姬 妍

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院， 陜西 榆林 719000)

0 引 言

甚長基線的雙基地雷達對地面進行探測時，接收到的回波數(shù)據(jù)中會有很強的地面雜波干擾存在，地面動目標(biāo)信號常常會淹沒在其中，這對地面動目標(biāo)的檢測帶來了很大的挑戰(zhàn).與單基地雷達相比，雙基地雷達的雜波分布[1，2]受兩載機配置(發(fā)射和接收平臺的速度、高度、飛行方向與陣面軸線的夾角等)的影響分布非常復(fù)雜.甚長基線的雙基地雷達對處在平臺之間和之外的地面動目標(biāo)進行檢測，雜波的分布形狀不僅和平臺的配置參數(shù)有關(guān)，而且地面雜波在發(fā)射和接收載機平臺在地面上投影點之間和之外的雜波差異也比較大，因此對于甚長基線這種新的機載雙基地雷達體制，雜波模型[3-5]的準(zhǔn)確估計直接影響到系統(tǒng)對于地面雜波的抑制性能[6]以及空時自適應(yīng)處理的動目標(biāo)的檢測性能[7-9].

圖1 雜波模型圖

本文建立了在甚長基線配置模式下雜波的一般模型，給出了雜波的距離多普勒和方位多普勒的準(zhǔn)確表達式，分析了處在此區(qū)域雜波的特點及其產(chǎn)生的原因，并通過計算機仿真驗證了模型的正確性，為甚長基線新的配置模式下的雜波抑制和運動目標(biāo)檢測研究奠定了基礎(chǔ).

1 甚長基線的雙基地雷達雜波建模

圖1給出了一般雙基地機載雷達的幾何關(guān)系.假定地面水平，以發(fā)射載機和接收載機之間的連線在地面上的投影作為X軸，建立OXYZ坐標(biāo)系；T、R分別表示發(fā)射載機和接收載機，它們的坐標(biāo)分別為(Tx,Ty,Tz)和(Rx,Ry,Rz)；S表示地面雜波散射點；C表示等距離橢圓環(huán)的中心；Ra和Rb分別表示距離環(huán)的中心點與發(fā)射載機和接收載機在地面上投影的距離；RT和RR分別表示雜波散射點距離發(fā)射載機和接收載機的距離；VT和VR分別表示發(fā)射載機和接收載機的飛行速度；HT和HR分別表示發(fā)射載機和接收載機的飛行高度；θFT和θFR分別表示發(fā)射和接收天線相對于基線方向的方位角；δT=0°和δR=0°情況下，δR為發(fā)射載機和接收載機的飛行方向與基線方向的夾角；θs為距離環(huán)上的散射點和距離環(huán)中心連線與基線的夾角；φT和φR分別表示雜波散射點相對于發(fā)射載機和接收載機的俯仰角；ψT和ψR分別表示雜波散射點相對于發(fā)射載機和接收載機飛行方向的夾角；θAT為發(fā)射天線陣面的軸向與發(fā)射載機飛行方向的夾角；θAR為接收天線陣面的軸向與接收載機飛行方向的夾角；由發(fā)射機T和接收機R組成機載系統(tǒng);地面回波數(shù)據(jù)為接收機接收的等距離環(huán)上所有回波數(shù)據(jù)的總和，這些等距離環(huán)是由T和R所構(gòu)成的橢球與XOY平面的交線構(gòu)成(圖1中虛線橢圓).當(dāng)發(fā)射和接收距離之和為Rs時，由T和R組成的橢球方程[4]為：

(1)

化簡得：

b2(xcosβ+zsinβ-εx)2+a2y2+a2(-xsinβ+zcosβ-εz)2=a2b2

(2)

該橢球與XOY平面相交的橢圓方程為：

b2(xcosβ-εx)2+a2y2+a2(xsinβ+εz)2=a2b2

(3)

(4)

(5)

在發(fā)射機T和接收機R在地平面上投影點之間的雜波區(qū)域處，θFR的范圍不再是(0,2π)，因此不能以接收的方位角作為建模參數(shù).本文通過計算橢圓中心點C的坐標(biāo)，由于C點和雜波散射點S的連線與X軸的夾角θs的范圍為(0,2π)，因此可以用θs建立方程來求解RR和RT.由上面的橢圓方程可以求出橢圓中心點C的坐標(biāo)為：

(6)

當(dāng)橢球和XOY平面相切，這時可以得到最小距離環(huán)的距離：

(7)

對于同一個距離環(huán)內(nèi)的雜波有：

RR+RT=Rs

(8)

由雜波模型的幾何關(guān)系可得：

(9)

化簡得：

A·R2+B·R+C=0

(10)

其中：

(11)

由式(10)求解R，發(fā)射和接收的距離、方位角和俯仰角可以用R表示：

(12)

雜波的空域角頻率和時域角頻率分別為：

(13)

式中λ為雷達發(fā)射信號的波長，fprf是雷達的脈沖重復(fù)頻率.

其中：

cosψR=cos(θFR-δR)cosφR, cosψT=cos(θFT-δT)cosφT
cosψFR=cos(θFR-δR-θAR)cosφR, cosψFT=cos(θFT-δT-θAT)cosφT

(14)

cl(n,k)為對于第n路(列子陣)第k個脈沖的對第l個距離環(huán)接收的雜波數(shù)據(jù)(忽略噪聲項)，考慮等效陣元方向性和距離調(diào)制，則有：

(15)

對于無模糊系統(tǒng)，第l個距離環(huán)的雜波數(shù)據(jù)的協(xié)方差函數(shù)為：

(16)

圖2 幾種簡單的飛行模式

其中，Δn=n2-n1，Δk=k2-k1，gn(φR)為第n個天線的接收方向圖函數(shù)，F(xiàn)(θT,φT)為發(fā)射方向圖函數(shù).

