机载PD雷达杂波建模与仿真研究

杨继庚，董文锋

(空军预警学院,武汉 430019)

机载PD雷达杂波建模与仿真研究

杨继庚，董文锋

(空军预警学院,武汉 430019)

摘要：针对机载脉冲多普勒(PD)雷达地杂波仿真实现的复杂性，基于一种简化的机载PD雷达相干地杂波仿真模型，建立了机载PD雷达在地杂波中检测目标的模型。该方法能准确反映出高度线杂波、主瓣杂波、副瓣杂波、目标回波的功率关系。结合仿真结果分析了机载PD雷达对处于不同杂波区目标的检测能力，结果与实际情况符合较好。

关键词：脉冲多普勒雷达；地杂波；主瓣杂波；相干

0引言

机载雷达平台高，克服了地面雷达对低空小目标探测能力弱的缺点。但是机载PD雷达处于下视工作状态时，回波中有强的地杂波，机载雷达检测出目标必须克服地杂波的影响[1]。对地杂波进行建模分析是仿真研究PD雷达目标检测能力的基础。

文献[2]和[3]里面采用网格积分法处理地杂波，这种方法计算量大，在积分区容易出现反常积分。文献[4]单纯地从地杂波角度考虑，没有反映出地杂波对检测目标的影响。

本文基于以上情况，采用网格映像法对相干地杂波进行建模与仿真，将一个网格单元近似为一个矩形平面，从而避开了积分法遇到的反常积分，大大减小了计算量。并假定了目标与载机的运动航迹，分析了目标处于不同杂波区时杂波对信噪比的影响。

1杂波建模

1.1　杂波单元网格划分

设机载雷达沿Y轴水平飞行，速度为V0，载机高度为H，方位角(与X轴正方向夹角)、仰角分别设为φ、α。由于机载平台与地面有相对运动，地杂波信号会产生多普勒频移:

(1)

在对杂波单元进行网格划分时，本文基于距离-速度划分方法，采用距离-方位划分网格单元。在距离上，将雷达最小分辨距离作为雷达到地面斜线的划分单元，将此单元投影到地面上，地面等距离线单元大小为：

(2)

可以看出，等距离环是以雷达在地面垂直投影点为圆心的同心圆，但是等距离线之间的间隔随着俯仰角的变大而变大。在同一距离环内仰角不变,于是有：

(3)

(4)

划分网格单元如图1所示。

于是杂波单元面积为:

(5)

1.2　地面反射特性

图1　杂波网格划分图

本文采用文献[3]里面修正的地面散射系数:

(6)

式中:α为雷达波擦地角(入射余角);θ0为定值，表示镜面反射区域，一般取5°;σos和σod也为定值，σos比σod大很多，通常取σos=8，σod=0.01;等式右边第一项为漫反射分量，第二项为镜面反射分量，此项构成高度线杂波，所以高度回波一般较强。

1.3　天线方向图

方位角、仰角为(α,φ)方向上的天线增益为:

(7)

式中:φ0为主瓣方位角;α0为主瓣仰角;行列均采用泰勒加权；M为阵列行数；N为阵列列数；α0.5为水平波瓣宽度，α0.5=100°/N；φ0.5为垂直波瓣宽度，φ0.5=100°/M。

1.4　相干地杂波回波信号模型

根据雷达距离方程可推导出第m个杂波单元反射的雷达回波信号幅度：

(8)

此杂波单元对应的回波信号多普勒相移为:

(9)

式中:ψ0为服从[0,2π]均匀分布的随机相位;f0为雷达发射信号的载频;fd为此回波单元的多普勒频移。

对于机载PD雷达而言，雷达波束照射到地面的距离会大于雷达的最大不模糊距离，也就是会有距离模糊。距离为R的检测单元的地杂波回波信号其实是下列距离单元信号的相干累加，也就是[5]:

Ri=R+iRu

(10)

式中:H≤Ri≤Rmax，Rmax为载机最大探测距离;R为目标所处的杂波单元的距离，R∈[0,Ru]，Ru=cTrep/2,为雷达最大不模糊距离。

此距离单元经接收机混频后的回波信号为:

(11)

式中:M为次距离单元模糊次数;N为一个距离单元内杂波单元的个数。

2目标的多普勒频移计算

设载机速度为V0，目标初始位置为B点，位于预警机右侧，速度为V1，与雷达照射波速的夹角为θ1(t)，目标相对于雷达的仰角为α1(t)，方位角为φ1(t)，航向角为β，如图2所示。于是有：

(12)

