基于環境約束的天波超視距雷達任務規劃方法

張海成

(空軍預警學院研究生管理大隊， 武漢430019)

0 引言

天波超視距雷達工作在短波段，通過電離層的反射來傳輸信號，可獲得超視距大范圍的區域覆蓋能力，是具有相當性價比優勢的大面積實時監視系統［1］。由于具有多任務、多功能特點，天波超視距雷達可對飛機(包括隱身飛機)、艦船、彈道導彈主動段以及巡航導彈等目標實施遠程預警和監視，也能夠完成電離層探測、海態遙感、干擾監測等其他任務［2］。不同的目標探測任務對應不同的探測機理，天波超視距雷達完成不同任務時采用的工作方式、工作參數及處理算法也相應存在著較大的差異。

當出現多任務需求時，各任務對雷達系統資源的占用、參數的選取以及算法的優化可能存在沖突，因而需要設計一個專用的任務規劃系統來進行統籌，以充分利用系統資源，獲得最佳探測效能。

天波超視距雷達的傳輸媒質電離層隨每日時段、季節和11年太陽活動周期變化，具有周期性、時變性和非平穩性，在雷達工作過程中通常需要將電離層看作不可缺少的一個組成部分［3］。電離層的各種效應，如電離層暴、行波擾動、多徑傳輸、前沿聚焦、Es層遮蔽等，會對雷達探測效能產生直接影響，嚴重情況甚至導致任務失敗。同時，由于高頻段用戶較多，頻譜占用嚴重，也會使在雷達工作的頻帶內面臨嚴重的干擾［4］，干擾環境也將對探測效果產生影響。

天波超視距雷達所面臨的這些困難使得任務規劃系統變得復雜。與常規任務規劃系統相比，需要引入環境參量，包括電離層傳輸條件和電磁環境等，并結合其時變特性進行動態規劃。

天波超視距雷達任務規劃系統主要解決以下3個問題:

(1)當前環境條件下指定任務能否正常完成?

(2)當前環境條件下如何保證以最佳性能完成指定任務?

(3)環境條件隨時間變化后影響如何?是否需要調整規劃?

本文以上述三個問題的解答為出發點，結合環境特性，提出了基于環境約束條件的天波超視距雷達任務規劃方法。

1 任務規劃參量

1.1 探測任務類型與工作機理

1.1.1 空中目標

天波超視距雷達探測空中目標雷達方程［5］為

式中:S為目標回波能量;N為噪聲能量;N0為噪聲功率密度;Pav為平均發射功率;Gt為發射天線增益;Gr為接收天線增益;T為相干積累時間;λ為工作波長;σr為目標的雷達截面積;Fp為極化及其他失配損耗;L為路徑及系統損耗;R為作用距離。

由于空中目標的速度較快，目標回波具有較大的多普勒頻移，檢測遠離地物雜波。在噪聲和干擾背景下進行，目標發現能力取決于目標回波的信噪比(SNR)。

為獲得較高的信噪比，對空中目標探測需要更高的發射功率，更低的外部噪聲(選擇無干擾“干凈”的工作頻率)和更長的積累時間。但積累時間的增加受制于電離層的相位穩定性、目標運動姿態的變化以及所能接受的重訪速率，典型值在幾秒至十幾秒之間。

1.1.2 艦船

天波超視距雷達探測艦船目標檢測處理方式與探測空中飛機目標不同。由于艦船目標速度較低，在多普勒上與海雜波分量相鄰近，這樣決定系統對艦船目標的探測能力就不再是信噪比，而是信雜比。信雜比中的雜波分量主要指海雜波二階分量(二階譜)。因此，由雷達方程可以得出下列簡化公式

式中:Rp為射線距離;σt目標的雷達散射截面積;S/C為檢測所需信號雜波功率比;σc雜波后向散射截面積(與距離和方位分辨單元乘積成正比)。

雜波強度與分辨單元的大小有關(包括距離、方位和多普勒)。距離、方位和多普勒分辨單元越小，雜波強度越小。這也就要求對海探測采用更寬的天線孔徑(提高方位分辨率)、更大的工作帶寬(提高距離分辨率)和更長的積累時間(提高多普勒分辨率)。

