張海成

(空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊， 武漢430019)

0 引言

天波超視距雷達(dá)工作在短波段，通過電離層的反射來傳輸信號，可獲得超視距大范圍的區(qū)域覆蓋能力，是具有相當(dāng)性價比優(yōu)勢的大面積實時監(jiān)視系統(tǒng)［1］。由于具有多任務(wù)、多功能特點，天波超視距雷達(dá)可對飛機(包括隱身飛機)、艦船、彈道導(dǎo)彈主動段以及巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)實施遠(yuǎn)程預(yù)警和監(jiān)視，也能夠完成電離層探測、海態(tài)遙感、干擾監(jiān)測等其他任務(wù)［2］。不同的目標(biāo)探測任務(wù)對應(yīng)不同的探測機理，天波超視距雷達(dá)完成不同任務(wù)時采用的工作方式、工作參數(shù)及處理算法也相應(yīng)存在著較大的差異。

當(dāng)出現(xiàn)多任務(wù)需求時，各任務(wù)對雷達(dá)系統(tǒng)資源的占用、參數(shù)的選取以及算法的優(yōu)化可能存在沖突，因而需要設(shè)計一個專用的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)來進(jìn)行統(tǒng)籌，以充分利用系統(tǒng)資源，獲得最佳探測效能。

天波超視距雷達(dá)的傳輸媒質(zhì)電離層隨每日時段、季節(jié)和11年太陽活動周期變化，具有周期性、時變性和非平穩(wěn)性，在雷達(dá)工作過程中通常需要將電離層看作不可缺少的一個組成部分［3］。電離層的各種效應(yīng)，如電離層暴、行波擾動、多徑傳輸、前沿聚焦、Es層遮蔽等，會對雷達(dá)探測效能產(chǎn)生直接影響，嚴(yán)重情況甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗。同時，由于高頻段用戶較多，頻譜占用嚴(yán)重，也會使在雷達(dá)工作的頻帶內(nèi)面臨嚴(yán)重的干擾［4］，干擾環(huán)境也將對探測效果產(chǎn)生影響。

天波超視距雷達(dá)所面臨的這些困難使得任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)變得復(fù)雜。與常規(guī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)相比，需要引入環(huán)境參量，包括電離層傳輸條件和電磁環(huán)境等，并結(jié)合其時變特性進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃。

天波超視距雷達(dá)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)主要解決以下3個問題:

(1)當(dāng)前環(huán)境條件下指定任務(wù)能否正常完成?

(2)當(dāng)前環(huán)境條件下如何保證以最佳性能完成指定任務(wù)?

(3)環(huán)境條件隨時間變化后影響如何?是否需要調(diào)整規(guī)劃?

本文以上述三個問題的解答為出發(fā)點，結(jié)合環(huán)境特性，提出了基于環(huán)境約束條件的天波超視距雷達(dá)任務(wù)規(guī)劃方法。

1 任務(wù)規(guī)劃參量

1.1 探測任務(wù)類型與工作機理

1.1.1 空中目標(biāo)

天波超視距雷達(dá)探測空中目標(biāo)雷達(dá)方程［5］為

式中:S為目標(biāo)回波能量;N為噪聲能量;N0為噪聲功率密度;Pav為平均發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線增益;Gr為接收天線增益;T為相干積累時間;λ為工作波長;σr為目標(biāo)的雷達(dá)截面積;Fp為極化及其他失配損耗;L為路徑及系統(tǒng)損耗;R為作用距離。

由于空中目標(biāo)的速度較快，目標(biāo)回波具有較大的多普勒頻移，檢測遠(yuǎn)離地物雜波。在噪聲和干擾背景下進(jìn)行，目標(biāo)發(fā)現(xiàn)能力取決于目標(biāo)回波的信噪比(SNR)。

為獲得較高的信噪比，對空中目標(biāo)探測需要更高的發(fā)射功率，更低的外部噪聲(選擇無干擾“干凈”的工作頻率)和更長的積累時間。但積累時間的增加受制于電離層的相位穩(wěn)定性、目標(biāo)運動姿態(tài)的變化以及所能接受的重訪速率，典型值在幾秒至十幾秒之間。

1.1.2 艦船

天波超視距雷達(dá)探測艦船目標(biāo)檢測處理方式與探測空中飛機目標(biāo)不同。由于艦船目標(biāo)速度較低，在多普勒上與海雜波分量相鄰近，這樣決定系統(tǒng)對艦船目標(biāo)的探測能力就不再是信噪比，而是信雜比。信雜比中的雜波分量主要指海雜波二階分量(二階譜)。因此，由雷達(dá)方程可以得出下列簡化公式

式中:Rp為射線距離;σt目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積;S/C為檢測所需信號雜波功率比;σc雜波后向散射截面積(與距離和方位分辨單元乘積成正比)。

