高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)導(dǎo)引頭波形設(shè)計(jì)

張都川 文 才 馬 瑞 劉 輝

(西安電子工程研究所西安710100)

總體工程

高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)導(dǎo)引頭波形設(shè)計(jì)

張都川 文 才 馬 瑞 劉 輝

(西安電子工程研究所西安710100)

高速火箭彈大俯沖彈道條件下的強(qiáng)地/海雜波會(huì)給雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)檢測(cè)帶來(lái)困難。結(jié)合高速火箭彈的彈道特點(diǎn)，提出采用高重頻大帶寬的信號(hào)體制來(lái)抑制雜波。本文詳細(xì)闡述了高重頻頻率步進(jìn)體制下的波形設(shè)計(jì)，給出了具體參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，有一定的工程參考價(jià)值。

高重頻;步進(jìn)頻;雜波抑制;波形設(shè)計(jì)

0 引 言

火箭彈憑借發(fā)射平臺(tái)簡(jiǎn)單、殺傷力大、機(jī)動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可或缺的壓制性武器［1］。常規(guī)火箭彈只具備面打擊能力，對(duì)時(shí)敏目標(biāo)的精確打擊能力有限。隨著電子信息技術(shù)及精確制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，火箭彈從面打擊向精確點(diǎn)打擊的轉(zhuǎn)變已成為可能。

毫米波在精確制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展中占有相當(dāng)重要的地位。與微波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、效能高和空間分辨率高的特點(diǎn)。與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有穿透煙、霧、灰塵能力強(qiáng)，全天時(shí)全天候工作的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)毫米波制導(dǎo)的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其它制導(dǎo)方式。在超高速導(dǎo)彈飛行中，氣動(dòng)熱對(duì)紅外探測(cè)可靠性影響極大［2］，同時(shí)毫米波穿透空氣電離形成的等離子鞘套能力也強(qiáng)于微波［3］。因此在高速運(yùn)動(dòng)條件下，精確制導(dǎo)火箭彈采用毫米波導(dǎo)引頭具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

火箭彈彈道具有彈速高、攻擊末端俯沖角大的特點(diǎn)。彈目之間的高速運(yùn)動(dòng)容易引起越距離單元走動(dòng)的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)，信雜噪比會(huì)因無(wú)法有效相干積累而顯著下降。同時(shí)高速運(yùn)動(dòng)還會(huì)帶來(lái)主瓣雜波多普勒譜寬的展寬，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率較低時(shí)，主瓣雜波在橫向上易發(fā)生多次折疊，慢速或靜止目標(biāo)將會(huì)與來(lái)自多個(gè)方向的雜波競(jìng)爭(zhēng)，造成目標(biāo)檢測(cè)性能下降。隨著末制導(dǎo)階段的俯沖角逐步增大，雜波趨于鏡面反射，其強(qiáng)度也將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?；鸺龔棌椀捞攸c(diǎn)帶來(lái)的強(qiáng)雜波會(huì)給雷達(dá)末制導(dǎo)階段的目標(biāo)檢測(cè)帶來(lái)困難。

大帶寬可顯著提高末制導(dǎo)階段的徑向距離分辨率，從而減小地、海雜波面積。步進(jìn)頻在合成大帶寬信號(hào)時(shí)可降低系統(tǒng)對(duì)帶寬和采樣率的要求，有利于工程實(shí)現(xiàn)［4］。因此本文采用步進(jìn)頻信號(hào)提高距離分辨率，降低與目標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)的雜波功率。大俯沖角條件下，僅依靠距離高分辨抗雜波還不夠，可進(jìn)一步通過(guò)提高橫向分辨率降低與目標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)的雜波功率。充分考慮火箭彈末端攻擊俯沖角大、速度快的彈道特點(diǎn)，本文在低成本的合成大帶寬基礎(chǔ)上采用“高重頻”設(shè)計(jì)，即脈沖重復(fù)周期小于最大作用距離對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波時(shí)延，但又大于雷達(dá)主瓣照射區(qū)域俯仰波束覆蓋距離范圍。這樣可以提高不模糊測(cè)速范圍，消除雜波的橫向折疊，當(dāng)彈目間存在一定夾角時(shí)，利用多普勒波束銳化技術(shù)實(shí)現(xiàn)一定程度的橫向分辨，可進(jìn)一步縮小雜波面積;提高脈沖重復(fù)頻率還可兼顧波束內(nèi)多個(gè)靜止、慢速目標(biāo)的分離，并且可以提高數(shù)據(jù)率，削弱導(dǎo)彈高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致目標(biāo)越距離單元走動(dòng)的影響。

