最佳极化在雷达检测中的得益分析*

吴盛源，张小宽，袁俊超，丁德文

(1.空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710051；2.中国人民解放军94259部队，山东 青岛 266000)

最佳极化在雷达检测中的得益分析*

吴盛源1，张小宽1，袁俊超1，丁德文2

(1.空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710051；2.中国人民解放军94259部队，山东 青岛 266000)

最佳极化发射和接收是增大隐身目标RCS，提高雷达对隐身目标检测概率的有效方法。通过对目标RCS与雷达发射极化方式内在规律的研究，指出RCS与发射极化方式满足余弦关系，基于该规律提出一种提取最佳极化的新方法。仿真对比了不同发射极化方式下的目标动态RCS，并利用Swerling I检测模型研究最佳极化在雷达检测中的得益。仿真结果表明，采用最佳极化收发，隐身目标RCS得益最大可达30 dB，雷达对隐身目标检测概率得益最大可达0.5。仿真结果也证明了该提取最佳极化方法的有效性和可行性。

最佳极化；检测；隐身目标；极化捷变；动态RCS；得益

0 引言

隐身目标是雷达四大威胁之一，在微波频段，隐身目标采用隐身技术后对单基地雷达RCS缩减可达20～30 dB[1]。隐身目标在历次战斗中的出色表现证明了其对雷达探测性能构成了严重威胁。但是，隐身目标不能在全方位、全频域隐身，也不能在全极化域隐身，这就为雷达反隐身提供了可能。雷达反隐身已引起国内外研究者的高度关注[2-4]。

极化信息表征了电磁波的矢量特性，它是电磁波除幅度、相位和频率之外的另一重要信息。雷达目标对入射波有去极化效应，当雷达发射信号频率和功率确定时，目标回波功率将随发射极化方式的改变而改变，Kennaugh于1952年首次提出最佳极化的概念，所谓最佳极化，就是确定某种发射或接收极化方式，使目标回波功率达到最大。寻求最佳发射极化和接收极化增强雷达对目标的检测、估计、跟踪和识别能力是当前国内外研究的热点。文献[5]提出一种发射极化优化算法，提高了目标波达方向(direction of arrival,DOA)估计精度。文献[6]利用发射-接收联合优化的方法，获得最佳极化散射矩阵估计。文献[7]通过自适应极化调制接收，提高了三维成像的分辨率。但是文献[5-6，8]都没有涉及对目标检测问题的研究。文献[7]构建了数字变极化探测系统，对采用不同发射极化方式测得的数据进行处理，提取了可用于目标检测和识别的特征量，但尚未涉及最佳极化的研究；文献[9]基于矢量传感器，提出了一种自适应波形极化的设计方法，该方法获得了更好的雷达目标检测性能，但只考虑了最佳发射极化对目标检测性能的影响。文献[10]提出了求解一元二次方程的最佳接收极化提取方法；文献[11]通过构建检测概率与发射-接收极化函数模型，说明了最佳发射-接收极化联合优化后，将显著提高雷达的检测性能。文献[12]通过改变发射天线极化优化极化特征，提高雷达对舰船的检测性能；但文献[11-12]并未对最佳发射极化和最佳接收极化的提取方法进行研究。此外，目前在最佳极化对隐身目标的雷达检测性能影响方面的研究还未有文献报道。

基于以上背景，本文基于极化捷变雷达体制，研究了目标RCS(radar cross section)与发射极化方式的内在规律，提出了一种最佳极化提取新方法。以隐身飞机为对象，研究了最佳极化在雷达目标检测中的得益。

1 接收最佳极化提取

A.J.Poelman[13]首先提出了虚拟极化的概念，指出雷达的自适应极化匹配接收可以通过虚拟极化系统实现。将接收的目标信号送入虚拟极化系统中，进行幅相加权处理，就能以最佳极化方式接收。

目标回波信号的Jones矢量表示为

(1)

水平、垂直接收信号经I/Q系统正交分解输出信号(Ih，Qh)T和(Iv，Qv)T。

对水平极化分量，取加权系数为cosγ0进行幅度加权：

(2)

对垂直极化分量，取加权系数为sinγ0进行幅度加权，再进行φ0的移相：

(3)

经过虚拟极化系统处理后输出的电场为[14]

E2cos2γ0cos2γ+E2sin2γ0sin2γ+

(4)

由公式(4)可知，改变参数γ0和φ0，就能控制接收极化方式。取γ0=γ，φ0=2π-φ，此时雷达接收电场电压达到最大，对应雷达最佳极化接收。

2 发射最佳极化提取

2.1 极化角定义

如图1所示，散射坐标系通常建立在目标O处，发射天线T位于球坐标系上，-θ，φ和-r分别是球坐标系上的单位矢量，满足右手螺旋规则，-r为雷达入射波的传播方向，选择-θ为水平极化基h，φ为垂直极化基v。雷达发射线极化波时，定义电磁波极化角η为电场方向e与-θ(h)的夹角，η∈[0°，180°)。

图1 极化基与极化角Fig.1 Polarization base and polarization angle

2.2 发射最佳极化提取方法

单站情况下，雷达发射和接收的极化基是一样的，在水平、垂直极化基下，雷达入射电场Ei和目标散射电场Er用散射矩阵表示为

(5)