雜波強度與分辨單元的大小有關(guān)(包括距離、方位和多普勒)。距離、方位和多普勒分辨單元越小，雜波強度越小。這也就要求對海探測采用更寬的天線孔徑(提高方位分辨率)、更大的工作帶寬(提高距離分辨率)和更長的積累時間(提高多普勒分辨率)。

雜波強度與空間位置(距離和方位)有關(guān)。對于海雜波，在多普勒維上呈現(xiàn)兩個離散的一階譜峰，二階譜以一階譜為中心對稱分布。而海雜波的多普勒分布函數(shù)還與所照射單元中海態(tài)相關(guān)。圖1給出了典型的海雜波頻譜圖。對于具有相同徑向速度(多普勒)的艦船目標(biāo)，海態(tài)越高，雜波越強，對雷達(dá)發(fā)現(xiàn)能力影響越大［5］。

圖1 典型海雜波頻譜圖

對艦船目標(biāo)探測而言，當(dāng)雜波強度高于背景噪聲后，進(jìn)一步提升發(fā)射功率并不能改善信雜比。

1.1.3 彈道導(dǎo)彈(主動段)

彈道導(dǎo)彈主動段回波存在三種不同的探測機理，即彈體、尾焰產(chǎn)生的等離子體(羽流)和電離層擾動(電離層洞)。

彈道導(dǎo)彈彈體可被看作空中目標(biāo)的一類，其散射截面積與尺寸、形狀、飛行姿態(tài)、雷達(dá)工作波長以及極化方式有關(guān)。但是彈道導(dǎo)彈彈體是一個高(變)加速目標(biāo)，且到達(dá)一定高度以后，第一級火箭將脫落，這樣導(dǎo)彈彈體尺寸將急劇減小，難以探測。

當(dāng)導(dǎo)彈飛行到一定高度后，空氣稀薄，電子與中性氣體分子的中和作用減弱，尾焰電離中性大氣產(chǎn)生的電子濃度(電離度)可達(dá)到一定水平，此時在尾焰后方將產(chǎn)生一個局部的等離子體(羽流)。當(dāng)電波頻率小于該等離子體的臨界頻率(也稱為截止頻率，與電子濃度相關(guān))時，會產(chǎn)生強烈的反射現(xiàn)象，從而可被雷達(dá)探測到［6］。

尾焰所產(chǎn)生等離子體的散射回波具有下列特性:(1)回波強度隨高度有變化，一定高度以下甚至不存在等離子體;(2)具有一定的存在時間;(3)回波相參性差。

當(dāng)彈道導(dǎo)彈飛行高度到達(dá)電離層之后，在沿導(dǎo)彈飛行軌跡上會產(chǎn)生一個因?qū)椢惭嬉鸬碾婋x層擾動效應(yīng)，可以認(rèn)為是原本相對均勻和穩(wěn)定的電離層電子濃度分布因?qū)椀拇┰蕉a(chǎn)生了局部的不均衡(異常)，因此這種效應(yīng)通常也被稱為“電離層洞”?！半婋x層洞”的持續(xù)時間可達(dá)十幾至幾十分鐘。原本由均勻、穩(wěn)定的介質(zhì)電離層所傳輸?shù)睦走_(dá)信號經(jīng)過這樣的擾動之后，其回波(例如地海雜波和目標(biāo)回波)也將產(chǎn)生明顯的異常。由于擾動范圍極大，導(dǎo)致目標(biāo)定位困難。

對于彈道導(dǎo)彈主動段目標(biāo)探測，需要針對其不同探測機理設(shè)計工作方式和參數(shù)，并能夠根據(jù)導(dǎo)彈所處階段自動進(jìn)行切換。

1.2 工作方式與參數(shù)設(shè)計

對空中目標(biāo)探測，工作方式需兼顧同時覆蓋區(qū)域和重訪速率。重訪速率過低，同時可覆蓋區(qū)域較大，目標(biāo)運動狀態(tài)的緩慢變化也會導(dǎo)致航跡失跟;減少掃描波位可以提高重訪速率，但覆蓋區(qū)域的降低對掌握整體態(tài)勢不利。美國空軍的AN/FPS-118雷達(dá)執(zhí)行對遠(yuǎn)程轟炸機的戰(zhàn)略預(yù)警任務(wù)時，設(shè)置有8個寬7.5°的掃描波位，形成波束屏障以覆蓋整個60°扇區(qū)，同時最多可臨時增設(shè)3個波位，用于補充探測、干擾監(jiān)測等其他用途。圖2給出了AN/FPS-118雷達(dá)東海岸系統(tǒng)的工作方式設(shè)置圖。圖中可看到其3個陣面，每個陣面60°，由8 個波位構(gòu)成的屏障區(qū)［7］。

