丁建良

?

針對海上目標的不同體制雷達性能對比

丁建良

（金交恒通有限公司，北京 100011）

針對海上多目標的檢測與跟蹤問題，給出不同體制雷達的性能對比。介紹不同海上目標的雷達檢測性能，分析脈沖雷達、脈沖壓縮雷達、調(diào)頻連續(xù)波雷達的工作原理，并給出雷達在對海上目標進行檢測時的參數(shù)計算，最后對各體制雷達的性能參數(shù)作對比。計算機仿真實驗驗證了各體制雷達的檢測性能。

海上目標；雷達參數(shù)；脈沖壓縮雷達；調(diào)頻連續(xù)波雷達

1 概述

隨著我國水運事業(yè)的蓬勃發(fā)展，沿海港口的貿(mào)易量急劇增長。在港口通航環(huán)境日益復(fù)雜的情況下，船舶交通管理系統(tǒng)等海上監(jiān)視系統(tǒng)的建立成為一種必然。在這些系統(tǒng)中，雷達是不可缺少的一部分，它承擔(dān)了監(jiān)視海上目標、提供目標基本信息、實現(xiàn)多目標檢測與跟蹤等多項功能。如何在系統(tǒng)中選擇合適的雷達，從而為系統(tǒng)提供及時有效且全面的信息支撐是一個實際且重要的問題。

針對上述問題，檢測海上目標的雷達被學(xué)者們廣泛研究，并給出了大量文獻。其中，孫昭峰等針對復(fù)雜背景的海上目標特性進行研究，說明了姿態(tài)角對高分辨距離像的影響，證明了目標的近姿態(tài)角一維距離像符合檢測目標的尺度性和強相關(guān)性[1]；饒輝等人的研究基于低分辨雷達目標分類的識別技術(shù)，提高了低分辨雷達的目標檢測性能[2]；王君等以最大化雷達組網(wǎng)靜態(tài)覆蓋能力與動態(tài)探測能力為優(yōu)化目標，提出一種基于多目標差分進化算法的解決方案，并進行仿真實驗[3]；朱松、王燕等人這對海上雷達的電子支援措施做了廣泛研究[4]；楊守仁等人對船舶交通管理系統(tǒng)中的雷達導(dǎo)航設(shè)備的準確性進行了討論[5]；張韜等人對船舶交通管理系統(tǒng)中的雷達信號檢測與錄取作了介紹[6]。在其他領(lǐng)域，海上雷達也具有十分重要的作用[7-9]。

本文針對海上目標的特性，首先介紹不同海上目標的雷達檢測性能，然后分析脈沖雷達、脈沖壓縮雷達、調(diào)頻連續(xù)波雷達的工作原理，并給出雷達在對海上目標進行檢測時的參數(shù)計算，最后對各體制雷達的性能參數(shù)作對比。分析不同雷達對海上目標檢測的能力，能夠為各系統(tǒng)的雷達選取提供參考。

2 海上目標雷達檢測性能

海上目標種類繁多，如何選用合適的雷達實現(xiàn)對多目標的檢測與跟蹤，是船舶交通控制系統(tǒng)及其他海上檢測系統(tǒng)需要解決的問題。典型的海上物體往往被認為是點目標，在雷達的檢測區(qū)域內(nèi)，需要考慮目標的雷達反射截面積和高度屬性，同時目標的抖動特性也對雷達目標檢測有直接的影響。表1列舉了一些典型目標的雷達檢測特性以作參考。

表1 一些典型目標的雷達檢測特性

編號典型代表雷達反射截面積高度/m目標抖動特性 S波段/m2X波段/m2 1小快艇、漂浮物等<<111快速抖動 2帆船、快艇等<132 3特制浮標等導(dǎo)航標志4103 4漁船、商船等401005穩(wěn)定 5小型沿海貿(mào)易船等4001 0008 6大型沿海貿(mào)易船等4 00010 00012不抖動 7集裝箱船等40 000100 00018

3 海上雷達參數(shù)計算

針對海上目標的雷達需要考慮具體實際情況，計算相關(guān)參數(shù)，以確定雷達的實際工作性能，實現(xiàn)目標檢測與跟蹤的有效性與準確性。如何選取合適的參數(shù)，直接影響雷達的工作狀態(tài)，因此具有十分重要的實際應(yīng)用意義。海上雷達的主要參數(shù)有雷達作用距離、天線選址、距離分辨率與方位分辨率、天線發(fā)射波束極化方式以及雷達最小探測距離等，其中的雷達作用距離、雷達距離分辨率與方位分辨率是雷達目標檢測的重要指標。

