張都川 文 才 馬 瑞 劉 輝

(西安電子工程研究所西安710100)

總體工程

高重頻頻率步進雷達導引頭波形設(shè)計

張都川 文 才 馬 瑞 劉 輝

(西安電子工程研究所西安710100)

高速火箭彈大俯沖彈道條件下的強地/海雜波會給雷達導引頭目標檢測帶來困難。結(jié)合高速火箭彈的彈道特點，提出采用高重頻大帶寬的信號體制來抑制雜波。本文詳細闡述了高重頻頻率步進體制下的波形設(shè)計，給出了具體參數(shù)的選擇標準，有一定的工程參考價值。

高重頻;步進頻;雜波抑制;波形設(shè)計

0 引 言

火箭彈憑借發(fā)射平臺簡單、殺傷力大、機動性能好等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的壓制性武器［1］。常規(guī)火箭彈只具備面打擊能力，對時敏目標的精確打擊能力有限。隨著電子信息技術(shù)及精確制導技術(shù)的不斷發(fā)展，火箭彈從面打擊向精確點打擊的轉(zhuǎn)變已成為可能。

毫米波在精確制導技術(shù)發(fā)展中占有相當重要的地位。與微波導引頭相比，毫米波導引頭具有體積小、效能高和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、電視等光學導引頭相比，毫米波導引頭具有穿透煙、霧、灰塵能力強，全天時全天候工作的優(yōu)點。同時毫米波制導的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其它制導方式。在超高速導彈飛行中，氣動熱對紅外探測可靠性影響極大［2］，同時毫米波穿透空氣電離形成的等離子鞘套能力也強于微波［3］。因此在高速運動條件下，精確制導火箭彈采用毫米波導引頭具有明顯的優(yōu)勢。

火箭彈彈道具有彈速高、攻擊末端俯沖角大的特點。彈目之間的高速運動容易引起越距離單元走動的現(xiàn)象，嚴重時，信雜噪比會因無法有效相干積累而顯著下降。同時高速運動還會帶來主瓣雜波多普勒譜寬的展寬，當脈沖重復(fù)頻率較低時，主瓣雜波在橫向上易發(fā)生多次折疊，慢速或靜止目標將會與來自多個方向的雜波競爭，造成目標檢測性能下降。隨著末制導階段的俯沖角逐步增大，雜波趨于鏡面反射，其強度也將呈現(xiàn)指數(shù)級增長?；鸺龔棌椀捞攸c帶來的強雜波會給雷達末制導階段的目標檢測帶來困難。

大帶寬可顯著提高末制導階段的徑向距離分辨率，從而減小地、海雜波面積。步進頻在合成大帶寬信號時可降低系統(tǒng)對帶寬和采樣率的要求，有利于工程實現(xiàn)［4］。因此本文采用步進頻信號提高距離分辨率，降低與目標競爭的雜波功率。大俯沖角條件下，僅依靠距離高分辨抗雜波還不夠，可進一步通過提高橫向分辨率降低與目標競爭的雜波功率。充分考慮火箭彈末端攻擊俯沖角大、速度快的彈道特點，本文在低成本的合成大帶寬基礎(chǔ)上采用“高重頻”設(shè)計，即脈沖重復(fù)周期小于最大作用距離對應(yīng)的目標回波時延，但又大于雷達主瓣照射區(qū)域俯仰波束覆蓋距離范圍。這樣可以提高不模糊測速范圍，消除雜波的橫向折疊，當彈目間存在一定夾角時，利用多普勒波束銳化技術(shù)實現(xiàn)一定程度的橫向分辨，可進一步縮小雜波面積;提高脈沖重復(fù)頻率還可兼顧波束內(nèi)多個靜止、慢速目標的分離，并且可以提高數(shù)據(jù)率，削弱導彈高速運動導致目標越距離單元走動的影響。

本文詳細分析了高重頻頻率步進信號波形的設(shè)計問題，相關(guān)研究成果可直接應(yīng)用于高速大俯沖角導彈雷達導引頭波形參數(shù)的工程設(shè)計當中。

1 高重頻頻率步進雷達導引頭波形設(shè)計:

在步進頻合成寬帶雷達的波形設(shè)計中，主要涉及的參數(shù)有合成帶寬、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、頻率步進量、脈沖積累點數(shù)［5］等，針對具體的參數(shù)設(shè)計下文給出了理論分析和相應(yīng)的案例說明。

1.1 合成帶寬的確定

設(shè)雷達最大作用距離為Rmax，距離分辨率為ΔR，則合成帶寬B首先應(yīng)滿足:

由于高彈速大俯沖角條件下的背景雜波急劇增強，信雜比成為制約最大作用距離的一個主要因素，具體關(guān)系如下:

