淺析脈沖重復(fù)頻率對(duì)某型火控雷達(dá)STAP性能的影響

李文君，趙 娟，裴 毅，楊來濤

（中國(guó)洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南濟(jì)源 459000）

淺析脈沖重復(fù)頻率對(duì)某型火控雷達(dá)STAP性能的影響

李文君，趙 娟，裴 毅，楊來濤

（中國(guó)洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南濟(jì)源 459000）

重點(diǎn)研究了脈沖重復(fù)頻率對(duì)火控雷達(dá)STAP性能的影響，不同脈沖重復(fù)頻率會(huì)造成雜波譜的分布發(fā)生改變，中（低）脈沖重復(fù)頻率下，地雜波譜存在不同程度的模糊。仿真結(jié)果表明高脈沖重復(fù)頻率下STAP性能優(yōu)于中（低）脈沖重復(fù)頻率，實(shí)飛數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了本文的結(jié)論。

脈沖重復(fù)頻率；火控雷達(dá)；地雜波；STAP

1 引 言

某型機(jī)載火控雷達(dá)在對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，會(huì)受到大量地雜波的影響，而低速目標(biāo)回波很容易淹沒于地雜波中［1］。STAP方法因其雜波抑制能力強(qiáng)、穩(wěn)健性好及良好的抗干擾能力而被廣泛應(yīng)用，然而實(shí)際工程應(yīng)用中STAP方法會(huì)受到天線幅相誤差、航偏角、脈沖重復(fù)頻率等一些因素的影響，造成STAP處理性能不同程度的降低［2］。本文主要探討脈沖重復(fù)頻率對(duì)STAP性能的影響，并結(jié)合實(shí)際飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，探討其影響規(guī)律，以便實(shí)際運(yùn)用中更好地發(fā)揮雷達(dá)性能。

機(jī)載多普勒雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率有高、中、低之分。如果雜波不存在多普勒模糊，即脈沖重復(fù)頻率大于或等于雜波多普勒頻率最大值的兩倍，即fr≥2fdM，稱為高重復(fù)頻率；如果雜波不存在距離模糊，即雷達(dá)的不模糊距離大于等于最大觀測(cè)距離，即fr≤2Rmax／c，稱為低重復(fù)頻率；如果上述兩個(gè)條件都不滿足，即2Rmax／c＜fr＜2fdM，則稱為中重復(fù)頻率。重復(fù)頻率的選擇不僅要考慮速度模糊、距離模糊帶來的解模糊和清晰度的問題，也應(yīng)當(dāng)考慮主瓣雜波和旁瓣雜波抑制的問題。

2 脈沖重復(fù)頻率對(duì)雜波譜的影響

高重復(fù)頻率不存在雜波譜的速度模糊（多普勒頻率模糊），在二維雜波分布圖上，一個(gè)多普勒頻率最多只對(duì)應(yīng)一個(gè)地雜波錐角。但是它往往存在雜波和目標(biāo)的距離模糊，即一個(gè)距離單元對(duì)應(yīng)多個(gè)距離值，多個(gè)不同俯仰角的雜波重疊出現(xiàn)在一個(gè)距離單元里。由于距離模糊，遠(yuǎn)程的目標(biāo)信號(hào)和近程雜波相競(jìng)爭(zhēng)，因此它要求天線具有超低副瓣電平，使得與目標(biāo)多普勒頻率相同或相近的旁瓣雜波功率盡可能?。?］［4］。低重復(fù)頻率不存在這個(gè)問題，目標(biāo)信號(hào)只和相同距離處的多普勒頻率相同或相近的雜波相競(jìng)爭(zhēng)。由于低重復(fù)頻率往往存在雜波的速度模糊（多普勒頻率模糊），同一個(gè)多普勒頻率往往對(duì)應(yīng)雜波的多個(gè)錐角，所以目標(biāo)信號(hào)會(huì)和多個(gè)方位的雜波競(jìng)爭(zhēng)。低重復(fù)頻率條件下，可以相對(duì)放松對(duì)天線副瓣電平的要求，但是由于主瓣雜波譜展寬，會(huì)使速度盲區(qū)變大。中重復(fù)頻率則是高、低重復(fù)頻率的一種折衷，它對(duì)副瓣電平的要求要低于高重復(fù)頻率，主瓣展寬的影響也不如低重復(fù)頻率嚴(yán)重。