雷達作用距離是檢測雷達性能的重要指標，而針對海上目標的雷達在計算實際作用距離時，需要考慮天線架設(shè)位置高度和地球曲率的因素。天線架設(shè)位置越高，接收到的海雜波影響就越大，而雷達作用距離越遠，地球曲率對作用距離的影響就越大。同時，目標較小、天氣情況較差也會直接影響雷達的作用距離。

雷達的距離分辨率與方位分辨率直接影響雷達檢測目標的精度，而雷達的距離分辨率與方位分辨率一般由雷達的性能所決定，但部分雷達也可以通過信號處理等方法提高分辨率，從而提升雷達的目標檢測能力。

4 不同體制的雷達介紹

4.1 脈沖雷達

脈沖雷達的發(fā)射波形為短脈沖形式，同時需要較長的脈沖重復(fù)周期保證較大的測距范圍，在接收機接收目標反射回波后，計算出對應(yīng)的時間延遲，就可以測量出目標的距離[10]。脈沖雷達所發(fā)射脈沖的脈沖寬度通常為定值，因此性能較為穩(wěn)定；脈沖寬度一般極短，以保證雷達的距離分辨率。增加脈沖寬度，雖然能夠提高雷達的作用距離，但會降低雷達的距離分辨率，后向散射的增加導(dǎo)致雷達穿透降水的能力下降?？紤]到相鄰雷達同時工作的情況，需要給脈沖雷達組網(wǎng)分配不同的發(fā)射頻率帶寬，同時需要考慮帶外信號的抑制問題。

4.2 脈沖壓縮雷達

脈沖壓縮雷達將寬度較短的調(diào)頻連續(xù)波作為短脈沖發(fā)射出去，同時應(yīng)用匹配濾波原理，能夠在相同作用距離的情況下大幅度增加雷達的距離分辨率，解決了雷達距離分辨率受限于脈沖寬度的問題[11]。

脈沖壓縮雷達的概念被提出后，經(jīng)過多年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)十分成熟，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。由于距離分辨率的提高，雷達對發(fā)射功率的需求大大降低，因此在一些應(yīng)用環(huán)境中，不再需要使用磁控管發(fā)射機，而是使用固態(tài)發(fā)射機，因此發(fā)射機的性能更加穩(wěn)定，不再需要進行周期性的維護，而使用高頻的固態(tài)發(fā)射機會產(chǎn)生較大電流，需要更為嚴謹?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計來獲得足夠的穩(wěn)定性。同時，脈沖壓縮雷達的脈沖寬度可以調(diào)很大，且發(fā)射波形可以被調(diào)制，一定程度上能避免惡劣天氣所帶來的縮小雷達作用距離的負面影響。

4.3 調(diào)頻連續(xù)波雷達

調(diào)頻連續(xù)波雷達不同于脈沖雷達與脈沖壓縮雷達，其不再通過發(fā)射短脈沖波形來檢測目標，而是通過發(fā)射連續(xù)波形來檢測目標[12]。由于在重復(fù)周期內(nèi)持續(xù)發(fā)射連續(xù)波形，調(diào)頻連續(xù)波雷達可以在重復(fù)周期內(nèi)獲得良好的距離分辨率。調(diào)頻連續(xù)波雷達同樣是一種很成熟的技術(shù)，具有很高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，同樣可以采用固態(tài)發(fā)射機發(fā)射信號，而不需要對發(fā)射機進行周期性維護。

相比于脈沖壓縮雷達，調(diào)頻連續(xù)波雷達的距離分辨率更高，但其在接收信號時引入的干擾也更為復(fù)雜，且對接收信號進行壓縮后所產(chǎn)生的副瓣更大，對大目標附近的小目標淹沒更為嚴重，因此降低了雷達的目標檢測概率，且調(diào)頻連續(xù)波雷達需要更復(fù)雜的天線設(shè)計以支撐發(fā)射連續(xù)波信號。

5 計算機仿真

設(shè)檢測目標為遠場窄帶點目標，雷達接收信號信噪比為35 dB，且已經(jīng)將回波調(diào)制到基帶。在雷達照射方向設(shè)置三對鄰近目標，每對鄰近目標間距150 m，6個目標距離分別為10.5 km、10.65 km、12 km、12.15 km、13 km、13.15 km，將對應(yīng)的雷達截面積歸一化，分別為1，1，1，0.1，1，0.01.