式中σT為目標散射截面積;β波束掠海角或擦地角;θ0.5為3 dB波束寬度;SCRmin為信雜比檢測門限;γ0為雜波背景反射率。

由(2)式可以看出信雜比決定最大作用距離時也對合成帶寬B做了一定限制，即:

1.2 頻率步進量Δf

目前步進頻合成大帶寬信號的方法主要有三種:合成距離包絡(luò)法，時域合成法和頻域合成法［6－7］。若采用合成距離包絡(luò)法，經(jīng)過IFFT處理后可得不模糊距離窗［8］的長度為:

設(shè)由子脈沖寬度決定的粗分辨距離單元為Rc，此時要求不模糊距離窗Rw≥Rc(否則目標會因折疊問題產(chǎn)生距離模糊)，所以Δf＜c/(2Rc)。由于合成距離包絡(luò)法中頻率步進量受到了限制，合成大帶寬時需要的跳頻次數(shù)較多，效率很低(耗時較長)。相比于合成距離包絡(luò)法，合成帶寬法的寬帶合成效率高得多［6］?？紤]到時域合成帶寬法運算量大的缺點，本文采用頻域合成法來實現(xiàn)大寬帶信號的合成，此方法下只需考慮關(guān)系Δf=(BB1)/(n－1)，同時Δf＜B1，即當合成總帶寬B和幀內(nèi)脈沖數(shù)n已知時，Δf可唯一確定。

1.3 脈沖寬度的選擇

考慮到雷達系統(tǒng)占空比η不超過某個值，因此脈沖寬度T≤η·Tr，其中Tr為脈沖重復(fù)周期。

同時考慮到雷達威力的限制，根據(jù)雷達方程可得，由信噪比決定的最大作用距離為［9］(考慮到時寬帶寬積和相干積累的影響):

為了滿足最大作用距離的要求，由(4)式可得:

式中Pt為發(fā)射峰值功率，G為天線增益，λ為波長，σT為目標散射截面積，α0為大氣衰減系數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，T0為標準溫度，F(xiàn)N為噪聲系數(shù)，L為系統(tǒng)損耗，Br為接收機帶寬，(SNR)min為信噪比檢測門限，NF為幀積累個數(shù)(若為步進頻信號則可由脈沖積累點數(shù)N和幀內(nèi)脈沖數(shù)n確定，即NF=N/n)。

1.4 脈沖重復(fù)頻率的確定

設(shè)雷達感興趣的距離區(qū)間長度為Ract(Ract可由波束覆蓋范圍確定)，脈沖寬度T對應(yīng)的盲區(qū)距離為cT/2。為了避免距離上的折疊問題，工程應(yīng)用中常要求雷達不模糊距離Ru大于感興趣的距離區(qū)間長度與盲區(qū)距離之和，即:

所以由不模糊距離對脈沖重復(fù)頻率的限制可得如下關(guān)系:

同時主瓣雜波多普勒譜寬對脈沖重復(fù)頻率PRF1的確定也有一定限制，圖3為彈目之間的相對位置關(guān)系。

圖1 彈目相對位置示意圖

設(shè)νm為導彈飛行速度，α為方位角，β為俯沖角，則雷達主波束中心多普勒頻率為:

主瓣雜波多普勒譜寬為:

設(shè)幀內(nèi)子脈沖帶寬為B1，則合成帶寬為B的信號需要的幀內(nèi)脈沖數(shù)n=(B－B1)/Δf+1。由于脈沖重復(fù)頻率PRF1和幀重復(fù)頻率PRF2滿足關(guān)系PRF1=n·PRF2。為了滿足主瓣雜波不模糊，要求幀重復(fù)頻率應(yīng)大于Δfd。因此有:

同時考慮到占空比的要求，即PRF1·T＜ηmax所以:

1.5 脈沖積累點數(shù)

雷達相參積累點數(shù)取決于波束駐留時間、數(shù)據(jù)率、速度分辨率等因，具體分析如下:

設(shè)雷達半波束寬度為θ0.5，脈沖重復(fù)周期為Tr，天線掃描速度ωs?？紤]到波束駐留時間限制，天線掃過點目標的時間內(nèi)目標的回波脈沖數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系:

同時考慮到數(shù)據(jù)率Ts的限制，總的積累時間應(yīng)小于1/Ts，即N·Tr＜1/Ts，因此可得

速度分辨率σν=λPRF1/2N，因此當速度分辨率小于某一值，可得

考慮到信噪比的約束，由(6)式可得

由關(guān)系式可得

綜上，我們完成了高重頻頻率步進雷達導引頭的波形參數(shù)設(shè)計，具體參數(shù)設(shè)計流程總結(jié)如下:

1)由(1)式和(3)式對合成帶寬的限制確定其取值;