圖2 AN/FPS-118雷達(dá)工作方式設(shè)置圖

艦船目標(biāo)探測的工作方式、參數(shù)及處理方法與空中目標(biāo)探測不同，需采用更大的工作帶寬和長相干積累時間，其大數(shù)據(jù)量以及復(fù)雜的處理算法對信息處理能力的要求大幅度提高。以澳大利亞JORN雷達(dá)網(wǎng)探測參數(shù)為例，其對海探測帶寬最高可達(dá)50 kHz，積累時間長達(dá)40 s［8］。在數(shù)十秒量級的積累時間下，因電離層擾動所導(dǎo)致的相位污染成為影響積累得益的重要因素。相位污染抑制成為艦船目標(biāo)探測中獨特的處理環(huán)節(jié)，近年來成為研究熱點［9-10］。

相對飛機和艦船目標(biāo)，彈道導(dǎo)彈目標(biāo)運動速度極快，且存在較強的加速度，相干積累損耗較大，采用長積累時間的效果不明顯。近年來，多種機動目標(biāo)檢測和積累補償方法被提出。另外，由于飛行速度快，位移明顯，探測波位需要快速移動和設(shè)置能力才能對彈道導(dǎo)彈目標(biāo)實施捕獲。

2 基于環(huán)境約束條件的任務(wù)規(guī)劃方法

2.1 環(huán)境約束條件

2.1.1 傳輸損耗

傳輸損耗主要指電離層的吸收損耗，此外還包括法拉第極化旋轉(zhuǎn)失配損失、多路徑效應(yīng)和電離層聚焦、散焦效應(yīng)等因素組成，是天波超視距雷達(dá)方程中的特殊參量。

電離層傳輸損耗采用雷達(dá)探測的地海雜波強度A(R，Az，t，f)表征，它與空間、時間和頻率相關(guān)。其中，R為距離，Az為方位，t為探測時刻，f為工作頻率。同等條件下，雜波強度越強，表明電離層傳輸損耗越小。

2.1.2 噪聲基底

由于天波雷達(dá)外部環(huán)境噪聲功率占支配地位，在雷達(dá)方程中取代了常規(guī)雷達(dá)接收機內(nèi)噪聲功率。噪聲基底以雷達(dá)探測各頻率的噪聲統(tǒng)計平均值N(R，Az，t，f)表征，它也是空間、時間和頻率的函數(shù)，通常隨著頻率的升高而降低，并隨著接收點的地理位置、季節(jié)和晝夜時間而變化，當(dāng)雷達(dá)采用窄波束接收時，在方位上的分布也不均勻。

2.1.3 海雜波強度

海雜波強度主要由海面粗糙度(海態(tài)等級)和分辨單元大小等因素決定。它是空間、時間、頻率、分辨率(帶寬、陣列口徑和積累時間)和海態(tài)的函數(shù)，記為C(R，Az，t，f，Re s，S)，其中 Re s為分辨率。帶寬、陣列口徑和積累時間分別決定距離、方位和多普勒分辨率;S為海態(tài)等級，由平均顯著浪高表征。

2.2 性能評估函數(shù)

根據(jù)環(huán)境約束條件的各參量，可得到不同探測任務(wù)下的性能評估函數(shù)。再通過多維探測數(shù)據(jù)進(jìn)行尋優(yōu)，對雷達(dá)探測子區(qū)進(jìn)行自適應(yīng)規(guī)劃，在保證探測效能的前提下實現(xiàn)最佳覆蓋。

當(dāng)性能評估結(jié)果得出某些區(qū)域不能滿足探測任務(wù)完成需求時，給出提示，供用戶參考決策。

下面以空中目標(biāo)為例，給出性能評估函數(shù)。通過不同性能評估函數(shù)和評估結(jié)果，可以對不同任務(wù)(目標(biāo)類型)的探測效能進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

空中目標(biāo)的性能評估函數(shù)為

任務(wù)規(guī)劃的目的在某一時刻t對式(3)在距離、方位和頻率三維進(jìn)行計算，并與閾值進(jìn)行比較。

當(dāng) SNR(R，Az，t，f)遍歷所有頻率均小于可用閾值K1時，則該距離-方位單元在時刻t不可用。

當(dāng)SNR(R，Az，t，f)在可用閾值K1和最佳閾值 K2之間時，則該距離-方位單元在時刻t可用，并提取出可用頻段。

當(dāng)SNR(R，Az，t，f)大于最佳閾值 K2 時，則該距離-方位單元在時刻t可實現(xiàn)最佳覆蓋，并提取出可用頻段。

根據(jù)提取出的可用頻段，分別依據(jù)探測效果優(yōu)先和覆蓋區(qū)域優(yōu)先這兩個準(zhǔn)則進(jìn)行歸并，從而得到子區(qū)規(guī)劃結(jié)果。

