戴 錚 陸 加 李貝貝 陳德紅

1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109 2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109

?

基于彈道仿真Ka和W頻段毫米波主動(dòng)導(dǎo)引頭抗主瓣雜波研究

戴 錚1陸 加1李貝貝2陳德紅1

1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109 2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109

針對(duì)典型毫米波頻段Ka和W頻段下，毫米波主動(dòng)導(dǎo)引頭的抗主瓣雜波性能進(jìn)行對(duì)比研究，建立了主瓣雜波功率、信雜比和信雜噪比彈道仿真模型，利用該模型對(duì)Ka和W頻段的信雜比和信雜噪比進(jìn)行了不同彈道條件下的仿真分析。結(jié)果表明，在相同天線口面下，W頻段利用天線波束窄、角分辨率高，從而減小雜波分辨單元(條帶)的優(yōu)點(diǎn)，獲得比Ka頻段小的主瓣雜波能量。由于W頻段受到接收機(jī)噪聲較大的限制，W頻段的抗主瓣雜波性能相比Ka頻段的性能優(yōu)勢(shì)隨目標(biāo)高度的增高而逐漸減弱，在攻擊低空目標(biāo)時(shí)，W頻段的抗主瓣雜波性能比Ka頻段強(qiáng)；在攻擊高空目標(biāo)時(shí)，Ka頻段抗主瓣雜波性能比W頻段更強(qiáng)。 關(guān)鍵詞 Ka頻段；W頻段；主動(dòng)導(dǎo)引頭；抗主瓣雜波性能；彈道仿真模型

毫米波指波長(zhǎng)在1～10mm間的電磁波[1]。毫米波精確制導(dǎo)是精確制導(dǎo)技術(shù)重要發(fā)展方向，毫米波主動(dòng)尋的制導(dǎo)技術(shù)是毫米波精確制導(dǎo)技術(shù)的重要組成部分，相比傳統(tǒng)微波制導(dǎo)，毫米波的天線波束窄，增益高，具有更好的測(cè)量精度和更強(qiáng)的分辨能力。相比紅外制導(dǎo)，氣候和煙塵等對(duì)毫米波影響小，全天候能力更強(qiáng)，同時(shí)毫米波對(duì)低溫差的金屬目標(biāo)和環(huán)境具有更強(qiáng)的區(qū)分能力。而且，毫米波探測(cè)器重量輕、體積小，能較好應(yīng)用于小型化武器系統(tǒng)[2]。

導(dǎo)彈下視攻擊低空或地面目標(biāo)時(shí)，發(fā)射信號(hào)通過(guò)地面或海面反射或散射回來(lái)形成背景雜波[3]。背景雜波太強(qiáng)，會(huì)使目標(biāo)信號(hào)隱沒(méi)其中，影響導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)的性能。減小雜波分辨單元(條帶)，使分辨單元內(nèi)的雜波散射面積減小是對(duì)抗雜波的常用方法，在信號(hào)處理上，體現(xiàn)為提高距離分辨率，減小脈寬，增大信號(hào)帶寬；在天線波束設(shè)計(jì)上，體現(xiàn)為減小波束寬度，提高天線增益，減小副瓣增益。文獻(xiàn)[4]提出了一種改進(jìn)的頻域帶寬合成方法，增大了信號(hào)帶寬，有效濾除了地物雜波。文獻(xiàn)[5]給出了一種相控陣?yán)走_(dá)快速相位加權(quán)抗地雜波波瓣形成算法，該算法降低了天線掃描波瓣下半球的副瓣電平，減小了地面雜波的強(qiáng)度。

研究毫米波抗主瓣雜波性能，可有力推動(dòng)毫米波精確制導(dǎo)技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)，對(duì)解決毫米波尋的導(dǎo)彈在雜波背景中檢測(cè)目標(biāo)的問(wèn)題有重要意義。毫米波頻段具有天線波束窄，信號(hào)帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)，能大大減小雜波分辨單元(條帶)大小。目前，利用彈道分析毫米波抗主瓣雜波性能并無(wú)深入研究。本文首先介紹了毫米波的大氣傳播特性，并建立了主瓣雜波功率、信雜比和信雜噪比的彈道仿真模型。利用該模型仿真分析了Ka和W頻段的信雜比和信雜噪比，并分析了2個(gè)頻段的抗主瓣雜波性能。對(duì)研究毫米波主動(dòng)導(dǎo)引頭抗主瓣雜波能力具有實(shí)際意義。

