王新為 尹成義（海軍大連艦艇學(xué)院艦艇指揮系大連116018）

反潛巡邏機(jī)搜索雷達(dá)感知環(huán)模型研究?

王新為 尹成義
（海軍大連艦艇學(xué)院艦艇指揮系大連116018）

針對(duì)反潛巡邏機(jī)使用搜索雷達(dá)對(duì)海面及空中目標(biāo)搜索問(wèn)題，基于機(jī)載搜索雷達(dá)戰(zhàn)技性能，提出了搜索雷達(dá)感知環(huán)的概念并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，給出了反潛巡邏機(jī)使用搜索雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的方式方法。通過(guò)仿真計(jì)算，探討了感知環(huán)寬度隨反潛巡邏機(jī)飛行高度以及雷達(dá)視軸俯角的變化規(guī)律，為確定反潛巡邏機(jī)使用搜索雷達(dá)目標(biāo)搜索的最佳飛行高度和雷達(dá)最佳視軸俯角提供參考依據(jù)。

反潛巡邏機(jī)；搜索雷達(dá)；感知環(huán)

ClassNumber TN95

1 引言

搜索雷達(dá)是反潛巡邏機(jī)裝備的主要對(duì)潛搜索載荷，其機(jī)械掃描天線安裝在機(jī)首下方，可在全天候氣象條件下，對(duì)海面和空中目標(biāo)進(jìn)行搜索和跟蹤；采用先進(jìn)的成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇潛望鏡、排氣管以及海面各類艦船的探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別，完成海上反潛、配合武器火控系統(tǒng)完成攻潛等任務(wù)。由于反潛巡邏機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，后向機(jī)體遮擋區(qū)無(wú)法探測(cè)目標(biāo)。在研究反潛巡邏機(jī)使用雷達(dá)目標(biāo)搜索方法時(shí)，必須確定搜索雷達(dá)有效探測(cè)空間，而感知環(huán)能夠較好地描述這一問(wèn)題。

感知環(huán)是指，搜索雷達(dá)機(jī)械掃描天線旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期時(shí)雷達(dá)波束在海面（任一高度平面）掃視到的區(qū)域［1］。只有位于感知環(huán)內(nèi)的目標(biāo)才可能被探測(cè)，該指標(biāo)一定程度上反映了反潛巡邏機(jī)的搜索效率。

2 基本假設(shè)

1）反潛巡邏機(jī)作等速直線運(yùn)動(dòng)，飛行高度為ha，飛行速度為va；

2）搜索雷達(dá)視軸俯角，即視軸與水平面夾角為θ；

3）搜索雷達(dá)水平波束角為θa，垂直波束角為θr；

4）忽略雷達(dá)波瓣分裂。

3 感知環(huán)模型建立

感知環(huán)大小主要取決于搜索雷達(dá)垂直波束角θr，通常用感知環(huán)寬度ρ和（或）感知環(huán)面積Sρ描述，如圖1所示。

當(dāng)反潛巡邏機(jī)飛行高度h、雷達(dá)視軸俯角θ一定時(shí)，垂直波束角θr越大，感知環(huán)寬度ρ越大。在確定的垂直波束角θr下，感知環(huán)寬度ρ是反潛巡邏機(jī)空間狀態(tài)的函數(shù)ρ=f(ha，θ，θr)，如圖2所示。

由幾何分析可知，感知環(huán)寬度ρ可表示為

從式（3）可以看出：在任意搜索時(shí)刻，感知環(huán)大小與反潛巡邏機(jī)飛行速度無(wú)關(guān)，而感知環(huán)寬度與飛行高度成正比，與雷達(dá)視軸俯角正弦函數(shù)平方成反比。垂直波束角θr由雷達(dá)戰(zhàn)技性能決定，雷達(dá)型號(hào)給定時(shí)，其垂直波束角一定。

通常情況下，當(dāng)搜索雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率fr過(guò)高將導(dǎo)致距離模糊［2~7］，如圖3所示。其中，目標(biāo)P1與天線距離較近為l1，則回波達(dá)到天線時(shí)間t1=2l1c，并設(shè)t11 fr，造成距離模糊。

因此，重復(fù)頻率的選擇必須考慮到雷達(dá)最大作用距離lmax的要求，脈沖重復(fù)頻率fr應(yīng)滿足fr￡c 2lmax。這表明，最大距離處目標(biāo)回波的到達(dá)時(shí)刻滿足在第一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)，則感知環(huán)最大寬度ρmax為

4 感知環(huán)參數(shù)確定

設(shè)雷達(dá)最大探測(cè)距離為Rlmax、雷達(dá)視距為Rh，目標(biāo)高度為ht，則搜索雷達(dá)最小視軸俯角θmin表示為

其中，搜索雷達(dá)處于下視狀態(tài)時(shí)，l02應(yīng)滿足l02￡m in(Rlmax，Rh)。

當(dāng)搜索雷達(dá)視軸俯角θ取最大值時(shí)，感知環(huán)半徑最小，即：

式中：G為天線增益；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；σt為目標(biāo)反射截面積；k為玻耳茲曼常數(shù)；T0取290K；Fn為系統(tǒng)噪聲系數(shù)；L為系統(tǒng)損耗；S N為檢測(cè)所需的信噪比；Bd為多普勒濾波器寬度。其中，各參數(shù)大部分是可直接得到，系統(tǒng)損耗L和信噪比S N需通過(guò)折算或估計(jì)得到。

