一种大入射余角下舰船目标检测技术

杜 科， 沈 军

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

远程精确打击已成为现代战场的主导攻击方式。面对航母编队等慢速移动的海上大型目标威胁，具备精确制导能力的弹道导弹以其速度快、射程远、突防能力强、威力大将逐渐取代传统的亚音速和超音速巡航导弹，成为精确攻击航母等高价值海上目标的有效武器。相对传统弹道导弹在原有惯性制导基础上，新型弹道导弹通过提高导弹机动能力、增加卫星中制导和末段精确制导功能等手段确保对位置存在不确定性的移动目标的打击精度和毁伤概率，其中精确末段制导性能尤为重要，现有末段制导体制包括主动雷达、被动反辐射雷达或者复合体制。

弹道导弹基本采用从目标上方接近，近垂直入射的方式攻击目标。采用垂直攻击一方面是由于目前舰载导弹防御系统拦截扇面角度不足以覆盖自身天顶区域，从而弹道能够有效躲避防空导弹的拦截，成功突防；另一方面是因为航母等舰船目标甲板是其薄弱部位，大入射余角攻击航母甲板能够穿透甲板进入舰体后爆炸，最终有效杀伤目标，使其丧失作战能力。但是，大入射余角条件下海面杂波急剧增大，舰船目标回波处于主杂波内，难以采用常规杂波对消、滤波方法减小杂波，这严重影响导弹攻击末端主动雷达导引头舰船检测跟踪性能和末制导精度。因此，有必要对大入射余角下主动雷达导引头强主杂波中舰船目标检测技术进行分析和研究，为弹道导弹攻击海上大型目标末端制导提供技术途径。

1 海杂波特性

主动雷达导引头检测海面目标性能与海杂波强度有较大关系，而海杂波强度与海面后向散射系数和雷达有效照射面积有关［1］。其中海面后向散射系数σ0定义为单位面积的雷达散射截面积，主要与入射余角、雷达频率、极化方式、风速和风向等参数相关。

由实测数据和理论分析得到的σ0与入射余角之间的典型关系如图1所示，其中ψ1 和ψ2 为三个区域的分界点，由雷达波长、极化和海面状况决定。由图1可见，相对于平直区和近切向入射区进入近垂直入射后，σ0随着入射余角增大迅速增大。近垂直入射区为本文所讨论的区域。

文献［2］中利用Ku波段机载雷达测量系统对远海大范围入射余角（20°～90°）海面散射特性数据进行测量，给出了不同海情下，σ0随入射余角变化的数据，通过与理论计算结果比对验证测试数据的有效性。结果表明，50°约为平直区与近垂直入射区分界点。σ0随擦地角的变化速度随海面的粗糙度而变化，海面越光滑变化越快，海面越粗糙变化越慢［2］。

图1 σ0 随入射余角变化的典型曲线图

本文采用初次电磁流积分法与微扰法对Ku波段1～4级海情下粗糙海面后向散射系数进行理论仿真计算，结果如图2所示。图2中可以看到，近垂直入射区内入射角为70°时，σ0约-6dB，相对40°增大约15dB～20dB，到垂直入射时，σ0最大约为15dB。因此，大入射余角下强烈的海杂波背景将是导引头海面目标检测面临的严峻挑战。

图2 不同海情海面后向散射系数与入射余角关系图

将本文仿真结果与文献［2］中的结果进行对比可以看出，二者具有较高的一致性，同时说明本文仿真数据的有效性。下文以该仿真数据进行分析计算。

2 目标检测技术

2.1 雷达回波前沿检测技术分析

航母等舰船目标位于海面上，在时域上目标回波信号处于主杂波区；另外舰船目标属于慢速运动目标，当弹道导弹采用大入射余角攻击，舰船目标运动速度在弹目径向上的分量小，频域上目标回波信号也处于主杂波区。针对这类目标采用MTI、MTD、自适应滤波等方法均不能有效地在滤波主杂波的同时不影响目标信号。因此需要进一步从目标特征、飞行弹道、雷达波形、检测手段等方面出发进行分析，研究如何避免或减少海面杂波影响，提高检测信杂比。