1 毫米波大氣傳播特性介紹

電磁波在大氣中的傳播因受到各類介質(zhì)的吸收和散射導(dǎo)致能量衰減。如吸收電磁波能量的水蒸汽、二氧化碳、氧及臭氧等；吸收和散射電磁波能量的云、霧、雨、雪，特別是塵埃、煙粒、細(xì)菌及水汽凝聚成的水滴——霾等小微粒。毫米波在大氣中的傳播能力主要受到水分子和氧分子的抑制，它分別在不同頻段上與2種氣體分子諧振，導(dǎo)致被選擇性吸收或散射。毫米波頻段有4個(gè)大氣衰減小的傳播窗口頻率：35GHz，94GHz，140GHz和220GHz[6]。本文研究毫米波尋的制導(dǎo)主要采用35GHz(Ka頻段)和94GHz(W頻段)[7]的抗主瓣雜波性能。

2 毫米波大氣傳播特性介紹

首先建立主瓣雜波功率、信雜比和信雜噪比彈道仿真模型，利用該模型仿真分析Ka和W頻段的抗主瓣雜波性能。圖1給出了該模型的工作流程。其工作原理是：利用飛行彈道數(shù)據(jù)，通過(guò)迭代計(jì)算主瓣雜波分辨單元(面積)，進(jìn)而求出彈道每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上的主瓣雜波功率、信雜比和信雜噪比。

圖1 主瓣雜波功率、信雜比和信雜噪比彈道仿真模型的工作流程

利用雷達(dá)方程給出主瓣雜波功率計(jì)算式[8]

(1)

式中，Pt為導(dǎo)引頭發(fā)射峰值功率；dT為發(fā)射占空比；G為導(dǎo)引頭天線增益，對(duì)于主瓣雜波，取導(dǎo)引頭天線法線方向增益；Lc為雜波系統(tǒng)損耗；σ0(β)為雜波因子；R1為導(dǎo)彈到主瓣雜波中心點(diǎn)C的相對(duì)距離；β為導(dǎo)彈對(duì)地面擦地角；垂直極化狀態(tài)下，雜波因子模型依據(jù)不同地表類型、不同擦地角給出；Ag為主瓣雜波分辨單元(條帶)面積，對(duì)于具有時(shí)頻域二維檢測(cè)能力的主動(dòng)導(dǎo)引頭，主瓣雜波被距離分辨單元切割，形成了縱向上存在寬度的弧條帶。圖2給出了主瓣雜波分辨單元(條帶)示意圖。1個(gè)主瓣雜波分辨單元(條帶)處于相同的距離門內(nèi)。

圖2 時(shí)頻域二維檢測(cè)的主瓣雜波分辨區(qū)域劃分

為求解主瓣雜波功率，需要計(jì)算主瓣雜波分辨單元(條帶)的面積Ag，圖3給出了求解模型中各個(gè)量的集合關(guān)系。

圖3 主瓣雜波距離分辨單元求解模型各量集合關(guān)系示意圖

根據(jù)圖3中各量的關(guān)系，通過(guò)立體關(guān)系幾何推導(dǎo)，得到主瓣雜波分辨單元(條帶)面積的求解算法：

(2)

式中，(xt,yt,zt)為目標(biāo)位置坐標(biāo)值；(xm,ym,zm)為導(dǎo)彈位置坐標(biāo)值；(xc,yc,zc)為主瓣雜波中心點(diǎn)C的坐標(biāo)值；θmt為彈目連線與XZ平面的夾角；θxz為彈目連線在XZ平面的投影與Z軸的夾角；ΔR為距離分辨單元寬度；R2為導(dǎo)彈到主瓣雜波中心點(diǎn)C的連線在XOZ平面上的投影長(zhǎng)度；L為主瓣雜波中心點(diǎn)C到邊緣點(diǎn)C1之間的連線長(zhǎng)度；θ為導(dǎo)引頭天線半波束寬度；θ2為導(dǎo)引頭天線半波束在XZ平面上的投影，即導(dǎo)彈位置M在XOZ平面上的投影M′與主瓣雜波中心點(diǎn)C連線和導(dǎo)彈位置M在XOZ平面上的投影M′與主瓣雜波邊緣點(diǎn)C1連線之間的夾角；同時(shí)也為導(dǎo)彈位置M在XOZ平面上的投影M′與主瓣雜波中心點(diǎn)C連線和導(dǎo)彈位置M在XOZ平面上的投影M′與主瓣雜波邊緣點(diǎn)C2連線之間的夾角。

