基于回波数据的雷达探测威力监控研究

夏 栋,戚甫峰,沈建森,纪晓佳

(海军航空大学青岛校区,山东 青岛 266041)

雷达是一种大功率、高频率的电磁探测设备。随着工作年限的增加,其发射功率、波导损耗、接收机灵敏度都可能出现指标下降,从而导致探测威力下降,因此，雷达探测威力监控是一项重要的工作[1]。目前，雷达探测威力监控的传统方法分为两种:一种是通过检测设备对雷达的发射功率、射频组件驻波比、接收机灵敏度等指标进行测量,将测量结果与雷达系统标称指标进行对比,根据各项指标真实取值对雷达的探测威力进行监控[2-4];另一种方法是通过靶机检飞的方式[5-7],通过目标配合以试验飞行的方式测出雷达的探测威力。第一种方法涉及测试环节多,测试步骤复杂,并且测试内容不能覆盖影响探测威力的所有因素;第二种方法能够真实反映雷达当前的探测威力,但是需要组织靶机飞行配合,费用较高。针对以上两种方法的不足,本文提出了一种利用雷达底噪和目标回波数据对雷达威力进行监控的方法。实现思路为:从雷达回波数据中提取干净区域的底噪数据,通过数据统计计算出雷达接收机底噪信号强度水平;从回波数据中提取探测远区目标回波数据,经过数据统计计算目标回波强度,根据雷达距离方程和目标距离、目标回波强度、底噪强度对雷达探测威力进行评估。

1 接收机底噪电平估计

雷达采集数据一般为正交解调后I/Q双通道数据,一个脉冲重复周期内数据存储格式如图1所示。对于该PRT中第i个采集点对应的信号电平的计算方法如式(1)所示。

图1 采集数据存储格式

(1)

为了得到雷达工作期间的底噪电平,需要合理选择底噪数据样本。具体方法为从雷达数据回放PPI画面中选择无目标、干扰、杂波等回波的干净区域,如图2所示。提取出该区域内不同时间段多个扫描周期回波数据,然后根据提取到的底噪数据分别计算底噪电平均值和方差,根据统计知识其计算公式如式(2)和式(3)所示。

图2 雷达数据回放PPI画面

(2)

(3)

其中,E(N)为噪声均值,表明了接收机噪声水平;D(N)为噪声的方差,代表了接收机噪声起伏大小;N为采集数据扫描周期数量,M为每个扫描周期内提取噪声数据个数;N(i,j)为提取数据的功率值,计算公式如式(1)。

2 目标回波强度估计

为了准确掌握雷达的探测威力,应当选取探测区域远区目标的回波数据作为评估依据。通过远区目标对雷达探测威力进行监控的思想为:如果目标回波强度远强于接收机底噪,说明雷达发射机、天线、射频组件工作性能良好,目标回波强,雷达探测性能良好,仍能够探测更远距离的目标;如果目标强度接近或者低于噪声电平,说明目标回波较弱,雷达对该目标的探测距离已接近极限,不能探测到更远。这需要提取出只属于目标的数据,提取出目标回波数据如图3所示,计算提取目标回波强度的方法与式(2)类似,如式(4)所示。

图3 6个天线扫描周期内提取目标回波数据

(4)

其中,E(S)为目标回波均值,表明了目标回波强度;S(i,j)为提取目标回波数据;其他各符号含义与式(2)相同。N表示采集了多个PRT的目标回波数据,通过统计平均可以减小目标由于姿态变化等原因造成的RCS在不同PRT间的起伏。

3 雷达探测威力监控

根据雷达距离方程的推导过程,目标回波强度计算公式如下所示[8]。

(5)

式中,Pt为雷达发射功率,Gt为雷达天线发射增益,Gr为雷达天线接收增益,λ为雷达发射电磁波波长,σ为目标反射截面积,R为目标距离,Lr为雷达系统损耗。

雷达威力一般用雷达的最大探测距离表示,雷达最大探测距离是一个概率统计值[9],一般取目标RCS为5 m2、发现概率为0.5时对应的探测距离的最大值。若雷达接收机灵敏度为Simin,目标RCS为σ0=5 m2,最大探测距离为Rmax,由式(5)接收机灵敏度为Simin与最大探测距离Rmax的关系如式(6)所示。

