杜 科， 沈 軍

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

遠程精確打擊已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場的主導(dǎo)攻擊方式。面對航母編隊等慢速移動的海上大型目標威脅，具備精確制導(dǎo)能力的彈道導(dǎo)彈以其速度快、射程遠、突防能力強、威力大將逐漸取代傳統(tǒng)的亞音速和超音速巡航導(dǎo)彈，成為精確攻擊航母等高價值海上目標的有效武器。相對傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈在原有慣性制導(dǎo)基礎(chǔ)上，新型彈道導(dǎo)彈通過提高導(dǎo)彈機動能力、增加衛(wèi)星中制導(dǎo)和末段精確制導(dǎo)功能等手段確保對位置存在不確定性的移動目標的打擊精度和毀傷概率，其中精確末段制導(dǎo)性能尤為重要，現(xiàn)有末段制導(dǎo)體制包括主動雷達、被動反輻射雷達或者復(fù)合體制。

彈道導(dǎo)彈基本采用從目標上方接近，近垂直入射的方式攻擊目標。采用垂直攻擊一方面是由于目前艦載導(dǎo)彈防御系統(tǒng)攔截扇面角度不足以覆蓋自身天頂區(qū)域，從而彈道能夠有效躲避防空導(dǎo)彈的攔截，成功突防；另一方面是因為航母等艦船目標甲板是其薄弱部位，大入射余角攻擊航母甲板能夠穿透甲板進入艦體后爆炸，最終有效殺傷目標，使其喪失作戰(zhàn)能力。但是，大入射余角條件下海面雜波急劇增大，艦船目標回波處于主雜波內(nèi)，難以采用常規(guī)雜波對消、濾波方法減小雜波，這嚴重影響導(dǎo)彈攻擊末端主動雷達導(dǎo)引頭艦船檢測跟蹤性能和末制導(dǎo)精度。因此，有必要對大入射余角下主動雷達導(dǎo)引頭強主雜波中艦船目標檢測技術(shù)進行分析和研究，為彈道導(dǎo)彈攻擊海上大型目標末端制導(dǎo)提供技術(shù)途徑。

1 海雜波特性

主動雷達導(dǎo)引頭檢測海面目標性能與海雜波強度有較大關(guān)系，而海雜波強度與海面后向散射系數(shù)和雷達有效照射面積有關(guān)［1］。其中海面后向散射系數(shù)σ0定義為單位面積的雷達散射截面積，主要與入射余角、雷達頻率、極化方式、風速和風向等參數(shù)相關(guān)。

由實測數(shù)據(jù)和理論分析得到的σ0與入射余角之間的典型關(guān)系如圖1所示，其中ψ1 和ψ2 為三個區(qū)域的分界點，由雷達波長、極化和海面狀況決定。由圖1可見，相對于平直區(qū)和近切向入射區(qū)進入近垂直入射后，σ0隨著入射余角增大迅速增大。近垂直入射區(qū)為本文所討論的區(qū)域。

文獻［2］中利用Ku波段機載雷達測量系統(tǒng)對遠海大范圍入射余角（20°～90°）海面散射特性數(shù)據(jù)進行測量，給出了不同海情下，σ0隨入射余角變化的數(shù)據(jù)，通過與理論計算結(jié)果比對驗證測試數(shù)據(jù)的有效性。結(jié)果表明，50°約為平直區(qū)與近垂直入射區(qū)分界點。σ0隨擦地角的變化速度隨海面的粗糙度而變化，海面越光滑變化越快，海面越粗糙變化越慢［2］。

圖1 σ0 隨入射余角變化的典型曲線圖

本文采用初次電磁流積分法與微擾法對Ku波段1～4級海情下粗糙海面后向散射系數(shù)進行理論仿真計算，結(jié)果如圖2所示。圖2中可以看到，近垂直入射區(qū)內(nèi)入射角為70°時，σ0約-6dB，相對40°增大約15dB～20dB，到垂直入射時，σ0最大約為15dB。因此，大入射余角下強烈的海雜波背景將是導(dǎo)引頭海面目標檢測面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

圖2 不同海情海面后向散射系數(shù)與入射余角關(guān)系圖

將本文仿真結(jié)果與文獻［2］中的結(jié)果進行對比可以看出，二者具有較高的一致性，同時說明本文仿真數(shù)據(jù)的有效性。下文以該仿真數(shù)據(jù)進行分析計算。

2 目標檢測技術(shù)

2.1 雷達回波前沿檢測技術(shù)分析

航母等艦船目標位于海面上，在時域上目標回波信號處于主雜波區(qū)；另外艦船目標屬于慢速運動目標，當彈道導(dǎo)彈采用大入射余角攻擊，艦船目標運動速度在彈目徑向上的分量小，頻域上目標回波信號也處于主雜波區(qū)。針對這類目標采用MTI、MTD、自適應(yīng)濾波等方法均不能有效地在濾波主雜波的同時不影響目標信號。因此需要進一步從目標特征、飛行彈道、雷達波形、檢測手段等方面出發(fā)進行分析，研究如何避免或減少海面雜波影響，提高檢測信雜比。

