劉明輝，劉 昊，陳浩川

低空逃逸小RCS目標PD雷達探測技術(shù)

劉明輝，劉 昊，陳浩川

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

雷達面臨的挑戰(zhàn)之一是來自于對低空逃逸微弱目標的探測?，F(xiàn)代軍事逐漸向低空領域擴展，超低空逃逸技術(shù)也在日益發(fā)展，促使對低空逃逸微弱目標檢測技術(shù)研究的地位日益提升。雷達對低空微弱目標進行下視探測時，目標的低空和超低空飛行致使雷達接收的回波功率變?nèi)?，被淹沒在強烈的背景雜波中。與傳統(tǒng)脈沖多普勒PD（Pulse-Doppler）雷達不同，合成寬帶脈沖多普勒雷達可以同時實現(xiàn)距離和速度的二維高分辨，并且具備良好的相參性和抗干擾性能。針對低空飛行目標的特點進行定性定量分析，對探測所遇到的雜波環(huán)境進行仿真驗證，提供了一種基于合成寬帶脈沖多普勒雷達低空逃逸小雷達截面積RCS目標的探測方法，并對參數(shù)設計進行優(yōu)化分析，降低漏探概率。

低空逃逸；合成寬帶；相參積累；相位補償

引 言

由于雷達在低空安防領域表現(xiàn)的高效和先進性，因此在此領域逐漸占據(jù)了核心位置[1]。低空逃逸目標以及隱身技術(shù)對雷達的挑戰(zhàn)巨大[2]，隱身技術(shù)的發(fā)展使得目標的雷達截面積RCS大大降低，而低空弱小目標更是帶來了多徑效應，更容易被強雜波環(huán)境所影響。簡而言之，就是此類目標RCS小、背景雜波強，使得其不能很好地被探測出來。針對此類目標，一方面可以使用現(xiàn)代信號處理的技術(shù)解決問題，比如動目標顯示（Moving Target Indicator）技術(shù)、動目標檢測（Moving Target Detection）技術(shù)、脈沖多普勒技術(shù)以及長時間積累等技術(shù)。另一方面，還需要通過在雷達自身設施上采取手段來進行雜波抑制或者改善，比如采用頻率捷變技術(shù)、大寬帶技術(shù)，或者在硬件上采取超低副瓣技術(shù)等[3,4]。綜上，由于探測目標飛行高度低、散射面積小，在復雜環(huán)境中容易被噪聲和雜波淹沒，雷達需要具備同時實現(xiàn)距離維和速度維的二維高分辨，才能完成對目標的精確探測任務。

傳統(tǒng)脈沖多普勒雷達的處理方式是通過多普勒濾波器組進行速度分辨[5]，從而在強雜波的環(huán)境下對其進行抑制，并從中提取出目標的運動信息。根據(jù)雷達系統(tǒng)理論知識，距離維的高分辨可以通過增大帶寬來實現(xiàn)。而雷達想要實現(xiàn)速度的高分辨，往往需要相參積累技術(shù)，并且積累的時間越長分辨率越高，PD雷達可以通過采用脈沖串的形式來增加信號處理的時間。但是大寬帶和較長的處理時間存在一定的兼容問題。帶寬越大，目標在脈沖串內(nèi)包絡走動的現(xiàn)象越明顯，往往對相參積累造成損失。目前常用的寬帶信號體制有線性調(diào)頻信號、相位編碼、瞬時窄脈沖信號以及頻率步進信號[6]。目前，頻率步進合成寬帶與PD雷達結(jié)合是一種新型體制，與傳統(tǒng)PD雷達相比，它具有能夠?qū)崿F(xiàn)二維距離高分辨、極強的雜波抑制能力、可解速度模糊、抗干擾能力強、子脈沖瞬時窄帶等特點。

本文首先對合成寬帶PD雷達的兩種信號形式進行介紹，闡釋其原理，提出基于合成寬帶PD雷達的信號處理流程；然后針對探測過程中可能遭遇的強地、海雜波進行仿真建模分析，從而分析本系統(tǒng)所適應的雷達擦地角、回波主瓣雜波強度、目標的最小可檢測速度進行定量分析，為工程應用提供理論依據(jù)。