(6)

式中,各参数含义与式(5)一致,由于式(6)中发射功率、接收机灵敏度及系统损耗可能随着雷达工作年限增加而变差,因此不能直接通过式(6)计算得到。为了得到Rmax的值,将式(5)和式(6)相比后可以得到式(7)。

(7)

对式(7)中各变量进行分析,σ0为标准目标RCS,一般取σ0=5 m2。R为目标距离,可以根据目标回波的距离中心和测距公式得到,假设目标的距离中心为第l个采样数据,那么目标距离为如式(8),其中c为光速,fs为采集频率。

(8)

Simin为接收机灵敏度,如果发现概率取Pd=0.5,那么Simin近似为式(2)中的噪声电平均值,理由是当目标回波功率等于接收机噪声电平时,目标被发现的概率近似为0.5。Pr为目标回波强度,可由式(4)得到。因此,在式(7)中只有目标的反射截面积σ是未知的。在雷达的真实工作过程中某些情况下可以通过目标识别手段识别出目标,比如SAR图像识别、AIS系统识别海上目标和ADS-B识别空中目标等。这些设备一般与雷达一起配套于大的任务系统中。此时可以将识别出目标的典型RCS代入式(7)求解出雷达的最大探测距离Rmax,典型目标RCS取值如表1所示[10]。

表1 各类型目标典型RCS值

但是也存在部分雷达不能识别目标,那么未知类型目标的RCS将会影响Rmax的准确性。针对该问题本文的解决思路为,在雷达同一工作期间采用雷达探测到的多个不同目标计算得到的最大探测距离求均值得到最终的Rmax。以空中目标为例,由表1空中目标RCS的中位数在10 m2,即σave=10 m2。对于第k个目标,对应最大探测距离计算方法如式(9)。

(9)

当第k个目标的RCS大于σave时，Rkmax比真实Rmax偏小,而第k个目标的RCS小于σave时，Rkmax比真实Rmax偏大。为了减小Rmax误差,采用如下计算公式,其中N为参加计算目标的个数。

(10)

以某型岸基警戒雷达为例,厂家提供的雷达探测威力指标为当目标RCS为σ0=5m2时,最大探测距离Rmax不小于330 km。对执行某次探测任务的回波数据进行分析,从无目标、干扰、杂波等回波的干净区域提取到噪声电平样本如图4所示,根据式(2)得到底噪电平均值为17.94。

图4 提取到的接收机噪声数据

在不利用识别目标的RCS情况下,提取10个不同目标的回波数据,图5给出了其中一个目标在单个天线扫描周期内的回波数据。根据式(4)、式(8)和式(9),10个目标相关参数的计算结果如表2所示。

图5 目标回波数据

根据式(10)对表2中的Rkmax求平均可以得到Rmax=320.18 km，与厂家给出威力指标值相近,但是并没有达到指标值要求,说明该雷达存在探测威力下降的现象。同时利用RCS为5 m2的靶机对该型雷达的性能进行了拉距检飞验证,检飞结果表明当靶机距离超过315 km后,该雷达无法发现靶机。这证明了雷达确实出现了探测威力下降问题,应当对发射机功率、接收机灵敏度以及波导驻波比进行测量,查找威力指标下降的原因。

表2 不同目标Rkmax计算结果

4 结束语

本文提出了一种利用雷达回波数据对雷达威力进行监控的方法。通过统计方法，计算出接收机底噪电平和目标回波幅度,结合目标距离和RCS反演计算出雷达的最大探测距离。针对未识别目标RCS不确定的问题,利用同一探测环境中多个目标计算出各自的Rkmax,通过求均值减小目标RCS不确定的影响。通过某型岸基警戒雷达的真实回波数据进行了Rmax的计算,结果证明了该方法的可行性。