考慮利用艦船目標甲板或艦船相對于海面存在一定的高度差，采用雷達回波前沿檢測的方法［1］，剝離艦船目標回波和海雜波，在無雜波條件下進行目標檢測。根據(jù)圖3所示，高度線海雜波信號由于距離最近，而成為導(dǎo)引頭最先收到的海雜波信號，雷達回波前沿檢測要求目標回波信號先于高度線海雜波信號到達，即滿足

式中：Rt為最小彈目距離，ΔR 為導(dǎo)引頭距離分辨率，Hm為導(dǎo)彈高度，Ht為艦船高度，θ 為入射余角。

圖3 導(dǎo)引頭波束照射示意圖

根據(jù)式（1）和（2）得出導(dǎo)引頭入射余角θ和距離分辨率ΔR 需要滿足的條件為

由此可知，采用雷達回波前沿檢測法，首先要滿足導(dǎo)引頭具備高距離分辨能力，并小于艦船反射體高度。同時，入射余角需要保證在一定角度范圍內(nèi)。

距離分辨率取為15m，通過計算得出不同艦船高度條件下采用雷達回波前沿檢測對應(yīng)的最小入射余角θ與導(dǎo)彈高度關(guān)系，如圖4所示，導(dǎo)彈高度越高，允許的入射余角范圍越小，艦船高度為70m，導(dǎo)彈高度為20km 和4km 時，入射余角范圍分別是86°～90°和80°～90°；隨著艦船高度的減小，允許的入射余角范圍越小，導(dǎo)彈高度為10 km，艦船高度為70m 和20m 時，入射余角范圍分別是84°～90°和88°～90°。

圖4 最小入射余角與導(dǎo)彈高度和艦船高度關(guān)系圖

因此，只能在近垂直入射的較小角度范圍內(nèi)采用雷達回波前沿檢測法剝離海面雜波干擾，這對導(dǎo)彈控制提出較高要求，要求能夠控制導(dǎo)彈準確飛抵艦船目標上空，并滿足入射余角約束條件。同時針對強海雜波采用AGC 措施，避免強海雜波對導(dǎo)引頭接收機產(chǎn)生影響，造成對目標信號的壓制。

2.2 信雜比改善技術(shù)途徑分析

大入射余角條件下，導(dǎo)引頭回波信號中海雜波回波強度隨入射余角增大而急劇增大，海雜波取代接收機噪聲成為影響導(dǎo)引頭作用距離的主導(dǎo)因素，導(dǎo)引頭作用距離由回波信雜比決定。根據(jù)雷達方程推導(dǎo)得出信雜比為

式中：σt為目標雷達散射截面積；σc為海雜波雷達散射截面積；σ0為海雜波后向散射系數(shù)；A 為雜波單元面積。

大入射余角下雜波單元面積為

式中：δφ 為雷達波束方位角度分辨率；c為光速；ΔR 為距離分辨率；θ為入射余角。

入射余角越大，對于導(dǎo)彈攻擊越有利，但海面σ0隨之越大，由式（5）可知：導(dǎo)引頭在該條件下只能通過盡量減小與目標信號對抗的雜波單元面積，提高檢測信雜比，確保大入射余角下能夠檢測到目標，輔助導(dǎo)彈精確并有效攻擊艦船目標。

當無法剝離海雜波信號和艦船目標回波信號時，艦船目標信號處于主瓣雜波中，只能考慮盡量減小與目標回波信號對抗的主瓣雜波單元面積。由式（6）可知，減小雜波單元面積，可以通過提高導(dǎo)引頭距離分辨率和方位分辨率實現(xiàn)。

（1）距離分辨率提高

實現(xiàn)距離高分辨的主要方式包括發(fā)射窄脈沖信號和發(fā)射大時寬帶寬積信號。這兩種信號形式各有其特點，具有不同的適用性。窄脈沖信號平均功率受限，導(dǎo)引頭作用距離近，同時因為脈沖寬度窄，發(fā)射遮擋盲區(qū)小，因此窄脈沖信號適合于探測末端，此時彈目距離近，作用距離不受平均功率限制，同時需要導(dǎo)引頭具有高距離分辨和較小的發(fā)射盲區(qū)；大時寬帶寬積信號采用脈沖壓縮處理技術(shù)獲取距離高分辨，兼顧高距離分辨和作用距離指標，但發(fā)射脈寬較寬，發(fā)射盲區(qū)較大，因此大時寬帶寬積信號適用于中近距檢測。線形調(diào)頻信號是應(yīng)用最廣泛的大時寬帶寬積信號，其最大的優(yōu)點在于匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，特別適合應(yīng)用于具有較大彈目相對速度的彈載條件。

窄脈沖信號和大時寬帶寬積信號距離分辨率ΔR 分別為cτ／2和1／B，其中c為光速，τ為發(fā)射脈寬，B 為信號帶寬。要實現(xiàn)15 m 的距離分辨率，需要發(fā)射脈寬或信號帶寬分別為0.1us和10 MHz。