在雙基地雷達系統(tǒng)中，發(fā)射和接收的載機平臺的配置模式有無窮多種，而對于研究雙基地雷達雜波分布而言，其中4種載機平臺的配置模式比較典型，如圖2所示.

2 甚長基線的雙基地雷達雜波仿真

不失一般性，我們假定發(fā)射和接收都為正側(cè)視情況下，系統(tǒng)的配置參數(shù)如表1所示.

圖3按照表1中的配置參數(shù)仿真了圖2中4種典型的飛行模式下處于發(fā)射和接收平臺之間與之外雜波分布的雜波方向-多普勒圖，發(fā)射和接收平臺之間(208.806 1 km232.237 5 km)距離環(huán)的起始距離為235 km，距離環(huán)間距為50 m.

表1 系統(tǒng)的配置參數(shù)

圖3每種飛行模式的仿真圖中，3個距離環(huán)(Rs分別為205 km，220 km，250 km)雜波分布形狀近似，但并不重合,這是由于同一距離環(huán)的雜波可以看成是以發(fā)射和接收載機為焦點的橢球與地平面(假設(shè)地平面水平)相交所形成的橢圓.由式(3)及(4)知，對于不同的距離環(huán)，這樣的橢圓也不相同，導(dǎo)致了不同距離環(huán)上的雜波分布也不相同,這說明雜波具有距離依賴性.從仿真結(jié)果可知，在甚長基線配置模式下，雙基地雷達在不同的載機飛行模式下雜波形狀差異很大，這主要是由于不同的飛行模式導(dǎo)致天線軸向和載機飛行方向之間的夾角有很大的不同，進而導(dǎo)致雜波分布的形狀有很大的差異.載機平臺之間區(qū)域的雜波與平臺之外的雜波在分布形狀上差異也比較大，對于處在發(fā)射和接收平臺之間(200 998 m

圖4～圖7分別給出了在圖2 4種飛行模式下的雜波功率譜亮度圖.圖(a)中發(fā)射和接收平臺之間(208.806 1 km232.237 5 km)距離環(huán)的起始距離為235 km，距離環(huán)間距為50 m.

圖3 4種典型的飛行模式下的方向-多普勒圖

圖4 飛行模式1下的雜波功率譜亮度圖(主波束方向θs=90°)

圖5 飛行模式2下的雜波功率譜亮度圖(主波束方向θs=0°)

圖6 飛行模式3下的雜波功率譜亮度圖(主波束方向θs=0°)

圖7 飛行模式4下的雜波功率譜亮度圖(主波束方向θs=0°)

由圖4～圖7可見，雜波的功率譜亮度圖是由順次相鄰的400個距離環(huán)積累形成的雜波功率在方位和多普勒方向上的分布，雜波的功率譜分布形狀和雜波在方位和多普勒圖上的分布一致，這驗證了本文中的模型的正確性.另外，由于雜波分布具有距離依賴性，雜波的功率譜分布也發(fā)生了明顯的展寬，這使得使用帶檢測距離單元臨近的距離環(huán)來估計檢測單元的雜波譜分布不準(zhǔn)確.

圖8 4種飛行模式下的空時處理性能

圖8分別給出了在圖2 4種飛行模式下的空時處理性能，分別采用了全維最優(yōu)處理方法和3_DT降維處理方法.

3 結(jié)束語

甚長基線的機載雙基地雷達是一種全新的雷達體制.本文主要研究了在這種體制下的雜波分布模型.通過計算機仿真，發(fā)現(xiàn)在甚長基線的配置下雜波分布隨載機平臺的飛行模式變化很大.另外，雜波具有較強的距離依賴性，雜波在載機平臺之間和之外區(qū)域的分布差異也比較大.在4種典型的雙基飛行模式下，發(fā)射和接收飛機一前一后的飛行模式對于動目標(biāo)檢測比較有利，它的空時自適應(yīng)處理的信干噪比損失比其他幾種模式小.甚長基線的機載雙基地雷達雜波分布模型的建立為今后研究這一全新體制雷達的雜波抑制和地面目標(biāo)檢測奠定了基礎(chǔ).

參考文獻

[1] Himed B. Effects of bistatic clutter dispersion on STAP systems[J].IEE Proceedings on Radar,Sonar and Navigation, 2003, 150(1):28-32.

[2] Zhang Y, Himed B. Effects of geometry on clutter characteristics of bistatic radars[A].2003 IEEE Radar Conference[C] .USA: IEEE, 2003,(10): 417-424.

[3] Hartnett M P. Ground and airborne target detection with bistatic adaptive space based radar[A]. Proceedings of IEEE Radar Conference[C]. USA: IEEE, 1999.

[4] 王永良,彭應(yīng)寧.空時自適應(yīng)信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[5] 王永良,魏進武,陳建文.雙基地機載雷達空時二維雜波建模及雜波特性分析[J].電子學(xué)報,2001,29(12):1 940-1 943.

[6] 吳 洪,王永良.雙基地機載預(yù)警雷達建模與分析[J].電子學(xué)報,2006,12(12):368-375.

[7] 李 華,湯 俊,彭應(yīng)寧.星載雙基地雷達空時二維雜波建模方法[J].電子學(xué)報,2008,36(3)：418-430.

[8] 孟祥東,吳建新,王 彤,等.機載雙基雷達雜波分析及其距離模糊雜波的抑制[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報,2008,35(6):992-998.

[9] 王萬林,廖桂生,張光斌.相控陣AEW雷達雜波抑制的非均勻處理方法研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2004,19(3):348-353.