低空逃逸小RCS目标PD雷达探测技术

刘明辉，刘 昊，陈浩川

低空逃逸小RCS目标PD雷达探测技术

刘明辉，刘 昊，陈浩川

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

雷达面临的挑战之一是来自于对低空逃逸微弱目标的探测。现代军事逐渐向低空领域扩展，超低空逃逸技术也在日益发展，促使对低空逃逸微弱目标检测技术研究的地位日益提升。雷达对低空微弱目标进行下视探测时，目标的低空和超低空飞行致使雷达接收的回波功率变弱，被淹没在强烈的背景杂波中。与传统脉冲多普勒PD（Pulse-Doppler）雷达不同，合成宽带脉冲多普勒雷达可以同时实现距离和速度的二维高分辨，并且具备良好的相参性和抗干扰性能。针对低空飞行目标的特点进行定性定量分析，对探测所遇到的杂波环境进行仿真验证，提供了一种基于合成宽带脉冲多普勒雷达低空逃逸小雷达截面积RCS目标的探测方法，并对参数设计进行优化分析，降低漏探概率。

低空逃逸；合成宽带；相参积累；相位补偿

引 言

由于雷达在低空安防领域表现的高效和先进性，因此在此领域逐渐占据了核心位置[1]。低空逃逸目标以及隐身技术对雷达的挑战巨大[2]，隐身技术的发展使得目标的雷达截面积RCS大大降低，而低空弱小目标更是带来了多径效应，更容易被强杂波环境所影响。简而言之，就是此类目标RCS小、背景杂波强，使得其不能很好地被探测出来。针对此类目标，一方面可以使用现代信号处理的技术解决问题，比如动目标显示（Moving Target Indicator）技术、动目标检测（Moving Target Detection）技术、脉冲多普勒技术以及长时间积累等技术。另一方面，还需要通过在雷达自身设施上采取手段来进行杂波抑制或者改善，比如采用频率捷变技术、大宽带技术，或者在硬件上采取超低副瓣技术等[3,4]。综上，由于探测目标飞行高度低、散射面积小，在复杂环境中容易被噪声和杂波淹没，雷达需要具备同时实现距离维和速度维的二维高分辨，才能完成对目标的精确探测任务。

传统脉冲多普勒雷达的处理方式是通过多普勒滤波器组进行速度分辨[5]，从而在强杂波的环境下对其进行抑制，并从中提取出目标的运动信息。根据雷达系统理论知识，距离维的高分辨可以通过增大带宽来实现。而雷达想要实现速度的高分辨，往往需要相参积累技术，并且积累的时间越长分辨率越高，PD雷达可以通过采用脉冲串的形式来增加信号处理的时间。但是大宽带和较长的处理时间存在一定的兼容问题。带宽越大，目标在脉冲串内包络走动的现象越明显，往往对相参积累造成损失。目前常用的宽带信号体制有线性调频信号、相位编码、瞬时窄脉冲信号以及频率步进信号[6]。目前，频率步进合成宽带与PD雷达结合是一种新型体制，与传统PD雷达相比，它具有能够实现二维距离高分辨、极强的杂波抑制能力、可解速度模糊、抗干扰能力强、子脉冲瞬时窄带等特点。

本文首先对合成宽带PD雷达的两种信号形式进行介绍，阐释其原理，提出基于合成宽带PD雷达的信号处理流程；然后针对探测过程中可能遭遇的强地、海杂波进行仿真建模分析，从而分析本系统所适应的雷达擦地角、回波主瓣杂波强度、目标的最小可检测速度进行定量分析，为工程应用提供理论依据。

1 信号模型

1.1 合成宽带PD信号模型

频率步进信号是典型的瞬时窄带宽合成宽带信号[7]，它是宽带PD雷达的基础。宽带PD雷达的信号形式主要有两种，一种是多周期脉冲间频率步进信号，另一种是多周期脉冲内频率步进信号。

多周期脉冲间频率步进信号的时频形式如图1所示。由图可以看出，其特点是周期内发射单个脉冲，每个周期内的脉冲载频是步进的。脉冲周期重复发射，在此周期内信号频率步进。多周期脉冲内频率步进信号的时频图[8]如图2所示。

图1 多周期脉冲间频率步进信号时频图

图2 多周期脉冲内频率步进信号时频图

经过接收机本振混频后，基带信号可以表示为：

对一共个子脉冲进行重排，载频相同的子脉冲为一组，形成N个脉冲串[10]。对N个脉冲串进行FFT，即对窄带信号进行脉冲多普勒处理。然后对频率步进的帧内进行IFFT处理，得到高分辨结果。此过程可以从频域对不同速度的目标和杂波进行分离，测得所有目标的速度后可以进行补偿，从而削弱运动对一维距离向的影响。每个速度通道进行相参合成脉压处理，进而得到速度维的高分辨结果。对相参积累进行二维恒虚警检测，最后可实现二维的高分辨检测。图3所示为合成宽带PD雷达实现高分辨处理流程图。

2 探测环境与性能分析

2.1 杂波特性

针对低空逃逸目标的探测任务分析，主要面对的杂波情况是地杂波或海杂波[11]。地海杂波的建模方法已有很多学者做出了很多研究，本节选取两个针对性强且常用的建模方法进行分析。