對(duì)于給定的分布，天線波束寬度與用波長(zhǎng)表示的該平面內(nèi)的孔徑尺寸成反比，因此，θ可以表示為[9]：

(3)

式中，D為孔徑分布尺寸；K為波束寬度因子的比例常數(shù)。由式(3)可得，W頻段導(dǎo)引頭天線半波束寬度僅為Ka頻段的37.2%。

將計(jì)算好的主瓣雜波分辨單元(條帶)面積Ag代入式(1)中，即可求出主瓣雜波回波功率。

信雜比SCV為目標(biāo)回波功率與主瓣雜波功率之比：

(4)

式中，Pr為導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波信號(hào)功率；

信雜噪比SCNV為目標(biāo)回波功率與主瓣雜波功率加上接收機(jī)噪聲之比：

(5)

式中，A為導(dǎo)引頭信號(hào)處理機(jī)的脈壓增益與相參積累增益之和；N為接收機(jī)噪聲功率，N=kTBF：k為波爾茲曼常數(shù)；T為工作溫度；B為信號(hào)分辨率帶寬；F為接收機(jī)噪聲系數(shù)。

3 彈道仿真及抗主瓣雜波性能分析

采用4種典型迎頭彈道，仿真分析Ka和W頻段下的信雜比和信雜噪比。表1給出了4種彈道的狀態(tài)。圖4給出了4種仿真彈道曲線。

表1 彈道狀態(tài)

圖4 1～4號(hào)彈道曲線

利用4條彈道對(duì)W頻段和Ka頻段的主瓣雜波分辨單元(條帶)面積進(jìn)行仿真，設(shè)定W頻段和Ka頻段的距離分辨單元寬度相等，彈目距離小于10km，主動(dòng)導(dǎo)引頭開機(jī)。圖5給出了Ka和W頻段主瓣雜波分辨單元(條帶)彈道仿真結(jié)果，可以得出，4條彈道下，在主動(dòng)導(dǎo)引頭工作全程，Ka頻段主瓣雜波分辨單元(條帶)面積均大于W頻段，圖6給出了1-4號(hào)彈道下Ka和W頻段主瓣雜波分辨單元面積之比的彈道仿真結(jié)果，1-4號(hào)彈道下，Ka頻段主瓣雜波分辨單元(條帶)面積均為W頻段的3.167倍，這是因?yàn)樵趯?dǎo)引頭天線口面不變的情況下，相比Ka頻段，W頻段天線波束窄，角分辨率更高，即(2)式中的θ值更小，因此Ka頻段主瓣雜波分辨單元(條帶)面積均大于W頻段。且2個(gè)頻段下天線波束寬度的比值為定值，因此主瓣雜波分辨單元(條帶)面積不隨彈道態(tài)勢(shì)的變化而變化。

圖5 Ka和W頻段主瓣雜波分辨單元面積

圖6 1～4號(hào)彈道下Ka和W頻段主瓣雜波分辨單元面積之比

利用4條彈道進(jìn)行導(dǎo)彈飛行全程中導(dǎo)引頭接收的信雜比和信雜噪比仿真。圖7為4條彈道下，彈目距離從10km逐漸減小，Ka頻段和W頻段的信雜比(SCV)的仿真結(jié)果，圖8為4條彈道下，Ka頻段和W頻段的信雜噪比(SCNV)的仿真結(jié)果。分析SCV仿真結(jié)果可知，4條彈道下，W頻段的SCV均始終高于Ka頻段，這是因?yàn)樵谒袕椀罈l件下，W頻段上主瓣雜波分辨單元面積始終小于Ka頻段，導(dǎo)致了W頻段的主瓣雜波能量低于Ka頻段，在目標(biāo)回波功率相同的情況下，使W頻段的SCV高于Ka頻段。