雜波強度與空間位置(距離和方位)有關。對于海雜波，在多普勒維上呈現兩個離散的一階譜峰，二階譜以一階譜為中心對稱分布。而海雜波的多普勒分布函數還與所照射單元中海態相關。圖1給出了典型的海雜波頻譜圖。對于具有相同徑向速度(多普勒)的艦船目標，海態越高，雜波越強，對雷達發現能力影響越大［5］。

圖1 典型海雜波頻譜圖

對艦船目標探測而言，當雜波強度高于背景噪聲后，進一步提升發射功率并不能改善信雜比。

1.1.3 彈道導彈(主動段)

彈道導彈主動段回波存在三種不同的探測機理，即彈體、尾焰產生的等離子體(羽流)和電離層擾動(電離層洞)。

彈道導彈彈體可被看作空中目標的一類，其散射截面積與尺寸、形狀、飛行姿態、雷達工作波長以及極化方式有關。但是彈道導彈彈體是一個高(變)加速目標，且到達一定高度以后，第一級火箭將脫落，這樣導彈彈體尺寸將急劇減小，難以探測。

當導彈飛行到一定高度后，空氣稀薄，電子與中性氣體分子的中和作用減弱，尾焰電離中性大氣產生的電子濃度(電離度)可達到一定水平，此時在尾焰后方將產生一個局部的等離子體(羽流)。當電波頻率小于該等離子體的臨界頻率(也稱為截止頻率，與電子濃度相關)時，會產生強烈的反射現象，從而可被雷達探測到［6］。

尾焰所產生等離子體的散射回波具有下列特性:(1)回波強度隨高度有變化，一定高度以下甚至不存在等離子體;(2)具有一定的存在時間;(3)回波相參性差。

當彈道導彈飛行高度到達電離層之后，在沿導彈飛行軌跡上會產生一個因導彈尾焰引起的電離層擾動效應，可以認為是原本相對均勻和穩定的電離層電子濃度分布因導彈的穿越而產生了局部的不均衡(異常)，因此這種效應通常也被稱為“電離層洞”。“電離層洞”的持續時間可達十幾至幾十分鐘。原本由均勻、穩定的介質電離層所傳輸的雷達信號經過這樣的擾動之后，其回波(例如地海雜波和目標回波)也將產生明顯的異常。由于擾動范圍極大，導致目標定位困難。

對于彈道導彈主動段目標探測，需要針對其不同探測機理設計工作方式和參數，并能夠根據導彈所處階段自動進行切換。

1.2 工作方式與參數設計

對空中目標探測，工作方式需兼顧同時覆蓋區域和重訪速率。重訪速率過低，同時可覆蓋區域較大，目標運動狀態的緩慢變化也會導致航跡失跟;減少掃描波位可以提高重訪速率，但覆蓋區域的降低對掌握整體態勢不利。美國空軍的AN/FPS-118雷達執行對遠程轟炸機的戰略預警任務時，設置有8個寬7.5°的掃描波位，形成波束屏障以覆蓋整個60°扇區，同時最多可臨時增設3個波位，用于補充探測、干擾監測等其他用途。圖2給出了AN/FPS-118雷達東海岸系統的工作方式設置圖。圖中可看到其3個陣面，每個陣面60°，由8 個波位構成的屏障區［7］。

圖2 AN/FPS-118雷達工作方式設置圖

艦船目標探測的工作方式、參數及處理方法與空中目標探測不同，需采用更大的工作帶寬和長相干積累時間，其大數據量以及復雜的處理算法對信息處理能力的要求大幅度提高。以澳大利亞JORN雷達網探測參數為例，其對海探測帶寬最高可達50 kHz，積累時間長達40 s［8］。在數十秒量級的積累時間下，因電離層擾動所導致的相位污染成為影響積累得益的重要因素。相位污染抑制成為艦船目標探測中獨特的處理環節，近年來成為研究熱點［9-10］。

相對飛機和艦船目標，彈道導彈目標運動速度極快，且存在較強的加速度，相干積累損耗較大，采用長積累時間的效果不明顯。近年來，多種機動目標檢測和積累補償方法被提出。另外，由于飛行速度快，位移明顯，探測波位需要快速移動和設置能力才能對彈道導彈目標實施捕獲。