式中：下标“hv”表示垂直极化发射水平极化接收，“hh”，“vh”和“vv”含义类似。

由互易定理可知，

(6)

以下为了推导方便，取极化角为η的入射波电场Ei幅度为1，相位为0，则水平和垂直电场分量分别为

(7)

(8)

由式(5)～(8)可得

(9)

(10)

式中：

(11)

(12)

(13)

(14)

雷达最佳极化接收后，目标RCS与雷达接收电场幅度的关系为

(15)

式中：

(16)

(17)

(18)

在特定频率和目标姿态下，目标散射矩阵中的元素s和φ都是常数，因此a，b和c也是常数，即在特定频率和目标姿态下，最佳极化收发的目标RCS与发射极化角满足余弦关系。

依次测得3组数据(η1，σ1)，(η2，σ2)和(η3，σ3)，解出公式(15)，再对公式(15)进行求导获得的极大值点ηopt，就是使目标RCS最大的最佳发射极化角。

3 最佳极化收发对隐身目标检测概率影响

3.1 目标检测模型

复杂目标可以表示为大量散射单元的组合，可以采取Swerling I型模型来分析其RCS对检测概率的影响。

对于Swerling I型目标，其检测概率的公式表示为[15]

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

初始门限值VT，0为

(24)

np为积累脉冲个数，雷达相参积累np个脉冲后信噪比为

SNR=npS/N，

(25)

由式(25)可知，当雷达参数和目标距雷达的距离确定时，信噪比由目标RCS确定。则给定虚警概率，目标检测概率只与目标RCS有关，增大目标RCS就能提高雷达对目标的检测概率。

3.2 仿真分析

某型隐身目标作水平急转弯机动，仿真航迹设置为：目标超声速飞行，速度为450m/s，以雷达所在位置为坐标原点建立空间直角坐标系，飞行航迹为从(50，0，9)km到(30，0，9)km直线飞行攻击目标；从(30，0，9)km到(30，36，9)km作圆周机动飞行；从(30，36，9)km到(50，36，9)km直线返航飞行，机动航迹如图2。

雷达参数设置为：天线发射功率500kW，频率300MHz，增益35dB，积累脉冲数50，脉冲重复周期0.5ms。雷达分别采用水平极化、垂直极化和最佳极化发射电磁波，仿真得到目标动态RCS序列如图3。取虚警概率Pfa=10-11，仿真了飞机从(50，0，9)km到(35，0，9)km直线飞行过程中雷达采用不同发射极化方式对目标检测概率，如图4。

图2 水平转弯机动航迹Fig.2 Horizontal turning maneuver

图3 水平转弯机动动态RCS序列Fig.3 Dynamic RCS sequence of horizontal turning maneuver

图4 雷达对隐身目标检测概率Fig.4 Detection probability of radar stealth target

由图3可知，在0～40s，隐身目标正对雷达飞行攻击，雷达水平极化或垂直极化发射测得的目标动态RCS很小，最小可达-40 dBsm，而采用最佳极化发射后对目标RCS的得益最高可达30 dBsm。由图4可知，在飞机距雷达50～40 km处，雷达水平发射对目标检测概率比垂直发射的大，而在距雷达40～35 km处，雷达水平发射对目标检测概率比垂直发射的小。采用单一极化发射方式不能全程有效检测目标，这说明了极化捷变雷达在反隐身中的重要性。雷达采用最佳极化发射方式，将显著提高对目标的检测概率，得益最高可达0.5，最佳极化在提高雷达的反隐身性能方面具有重要作用。

4 结束语

本文基于极化捷变雷达体制，研究了目标RCS随雷达入射波极化方式的变化规律，提出了一种提取最佳极化的新方法。结合典型隐身目标飞行攻击过程，研究了最佳极化对隐身目标RCS以及检测概率的影响。仿真结果表明，本文提出的提取最佳极化的方法具有准确性和可行性，最佳极化能显著提高目标RCS，采用极化捷变雷达，实现最佳极化收发，在雷达反隐身中具有重要作用。

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Optimal Polarization Gain for Radar Detection

WU Sheng- yuan1，ZHANG Xiao- kuan1，YUAN Jun- chao1，DING De- wen2

(1.AFEU,Air and Missile Defense College，Shaanxi Xi’an 710051，China; 2.PLA,No.94259 Troop，Shandong Qingdao 266000，China)

Optimal polarization is a valid approach to increase stealth target radar cross section(RCS) and improve the detection probability of stealth target. The inherent law of the target RCS and the polarization mode of the radar emitter are studied, which shows that the RCS change track is a cosine curve. A new method for extracting the optimal emission polarization is proposed. The target dynamic RCS under different polarization is simulated and compared, and the polarization gain for radar target detection is studied by using the Swerling I detection model. The simulation results show that using optimal polarization brings 30 dB gain of RCS and 0.5 gain of detection probability. The simulation results also demonstrated the effectiveness and feasibility of the method to extract optimal polarization.

optimal polarization； detection； stealth target； polarization agility； dynamic radar cross section(RCS)； gain

2016-08-29；

2016-12-03 作者简介：吴盛源(1991-)，男，福建漳州人。硕士生，主要研究方向为雷达目标特性及其应用。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.032

TN957.51；TP391.9

A

1009- 086X(2017)- 04- 0213- 05

通信地址：734100 甘肃省张掖市山丹县南湖路25号 E- mail：wushy1991@163.com