分析SCNV的仿真結(jié)果可知，不同彈道條件下，W頻段和Ka頻段的SCNV對(duì)比情況出現(xiàn)變化。1號(hào)超低空迎頭彈道下，彈目距離小于7.5km后，W頻段的SCNV高于Ka頻段；2號(hào)低空迎頭彈道下，彈目距離小于6.5km后，W頻段的SCNV高于Ka頻段；3號(hào)高空迎頭彈道下，W頻段的SCNV始終小于Ka頻段；4號(hào)中空尾追彈道下，彈目距離小于4km后，W頻段的SCNV高于Ka頻段。分析仿真結(jié)果可知，當(dāng)目標(biāo)高度越高，W頻段SCNV超過(guò)Ka頻段時(shí)刻的彈目距離越?。划?dāng)目標(biāo)高度過(guò)高時(shí)，W頻段的SCNV將始終小于Ka頻段。這是因?yàn)椋鐖D3所示，若目標(biāo)高度越高，在相同的彈目距離上，導(dǎo)彈到主瓣雜波中心點(diǎn)之間的相對(duì)距離R1越大。由于W頻段的接收機(jī)噪聲功率遠(yuǎn)大于Ka頻段的接收機(jī)噪聲功率，R1過(guò)大時(shí)，W頻段的接收機(jī)噪聲在SCNV的影響中相比主瓣雜波能量起到了更主導(dǎo)的作用，導(dǎo)致了W頻段的信雜噪比較Ka頻段要低。

圖7 Ka和W頻段信雜比隨彈目距離變化曲線

圖8 Ka和W頻段信雜噪比隨彈目距離變化曲線

綜上，W頻段利用天線波束窄，角分辨率高，從而減小雜波分辨單元(條帶)的優(yōu)點(diǎn)，獲得了比Ka頻段更小的主瓣雜波功率，使W頻段的信雜比始終高于Ka頻段。由于W頻段的接收機(jī)噪聲功率遠(yuǎn)大于主瓣雜波功率，當(dāng)導(dǎo)彈到主瓣雜波中心點(diǎn)之間的相對(duì)距離R1過(guò)大時(shí)，W頻段的接收機(jī)噪聲功率將大于主瓣雜波功率，接收機(jī)噪聲在W頻段的SCNV的影響中相比主瓣雜波能量起到了更主導(dǎo)的作用，使得W頻段的SCNV要小于Ka頻段。當(dāng)R1較小時(shí)，W頻段主瓣雜波能量在SCNV的影響中大于接收機(jī)噪聲，此時(shí)W頻段的SCNV將大于Ka頻段。

由于在相同彈目距離上，導(dǎo)彈到主瓣雜波中心點(diǎn)之間的相對(duì)距離R1的大小與目標(biāo)高度成正比關(guān)系，因此目標(biāo)高度越低，W頻段SCNV高于W頻段時(shí)刻的彈目相對(duì)距離越遠(yuǎn)，W頻段抗主瓣雜波性能比Ka頻段越強(qiáng)。

4 結(jié)論

對(duì)常用毫米波Ka和W頻段的抗主瓣雜波性能進(jìn)行了對(duì)比研究。建立了主瓣雜波功率、信雜比和信雜噪比彈道仿真模型，利用迎頭攻擊彈道進(jìn)行仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明，在彈目相距較近時(shí)，在相同天線口面的條件下，W頻段利用天線波束寬度窄，角分辨率高，使主瓣雜波分辨單元(條帶)面積更小的優(yōu)點(diǎn)，獲得了比Ka頻段低的主瓣雜波能量。由于W頻段的接收機(jī)噪聲功率遠(yuǎn)大于Ka頻段的接收機(jī)噪聲功率，在導(dǎo)彈到主瓣雜波中心點(diǎn)之間的相對(duì)距離R1較遠(yuǎn)時(shí)，由于W頻段的接收機(jī)噪聲功率超過(guò)了主瓣雜波功率，使得接收機(jī)噪聲起到主導(dǎo)作用，導(dǎo)致W頻段信雜噪比較Ka頻段低。由于在相同彈目距離上，導(dǎo)彈到主瓣雜波中心點(diǎn)之間的相對(duì)距離R1的大小與目標(biāo)高度成正比，因此目標(biāo)高度越低，W頻段SCNV高于W頻段時(shí)刻的彈目相對(duì)距離越遠(yuǎn)，W頻段抗主瓣雜波性能比Ka頻段更強(qiáng)。W頻段的抗主瓣雜波性能相比Ka頻段的性能優(yōu)勢(shì)將隨目標(biāo)高度的增加而逐漸減弱。在攻擊低空目標(biāo)時(shí)，W頻段的抗主瓣雜波性能比Ka頻段強(qiáng)；在攻擊高空目標(biāo)時(shí)，Ka頻段抗主瓣雜波性能比W頻段更強(qiáng)。本文研究成果對(duì)研究毫米波主動(dòng)導(dǎo)引頭統(tǒng)抗雜波性能，解決實(shí)際型號(hào)抗主瓣雜波問(wèn)題具有實(shí)際意義。