本文詳細(xì)分析了高重頻頻率步進(jìn)信號(hào)波形的設(shè)計(jì)問(wèn)題，相關(guān)研究成果可直接應(yīng)用于高速大俯沖角導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭波形參數(shù)的工程設(shè)計(jì)當(dāng)中。

1 高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)導(dǎo)引頭波形設(shè)計(jì):

在步進(jìn)頻合成寬帶雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)中，主要涉及的參數(shù)有合成帶寬、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、頻率步進(jìn)量、脈沖積累點(diǎn)數(shù)［5］等，針對(duì)具體的參數(shù)設(shè)計(jì)下文給出了理論分析和相應(yīng)的案例說(shuō)明。

1.1 合成帶寬的確定

設(shè)雷達(dá)最大作用距離為Rmax，距離分辨率為ΔR，則合成帶寬B首先應(yīng)滿足:

由于高彈速大俯沖角條件下的背景雜波急劇增強(qiáng)，信雜比成為制約最大作用距離的一個(gè)主要因素，具體關(guān)系如下:

式中σT為目標(biāo)散射截面積;β波束掠海角或擦地角;θ0.5為3 dB波束寬度;SCRmin為信雜比檢測(cè)門限;γ0為雜波背景反射率。

由(2)式可以看出信雜比決定最大作用距離時(shí)也對(duì)合成帶寬B做了一定限制，即:

1.2 頻率步進(jìn)量Δf

目前步進(jìn)頻合成大帶寬信號(hào)的方法主要有三種:合成距離包絡(luò)法，時(shí)域合成法和頻域合成法［6－7］。若采用合成距離包絡(luò)法，經(jīng)過(guò)IFFT處理后可得不模糊距離窗［8］的長(zhǎng)度為:

設(shè)由子脈沖寬度決定的粗分辨距離單元為Rc，此時(shí)要求不模糊距離窗Rw≥Rc(否則目標(biāo)會(huì)因折疊問(wèn)題產(chǎn)生距離模糊)，所以Δf＜c/(2Rc)。由于合成距離包絡(luò)法中頻率步進(jìn)量受到了限制，合成大帶寬時(shí)需要的跳頻次數(shù)較多，效率很低(耗時(shí)較長(zhǎng))。相比于合成距離包絡(luò)法，合成帶寬法的寬帶合成效率高得多［6］。考慮到時(shí)域合成帶寬法運(yùn)算量大的缺點(diǎn)，本文采用頻域合成法來(lái)實(shí)現(xiàn)大寬帶信號(hào)的合成，此方法下只需考慮關(guān)系Δf=(BB1)/(n－1)，同時(shí)Δf＜B1，即當(dāng)合成總帶寬B和幀內(nèi)脈沖數(shù)n已知時(shí)，Δf可唯一確定。

1.3 脈沖寬度的選擇

考慮到雷達(dá)系統(tǒng)占空比η不超過(guò)某個(gè)值，因此脈沖寬度T≤η·Tr，其中Tr為脈沖重復(fù)周期。

同時(shí)考慮到雷達(dá)威力的限制，根據(jù)雷達(dá)方程可得，由信噪比決定的最大作用距離為［9］(考慮到時(shí)寬帶寬積和相干積累的影響):

為了滿足最大作用距離的要求，由(4)式可得:

