解译性、资源有限等问题，但利用深度学习算法提取目标与杂波的特征，识别目标与镜像，预测目标的航迹等在雷达导引系统中有很大的应用前景，期待未来在这方面的研究进展。