馬曉靜，劉方正，劉育才，韓振中

(1.國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院，合肥 230037；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

岸基對(duì)海監(jiān)視雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)對(duì)沿岸附近海面、空中態(tài)勢(shì)進(jìn)行全天時(shí)、全天候監(jiān)控的重要手段。世界各國(guó)為加強(qiáng)海防預(yù)警能力和提高海防實(shí)力大力發(fā)展海岸警戒雷達(dá)。對(duì)海監(jiān)視雷達(dá)一般工作于較高的頻段，在S、C、X波段或更高頻段；以較小的尺寸、質(zhì)量獲得良好的方位分辨性能；架設(shè)于海岸線附近高山，以增加雷達(dá)通視距離，擴(kuò)大探測(cè)范圍。由于電磁波的多徑反射特性，雷達(dá)架高后會(huì)引起雷達(dá)俯仰波束分裂，從而導(dǎo)致空域覆蓋不連續(xù)的問(wèn)題。

本文就不同頻段電磁波海面反射特性以及海面反射對(duì)方向圖傳播因子的影響等問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)不同工作頻率、不同架設(shè)高度條件下雷達(dá)實(shí)際探測(cè)范圍進(jìn)行仿真，分析其存在的問(wèn)題并提出解決思路。

1 海面反射傳播因子的影響

海面反射的影響可以通過(guò)方向圖傳播因子來(lái)表達(dá)。方向圖傳播因子F定義為“當(dāng)發(fā)射波束指向給定點(diǎn)時(shí)，規(guī)定條件下在給定點(diǎn)的電場(chǎng)幅度與在自由空間時(shí)的電場(chǎng)幅度之比”，在雷達(dá)中一般用F的4次方描述雙向功率比。由表面反射引起的干涉方向圖傳播因子為

Fi=|f(θt)+f(-ψ)ρexp(-jα)|

(1)

其中，f(θ)為天線的電壓方向圖，相對(duì)于軸向增益；ρ為反射系數(shù)的幅值；θt為目標(biāo)仰角，在平坦地面條件下：

(2)

其中，ψ為掠射角，在平坦地面條件下：

(3)

式(1)中α為反射波的相位，由下式給出：

(4)

一般情況下，為了不用一個(gè)特定天線方向圖描述傳播效應(yīng)，假設(shè)直達(dá)波和反射波路徑上f(θ)基本相等，傳播因子可以簡(jiǎn)化為

Fi=|1+ρexp(-jα)|

(5)

=|1+ρcos(α)-jsin(α)|2

=(1+ρcos(α))2+(ρsin(α))2

=1+(ρcos(α))2+2ρcos(α)+(ρsin(α))2

=1+2ρcos(α)+(ρcos(α))2+(ρsin(α))2

=1+ρ2+2ρcos(α)

(6)

將式(2)、(4)帶入式(6)可得

(7)

2 海面條件下菲涅耳反射系數(shù)與鏡面反射系數(shù)

3 不同頻率、不同海況、不同架高條件下傳播因子仿真

設(shè)雷達(dá)工作頻率為10 GHz，雷達(dá)架設(shè)高度100 m，目標(biāo)高度2 m，距離范圍為1～40 km，反射面為海面，3級(jí)海況，偏離光滑表面的均方根高度取0.24 m，對(duì)反射系數(shù)、方向圖傳播因子進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1、2、3所示。