2.1.1 地杂波单位面积散射系数

查阅相关文献，各个参数的取值与地形地貌的关系见表1。

表1 不同地貌地杂波模型取值

2.1.2 海杂波单位面积散射系数

采用Morchin模型进行分析。Morchin海杂波模型是一种典型的海杂波后向散射参数简化模型[12]。根据资料，海杂波主要受载频、海情和擦地角影响，假设载频范围可以任意，擦海角考虑范围为0.1°～90°，则可得具体模型如下：

2.1.3 杂波RCS

其中，为合成带宽。

2.2 信杂比改善因子需求

假设雷达采用步进频方式合成宽带，任意时刻是窄带系统，甚至是单频系统，则在处理过程当中可以把滤波器设计得很窄，可以对热噪声进行良好滤除，因此暂不考虑热噪声。

雷达所接收到的目标回波功率为：

雷达所接收到的杂波功率为：

则信杂比为：

为了实现可靠探测，信杂比改善因子需求为：

为满足一定发现概率和虚警概率下的最终信杂比。

3 仿真实验与分析

3.1 杂波仿真

假设雷达高度在6 km开始探测，取合成信号带宽100 MHz，可进行海杂波RCS的仿真，如图5所示。根据雷达海杂波瑞利准则知识，大于60°可以认为是高擦地角区，即可认为是表面粗糙的。从图中可以看出，到了高擦地角范围海杂波的RCS普遍激增。

在定植前要深耕整地，施足底肥、培肥地力。根据地形南北行或东西行种植，行距1.6～1.8米，挖宽0.4～0.5米、深0.5米的定植沟。每亩施有机肥1000千克、复合肥25千克，与土混合均匀施入定植沟，灌水踏实，定植沟平面低于原地面5～7厘米。

图4 海杂波后向散射与擦地角之间的关系

图5 海杂波RCS图

3.2 最小可检测速度仿真

主瓣杂波的多普勒带宽为：

当目标飞行与雷达没有夹角时，杂波的多普勒频率最大值为：

此时飞机速度对目标多普勒频率的影响也消除了，假设目标沿着径向飞行，此时目标的多普勒频率为：

由此，可计算出最小可检测速度。

图6 15 GHz频段最小可检测速度示意图

图7 30 GHz频段最小可检测速度示意图

从图6和图7可知，随着擦地角的增大，目标的最小可检测速度也随之增大[13]。将两个不同频率的曲线相比较可以看出，当方位角为0时，频率对最小可检测速度没有影响。但是当大方位角时，高频段可以适应的擦地角度显然更大[14,15]。根据定量计算，15 GHz可以适应的最大擦地角为53.5°，30 GHz频段最大能适应的擦地角为69.7°。需要注意的是，虽然高频段能适应的擦地角更大，但是由于频率的提高，处理时间也相应变长，需要根据工程实际进行调整。

3.3 作用距离仿真

通过多普勒域滤波获得信杂比改善之后，作用距离的计算忽略杂波影响，计算中考虑热噪声[16]。

图8 作用距离示意图

4 结束语

对低空逃逸小RCS目标的探测是雷达领域的一大挑战[2,19]，利用合成宽带PD雷达新体制的距离速度二维高分辨的优势[17]，可以获得较强的探测性能，从而实现对该类目标的探测任务。本文从探测中可能遇到的强杂波环境做了针对性的建模仿真，设定了探测所需的参数，探究了杂波RCS、擦地角、最小可检测速度之间的关系，并且对目标作用距离进行了详细计算，得出了不同参数之间的准确关系，提出雷达频率、积累时间等参数需要综合考虑，为后续的工程化应用提供了有效的参考。

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PD radar detection technology of low-altitude escape small RCS targets

LIU Minghui, LIU Hao, CHEN Haochuan

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

One of the major challenges that radar faces comes from the detection of low-altitude escaping weak targets. Modern military is gradually expanding to the low-altitude field, and ultra-low-altitude escape technology is also increasingly developed, resulting in the research on low-altitude escape and weak target detection technology. When the radar performs downward-looking detection on this low-altitude weak target, due to the relatively low flying height of the target, the corresponding scattering coefficient of the target is large, so that the echo of the target is easily submerged in the sidelobe clutter. Different from traditional pulse-Doppler (PD) radar, synthetic broadband pulse-Doppler radar can achieve two-dimensional high resolution of distance and velocity at the same time, and has good coherence and anti-jamming performance. In this paper, a qualitative and quantitative analysis of the characteristics of low-altitude flying targets is carried out, and the clutter environment encountered by the detection is simulated and verified, and a detection method of low-altitude escape small radar cross-section (RCS) targets based on synthetic broadband pulsed Doppler radar is provided, so as to optimize the parameter design to reduce the probability of missed detection.

Low altitude escape; Synthetic broadband; Coherent accumulation; Phase compensation

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

TN957.51

A

CN11-1780(2022)06-0117-07

10.12347/j.ycyk.20220509001

刘明辉, 刘昊, 陈浩川.低空逃逸小RCS目标PD雷达探测技术[J]. 遥测遥控, 2022, 43(6): 117–123.

10.12347/j.ycyk.20220509001

: LIU Minghui, LIU Hao, CHEN Haochuan. PD radar detection technology of low-altitude escape small RCS targets[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 117–123.

2022-05-09

2022-06-01

刘明辉 1996年生，硕士研究生，主要研究方向为雷达信号处理。

刘 昊 1976年生，博士，研究员，主要研究方向为相控阵天线与微波技术。

陈浩川 1979年生，硕士，研究员，主要研究方向为雷达总体设计。

(本文编辑：杨秀丽)