2 基于環境約束條件的任務規劃方法

2.1 環境約束條件

2.1.1 傳輸損耗

傳輸損耗主要指電離層的吸收損耗，此外還包括法拉第極化旋轉失配損失、多路徑效應和電離層聚焦、散焦效應等因素組成，是天波超視距雷達方程中的特殊參量。

電離層傳輸損耗采用雷達探測的地海雜波強度A(R，Az，t，f)表征，它與空間、時間和頻率相關。其中，R為距離，Az為方位，t為探測時刻，f為工作頻率。同等條件下，雜波強度越強，表明電離層傳輸損耗越小。

2.1.2 噪聲基底

由于天波雷達外部環境噪聲功率占支配地位，在雷達方程中取代了常規雷達接收機內噪聲功率。噪聲基底以雷達探測各頻率的噪聲統計平均值N(R，Az，t，f)表征，它也是空間、時間和頻率的函數，通常隨著頻率的升高而降低，并隨著接收點的地理位置、季節和晝夜時間而變化，當雷達采用窄波束接收時，在方位上的分布也不均勻。

2.1.3 海雜波強度

海雜波強度主要由海面粗糙度(海態等級)和分辨單元大小等因素決定。它是空間、時間、頻率、分辨率(帶寬、陣列口徑和積累時間)和海態的函數，記為C(R，Az，t，f，Re s，S)，其中 Re s為分辨率。帶寬、陣列口徑和積累時間分別決定距離、方位和多普勒分辨率;S為海態等級，由平均顯著浪高表征。

2.2 性能評估函數

根據環境約束條件的各參量，可得到不同探測任務下的性能評估函數。再通過多維探測數據進行尋優，對雷達探測子區進行自適應規劃，在保證探測效能的前提下實現最佳覆蓋。

當性能評估結果得出某些區域不能滿足探測任務完成需求時，給出提示，供用戶參考決策。

下面以空中目標為例，給出性能評估函數。通過不同性能評估函數和評估結果，可以對不同任務(目標類型)的探測效能進行橫向對比。

空中目標的性能評估函數為

任務規劃的目的在某一時刻t對式(3)在距離、方位和頻率三維進行計算，并與閾值進行比較。

當 SNR(R，Az，t，f)遍歷所有頻率均小于可用閾值K1時，則該距離-方位單元在時刻t不可用。

當SNR(R，Az，t，f)在可用閾值K1和最佳閾值 K2之間時，則該距離-方位單元在時刻t可用，并提取出可用頻段。

當SNR(R，Az，t，f)大于最佳閾值 K2 時，則該距離-方位單元在時刻t可實現最佳覆蓋，并提取出可用頻段。

根據提取出的可用頻段，分別依據探測效果優先和覆蓋區域優先這兩個準則進行歸并，從而得到子區規劃結果。

2.3 任務子區規劃

以式(3)為基礎采用不同準則進行任務子區規劃的結果如圖3所示，為僅考慮任務類型，未采用環境約束條件進行規劃。圖中可看到規劃出的探測子區均為規則分布，但探測效能評估值差異較大，部分子區探測效能較差。

圖3 常規任務子區規劃結果圖

圖4為采用環境約束條件進行規劃的子區，規劃準則為探測效果優先。從圖中可看出，由于考慮到電離層傳輸和干擾噪聲等環境因素，各子區的大小和空間分布具有較大差異，但探測效能評估值分布較為均勻。規劃準則以探測效果優先，導致子區數目較多。

圖4 基于環境約束的任務子區規劃結果圖(探測效能優先準則)

圖5為采用環境約束條件進行規劃的子區，規劃準則為覆蓋區域優先。從圖中可看出，各子區的大小和空間分布差異也較大，但子區數目較少，覆蓋相同大小區域所用的波位最少，可獲得最佳的重訪速率。但此準則也導致探測效能評估值整體上比采用效能優先準則低。

圖5 基于環境約束的任務子區規劃結果圖(覆蓋范圍優先準則)

3 結束語

由于天波超視距雷達的環境依賴性，使得結合特定任務類型和當前環境進行動態的任務規劃成為發揮系統潛能的有效手段。以空中目標探測這一典型任務為例，開展的任務子區規劃結果與設計準則相符合，所采用的方法和流程也可應用于其他任務類型的規劃中，例如艦船和彈道導彈。

更進一步的研究可以考慮將任務子區規劃與探測性能預測相結合，為制定任務預案提供依據。

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