2.3 任務(wù)子區(qū)規(guī)劃

以式(3)為基礎(chǔ)采用不同準(zhǔn)則進(jìn)行任務(wù)子區(qū)規(guī)劃的結(jié)果如圖3所示，為僅考慮任務(wù)類型，未采用環(huán)境約束條件進(jìn)行規(guī)劃。圖中可看到規(guī)劃出的探測子區(qū)均為規(guī)則分布，但探測效能評估值差異較大，部分子區(qū)探測效能較差。

圖3 常規(guī)任務(wù)子區(qū)規(guī)劃結(jié)果圖

圖4為采用環(huán)境約束條件進(jìn)行規(guī)劃的子區(qū)，規(guī)劃準(zhǔn)則為探測效果優(yōu)先。從圖中可看出，由于考慮到電離層傳輸和干擾噪聲等環(huán)境因素，各子區(qū)的大小和空間分布具有較大差異，但探測效能評估值分布較為均勻。規(guī)劃準(zhǔn)則以探測效果優(yōu)先，導(dǎo)致子區(qū)數(shù)目較多。

圖4 基于環(huán)境約束的任務(wù)子區(qū)規(guī)劃結(jié)果圖(探測效能優(yōu)先準(zhǔn)則)

圖5為采用環(huán)境約束條件進(jìn)行規(guī)劃的子區(qū)，規(guī)劃準(zhǔn)則為覆蓋區(qū)域優(yōu)先。從圖中可看出，各子區(qū)的大小和空間分布差異也較大，但子區(qū)數(shù)目較少，覆蓋相同大小區(qū)域所用的波位最少，可獲得最佳的重訪速率。但此準(zhǔn)則也導(dǎo)致探測效能評估值整體上比采用效能優(yōu)先準(zhǔn)則低。

圖5 基于環(huán)境約束的任務(wù)子區(qū)規(guī)劃結(jié)果圖(覆蓋范圍優(yōu)先準(zhǔn)則)

3 結(jié)束語

由于天波超視距雷達(dá)的環(huán)境依賴性，使得結(jié)合特定任務(wù)類型和當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行動態(tài)的任務(wù)規(guī)劃成為發(fā)揮系統(tǒng)潛能的有效手段。以空中目標(biāo)探測這一典型任務(wù)為例，開展的任務(wù)子區(qū)規(guī)劃結(jié)果與設(shè)計準(zhǔn)則相符合，所采用的方法和流程也可應(yīng)用于其他任務(wù)類型的規(guī)劃中，例如艦船和彈道導(dǎo)彈。

更進(jìn)一步的研究可以考慮將任務(wù)子區(qū)規(guī)劃與探測性能預(yù)測相結(jié)合，為制定任務(wù)預(yù)案提供依據(jù)。

［1］ Headrick J M，Thmoson J F.Applicaitons of high-frequency radar［J］.Radio Science，1998，33(4):1045-1054.

［2］ 周萬幸.天波超視距雷達(dá)發(fā)展綜述［J］.電子學(xué)報，2011，39(6):1373-1378.Zhou Wanxing.An overview on development of skywave over-the-horizon［J］.Acta Electronica Sinica，2011，39(6):1373-1378.

［3］ Dandekar B S，Buchau J，Whalen J A，et al.Physics of the ionosphere for OTH operation［R］.Hanscom，MA:Philips Laboratory，1995.

［4］ Fabrizio G A，Abramovich Y I，Anderson S J.Adaptive cancellation of nonstationary interference in HF antenna arrays［J］.IEE Proceedings of Radar，Sonar and Navigation，1998，45(1):19-24.

［5］ 周文瑜，焦培南.超視距雷達(dá)技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.Zhou Wenyu，Jiao Peinan.Technology of over-the-horizon radar［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2008.

［6］ Martorella M，Soleti R，Berizzi F，et al.Plume effect on radar cross section of missiles at HF band［C］//2003 IEEE Radar Conference.［S.l.］:IEEE Press，2003.

［7］ Dandekar B S，Buchau J.The AN/PFS-118 OTH radar:chapter 5，OHT hadbook［R］.Hanscom，MA:Philips Laboratory，1996.

［8］ Frabrizio G A.High frequency over-the-horizon radar:fundamental principles，signal processing and practical applicaitons［M］.［S.l.］:McGraw-Hill Professional，2013.

［9］ Parent J，Bourdillon A.A method to correct HF skywave backscattered signals for ionospheric frequency modulation［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1988，36(1):127-135.

［10］ Gauthier F，Bourdillon A，Parent J.On the estimation of quasi-instantaneous frequency modulation of HF signals propagated through the ionospheric［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1989，37(9):1201-1206.