林新黨(海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京210003)

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基于目標(biāo)RCS垂直分布的雷達(dá)門限計算方法

林新黨
(海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京210003)

摘要:對雷達(dá)探測距離的準(zhǔn)確預(yù)測計算對于合理把握雷達(dá)開機(jī)時機(jī)、提高雷達(dá)生存能力有重要的意義。在蒸發(fā)波導(dǎo)條件下，把海上艦船目標(biāo)當(dāng)作點目標(biāo)處理，可能會導(dǎo)致計算所得雷達(dá)對小目標(biāo)探測距離大于對大目標(biāo)探測距離。文章首先分析了產(chǎn)生此異常計算結(jié)果的原因，隨后在此基礎(chǔ)上提出了基于RCS垂直分布的雷達(dá)門限計算方法。該方法能保證計算所得雷達(dá)對小目標(biāo)探測距離小于對大目標(biāo)探測距離，且適用于任何RCS垂直分布情況。

關(guān)鍵詞:蒸發(fā)波導(dǎo); RCS垂直分布;雷達(dá)門限

0　引言

蒸發(fā)波導(dǎo)是海面上出現(xiàn)概率非常高的一種大氣波導(dǎo)形式［1］，是由海面水汽隨高度上升銳減造成的。雷達(dá)在蒸發(fā)波導(dǎo)條件下可能會出現(xiàn)超視距探測現(xiàn)象，對雷達(dá)探測距離的準(zhǔn)確預(yù)測計算、合理把握雷達(dá)的開機(jī)時機(jī)、提高雷達(dá)的生存能力有重要的意義。文獻(xiàn)［1-2］等對蒸發(fā)波導(dǎo)條件下雷達(dá)探測距離計算方法進(jìn)行了介紹，思路如下:先由氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速和海表溫度等氣象參數(shù)，經(jīng)蒸發(fā)波導(dǎo)模型計算得到蒸發(fā)波導(dǎo)高度和折射率剖面，隨后根據(jù)折射率剖面和雷達(dá)參數(shù)經(jīng)電磁波傳播衰減計算模型得到傳播衰減，最后將傳播衰減與由雷達(dá)方程和目標(biāo)特性計算出來的雷達(dá)門限比較，從而得到雷達(dá)探測距離。其中，文獻(xiàn)［3-4］等對蒸發(fā)波導(dǎo)模型進(jìn)行了詳細(xì)介紹，文獻(xiàn)［5-6］等對電磁波傳播模型進(jìn)行了詳細(xì)介紹。雷達(dá)門限是上述雷達(dá)探測距離計算方法的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果把海上艦船目標(biāo)當(dāng)作某高度上的點目標(biāo)來處理，有可能導(dǎo)致計算所得雷達(dá)對小目標(biāo)探測距離大于對大目標(biāo)探測距離，不符合實際探測情況。文章首先分析產(chǎn)生該異常計算結(jié)果的原因，然后提出基于目標(biāo)RCS垂直分布的雷達(dá)門限計算方法。

1　雷達(dá)探測距離計算結(jié)果異常的原因分析

在蒸發(fā)波導(dǎo)條件下，雷達(dá)波在同一距離處的傳播衰減隨高度的分布是不均勻的，圖3是某雷達(dá)波在80 km距離處不同高度的傳播衰減曲線，其中5 m高度傳播衰減明顯小于12 m高度處傳播衰減，兩者的差值超過25 dB。

圖1　某雷達(dá)波在80 km處傳播損耗曲線

雷達(dá)接收到一定距離處目標(biāo)的回波信號強(qiáng)度S為

其中

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率(dB)，G為天線增益(dB)，Ls為系統(tǒng)損耗(dB)，Lp為單程傳播衰減(dB)，σ為目標(biāo)RCS(m2)，λ為雷達(dá)波長(m)。當(dāng)雷達(dá)參數(shù)確定時，Pt、G、Ls、λ都是定值，此時用S0將這幾項分離出來，S0也為定值。

由于單程傳播衰減Lp在高度上分布不均勻，RCS在高度上的分布特征必然會影響接收信號的強(qiáng)度。當(dāng)把艦船目標(biāo)看作某高度上的點目標(biāo)時，圖2給出了不同高度的大、小點目標(biāo)對應(yīng)的回波信號強(qiáng)度。令σi= 10lg(σj)，σi單位為dB;σj為目標(biāo)RCS大小，單位為m2，其中，i、j =1、2;目標(biāo)1的RCS為σ1(dB)，高度為d1(m);目標(biāo)2的RCS為σ2(dB)，高度為d2(m)，且σ1＞σ2。

兩目標(biāo)的回波信號強(qiáng)度分別為

則兩者回波信號強(qiáng)度之差為

其中Lp(d1)、Lp(d2)分別為高度d1和d2處的傳播衰減。當(dāng)σ1－σ2＜2［Lp(d1)－Lp(d2)］時，S(d1)＜S(d2)，即在相同距離處小目標(biāo)的回波信號強(qiáng)度明顯強(qiáng)于大目標(biāo)回波信號強(qiáng)度。在這種情況下，計算所得到的雷達(dá)對小目標(biāo)探測距離大于對大目標(biāo)探測距離。