式中Pt為發(fā)射峰值功率，G為天線增益，λ為波長(zhǎng)，σT為目標(biāo)散射截面積，α0為大氣衰減系數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度，F(xiàn)N為噪聲系數(shù)，L為系統(tǒng)損耗，Br為接收機(jī)帶寬，(SNR)min為信噪比檢測(cè)門限，NF為幀積累個(gè)數(shù)(若為步進(jìn)頻信號(hào)則可由脈沖積累點(diǎn)數(shù)N和幀內(nèi)脈沖數(shù)n確定，即NF=N/n)。

1.4 脈沖重復(fù)頻率的確定

設(shè)雷達(dá)感興趣的距離區(qū)間長(zhǎng)度為Ract(Ract可由波束覆蓋范圍確定)，脈沖寬度T對(duì)應(yīng)的盲區(qū)距離為cT/2。為了避免距離上的折疊問(wèn)題，工程應(yīng)用中常要求雷達(dá)不模糊距離Ru大于感興趣的距離區(qū)間長(zhǎng)度與盲區(qū)距離之和，即:

所以由不模糊距離對(duì)脈沖重復(fù)頻率的限制可得如下關(guān)系:

同時(shí)主瓣雜波多普勒譜寬對(duì)脈沖重復(fù)頻率PRF1的確定也有一定限制，圖3為彈目之間的相對(duì)位置關(guān)系。

圖1 彈目相對(duì)位置示意圖

設(shè)νm為導(dǎo)彈飛行速度，α為方位角，β為俯沖角，則雷達(dá)主波束中心多普勒頻率為:

主瓣雜波多普勒譜寬為:

設(shè)幀內(nèi)子脈沖帶寬為B1，則合成帶寬為B的信號(hào)需要的幀內(nèi)脈沖數(shù)n=(B－B1)/Δf+1。由于脈沖重復(fù)頻率PRF1和幀重復(fù)頻率PRF2滿足關(guān)系PRF1=n·PRF2。為了滿足主瓣雜波不模糊，要求幀重復(fù)頻率應(yīng)大于Δfd。因此有:

同時(shí)考慮到占空比的要求，即PRF1·T＜ηmax所以:

1.5 脈沖積累點(diǎn)數(shù)

雷達(dá)相參積累點(diǎn)數(shù)取決于波束駐留時(shí)間、數(shù)據(jù)率、速度分辨率等因，具體分析如下:

設(shè)雷達(dá)半波束寬度為θ0.5，脈沖重復(fù)周期為Tr，天線掃描速度ωs。考慮到波束駐留時(shí)間限制，天線掃過(guò)點(diǎn)目標(biāo)的時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的回波脈沖數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系:

同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)率Ts的限制，總的積累時(shí)間應(yīng)小于1/Ts，即N·Tr＜1/Ts，因此可得

速度分辨率σν=λPRF1/2N，因此當(dāng)速度分辨率小于某一值，可得

考慮到信噪比的約束，由(6)式可得

由關(guān)系式可得

綜上，我們完成了高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)導(dǎo)引頭的波形參數(shù)設(shè)計(jì)，具體參數(shù)設(shè)計(jì)流程總結(jié)如下:

1)由(1)式和(3)式對(duì)合成帶寬的限制確定其取值;

2)給定的幀內(nèi)脈沖數(shù)，由關(guān)系式Δf=(BB1)/(n－1)確定頻率步進(jìn)量Δf;

3)由(11)式確定脈沖重復(fù)頻率PRF1的下限;由(12)式確定脈沖寬度T的上限，并預(yù)設(shè)給T一個(gè)初值;

4)由(8)式、(11)式和(12)式確定脈沖重復(fù)頻率PRF1的取值，如果取值范圍為空集，說(shuō)明預(yù)設(shè)的T值不合理，返回步驟3)，重新給定T一個(gè)初值;

5)結(jié)合已設(shè)計(jì)的參數(shù)，由(13)～(17)式最終確定脈沖積累點(diǎn)數(shù)N;