图2　目标和雷达载机的航线

3杂波区域分布仿真与分析

3.1　仿真条件

仿真条件如表1所示。

表1　杂波区域分布仿真条件

3.2　仿真结果

当方位角为44°，仰角为12°，重频为1 kHz时，仿真结果如图3所示；当方位角为44°，仰角为12°，重频为6 kHz时，仿真结果如图4所示；当方位角为44°，仰角为12°，重频为80 kHz时，仿真结果如图5所示；当方位角为-11.2°，仰角为3.55°，重频为40 kHz,vtarget=0 km/h时，仿真结果如图6所示；当方位角为-11.2°，仰角为3.55°，重频为40 kHz,vtarget=600 km/h时，仿真结果如图7所示；当方位角为-11.2°，仰角为3.55°，重频为40 kHz,vtarget=1 400 km/h时，仿真结果如图8所示。

图3　低重频地杂波谱

图4　中重频地杂波谱

图5　高重频地杂波谱

图6　目标处于主瓣杂波区

图7　目标处于旁瓣杂波区

图8　目标处于无杂波区

3.3　仿真分析

图3～图5的仿真条件是载机高度为3 km，方位角44°，仰角12°。脉冲重复频率依次为1 kHz(低重频)，6 kHz(中重频)，80 kHz(高重频)。通过公式R=H/sinα和式(1)计算出主瓣杂波的距离为14.4 km，主瓣杂波多普勒频移为7 550 Hz，最大地杂波多普勒频移为11.1 kHz。可以看出，雷达主瓣杂波较窄，主瓣杂波很强，其次是高度线杂波，然后是副瓣杂波。

主瓣杂波高于高度线杂波10 dB左右，高于副瓣杂波30 dB左右。高度线杂波在载机的高度距离3 km处。从图3可以看出，低重频时没有距离模糊，杂波落在14.5 km处，而频域高度模糊，主瓣杂波落在600 Hz处，杂波覆盖整个频域。图4中主瓣杂波落在1 680 Hz处，产生频率模糊，由于主瓣距离较近，最大不模糊距离为30 km, 此时没有距离模糊，但雷达扫描过程中主瓣的距离往往会大于30 km,也就很容易出现距离模糊。图5没有频率模糊，频域上杂波高度集中，而距离上产生高度模糊，杂波落在1.46 km处。

说明重频低时没有距离模糊，但会导致频域严重模糊；中重频时，频域与距离域都会有模糊；高重频时，没有频率模糊，但是距离上严重模糊。同时，重频越高，杂波单元覆盖的距离单元越多。

图6～图8仿真条件是:目标高度为1 km，载机高度为8 km，主瓣方位角为-11.2°，仰角为3.55°，目标航向30°。由于仰角太低，导致主瓣覆盖到整个距离单元。相关结果数据如表2所示。

图6中，目标切向速度为0，此时目标完全淹没在主板杂波中，无法检测；图7中，目标处于旁瓣杂波区，此时目标可以被检测出，但是对于小目标而言，回波较弱，很难检测出；图8中，目标处于无杂波区，可以被清晰地检测出。

表2　不同条件下的信杂比对照表

4结束语

本文采用网格映像法对机载多普勒雷达杂波进行了仿真，结论与实际情况符合较好。验证了多普勒雷达在低重频时，频率高度模糊；中重频时，频域距离域均有模糊；高重频时距离高度模糊。同时高重频时或者低仰角时，主瓣杂波覆盖距离单元数较多。

文章还仿真并分析了脉冲多普勒雷达对不同速度运动目标的检测能力，在无杂波区可以清楚地检测目标，在副瓣杂波区可以检测到雷达截面积较大的目标，而在主瓣杂波区和高度线杂波区无法检测目标。

参考文献

[1]贲得,韦伟安,林幼权.机载雷达技术[M].北京:电子工业出版社，2006.

[2]杨俭,宋强,宛清,靳小超. 一种机载PD雷达实时地杂波功率谱仿真算法[J].弹箭与制导学报，2007,27(3):281-283.

[3]张弓,朱兆达.一种简捷的机载PD雷达杂波仿真算法研究[J].雷达与对抗，2002(3):31-36.

[4]阮锋,李明,吴顺君.一种简捷的机载PD雷达地杂波仿真方法[J].现代雷达，2006,28(12):30-32.

[5]王雪松，肖顺平，冯德军，等.现代雷达电子战系统建模与仿真[M].北京:电子工业出版社，2010.

Research into Modeling and Simulation of

Airborne Pulse Doppler Radar Clutter

YANG Ji-geng,DONG Wen-feng

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

Abstract:Aiming at the complexity to realize ground clutter simulation of airborne pulse Doppler (PD) radar,this paper builds up the model of airborne PD radar detecting targets in ground clutter based on a simplified coherent ground clutter simulation model of airborne PD radar.The method can accurately reflect the power relations among height clutter,main-lobe clutter,side-lobe clutter and target echo.Combined with simulation result,the target detection capability of airborne PD radar in different clutter zones is analyzed,and the result is consistent with practice.

Key words:pulse Doppler radar;ground clutter;main lobe clutter；coherent

收稿日期:2014-12-17

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.018

中图分类号：TN958.2

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0065-05