韓彥明，居 閩，盧 琨

(1.空軍駐滬寧地區(qū)軍事代表室， 南京210039;2.上海機(jī)電工程研究所， 上海201109)

(3.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

天波超視距雷達(dá)通過(guò)電離層的反射來(lái)傳輸信號(hào)的特殊機(jī)理，可獲得遠(yuǎn)程超視距覆蓋能力，成為性價(jià)比較高的大區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)視系統(tǒng)［1］。作為傳輸媒質(zhì)，電離層具有周期性、時(shí)變性和非平穩(wěn)性等特點(diǎn)，隨每日時(shí)段、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)周期變化，通常需要將其看作雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分［2］。電離層存在多種效應(yīng)，例如電離層暴、行波擾動(dòng)、多徑傳輸、前沿聚焦、電離層遮蔽等，會(huì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)效能產(chǎn)生直接影響，甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗。此外，高頻段頻譜占用嚴(yán)重，在工作頻帶內(nèi)面臨著嚴(yán)重干擾，雷達(dá)需要選取“干凈”頻點(diǎn)進(jìn)行工作［3］。天波超視距雷達(dá)所面臨的這些環(huán)境因素使得傳統(tǒng)的性能評(píng)估方法不再適用，這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

1)指向性不明。微波雷達(dá)性能受環(huán)境影響小，評(píng)估通常不考慮外界因素。而天波雷達(dá)必須把電離層和干擾等環(huán)境因素納入評(píng)估體系中，否則，如頻率管理系統(tǒng)、瞬態(tài)干擾抑制、電離層污染補(bǔ)償?shù)戎匾考退惴ǖ难邪l(fā)和改進(jìn)將失去意義。在這種情況下，傳統(tǒng)方法評(píng)估的發(fā)射功率、天線口徑、接收機(jī)靈敏度等指標(biāo)僅僅反映系統(tǒng)在理想條件下的最大潛能，而無(wú)法體現(xiàn)系統(tǒng)真實(shí)工作能力。

2)準(zhǔn)確性不足。傳統(tǒng)評(píng)估方法的評(píng)估結(jié)果是靜態(tài)的，將多次試驗(yàn)樣本的結(jié)果匯總，按照假定分布模型(典型的就是正態(tài)分布)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得結(jié)果。但由于環(huán)境的時(shí)變性和非平穩(wěn)性，這些結(jié)果極度依賴于統(tǒng)計(jì)樣本。當(dāng)年份、季節(jié)和時(shí)段變化后，假定的分布模型差異極大，少數(shù)樣本無(wú)法反映全局，而覆蓋全面的樣本難以獲得，而即使獲得以后加權(quán)平均抹掉了其中的差異性，也大大降低了統(tǒng)計(jì)結(jié)果的指導(dǎo)意義。

3)操作性不強(qiáng)。如要獲得完整太陽(yáng)活動(dòng)周期的統(tǒng)計(jì)樣本，至少需要11年時(shí)間，即便是獲得典型的各季節(jié)場(chǎng)景，那也需要不分晝夜的積累一年時(shí)間，顯然這對(duì)性能評(píng)估而言是難以接受的。無(wú)論是設(shè)備維修升級(jí)或是算法優(yōu)化，都需要快速準(zhǔn)確的性能評(píng)估結(jié)果提供支持，指引研究方向。靜態(tài)評(píng)估的長(zhǎng)周期和大代價(jià)，嚴(yán)重削弱了性能評(píng)估的意義。

上述問(wèn)題引起了相關(guān)研究人員的關(guān)注。文獻(xiàn)［4］提出了基于模糊邏輯的參量融合方法，采用自頂向下的流程對(duì)天波雷達(dá)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，充分考慮到環(huán)境特征所帶來(lái)的影響。參量融合方法涉及的參量包括雜波中目標(biāo)可見(jiàn)度、雜波強(qiáng)度、背景噪聲、最小可檢測(cè)速度等。但該方法未考慮參量的時(shí)變性，同時(shí)，參量部分是基于理論計(jì)算而不是實(shí)時(shí)提取，不能很好地反映環(huán)境變化。