[1] 王瑋．毫米波步進(jìn)頻雷達(dá)一維成像及目標(biāo)檢測(cè)算法研究[D]．長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009．(Wang Wei．High Range Resolution Profile Imaging and Target Detection Algorithm of MMW Stepped Frequency Radar[D]．Changsha：National University of Defense Technology, 2009．)

[2] 魏偉波，芮筱亭．毫米波精確制導(dǎo)技術(shù)[J]．火力與指揮控制，2005，30(增刊)：4-6，10．(Wei Weibo,Rui Xiaoting．Study on the Millimeter Wave Precision Guidance Technology[J]．Fire Control and Command Control, 2005, 30(suppl)：4-6，10．)

[3] 穆虹．防空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)宇航出版社，2009．(Mu Hong．Design of Antiaircraft Radar Seeker[M]．Beijing：China Astronautic Publishing House, 2009．)

[4] 趙宏鐘，朱永鋒，付強(qiáng)．地物背景下的目標(biāo)頻域帶寬合成方法[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(3)：528-533．(Zhao Hongzhong, Zhu Yongfeng, Fu Qiang．Frequency Domain Bandwidth Synthesis Method for Moving Targets in Ground Clutter[J]．Systems Engineering and Electronics, 2011, 33(3)：528-533．)

[5] 江衛(wèi)，王玫．機(jī)載相控陣快速抗地雜波賦形算法[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2001，23(4)：84-86．(Jiang Wei, Wang Mei．Fast Anti-Groundclutter Pattern Synthesis of Airborne Radar[J]．Modern Radar, 2001, 23(4)：84-86．)

[6] 余宏明，張志堅(jiān)．毫米波雷達(dá)及其對(duì)抗[J]．艦船電子工程，2007，27(2)：168-172.(Yu Hongming, Zhang Zhijian．Millimeter Wave Radar and Countermeasure[J]．Ship Electronic Engineering, 2007, 27(2)：168-172.)

[7] 蘇宏艷，朱淮城．毫米波精確制導(dǎo)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]．制導(dǎo)與引信，2008，29(2)：6-9，14．(Su Hongyan, Zhu Huaicheng．The Technology and Development Trend of Millimeter Wave Precision Guidance[J]．Guidance & Fuze, 2008, 29(2)：6-9，14．)

[8] 丁鷺飛，耿富錄，陳建春．雷達(dá)原理[M]．第4版.北京：電子工業(yè)出版社，2009．(Ding Lufei, Geng Fulu, Chen Jianchun．Radar Principle[M]．4th Edition．Beijing：Publishing House of Electronics Industry, 2009．)

[9] Merrill I S．雷達(dá)手冊(cè)[M]．第2版．北京：電子工業(yè)出版社，2003．(Merrill I S．Radar Handbook[M]．2nd Edition．Beijing：Publishing House of Electronics Industry, 2003．)

Research on Anti-Main Jamming Performance of Ka-Band and W-Band Positive Seeker Based on Trajectory Simulation

Dai Zheng1, Lu Jia1, Li Beibei2, Chen Dehong1

1. Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute，Shanghai 201109，China 2. Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China

Millimeterwaveprecisionguidanceistheimportantdevelopmenttrendofprecisionguidance.Themillimeterwaveprecisionguidancetakeadvantageofnarrowerbeamwidth,highergain,higherdiscriminability,higheraccuracyandbetteranti-stealthcapability.Theanti-jammingperformancesofpositiveseeking-guidancesystemofmillimeterwaveinKa-bandandW-bandarestudied.TheresultsshowthattheW-bandhaslessmainjammingenergycomparedwithKa-band,whentheantennaapertureissame,whichcausesthenarrowerbeamwidthandhigherangularresolutionacquired.Whenthetargetislow,theanti-jammingperformanceofW-bandisbetterthanthatofKa-band.Whenthetargetishigh,theanti-jammingperformanceofKa-bandisbetterthanthatofW-band,whichcausestheW-bandhasmorereceivernoise. Key words Ka-band; W-band;Positiveseeker;Anti-mainjammingperformance;Trajectorysimulationmodel

2016-11-30

戴 錚 (1980-)，男，江蘇贛榆人，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)總體技術(shù)；陸 加(1991-)，男，海口人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器無(wú)線電制導(dǎo)總體技術(shù)；李貝貝 (1990-)，女，江蘇沭陽(yáng)人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)楹撩撞ㄝ椛涮匦?；陳德紅 (1981-)，男，武漢人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器無(wú)線電制導(dǎo)總體技術(shù)。

TN971.+1

A

1006-3242(2017)02-0008-07