6)根據(jù)不模糊距離和盲區(qū)距離最終確定上述波形適用的距離范圍。

2 波形設(shè)計(jì)具體案例分析:

某彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作波段為Ka波段(λ =8.6 mm)，其技術(shù)指標(biāo)要求如下:最大作用距離30 km，方位角搜索范圍23°，俯沖角60°，導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)速度為1200 m/s，工作比小于30%，雷達(dá)分辨率1 m，速度分辨率1 m/s，波束寬度2.9°，目標(biāo)檢測(cè)門限13 dB，數(shù)據(jù)率50 Hz，目標(biāo)散射截面積大于1000 m2。

針對(duì)上述指標(biāo)要求，具體的波形參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

2.1 合成帶寬B的選擇

影響合成帶寬的參數(shù)取值見(jiàn)表1(γ0的取值以4級(jí)海情為例)。

表1 影響合成帶寬的參數(shù)取值

由(1)式可得B≥150 MHz;由(3)式可得B≥625 MHz。綜上，取合成帶寬B=750 MHz。

2.2 頻率步進(jìn)量Δf的選擇

取幀內(nèi)脈沖數(shù) n=8，子脈沖寬度 B1=120 MHz，由關(guān)系式Δf=(B－B1)/(n－1)可得頻率步進(jìn)量Δf=90 MHz。

2.3 脈沖寬度T的選擇

由于νm=1200m/s，由(10)式可得主瓣雜波多普勒譜寬Δfd=2.76kHz;由(11)式可得脈沖重復(fù)頻率PRF1＞22.08 kHz;由(12)式可得脈沖寬度T＜13.6 μs，因此預(yù)設(shè)T=10 μs。

2.4 脈沖重復(fù)頻率的選擇

當(dāng)T=10 μs時(shí)，由(8)式可得PRF1＜42kHz (Ract=2 km);由(11)式可得PRF1≥22.08 kHz;由(12)式可得PRF1＜30 kHz;綜上，PRF1在22.08～30 kHz范圍內(nèi)取得，最終確定PRF1=25 kHz。

2.5 脈沖積累點(diǎn)數(shù)的選擇

由于PRF1=25 kHz，因此脈沖重復(fù)周期Tr= 40 μs，影響脈沖積累點(diǎn)數(shù)的參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 影響脈沖積累點(diǎn)數(shù)的參數(shù)取值

由(13)式可得N≤1208;由(14)式可得N＜500;由(15)式可得N＞108;由(16)式和(17)式可得N≥80(此時(shí)NF≥10)，因此108＜N＜500，考慮到積累時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)和FFT運(yùn)算方便，最終確定積累個(gè)數(shù)N=128。

當(dāng)PRF1=25 kHz，T=10 μs時(shí)，可得不模糊距離為6 km，距離盲區(qū)為1.5km，由于最大作用距離為30km，所以上述參數(shù)可滿足25.5～30km的波形設(shè)計(jì)。其他作用距離上的波形設(shè)計(jì)可依據(jù)上述步驟一一完成。

3 結(jié) 論

本文詳細(xì)研究了高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)體制的波形參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)案例，給出了相應(yīng)的波形參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和應(yīng)注意的問(wèn)題，相關(guān)研究成果對(duì)類似雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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Waveform Design for High Pulse Repetition Stepped Frequency Radar Seeker

Zhang Duchuan，Wen Cai，Ma Rui，Liu Hui
(Xi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100)

Strong ground/sea clutter caused by high speed rocket missile in high dive trajectory condition will make radar seeker detect target difficult.Employment of signal system with high pulse repetition frequency and broad bandwidth is presented combining with trajectory features of high speed rocket missile.The waveform design in high pulse repetition stepped－frequency system is depicted in detail，and specific standard for selecting parameters is given，which is valuable in project for reference.

high pulse repetition frequency;stepped－frequency;clutter suppression;waveform design

TN952

A

1008-8652(2016)04-012-04

2016-06-11

張都川(1989－)，男，碩士研究生。研究方向?yàn)榫_制導(dǎo)技術(shù)。