2)給定的幀內(nèi)脈沖數(shù)，由關(guān)系式Δf=(BB1)/(n－1)確定頻率步進量Δf;

3)由(11)式確定脈沖重復(fù)頻率PRF1的下限;由(12)式確定脈沖寬度T的上限，并預(yù)設(shè)給T一個初值;

4)由(8)式、(11)式和(12)式確定脈沖重復(fù)頻率PRF1的取值，如果取值范圍為空集，說明預(yù)設(shè)的T值不合理，返回步驟3)，重新給定T一個初值;

5)結(jié)合已設(shè)計的參數(shù)，由(13)～(17)式最終確定脈沖積累點數(shù)N;

6)根據(jù)不模糊距離和盲區(qū)距離最終確定上述波形適用的距離范圍。

2 波形設(shè)計具體案例分析:

某彈載雷達導引頭的工作波段為Ka波段(λ =8.6 mm)，其技術(shù)指標要求如下:最大作用距離30 km，方位角搜索范圍23°，俯沖角60°，導彈運動速度為1200 m/s，工作比小于30%，雷達分辨率1 m，速度分辨率1 m/s，波束寬度2.9°，目標檢測門限13 dB，數(shù)據(jù)率50 Hz，目標散射截面積大于1000 m2。

針對上述指標要求，具體的波形參數(shù)設(shè)計如下。

2.1 合成帶寬B的選擇

影響合成帶寬的參數(shù)取值見表1(γ0的取值以4級海情為例)。

表1 影響合成帶寬的參數(shù)取值

由(1)式可得B≥150 MHz;由(3)式可得B≥625 MHz。綜上，取合成帶寬B=750 MHz。

2.2 頻率步進量Δf的選擇

取幀內(nèi)脈沖數(shù) n=8，子脈沖寬度 B1=120 MHz，由關(guān)系式Δf=(B－B1)/(n－1)可得頻率步進量Δf=90 MHz。

2.3 脈沖寬度T的選擇

由于νm=1200m/s，由(10)式可得主瓣雜波多普勒譜寬Δfd=2.76kHz;由(11)式可得脈沖重復(fù)頻率PRF1＞22.08 kHz;由(12)式可得脈沖寬度T＜13.6 μs，因此預(yù)設(shè)T=10 μs。

2.4 脈沖重復(fù)頻率的選擇

當T=10 μs時，由(8)式可得PRF1＜42kHz (Ract=2 km);由(11)式可得PRF1≥22.08 kHz;由(12)式可得PRF1＜30 kHz;綜上，PRF1在22.08～30 kHz范圍內(nèi)取得，最終確定PRF1=25 kHz。

2.5 脈沖積累點數(shù)的選擇

由于PRF1=25 kHz，因此脈沖重復(fù)周期Tr= 40 μs，影響脈沖積累點數(shù)的參數(shù)取值見表2。

表2 影響脈沖積累點數(shù)的參數(shù)取值

由(13)式可得N≤1208;由(14)式可得N＜500;由(15)式可得N＞108;由(16)式和(17)式可得N≥80(此時NF≥10)，因此108＜N＜500，考慮到積累時間不宜過長和FFT運算方便，最終確定積累個數(shù)N=128。

當PRF1=25 kHz，T=10 μs時，可得不模糊距離為6 km，距離盲區(qū)為1.5km，由于最大作用距離為30km，所以上述參數(shù)可滿足25.5～30km的波形設(shè)計。其他作用距離上的波形設(shè)計可依據(jù)上述步驟一一完成。

3 結(jié) 論

本文詳細研究了高重頻頻率步進雷達體制的波形參數(shù)設(shè)計問題，并結(jié)合實際工程應(yīng)用中的導引頭設(shè)計案例，給出了相應(yīng)的波形參數(shù)設(shè)計準則和應(yīng)注意的問題，相關(guān)研究成果對類似雷達導引頭設(shè)計有一定的參考價值。

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Waveform Design for High Pulse Repetition Stepped Frequency Radar Seeker

Zhang Duchuan，Wen Cai，Ma Rui，Liu Hui
(Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100)

Strong ground/sea clutter caused by high speed rocket missile in high dive trajectory condition will make radar seeker detect target difficult.Employment of signal system with high pulse repetition frequency and broad bandwidth is presented combining with trajectory features of high speed rocket missile.The waveform design in high pulse repetition stepped－frequency system is depicted in detail，and specific standard for selecting parameters is given，which is valuable in project for reference.

high pulse repetition frequency;stepped－frequency;clutter suppression;waveform design

TN952

A

1008-8652(2016)04-012-04

2016-06-11

張都川(1989－)，男，碩士研究生。研究方向為精確制導技術(shù)。