2　基于目標(biāo)RCS垂直分布的雷達(dá)門限計算方法

2.1目標(biāo)RCS分布模型

計算所得雷達(dá)對小目標(biāo)探測距離大于大目標(biāo)探測距離的根本原因在于電磁波在高度上的分布是不均勻的，而雷達(dá)對艦船目標(biāo)的探測應(yīng)該是各高度處探測效果之和。因此，在計算雷達(dá)對艦船目標(biāo)探測距離時應(yīng)考慮目標(biāo)RCS隨高度的分布。

假設(shè)目標(biāo)RCS在高度上均勻分布，即目標(biāo)RCS在高度上分N段，RCS值平均分布在每一段上，如圖3所示。

圖3　目標(biāo)RCS在高度上均勻分布

RCS均勻分布情況相當(dāng)于大、小目標(biāo)的強(qiáng)散射點的高度完全相同，且始終位于傳播衰減最小的高度位置。此時，大、小目標(biāo)的回波接收信號強(qiáng)度分別為

此時

這就完全克服了小目標(biāo)回波信號強(qiáng)度大于大目標(biāo)的問題。此時，計算得到的雷達(dá)對小目標(biāo)探測距離也小于對大目標(biāo)探測距離。

2.2雷達(dá)門限計算方法

雷達(dá)方程可以表示為

其中

考慮到目標(biāo)RCS分布的影響，雷達(dá)對艦船目標(biāo)的檢測是各高度處檢測效果之和，對雷達(dá)方程進(jìn)行如下修正:其中，σ(h)為高度h處RCS，L(h)為高度h處雷達(dá)波傳播損耗，w(h)為h高度RCS占總RCS的比值，包括RCS隨高度均勻分布和非均勻分布情況。

當(dāng)Pr≥Smin時，雷達(dá)能檢測到目標(biāo)。轉(zhuǎn)化為dB形式:

令

其中，LT為雷達(dá)門限，L(R)可以理解為在距離處R的總的雷達(dá)波傳播衰減。當(dāng)L(R)≤LT時雷達(dá)能檢測到目標(biāo)。

3　仿真分析

仿真試驗進(jìn)行了3種假設(shè):(1)假設(shè)RCS在高度剖面上為均勻分布:目標(biāo)RCS在高度上分N段，RCS值平均分布在每一段上，如圖3所示;(2)假設(shè)RCS在高度剖面上為對稱分布(非均勻分布):目標(biāo)RCS在高度上分N段，中間段代表艦船的強(qiáng)散射高度，占RCS值的比例最高，其他段依次遞減，如圖4所示;(3)根據(jù)已知典型目標(biāo)的RCS在垂直剖面上的非對稱分布，目標(biāo)RCS在高度上分N段，根據(jù)測量值確定各段RCS值占的比例，如圖5所示。

圖4　RCS高度對稱分布模型

圖5　RCS高度非對稱分布模型

試驗采用Monte Calo方法。假定艦船總RCS為10000，對3種類型RCS分布的艦船進(jìn)行檢測，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)概率為50%時雷達(dá)的探測距離作為雷達(dá)威力預(yù)報值，與基于簡單RCS模型的雷達(dá)威力預(yù)報值進(jìn)行比較，得到如表4所示結(jié)論。

表4　威力預(yù)報準(zhǔn)確度試驗結(jié)果

4　結(jié)束語

在蒸發(fā)波導(dǎo)條件下，雷達(dá)波傳播衰減在同一距離處隨高度的分布是不均勻的，把海上艦船目標(biāo)當(dāng)作某高度上的點目標(biāo)處理，可能會導(dǎo)致計算所得雷達(dá)對小

目標(biāo)探測距離大于對大目標(biāo)探測距離，這與實際探測情況不符。文章分析了產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，并提出了基于RCS垂直分布的雷達(dá)門限計算方法。采用該方法能夠保證計算所得雷達(dá)對小目標(biāo)探測距離小于對大目標(biāo)探測距離。文章提出的雷達(dá)門限計算方法適用于任何RCS垂直分布情況，掌握目標(biāo)RCS的垂直分布有助于準(zhǔn)確預(yù)測雷達(dá)對艦船目標(biāo)的探測距離。

參考文獻(xiàn):

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A method of computing radar threshold based on vertical distribution of RCS

LIN Xin-dang
(Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing，Nanjing 210003)

Abstract:Accurate prediction and computation of radar detection range have a significant impact on reasonably grasping the startup time and improving the survivability of radar.If the ships at sea are regarded as point targets，the radar detection range for small targets is probably more than that for big targets under the condition of evaporation duct.The cause that results in such an abnormal result is analyzed，on the basis of which a method of computing the radar threshold is presented based on the vertical distribution of the RCS.This method can ensure that the radar detection range for small targets is less than that for big targets and it is applicable to any vertical distribution conditions of the RCS.

Keywords:evaporation duct; vertical distribution of RCS; radar threshold

作者簡介:林新黨(1970-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)總體技術(shù)。

收稿日期:2014-12-23

文章編號:1009－0401(2015)01－0018－03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN011