基于舰载雷达的海杂波特性分析与仿真

王雨辰

（西安导航技术研究所，西安 710068）

引言

利用雷达探测目标时，由于受到环境、设备等各种方式的干扰，往往会接收到一些干扰雷达正常工作的雷达回波信号，该种信号被称作杂波。根据进入路径的不同，可分为主瓣回波和旁瓣回波。而根据产生杂波载体的不同，可分为面杂波和体杂波。面杂波通常包括一定面积内的自然环境，包括植被、树木、人造建筑及海表面等散射的回波，又称为区域杂波，主要包含地杂波和海杂波。体杂波通常包括更大面积或具有一定活动属性的杂波，主要包括较大尺寸的云雨、箔条、鸟及昆虫等的散热回波[1]。

对于探测不同目标的雷达而言，会有不同的杂波对雷达进行干扰。而对于探测海面目标的雷达来说，由于镜面反射和漫反射，常常会产生后向散射效应，影响到雷达的探测识别能力，这种干扰信号就是海杂波。海杂波会受到多种环境因素的干扰，包括海浪大小，风速大小，温湿度等，相对地杂波更为复杂。因此，为了探测海面目标的雷达具备更好的性能，下文将对雷达将接收到的海杂波进行分析说明。

1 海杂波的后向散射特性

雷达回波是指雷达在工作过程中，通过空间散射体接收到的散射回波。需要对雷达回波的强度进行描述，从而确定雷达回波的特性。此处使用雷达截面积（RCS）对回波强度进行描述。根据雷达原理，雷达截面积往往与多个因素相关，包括雷达发射参数，如极化方式、电磁波的频率、入射角等，也与探测目标的特性相关，包括探测目标的外形、体积、组成结构和使用材料等，因此，通过雷达截面积的描述，能够对目标的特性（如大小、形状和指向）[3]进行较为准确的描述。

杂波产生的原理与雷达回波类似，只因探测的不是目标而是干扰因素而产生，因此，通过杂波散射截面积能够较好地对杂波功率进行分析。此处的等效散射截面积为杂波区（面积为Ac）反射产生。杂波的平均RCS 由式（1）给出：

式中：

σ0—单位面积的雷达反射率；

Ac—被照射的地面或海面区域面积，m2；

σ—被照射的区域的雷达散射截面积，m2[4]。

σ0是一个无量纲的系数，单位为分贝：σ0=10log10（σ/A）。

1.1 杂波散射系数

以上定义了雷达杂波单位面积的雷达反射率为，该参数也被称为杂波散射系数。通过杂波散射系数，可以对杂波特性进行描述，从而通过衡量散射体反射电磁波的能力评估雷达性能。对杂波散射系数及散射体的雷达截面积进行空间范围（面积或体积）的归一化或平均[5]可得到杂波后向散射系数。

使用杂波散射系数时，对散射体的均匀程度有要求。“均匀”的描述一个相对概念，散射体的均匀程度与多个因素相关，包括散射体本身的结构特性，用于探测该散射体雷达的分辨率特性等。当散射体自身越均匀，用于探测目标的雷达其分辨率越低，使用式（1）计算出来的后向散射系数就越精准[6]。

而海杂波恰好符合散射体均匀这个特性。海杂波往往是一个较大的平面，遮蔽效应较弱，可使用杂波散射系数进行较准确的计算。通过以上讨论，我们了解到由于杂波散射系数可由杂波散射截面积计算得来，因此海杂波散射系数也同样受到多个因素的影响，包括雷达发射参数，如极化方式、电磁波的频率、入射角等，同时还受到雷达分辨率的影响。此外，也与探测的杂波其特性相关，包括探测目标的外形、体积、组成结构和使用材料等，在此处就可以解读为可由海浪、风速、海浪相对于雷达波束的方向、持续时间所决定，同时还要受到浪峰的出现、退潮、涨潮以及影响表面张力的污染的影响[7]。

基于当前丰富的海杂波实测数据，不同学者使用不同思路提出了提出了多个海杂波杂波散射系数的经验模型。如Nathanson 统计了近60 组实测海杂波的杂波散射系数的数据，当时他使用较简单的数学模型GIT 模型进行了拟合，该模型与实际情况差别较大。

根据以上现有的60 组实测的海杂波数据，Gregers提出了改进的海杂波模型[8]。这个模型将雷达的多个参数考虑进行，建立了海杂波杂波散射系数σH，V与雷达工作频率f、极化方式、海态SS 和掠射角之间的关系，其具体表达式如下：

式中：

c1、c2、c3、c4、c5— 一种固定参数，根据天线极化的方式不同，具有不同的取值，水平极化和垂直极化条件下这五个参数的取值如表1 所示。

表1 海杂波经验模型中的参数

表2 仿真结果

1.2 杂波区域面积

此处，主要讨论的杂波区域的面积是指进入天线主瓣的杂波。建立如图1 所示的杂波几何图。角度和分别表示方位和垂直维的3 dB 波束宽度；表示擦地角即掠射角；雷达高度（从地面到天线相位中心）由表示，目标高度由表示；目标斜距是，其在地面上的投影为；距离分辨率是，其在地面的投影为；主瓣杂波区的面积由表示[9]。

图2 f=8 GHz 时，不同海情下杂波RCS 随距离的变化

图3 f=10 GHz 时，不同海情下杂波RCS 随距离的变化

图4 f=12 GHz 时，不同海情下杂波RCS 随距离的变化

将主瓣杂波区的面积近似为矩形，由上图可得杂波区域的面积为：

2 基于舰载雷达的海杂波RCS 仿真

为了验证海杂波的后向散射特性，对不同工作频率，不同海情，距离条件下的杂波RCS 进行仿真。仿真具体参数设置分别是：工作频段为X 波段，距离分辨率27.5 m，方位角3 °，垂直极化。

绘制出同一频率下，不同海情条件下杂波RCS 随距离的变化情况。

观察仿真结果，可以了解到在舰载雷达所处的环境下，海情越大，其所受到的海杂波散射截面积越大，对舰载雷达的干扰性越强。在信号处理算法中，我们可以针对海杂波的这种后向散射特性进行特别的抑制处理，从而降低海杂波对舰载雷达的影响[10]。

可通过设计杂波抑制软件，实时接收实际雷达系统采集的回波数据；同时也可实现离线数据读取与回放。在软件获取数据后，经过数据接收、数据预处理、信号处理和智能环境感知等四大模块，最终输出目标检测结果。首先，通过数据接收模块将来自雷达的实时数据或者读入的保存数据进行接收与存储；之后通过预处理模块对数据进行分离并读取有效数据；之后，通过信号处理模块对获取的有效数据进行信号处理，此处会选用专门的杂波抑制滤波器对数据进行处理；最后将信号处理模块处理后的脉压结果发给智能环境感知模块进行当前环境参数估计，并反馈杂波抑制的相关参数用于雷达去海杂波处理，最终输出目标检测结果等相关信息。

通过以上处理方式，可对不同海情下的海杂波进行抑制处理，最终使雷达获得更高的目标探测性能。

4 结语

本文在舰载雷达所受海杂波的基础上，分析了海杂波的后向散射特性，提出了杂波散射系数和杂波区域面积，基于海杂波的后向散射特性对于海杂波的散射截面积进行了建模与仿真。利用这种方法，可以对舰载雷达的海杂波后向散射特性进行分析，有针对性的在舰载雷达中进行杂波抑制处理。