本文在構(gòu)造參量空間的基礎(chǔ)上，引入動(dòng)態(tài)配平機(jī)制，全部參量均從探測(cè)結(jié)果中實(shí)時(shí)提取，提出了基于參量動(dòng)態(tài)配平的天波雷達(dá)性能評(píng)估方法。

1 評(píng)估方法

1.1 探測(cè)性能

天波超視距雷達(dá)探測(cè)空中目標(biāo)的雷達(dá)方程［5］為

式中:S為目標(biāo)回波能量;N為噪聲能量;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(shí)間;λ為工作波長(zhǎng);N0為噪聲功率密度;σt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。

空中目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度較快，目標(biāo)回波具有較大的多普勒頻移。檢測(cè)應(yīng)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。為獲得較高的信噪比，對(duì)空中目標(biāo)探測(cè)需要更高的發(fā)射功率、更低的外部噪聲(選擇無(wú)干擾“干凈”的工作頻率)和更長(zhǎng)的積累時(shí)間。

由于地海雜波的存在，當(dāng)目標(biāo)沿相對(duì)雷達(dá)切向飛行時(shí)，回波會(huì)淹沒(méi)在強(qiáng)地海雜波中，相對(duì)雷達(dá)站的徑向速度越低，被淹沒(méi)的可能越大。因此，雜波寬度是影響空中目標(biāo)，特別是低徑向速度目標(biāo)的探測(cè)性能。雜波寬度主要由頻率穩(wěn)定度、地表特征、多徑傳輸嚴(yán)重程度、電離層相位穩(wěn)定性等因素決定。

1.2 特征參量

1)覆蓋尺度值(距離/方位)

覆蓋尺度值表征雷達(dá)利用某一工作頻率在距離和方位上所能覆蓋的區(qū)域大小，以雜噪比為依據(jù)進(jìn)行衡量。單一頻率能覆蓋的區(qū)域越大，覆蓋尺度值越大。覆蓋尺度值表示為FCA。

2)雜波強(qiáng)度值

雜波強(qiáng)度值表征雷達(dá)覆蓋區(qū)域內(nèi)地海雜波強(qiáng)度，以回波幅度值(dB)為依據(jù)進(jìn)行衡量。雜波回波幅度越高，強(qiáng)度值越大。雜波強(qiáng)度值表示為FCS。當(dāng)對(duì)空中目標(biāo)探測(cè)時(shí)，地表特征可為地面或海面，地海散射雜波在多普勒上不可分辨，整體納入統(tǒng)計(jì)。

3)噪聲基底值

噪聲基底值表征雷達(dá)在當(dāng)前工作頻率上所能接收到的噪聲電平，以噪聲幅度值(dB)為依據(jù)進(jìn)行衡量。噪聲電平越低，噪聲基底值就越大。噪聲基底值表示為FNL。

4)雜波寬度值

雜波寬度值表征雷達(dá)探測(cè)到的雜波在多普勒維上的展寬，以多普勒寬度進(jìn)行衡量。雜波的多普勒擴(kuò)展越小，雜波寬度值越大。雜波寬度值表示為FCW。

5)擴(kuò)展雜波值

擴(kuò)展雜波值表征出現(xiàn)在非零多普勒位置強(qiáng)度可淹沒(méi)目標(biāo)回波的雜波，以距離/多普勒淹沒(méi)區(qū)域中的雜波強(qiáng)度值為依據(jù)進(jìn)行衡量。擴(kuò)展雜波區(qū)域越小，強(qiáng)度越低，擴(kuò)展雜波值越大。擴(kuò)展雜波值表示為FSC。

6)多徑傳輸值

多徑傳輸值表征電離層多徑傳輸效應(yīng)的強(qiáng)弱，以傳輸路徑數(shù)目進(jìn)行衡量。傳輸路徑數(shù)目越少，多徑傳輸值越大。多徑傳輸值表示為FMP。

7)多普勒偏移值

多普勒偏移值表征回波經(jīng)電離層傳輸后所疊加的多普勒偏移程度，以雜波多普勒偏移量進(jìn)行衡量。雜波偏離零多普勒位置越小，多普勒偏移值越大。多普勒偏移值表示為FDS。