1 信號模型

1.1 合成寬帶PD信號模型

頻率步進信號是典型的瞬時窄帶寬合成寬帶信號[7]，它是寬帶PD雷達的基礎。寬帶PD雷達的信號形式主要有兩種，一種是多周期脈沖間頻率步進信號，另一種是多周期脈沖內(nèi)頻率步進信號。

多周期脈沖間頻率步進信號的時頻形式如圖1所示。由圖可以看出，其特點是周期內(nèi)發(fā)射單個脈沖，每個周期內(nèi)的脈沖載頻是步進的。脈沖周期重復發(fā)射，在此周期內(nèi)信號頻率步進。多周期脈沖內(nèi)頻率步進信號的時頻圖[8]如圖2所示。

圖1 多周期脈沖間頻率步進信號時頻圖

圖2 多周期脈沖內(nèi)頻率步進信號時頻圖

經(jīng)過接收機本振混頻后，基帶信號可以表示為：

對一共個子脈沖進行重排，載頻相同的子脈沖為一組，形成N個脈沖串[10]。對N個脈沖串進行FFT，即對窄帶信號進行脈沖多普勒處理。然后對頻率步進的幀內(nèi)進行IFFT處理，得到高分辨結(jié)果。此過程可以從頻域?qū)Σ煌俣鹊哪繕撕碗s波進行分離，測得所有目標的速度后可以進行補償，從而削弱運動對一維距離向的影響。每個速度通道進行相參合成脈壓處理，進而得到速度維的高分辨結(jié)果。對相參積累進行二維恒虛警檢測，最后可實現(xiàn)二維的高分辨檢測。圖3所示為合成寬帶PD雷達實現(xiàn)高分辨處理流程圖。

2 探測環(huán)境與性能分析

2.1 雜波特性

針對低空逃逸目標的探測任務分析，主要面對的雜波情況是地雜波或海雜波[11]。地海雜波的建模方法已有很多學者做出了很多研究，本節(jié)選取兩個針對性強且常用的建模方法進行分析。

2.1.1 地雜波單位面積散射系數(shù)

查閱相關文獻，各個參數(shù)的取值與地形地貌的關系見表1。

表1 不同地貌地雜波模型取值

2.1.2 海雜波單位面積散射系數(shù)

采用Morchin模型進行分析。Morchin海雜波模型是一種典型的海雜波后向散射參數(shù)簡化模型[12]。根據(jù)資料，海雜波主要受載頻、海情和擦地角影響，假設載頻范圍可以任意，擦海角考慮范圍為0.1°～90°，則可得具體模型如下：

2.1.3 雜波RCS

其中，為合成帶寬。

2.2 信雜比改善因子需求

假設雷達采用步進頻方式合成寬帶，任意時刻是窄帶系統(tǒng)，甚至是單頻系統(tǒng)，則在處理過程當中可以把濾波器設計得很窄，可以對熱噪聲進行良好濾除，因此暫不考慮熱噪聲。

雷達所接收到的目標回波功率為：

雷達所接收到的雜波功率為：

則信雜比為：

為了實現(xiàn)可靠探測，信雜比改善因子需求為：

為滿足一定發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率下的最終信雜比。

3 仿真實驗與分析

3.1 雜波仿真

假設雷達高度在6 km開始探測，取合成信號帶寬100 MHz，可進行海雜波RCS的仿真，如圖5所示。根據(jù)雷達海雜波瑞利準則知識，大于60°可以認為是高擦地角區(qū)，即可認為是表面粗糙的。從圖中可以看出，到了高擦地角范圍海雜波的RCS普遍激增。

在定植前要深耕整地，施足底肥、培肥地力。根據(jù)地形南北行或東西行種植，行距1.6～1.8米，挖寬0.4～0.5米、深0.5米的定植溝。每畝施有機肥1000千克、復合肥25千克，與土混合均勻施入定植溝，灌水踏實，定植溝平面低于原地面5～7厘米。