如圖1所示，設(shè)載機(jī)水平飛行，速度為V，天線軸和速度方向夾角α，地雜波散射體相對(duì)于天線軸向的方位角、俯仰角和錐角分別為θ，φ和ψ，則該散射體回波的多普勒頻率為

式中fdM＝2v／λ，對(duì)于空時(shí)二維處理，控制時(shí)域?yàn)V波權(quán)相當(dāng)于改變其多普勒頻率fd的響應(yīng)特性，控制空域等效線陣的權(quán)相當(dāng)于改變其錐角余弦cosψ的波束響應(yīng)。因此從空時(shí)二維濾波的角度研究二維雜波譜，取2fd／fr和cosψ作坐標(biāo)，fr為脈沖重復(fù)頻率，式（1）可寫成：

圖1 散射體與天線的幾何關(guān)系Fig.1 The geometric relationships between scatterer and antenna

假設(shè)fr＝4 500，V＝200 m／s，λ＝0.25 m，φ＝0°（實(shí)際情況中由于載機(jī)的斜距較大，俯仰角較小，一般可近似認(rèn)為其等于0°），改變天線軸向與載機(jī)飛行方向V間的夾角α大小，可得到不同的地雜波譜。

圖2是不同α的二維雜波譜，α＝0°時(shí)，雷達(dá)天線陣面平行于飛行方向，此時(shí)為正側(cè)面陣，式（2）變?yōu)椋璫osα＝0，二維雜波譜是一條斜率為fr／2fdM的直線。對(duì)于一般的情況，α≠0°時(shí)，天線陣面不平行于飛行方向，上式在2fd／frcosψ坐標(biāo)里為一斜橢圓。α＝90°時(shí)，天線陣面垂直于飛行方向，式（2）為正橢圓方程。

圖2 不同安裝角的雜波譜Fig.2 The spectrum of different installation Angle

此外，圖2的雜波譜對(duì)應(yīng)一個(gè)cosψ有兩個(gè)多普勒頻率，這是由于雷達(dá)能接收到來自同一錐角但分處天線前后向地塊的雜波，實(shí)際天線背瓣電平很低，相應(yīng)從背瓣進(jìn)入的雜波很弱，這樣實(shí)際的雜波譜就只存在于橢圓的一半。存在于橢圓的哪一半跟安裝方式有關(guān)，以α＝90°為例，假如是機(jī)頭陣，天線向前掃描，雜波多普勒頻率始終為正，所對(duì)應(yīng)的雜波譜就是圖2右邊的虛線橢圓，假如是機(jī)尾陣，天線向后方掃描，則所對(duì)應(yīng)的雜波譜就是圖2左邊帶圈的曲線。另外，上述雜波譜假設(shè)地雜波理想靜止，載機(jī)勻速飛行，這樣雜波譜寬度為零，在二維平面里呈現(xiàn)為直線或曲線［5］。實(shí)際上，地雜波隨著時(shí)間起伏，雜波譜有一定的寬度，呈現(xiàn)帶狀。

3 不同脈沖重復(fù)頻率下火控雷達(dá)雜波譜分布

某機(jī)載火控雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率也有高、中、低之分，圖3是采用高、中、低三種重復(fù)頻率時(shí)機(jī)尾陣的雜波譜?？梢钥闯龈咧貜?fù)頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)錐角值，只有一個(gè)多普勒頻率，但低重復(fù)頻率或者中重復(fù)頻率偏低時(shí)，由于存在速度模糊，一個(gè)多普勒頻率對(duì)應(yīng)多個(gè)錐角值，雜波譜以fr為模進(jìn)行折疊。另外，頻率越低，主雜波在2fd／fr軸上所占比重越大，主瓣展寬現(xiàn)象比較嚴(yán)重。將雜波多普勒頻率按最大不模糊頻率f2／2歸一化并將混疊計(jì)算在內(nèi)，可得歸一化多普勒頻率2fd／fr隨cosψ的變化曲線，稱為雜波分布曲線。在高脈沖重復(fù)頻率情況下，二維平面內(nèi)只有一條雜波分布曲線。在低脈沖重復(fù)頻率和中脈沖重復(fù)頻率的情況下，二維平面內(nèi)有多條雜波分布曲線，其物理意義為同一多普勒頻率對(duì)應(yīng)多個(gè)雜波錐角。