（2）方位分辨率提高

方位分辨率與天線波束寬度和波束銳化比相關(guān)，要實現(xiàn)方位向高分辨，一方面可以縮小實孔徑波束寬度，另一方面可以提高方位向波束銳化比。

增大天線孔徑和提高發(fā)射信號頻率都能夠縮小天線波束寬度，天線孔徑通常會受導(dǎo)彈外形結(jié)構(gòu)尺寸限制難以增大，而發(fā)射信號頻率則可以盡量選擇在較高的頻段，如Ku波段或更高的Ka毫米波波段。

導(dǎo)彈攻擊艦船目標時，目標處于雷達前方，由于距離-方位耦合嚴重并且多普勒帶寬小，無法利用SAR 技術(shù)獲得方位向分辨能力。雷達前視超分辨成像技術(shù)利用超分辨算法通過多通道解卷積技術(shù)實現(xiàn)前視方位波束銳化比［3］，形成方位向高分辨，但該技術(shù)受信噪比因素影響較大，在小信噪比條件下，方位向波束銳化比難以得到有效的改善，不適用于在強主雜波背景中低信噪比下提高方位分辨率。采用相參積累通過多普勒銳化技術(shù)能有效提高雷達方位向波束銳化比，縮小雜波單元面積，如圖5和圖6所示，得到采用多普勒銳化前后雜波單元對比。

圖5 多普勒銳化前雜波單元示意圖

圖6 多普勒銳化后雜波單元示意圖

多普勒波束銳化比與多普勒帶寬和頻率分辨力有關(guān)，為

式中：Δfd為波束主瓣寬度內(nèi)多普勒帶寬；δf 為頻率分辨率。由式（7）可知，增加多普勒帶寬和提高頻率分辨率能夠提高波束銳化比，但是增大Δfd和提高δf 均存在約束條件。

式中：φ 為波束指向與彈速夾角；δφ 為方位向波束寬度；V 為彈速。由式（8）可知波束寬度內(nèi)多普勒帶寬主要受限于波束指向與彈速夾角。

因此，方位分辨率的提高需要盡量增大波束指向與彈速之間夾角。但波束指向與彈速之間夾角的增大需要導(dǎo)彈控制系統(tǒng)通過彈道控制配合實現(xiàn)，最大的波束指向與彈速夾角受限于導(dǎo)彈末端機動能力。仿真參數(shù)表，如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

圖7所示為采用多普勒銳化技術(shù)，波束指向與彈速夾角為0°～4°，滿足導(dǎo)引頭能夠檢測到目標的信雜比要求所允許的最大入射余角與導(dǎo)彈高度之間關(guān)系。計算結(jié)果表明，導(dǎo)彈高度越低，波束指向與彈速夾角越大，導(dǎo)引頭檢測允許的最大入射余角越大，仿真中夾角為4°，高度為2km，最大允許入射余角可以達到78°。由此可見，當導(dǎo)彈下壓段末端攻擊時，通過導(dǎo)彈攻擊彈道控制配合，在導(dǎo)引頭天線波束指向與彈速之間形成一定的夾角，采用多普勒銳化后，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)引頭在大入射余角下對艦船目標的檢測。

圖7 最大允許入射余角與導(dǎo)彈高度和波束指向與彈速夾角關(guān)系圖

根據(jù)上述分析，通過合理設(shè)計飛行彈道和導(dǎo)引頭參數(shù)，并在彈道導(dǎo)彈下壓段攻擊過程中采用多種檢測技術(shù)能夠有效解決大入射余角下的強海雜波問題。當入射余角小于80°時，發(fā)射線形調(diào)頻信號，采用脈沖壓縮和多普勒銳化進行目標檢測，當入射余角大于80°時，發(fā)射窄脈沖和采用脈沖前沿檢測進行目標檢測。

3 結(jié)束語

本文對主動雷達導(dǎo)引頭大入射余角下強海雜波背景中艦船目標檢測進行研究，分析雷達回波前沿檢測技術(shù)及其應(yīng)用條件；分析采用脈沖壓縮和多普勒銳化技術(shù)進行目標檢測的檢測性能和約束條件。分析表明，在合理規(guī)劃飛行彈道和設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合雷達回波前沿檢測技術(shù)和脈沖壓縮加多普勒銳化技術(shù)，能夠有效地解決大入射導(dǎo)引頭面臨的強海雜波問題。但是大入射余角條件下強海雜波對艦船目標檢測的影響仍是一個復(fù)雜的問題，今后還需通過大量試驗對海雜波特性進一步研究、驗證相關(guān)檢測技術(shù)的有效性。

［1］ 任子西.不同入射余角下海面電波特性對雷達導(dǎo)引頭的影響分析［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2009，（4）：1-6.

［2］ 周平，等.海面散射后向散射機載測量結(jié)果及分析［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2006，（3）：325-328.

［3］ 李惠.實孔徑雷達波束銳化算法研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.