考虑利用舰船目标甲板或舰船相对于海面存在一定的高度差，采用雷达回波前沿检测的方法［1］，剥离舰船目标回波和海杂波，在无杂波条件下进行目标检测。根据图3所示，高度线海杂波信号由于距离最近，而成为导引头最先收到的海杂波信号，雷达回波前沿检测要求目标回波信号先于高度线海杂波信号到达，即满足

式中：Rt为最小弹目距离，ΔR 为导引头距离分辨率，Hm为导弹高度，Ht为舰船高度，θ 为入射余角。

图3 导引头波束照射示意图

根据式（1）和（2）得出导引头入射余角θ和距离分辨率ΔR 需要满足的条件为

由此可知，采用雷达回波前沿检测法，首先要满足导引头具备高距离分辨能力，并小于舰船反射体高度。同时，入射余角需要保证在一定角度范围内。

距离分辨率取为15m，通过计算得出不同舰船高度条件下采用雷达回波前沿检测对应的最小入射余角θ与导弹高度关系，如图4所示，导弹高度越高，允许的入射余角范围越小，舰船高度为70m，导弹高度为20km 和4km 时，入射余角范围分别是86°～90°和80°～90°；随着舰船高度的减小，允许的入射余角范围越小，导弹高度为10 km，舰船高度为70m 和20m 时，入射余角范围分别是84°～90°和88°～90°。

图4 最小入射余角与导弹高度和舰船高度关系图

因此，只能在近垂直入射的较小角度范围内采用雷达回波前沿检测法剥离海面杂波干扰，这对导弹控制提出较高要求，要求能够控制导弹准确飞抵舰船目标上空，并满足入射余角约束条件。同时针对强海杂波采用AGC 措施，避免强海杂波对导引头接收机产生影响，造成对目标信号的压制。

2.2 信杂比改善技术途径分析

大入射余角条件下，导引头回波信号中海杂波回波强度随入射余角增大而急剧增大，海杂波取代接收机噪声成为影响导引头作用距离的主导因素，导引头作用距离由回波信杂比决定。根据雷达方程推导得出信杂比为

式中：σt为目标雷达散射截面积；σc为海杂波雷达散射截面积；σ0为海杂波后向散射系数；A 为杂波单元面积。

大入射余角下杂波单元面积为

式中：δφ 为雷达波束方位角度分辨率；c为光速；ΔR 为距离分辨率；θ为入射余角。

入射余角越大，对于导弹攻击越有利，但海面σ0随之越大，由式（5）可知：导引头在该条件下只能通过尽量减小与目标信号对抗的杂波单元面积，提高检测信杂比，确保大入射余角下能够检测到目标，辅助导弹精确并有效攻击舰船目标。

当无法剥离海杂波信号和舰船目标回波信号时，舰船目标信号处于主瓣杂波中，只能考虑尽量减小与目标回波信号对抗的主瓣杂波单元面积。由式（6）可知，减小杂波单元面积，可以通过提高导引头距离分辨率和方位分辨率实现。

（1）距离分辨率提高

实现距离高分辨的主要方式包括发射窄脉冲信号和发射大时宽带宽积信号。这两种信号形式各有其特点，具有不同的适用性。窄脉冲信号平均功率受限，导引头作用距离近，同时因为脉冲宽度窄，发射遮挡盲区小，因此窄脉冲信号适合于探测末端，此时弹目距离近，作用距离不受平均功率限制，同时需要导引头具有高距离分辨和较小的发射盲区；大时宽带宽积信号采用脉冲压缩处理技术获取距离高分辨，兼顾高距离分辨和作用距离指标，但发射脉宽较宽，发射盲区较大，因此大时宽带宽积信号适用于中近距检测。线形调频信号是应用最广泛的大时宽带宽积信号，其最大的优点在于匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，特别适合应用于具有较大弹目相对速度的弹载条件。

窄脉冲信号和大时宽带宽积信号距离分辨率ΔR 分别为cτ／2和1／B，其中c为光速，τ为发射脉宽，B 为信号带宽。要实现15 m 的距离分辨率，需要发射脉宽或信号带宽分别为0.1us和10 MHz。