4 仿真試驗(yàn)

設(shè)置雷達(dá)仿真參數(shù)如下：雷達(dá)工作波長(zhǎng)λ＝0.25 m，載機(jī)高度H＝6 K·m，陣元數(shù)為40，脈沖數(shù)K＝16，輸入雜噪比CNR＝50 dB，載機(jī)速度vp＝200m／s。圖4為脈沖重復(fù)頻率不同時(shí)，STAP的改善因子比較。

圖3 火控雷達(dá)前視陣二維雜波譜Fig.3 The two-dimensional spectrum of front array fire control radar

圖4 不同脈沖重復(fù)頻率下的改善因子Fig.4 The im provement factor under different pulse repeat frequency

某次試驗(yàn)任務(wù)中，改變雷達(dá)脈沖重復(fù)時(shí)，對(duì)其發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表1。試驗(yàn)結(jié)果較好地吻合了前面得出的結(jié)論。

表1 不同脈沖重復(fù)頻率下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)Tab.1 Target number under different pulse repeat frequency

5 結(jié)束語

本文針對(duì)脈沖重復(fù)頻率對(duì)某機(jī)載火控雷達(dá)STAP性能的影響進(jìn)行研究。首先分析了不同脈沖重復(fù)頻率對(duì)雜波譜分布的影響，接著重點(diǎn)研究了不同脈沖重復(fù)頻率下火控雷達(dá)雜波譜的分布，最后通過仿真試驗(yàn)探討了脈沖重復(fù)頻率對(duì)STAP性能的影響，高脈沖重復(fù)頻率下性能好，中（低）脈沖重復(fù)頻率下性能變差，實(shí)際試飛數(shù)據(jù)證實(shí)了仿真結(jié)果。

［1］ 賁德.機(jī)載有源相控陣火控雷達(dá)的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（1）：1－4.

BEN De.Latest status＆development trends of airborne AESA fire-control radar［J］.Modern Radar，2008，30（1）：1－4.

［2］ 王彤.機(jī)載雷達(dá)簡(jiǎn)易STAP方法及其應(yīng)用［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2001.WANG Tong.Study on a simplified STAP and its application［D］.Xi＇an Xidian university.2001.

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［4］ 李明.機(jī)載陣列雷達(dá)抑制非均勻雜波的STAP方法研究［D］.［博士論文］.西安電子科技大學(xué)，2011.

LI Ming.Study on STAP of nonhomogeneous clutter suppression for airborne array radar［D］.Xi’an：Xidian University.2011.

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李文君 男（1981－），河南項(xiàng)城人，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)與雷達(dá)對(duì)抗。

趙 娟 女（1980－），河北保定人，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

Analysis of The Influence of Pulse Repeat Frequency on STAP of A Certain Type of Fire Control Radar

LIWenjun，ZHAO Juan，PEIYi，YANG Laitao
（Luo Yang Electronic Equipment Test Center of China，Jiyuan 459000，China）

The influence of pulse repeat frequency on the STAPof a certain type of fire control radarwas studied.Different pulse repeat frequency w ill lead to the change of clutter spectrum distribution.Clutter spectrum in joint space-time domain w ill be obscured because ofmedium or low pulse repeat frequency.Simulation results probed that the STAP under high pulse repeat frequency has a high performance compared w ith that under medium or low pulse repeat frequency.The measured data also testified this conclusion.

pulse repeat frequency；fire control radar；ground clutters；STAP

TN 959.73

A