式（7）中檢測(cè)所需信噪比與雷達(dá)檢測(cè)概率及虛警概率有關(guān)。信噪比越高，雷達(dá)檢測(cè)概率越大，虛警率越低［8-10］。若檢測(cè)時(shí)背景是高斯白噪聲，信噪比S N和檢測(cè)概率Pd與虛警概率Pfa對(duì)應(yīng)關(guān)系為

當(dāng)反潛巡邏機(jī)與目標(biāo)距離為Rt，要求的虛警概率為Pfa時(shí)，所需檢測(cè)概率Pd可表示為

式中，Pav為雷達(dá)平均輻射功率。

當(dāng)搜索雷達(dá)視軸俯角θ取最小值時(shí)，感知環(huán)半徑最大，即：

可以看出，反潛巡邏機(jī)使用搜索雷達(dá)探測(cè)不同目標(biāo)時(shí)，感知環(huán)最大寬度不盡相同。當(dāng)探測(cè)確定目標(biāo)時(shí)，為使反潛巡邏機(jī)盡早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整其飛行高度和雷達(dá)視軸俯角［11~12］。

其中，反潛巡邏機(jī)飛行高度ha應(yīng)滿足飛行約束條件，即：

式中：hamin為反潛巡邏機(jī)最低安全飛行高度，hamax為反潛巡邏機(jī)最大飛行高度。

5 仿真分析

根據(jù)某型搜索雷達(dá)性能特點(diǎn)，針對(duì)水面狀態(tài)潛艇和低空狀態(tài)飛機(jī)，應(yīng)用感知環(huán)模型探索搜索雷達(dá)感知環(huán)寬度隨視軸俯角以及反潛巡邏機(jī)飛行高度的變化規(guī)律，從而確定滿足作戰(zhàn)需求的最佳視軸俯角和最佳飛行高度。仿真結(jié)果分別如圖4、圖5和表1、表2所示。

從仿真結(jié)果可以看出：

1）反潛巡邏機(jī)搜索雷達(dá)對(duì)水面狀態(tài)潛艇的最大探測(cè)距離主要受雷達(dá)視距的影響。反潛巡邏機(jī)在使用升限范圍內(nèi)，飛行高度越高，最大探測(cè)距離越遠(yuǎn)。因此，為增加發(fā)現(xiàn)距離，反潛巡邏機(jī)應(yīng)采用較高的飛行高度。

2）反潛巡邏機(jī)搜索雷達(dá)視軸俯角對(duì)感知環(huán)寬度影響較大，感知環(huán)寬度隨視軸俯角的增大而減小。通常探測(cè)低空目標(biāo)時(shí)，最佳視軸俯角通常應(yīng)選在11°~13°，此時(shí)感知環(huán)寬度最大，可使目標(biāo)在感知環(huán)內(nèi)逗留較長(zhǎng)時(shí)間，利于對(duì)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別。

表1 水面狀態(tài)潛艇對(duì)應(yīng)的感知環(huán)相關(guān)參數(shù)

表2 低空狀態(tài)飛機(jī)對(duì)應(yīng)的感知環(huán)相關(guān)參數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)反潛巡邏機(jī)搜索雷達(dá)戰(zhàn)技性能，從作戰(zhàn)使用角度，給出了搜索雷達(dá)感知環(huán)的概念，并結(jié)合反潛巡邏機(jī)飛行性能約束、信息傳輸與控制要求以及作戰(zhàn)海區(qū)環(huán)境特點(diǎn)等因素，建立了搜索雷達(dá)感知環(huán)數(shù)學(xué)模型，得出了滿足作戰(zhàn)使用需求的搜索雷達(dá)最佳視軸俯角和反潛巡邏機(jī)最佳搜索飛行高度，為反潛巡邏機(jī)使用搜索雷達(dá)對(duì)海面及空中目標(biāo)搜索方式方法的確定提供參考依據(jù)。

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Detect Annu lusM odelof Acquisition Radar of Anti-subm arine Patrol Aircraft

WANG Xinwei YIN Chengyi
（DepartmentofOperation and Training，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

Aimed at the problem ofanti-submarine patrol aircraftdetect differentsea-surface and aerialobjects，according to the operation performance of acquisition radar，the concept of detect annulus is put forward and the correspondingmodel is estab?lished，themanner andmothod ofanti-submarine patrol aircraftdetected objects are given.Through simulation and calculation，the varying pattern of opticalaxis angle ofdepression and flightaltitude from thewidth of detectannulus is discussed，the basis for the bestopticalaxisangle of depression and flightaltitude tomeet the operational requirements is provided.

anti-submarine patrolaircraft，acquisition radar，detectannulus

TN95 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.016

2016年11月17日，

2016年12月22日

王新為，男，博士研究生，研究方向：軍事運(yùn)籌、艦載武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用研究。尹成義，男，博士，副教授，研究方向：軍事運(yùn)籌，艦載武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用研究。