1.3 參量空間

空中目標(biāo)探測(cè)性能可表征為

由于各特征參量的時(shí)變性，評(píng)估分值也隨之變化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估成為必然選擇。

1.4 評(píng)估分值

由式(2)獲得的評(píng)估分值是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值，它實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)探測(cè)能力的變化情況，其中包括環(huán)境因素所引起的變化。

評(píng)估分值可以在每個(gè)探測(cè)周期(相干積累時(shí)間內(nèi))內(nèi)更新一次，采樣的密集可以平滑掉一些緩變因素的影響，而突出瞬態(tài)變化。典型的例子就是瞬態(tài)干擾的出現(xiàn)，當(dāng)某一探測(cè)周期內(nèi)出現(xiàn)雷電或流星余跡等具有瞬時(shí)特性的干擾時(shí)，評(píng)估分值將會(huì)有一個(gè)階躍式的降低，而電離層或大氣噪聲等因素通常不能產(chǎn)生如此劇烈的跳變。而另一種可能導(dǎo)致評(píng)估分值突然變化的情況是雷達(dá)設(shè)備出現(xiàn)故障，不能接收和處理出有效回波，此時(shí)按評(píng)估公式獲得的評(píng)估分值將會(huì)掉落至一個(gè)極低值。

當(dāng)然，雷達(dá)工作參數(shù)的變化也會(huì)引起評(píng)估分值的變化，特別是工作頻率。因此，評(píng)估分值也可以用于動(dòng)態(tài)反映雷達(dá)變頻前后的探測(cè)效能變化，如果大多數(shù)的工作頻率更替都導(dǎo)致評(píng)估分值下降，那么顯然這個(gè)選頻方法值得質(zhì)疑;反之，換頻帶來(lái)評(píng)估分值的提升則表明選頻方法可適應(yīng)環(huán)境變化。

評(píng)估分值可以在算法研發(fā)中起到指導(dǎo)性作用，上文提到的選頻算法評(píng)估就是一個(gè)例子。信息處理算法也是一樣，例如在空間濾波和瞬態(tài)干擾抑制方面提出過(guò)許多種方法［6-7］，哪一種方法更具有工程上的有效性，則可以通過(guò)啟用和關(guān)閉該算法模塊前后評(píng)估分值的變化來(lái)進(jìn)行比較。對(duì)于相同的場(chǎng)景，某一算法總是表現(xiàn)出比其他算法穩(wěn)定且較高的評(píng)估分值輸出，顯然它將更具有吸引力。

上述關(guān)于評(píng)估分值的應(yīng)用場(chǎng)合，都是以評(píng)估分值是真實(shí)反映雷達(dá)探測(cè)能力為前提。真實(shí)是比較容易做到的，而準(zhǔn)確往往很難實(shí)現(xiàn)。因此，在評(píng)估分值的產(chǎn)生方法上，也存在一個(gè)不斷迭代優(yōu)化的過(guò)程。

2 動(dòng)態(tài)配平

利用雜波能量來(lái)對(duì)目標(biāo)探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估，需要修正目標(biāo)與地海表面在散射特征上的差異，這一修正過(guò)程稱為配平。

對(duì)于天波雷達(dá)幾千米至幾十千米的分辨率，雷達(dá)探測(cè)的飛機(jī)和艦船目標(biāo)從尺寸上來(lái)說(shuō)，均屬于點(diǎn)目標(biāo)，其強(qiáng)度與分辨率無(wú)關(guān)。而地海雜波則是面目標(biāo)，其強(qiáng)度與分辨單元的大小有關(guān)，如下式所示

式中:σ0為地表散射系數(shù);ΔS為分辨單元的二維面積;ΔR為距離分辨單元大小;Δφ為方位分辨單元大小。

從式(4)中可看出，要將目標(biāo)回波強(qiáng)度與雜波強(qiáng)度進(jìn)行配平，修正需在兩個(gè)方面展開(kāi)，包括分辨單元和地表散射系數(shù)。分辨單元與雷達(dá)工作所采用的工作參數(shù)有關(guān):距離分辨單元取決于信號(hào)帶寬，方位分辨單元取決于波束寬度。地表散射系數(shù)與探測(cè)區(qū)域的地表特征有關(guān)，也即是探測(cè)的距離和方位相關(guān)，同時(shí)也受工作頻率的影響。