（2）方位分辨率提高

方位分辨率与天线波束宽度和波束锐化比相关，要实现方位向高分辨，一方面可以缩小实孔径波束宽度，另一方面可以提高方位向波束锐化比。

增大天线孔径和提高发射信号频率都能够缩小天线波束宽度，天线孔径通常会受导弹外形结构尺寸限制难以增大，而发射信号频率则可以尽量选择在较高的频段，如Ku波段或更高的Ka毫米波波段。

导弹攻击舰船目标时，目标处于雷达前方，由于距离-方位耦合严重并且多普勒带宽小，无法利用SAR 技术获得方位向分辨能力。雷达前视超分辨成像技术利用超分辨算法通过多通道解卷积技术实现前视方位波束锐化比［3］，形成方位向高分辨，但该技术受信噪比因素影响较大，在小信噪比条件下，方位向波束锐化比难以得到有效的改善，不适用于在强主杂波背景中低信噪比下提高方位分辨率。采用相参积累通过多普勒锐化技术能有效提高雷达方位向波束锐化比，缩小杂波单元面积，如图5和图6所示，得到采用多普勒锐化前后杂波单元对比。

图5 多普勒锐化前杂波单元示意图

图6 多普勒锐化后杂波单元示意图

多普勒波束锐化比与多普勒带宽和频率分辨力有关，为

式中：Δfd为波束主瓣宽度内多普勒带宽；δf 为频率分辨率。由式（7）可知，增加多普勒带宽和提高频率分辨率能够提高波束锐化比，但是增大Δfd和提高δf 均存在约束条件。

式中：φ 为波束指向与弹速夹角；δφ 为方位向波束宽度；V 为弹速。由式（8）可知波束宽度内多普勒带宽主要受限于波束指向与弹速夹角。

因此，方位分辨率的提高需要尽量增大波束指向与弹速之间夹角。但波束指向与弹速之间夹角的增大需要导弹控制系统通过弹道控制配合实现，最大的波束指向与弹速夹角受限于导弹末端机动能力。仿真参数表，如表1所示。

表1 仿真参数表

图7所示为采用多普勒锐化技术，波束指向与弹速夹角为0°～4°，满足导引头能够检测到目标的信杂比要求所允许的最大入射余角与导弹高度之间关系。计算结果表明，导弹高度越低，波束指向与弹速夹角越大，导引头检测允许的最大入射余角越大，仿真中夹角为4°，高度为2km，最大允许入射余角可以达到78°。由此可见，当导弹下压段末端攻击时，通过导弹攻击弹道控制配合，在导引头天线波束指向与弹速之间形成一定的夹角，采用多普勒锐化后，能够实现导引头在大入射余角下对舰船目标的检测。

图7 最大允许入射余角与导弹高度和波束指向与弹速夹角关系图

根据上述分析，通过合理设计飞行弹道和导引头参数，并在弹道导弹下压段攻击过程中采用多种检测技术能够有效解决大入射余角下的强海杂波问题。当入射余角小于80°时，发射线形调频信号，采用脉冲压缩和多普勒锐化进行目标检测，当入射余角大于80°时，发射窄脉冲和采用脉冲前沿检测进行目标检测。

3 结束语

本文对主动雷达导引头大入射余角下强海杂波背景中舰船目标检测进行研究，分析雷达回波前沿检测技术及其应用条件；分析采用脉冲压缩和多普勒锐化技术进行目标检测的检测性能和约束条件。分析表明，在合理规划飞行弹道和设计系统参数的基础上，结合雷达回波前沿检测技术和脉冲压缩加多普勒锐化技术，能够有效地解决大入射导引头面临的强海杂波问题。但是大入射余角条件下强海杂波对舰船目标检测的影响仍是一个复杂的问题，今后还需通过大量试验对海杂波特性进一步研究、验证相关检测技术的有效性。

［1］ 任子西.不同入射余角下海面电波特性对雷达导引头的影响分析［J］.战术导弹技术，2009，（4）：1-6.

［2］ 周平，等.海面散射后向散射机载测量结果及分析［J］.系统工程与电子技术，2006，（3）：325-328.

［3］ 李惠.实孔径雷达波束锐化算法研究［D］.成都：电子科技大学，2010.