圖4 海雜波后向散射與擦地角之間的關系

圖5 海雜波RCS圖

3.2 最小可檢測速度仿真

主瓣雜波的多普勒帶寬為：

當目標飛行與雷達沒有夾角時，雜波的多普勒頻率最大值為：

此時飛機速度對目標多普勒頻率的影響也消除了，假設目標沿著徑向飛行，此時目標的多普勒頻率為：

由此，可計算出最小可檢測速度。

圖6 15 GHz頻段最小可檢測速度示意圖

圖7 30 GHz頻段最小可檢測速度示意圖

從圖6和圖7可知，隨著擦地角的增大，目標的最小可檢測速度也隨之增大[13]。將兩個不同頻率的曲線相比較可以看出，當方位角為0時，頻率對最小可檢測速度沒有影響。但是當大方位角時，高頻段可以適應的擦地角度顯然更大[14,15]。根據(jù)定量計算，15 GHz可以適應的最大擦地角為53.5°，30 GHz頻段最大能適應的擦地角為69.7°。需要注意的是，雖然高頻段能適應的擦地角更大，但是由于頻率的提高，處理時間也相應變長，需要根據(jù)工程實際進行調(diào)整。

3.3 作用距離仿真

通過多普勒域濾波獲得信雜比改善之后，作用距離的計算忽略雜波影響，計算中考慮熱噪聲[16]。

圖8 作用距離示意圖

4 結(jié)束語

對低空逃逸小RCS目標的探測是雷達領域的一大挑戰(zhàn)[2,19]，利用合成寬帶PD雷達新體制的距離速度二維高分辨的優(yōu)勢[17]，可以獲得較強的探測性能，從而實現(xiàn)對該類目標的探測任務。本文從探測中可能遇到的強雜波環(huán)境做了針對性的建模仿真，設定了探測所需的參數(shù)，探究了雜波RCS、擦地角、最小可檢測速度之間的關系，并且對目標作用距離進行了詳細計算，得出了不同參數(shù)之間的準確關系，提出雷達頻率、積累時間等參數(shù)需要綜合考慮，為后續(xù)的工程化應用提供了有效的參考。

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PD radar detection technology of low-altitude escape small RCS targets

LIU Minghui, LIU Hao, CHEN Haochuan

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

One of the major challenges that radar faces comes from the detection of low-altitude escaping weak targets. Modern military is gradually expanding to the low-altitude field, and ultra-low-altitude escape technology is also increasingly developed, resulting in the research on low-altitude escape and weak target detection technology. When the radar performs downward-looking detection on this low-altitude weak target, due to the relatively low flying height of the target, the corresponding scattering coefficient of the target is large, so that the echo of the target is easily submerged in the sidelobe clutter. Different from traditional pulse-Doppler (PD) radar, synthetic broadband pulse-Doppler radar can achieve two-dimensional high resolution of distance and velocity at the same time, and has good coherence and anti-jamming performance. In this paper, a qualitative and quantitative analysis of the characteristics of low-altitude flying targets is carried out, and the clutter environment encountered by the detection is simulated and verified, and a detection method of low-altitude escape small radar cross-section (RCS) targets based on synthetic broadband pulsed Doppler radar is provided, so as to optimize the parameter design to reduce the probability of missed detection.

Low altitude escape; Synthetic broadband; Coherent accumulation; Phase compensation

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

TN957.51

A

CN11-1780(2022)06-0117-07

10.12347/j.ycyk.20220509001

劉明輝, 劉昊, 陳浩川.低空逃逸小RCS目標PD雷達探測技術(shù)[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 117–123.

10.12347/j.ycyk.20220509001

: LIU Minghui, LIU Hao, CHEN Haochuan. PD radar detection technology of low-altitude escape small RCS targets[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 117–123.

2022-05-09

2022-06-01

劉明輝 1996年生，碩士研究生，主要研究方向為雷達信號處理。

劉 昊 1976年生，博士，研究員，主要研究方向為相控陣天線與微波技術(shù)。

陳浩川 1979年生，碩士，研究員，主要研究方向為雷達總體設計。

(本文編輯：楊秀麗)