圖1 目標(biāo)仰角隨距離變化情況

假設(shè)在距離40 km處，小型目標(biāo)(RCS為5 m2)回波信號(hào)信噪比為12 dB，大型目標(biāo)(RCS為5 000 m2)回波信號(hào)信噪比為42 dB，對(duì)1～40 km范圍內(nèi)信噪比分別在自由空間、海面反射條件下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，由于海面反射的影響，在有些距離段信噪比得到了加強(qiáng)，最大增加值約為12 dB(對(duì)應(yīng)波瓣峰值)，而在有些距離段信噪比大幅度降低(對(duì)應(yīng)波瓣零值)。假設(shè)最小可檢測(cè)信噪比為12 dB，則有些距離段將不能有效檢測(cè)目標(biāo)，導(dǎo)致探測(cè)不連續(xù)。對(duì)于大型海上艦船目標(biāo)，由于其RCS很大，一般數(shù)千平方米，回波信噪比很強(qiáng)，探測(cè)不連續(xù)的現(xiàn)象一般不明顯，但對(duì)于小型目標(biāo)則會(huì)經(jīng)常發(fā)生目標(biāo)丟失現(xiàn)象。

圖2 反射系數(shù)(菲涅耳反射系數(shù)和鏡面反射系數(shù)乘積)幅度、相位

圖3 方向圖傳播因子

圖 4 單頻點(diǎn)工作時(shí)小型、大型目標(biāo)回波信噪比情況

4 解決方法及效果仿真

由式(7)可以看出，傳播因子Fi在1+ρ和1-ρ之間有一個(gè)周期性的變化，其峰值、谷值間隔周期為θn=λ/2hr，該間隔周期和雷達(dá)架設(shè)高度、波長(zhǎng)密切有關(guān)。由于雷達(dá)架高受陣地條件限制，無(wú)法靈活調(diào)整，而雷達(dá)工作波長(zhǎng)可以靈活調(diào)整，在雷達(dá)工作帶寬較寬的條件下可以通過(guò)變頻工作，利用不同頻率工作時(shí)傳播因子峰值、谷值位置不同的特點(diǎn)，使不同頻率的峰值、谷值互補(bǔ)，從而解決雷達(dá)架高后探測(cè)不連續(xù)的問(wèn)題。分別對(duì)1級(jí)、3級(jí)海況條件下不同架高時(shí)采用多頻點(diǎn)工作實(shí)現(xiàn)凹口互補(bǔ)的效果進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 架高為100、200 m及3個(gè)頻點(diǎn)(8、9、10 GHz)工作時(shí)信噪比(1級(jí)海況)

圖6 架高為100、200 m及3個(gè)頻點(diǎn)(8、9、10 GHz)工作時(shí)信噪比(3級(jí)海況)

從仿真結(jié)果可以看出，不同海況、不同架高條件下，采用3個(gè)頻點(diǎn)工作，各頻點(diǎn)傳播因子峰值、谷值可以有效互補(bǔ)，信噪比不會(huì)出現(xiàn)大幅度降低，基本可以保證整個(gè)距離范圍內(nèi)的連續(xù)探測(cè)。

上述方法要求單部雷達(dá)具有較大的工作帶寬。當(dāng)該條件不滿足時(shí)可以考慮采用不同頻段雷達(dá)搭配工作，例如對(duì)海雷達(dá)常用的S、X波段搭配使用，并將其探測(cè)結(jié)果融合處理，也有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)海面目標(biāo)的連續(xù)覆蓋。采用雙頻段雷達(dá)工作時(shí)，其回波信噪比情況仿真如圖7、圖8所示。

圖7 架高為100、200 m及雙頻段(3、10 GHz)工作時(shí)信噪比(1級(jí)海況)

圖8 架高為100、200 m及雙頻段(3、10 GHz)工作時(shí)信噪比(3級(jí)海況)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)岸基對(duì)海雷達(dá)使用特點(diǎn)主要對(duì)不同頻率、不同架高、不同海況條件下方向圖傳播因子進(jìn)行了仿真分析，提出通過(guò)多頻點(diǎn)工作使方向圖傳播因子峰值、谷值互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對(duì)各類(lèi)海面目標(biāo)的連續(xù)探測(cè)，給出了理論依據(jù)以及相關(guān)仿真結(jié)果，對(duì)岸基對(duì)海雷達(dá)的論證、設(shè)計(jì)、使用具有一定的參考價(jià)值。