實驗一：令脈沖雷達發(fā)射脈沖寬度為100 ns，脈沖重復(fù)周期為1 000 Hz。

圖1為脈沖雷達目標檢測性能。從圖中可以看出，6個目標都能被脈沖雷達檢測到。

圖1 脈沖雷達目標檢測性能

實驗二：多目標下線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達目標檢測。

令脈沖雷達發(fā)射脈沖寬度為1 000 ns，脈沖重復(fù)周期為1 000 Hz。圖2為線性調(diào)頻脈沖雷達目標檢測性能。從圖中可以看出，雖然脈沖壓縮雷達的發(fā)射脈沖較寬，但線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達的分辨率依舊很高。線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達具有副瓣，圖中第6個雷達截面積為0.01的小目標被淹沒在附近大目標的副瓣中，對雷達的目標檢測性能造成了影響。在實際應(yīng)用中，可以考慮采用頻域加權(quán)技術(shù)壓低線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達的副瓣。

實驗三：多目標下線性調(diào)頻連續(xù)波雷達目標檢測。

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達無需設(shè)置脈沖寬度，令線性調(diào)頻連續(xù)波雷達的脈沖重復(fù)周期為1 000 Hz，通過計算頻差直接分辨出目標距離，圖3為對應(yīng)的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達目標檢測性能?？梢钥闯?，通過頻差檢測目標所獲得的檢測性能與脈壓相似，但具有更低的副瓣，對小目標檢測有較大優(yōu)勢。另外，通過采用三角波調(diào)制，線性調(diào)頻連續(xù)波雷達可同時獲得目標的距離與速度信息。

圖2 線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達目標檢測性能

圖3 基于頻差測距的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達目標檢測性能

6 結(jié)束語

本文針對海上目標，對不同體制的雷達性能作了對比，給出了各體制雷達的性能參數(shù)，為實現(xiàn)對海上目標的檢測與跟蹤時的雷達選擇提供了參考。同時，詳細介紹了脈沖雷達、脈沖壓縮雷達及調(diào)頻連續(xù)波雷達的優(yōu)缺點，并給出了相應(yīng)的性能參數(shù)，最后通過計算機仿真進行驗證了各體制雷達的檢測性能。

［1］孫昭峰.復(fù)雜背景的海上目標雷達信號特性研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2016（16）.

［2］王君.基于多目標差分進化算法的海上雷達部署優(yōu)化的仿真分析［J］.現(xiàn)代計算機，2016，10（29）：48-52.

［3］杜干，張守宏.分形模型在海上雷達目標檢測中的應(yīng)用［J］.電波科學(xué)學(xué)報，1998，13（4）：377-381.

［4］毛南平，徐昌慶，張忠華.船載測控雷達海上無塔校相技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2004，44（1）：38-43.

［5］楊守仁.船舶交通管理系統(tǒng)中對雷達導(dǎo)航設(shè)備準確性的要求［J］.世界海運，1990，13（5）：16-20.

［6］張韜.船舶交通管理系統(tǒng)中的雷達信號檢測與錄?。跩］.現(xiàn)代雷達，1991，13（4）：43-47.

［7］杜克平，楊波.海上雷達安全監(jiān)控數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［J］.網(wǎng)絡(luò)新媒體技術(shù)，2000，21（1）：54-56.

［8］王成平，高明，張友兵，等.基于ESM和雷達的海上目標識別方法［J］.艦船電子對抗，2009，32（6）：14-16.

［9］邵余紅.美國海軍的新型海岸監(jiān)視雷達［J］.現(xiàn)代雷達，2007，29（11）：98-98.

［10］肖永江，張興嬌，文如泉.DSP在某型海上雷達目標模擬器中的應(yīng)用［J］.微型機與應(yīng)用，2011，30（10）：18-21.

［11］史林，彭燕，楊萬海.脈沖壓縮雷達干擾仿真分析［J］.現(xiàn)代雷達，2003，25（8）：37-40.

［12］宋石玉，劉詠.單脈沖雷達海上幅相一致性標定方法初探［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（9）：2114-2116.

2095－6835（2018）18－0061－03

TN955

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.061

丁建良（1960—），男，上海人，高級工程師，本科，研究方向為交通信息化、現(xiàn)代信息化技術(shù)。

〔編輯：嚴麗琴〕