上述這些參數(shù)均隨著雷達(dá)工作任務(wù)需求動(dòng)態(tài)變化，傳統(tǒng)基于統(tǒng)計(jì)的靜態(tài)配平方法難以滿足評(píng)估需求，需引入動(dòng)態(tài)配平方法。

設(shè)置一個(gè)標(biāo)稱值100，該數(shù)值是對(duì)應(yīng)帶寬1 kHz、波束寬度1°以及鏡面海面時(shí)的雜波探測(cè)數(shù)值;再將實(shí)際探測(cè)參數(shù)折算成相對(duì)值，對(duì)式(3)中的FCS進(jìn)行配平，可得

式中:FCC為配平量。

3 數(shù)據(jù)分析

參量動(dòng)態(tài)評(píng)估涉及多個(gè)參變量，此處以信噪比為例進(jìn)行說(shuō)明，其他參量類推。本文采用兩個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行性能評(píng)估。評(píng)估目標(biāo)為典型空中目標(biāo)，從區(qū)域1跨越至區(qū)域2。區(qū)域1為海面，帶寬采用200 kHz，波束寬度為5°，評(píng)估時(shí)刻海態(tài)等級(jí)為2級(jí);區(qū)域2為平原地帶，帶寬采用100 kHz，波束寬度為10°。同一目標(biāo)跨越區(qū)域1和區(qū)域2時(shí)的信噪比如圖1所示。共采樣數(shù)據(jù)47幀，其中第28幀時(shí)目標(biāo)跨區(qū)。圖2為采用動(dòng)態(tài)配平和未采用動(dòng)態(tài)配平時(shí)的性能評(píng)估曲線。

圖2 動(dòng)態(tài)配平前后評(píng)估分值對(duì)比圖

從圖2中可以看出:動(dòng)態(tài)配平后區(qū)域間評(píng)估分值的階躍現(xiàn)象消失，與目標(biāo)真實(shí)回波能量變化趨向一致，表明動(dòng)態(tài)配平可以有效消除因探測(cè)參數(shù)和地表散射系數(shù)所產(chǎn)生的影響。

圖3給出了動(dòng)態(tài)配平后隨時(shí)間(探測(cè)幀周期)變化的評(píng)估分值圖，從圖中可清晰地看出:在第7幀和第34幀附近，由于瞬態(tài)干擾的存在，探測(cè)性能產(chǎn)生急劇的下降。

圖3 動(dòng)態(tài)配平后的評(píng)估分值時(shí)間圖

4 結(jié)束語(yǔ)

從結(jié)果可看出:通過(guò)多參量動(dòng)態(tài)配平后可以消除帶寬、波束寬度以及地表散射系數(shù)等因素的影響，使雜波能量與目標(biāo)回波能量變化趨勢(shì)趨于一致，這樣使得采用雜波強(qiáng)度來(lái)評(píng)估目標(biāo)探測(cè)效能更具有參考意義。動(dòng)態(tài)配平后的評(píng)估值還有助于消除因時(shí)間上的非平穩(wěn)性導(dǎo)致的誤差，能夠?qū)崟r(shí)反映雷達(dá)當(dāng)前探測(cè)能力，為天波超視距雷達(dá)的性能評(píng)估和輔助決策提供了有力支撐。

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

［2］Dandekar B S，Buchau J，Whalen J A，et al.Physics of the ionosphere for OTH operation，Chapter 3，OTH Handbook［D］.ADA331977.［S.l.］:United State Department of Defense，1995.

［3］Fabrizio G A，Anderson S J.Adaptive cancellation of nonstationary interference in HF antenna arrays［J］.IEE Proceedings of Radar，Sonar and Navigation，1998，145(1):19-24.

［4］Kewley D J，Dall I W.Performance assessment criteria for OTH radar［C］//6th International Conference on Radio.Brighton，UK:IET，1992:1-4.

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

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

［7］Frabrizio G A.High frequency over-the-horizon radar:fundamental principles，signal processing，and practical applications［M］.New York:McGraw-Hill Education，2013.