載機橫滾對三面陣雷達目標檢測性能影響分析*

何彥杰，韓 偉，肖 卉

（1.解放軍95980部隊，湖北 襄陽 441100；2.空軍預警學院，武漢 430019）

載機橫滾對三面陣雷達目標檢測性能影響分析*

何彥杰1，韓 偉1，肖 卉2

（1.解放軍95980部隊，湖北 襄陽 441100；2.空軍預警學院，武漢 430019）

針對剛體模型條件下，載有三面陣天線的機載預警雷達載機的姿態變化問題，建立了橫滾的數學模型，分析了載機橫滾對雜波譜和目標回波幅度的影響，在采用單通道信號處理條件下，通過仿真實驗給出了不同陣面的橫滾對目標的檢測概率影響，明確了載機橫滾的限度。結果表明：橫滾對斜側面陣的目標檢測概率影響明顯，而對前向陣影響不明顯。

機載預警雷達，三面陣天線，載機橫滾，檢測概率

0 引言

機載預警雷達在執行警戒或引導任務時，根據作戰的要求，需按指定航線在一定區域內航行。這期間，雷達載機會轉彎飛行或做其他類型的機動飛行，從而導致載機姿態發生變化，使雷達探測能力受到影響。其中，載機轉彎過程中發生的橫滾是最為常見的姿態變化，當載機橫滾角過大時，機載預警雷達的探測性能會受到嚴重影響，如何定量分析這種影響，用以在不同探測條件下提出姿態變化的具體限制具有十分重要的意義。

文獻［1-3］針對高機動的機載截獲前視雷達，分析了天線轉動對雜波特性及多通道的空時二維處理（STAP）性能影響，文獻［4-6］研究了機載雷達載機偏航對空時二維雜波譜的影響，但以上研究未對機載預警雷達載機的三維運動進行詳細建模，未分析姿態變化對目標檢測性能的影響。文獻［7］對載機姿態變化進行了建模，但僅分析了正側面陣雷達載機偏航對目標檢測概率的影響，未考慮其他姿態變化和天線類型。本文主要研究剛體模型條件下機載三面陣雷達載機的橫滾對目標檢測性能的影響，首先建立三面陣天線橫滾的幾何模型，而后分析橫滾對雜波譜和目標回波幅度的影響，最后，在采用AMTI+MTD加二維CFAR信號處理方法的基礎上，通過仿真實驗給出不同陣面和橫滾角下的目標檢測概率。

1 載機姿態變化模型

雷達與地面雜波散射單元之間的幾何位置關系如圖1所示。坐標系O-XYZ為參考坐標系?？紤]某距離環上的一個雜波散射單元，其在參考坐標系下的方位角和俯仰角分別為θ和φ，天線安放角為θp。

如圖2所示，建立載機的機體坐標系XcYcZc，當載機平穩飛行時，機體坐標系與參考坐標系重合；當載機姿態變化時兩坐標系的相對位置關系發生改變。雷達載機橫滾角定義如下：載機以X軸為旋轉軸，旋轉的角度為橫滾角，用△φ表示，示意圖如圖3所示。

由此，可以得到橫滾后的兩坐標位置關系為

由于雷達天線與載機可能有一定的相對位置關系，因此，需進一步將機體坐標系的位置量Xc，Yc，Zc轉換為天線坐標系的位置量Xa，Ya，Za，即

式（3）中，E為天線的俯仰角轉換矩陣，A為天線的方位角轉換矩陣，可表示為

設某一雜波散射體在參考坐標中的方位角和俯仰角分別為θ和φ，則參考坐標系與天線坐標系的變換關系可表示為

式（6）中，φa為散射單元在天線坐標系中的俯仰角，θa為散射單元在天線坐標系中的方位角。

2 載機橫滾對雜波譜的影響

基于三面陣天線的機載預警雷達可以實現全方位搜索，其特點是使用三副天線，以等邊三角形方式安裝在機背上，每副天線分別完成120°方位掃描。三面陣的結構如圖4所示。

陣面1稱為前向陣，陣面2、3分別稱為左斜側面陣和右斜側面陣，由于陣面2、3是對稱的，因此，本文主要討論前向陣和右斜側面陣。

對于非正側面陣，當載機橫滾△φ角后，參考坐標系和天線坐標系的變換關系為：

對于前向陣，θp=-90°，對于右斜側面陣θp=-30°。則橫滾后主波束在參考坐標系中的俯仰角和方位角分別為：

由此，雜波的中心多普勒頻率可表示為：

因此，不管對于前向陣還是斜側面陣，載機橫滾時雜波中心頻率不發生偏移。載機發生橫滾時的主瓣雜波譜寬可表示為

仿真參數如表1所示。后續的所有仿真均采用此參數。主瓣雜波譜寬隨載機橫滾的變化情況如圖5所示。仿真結果表明：不管對于前向陣還是斜側面陣，載機橫滾對主瓣雜波譜寬有一定影響，但影響不大。

3 載機橫滾對目標回波幅度的影響

對于三面陣天線而言，當載機橫滾時，前向陣或斜側面陣上的波束都會產生指向誤差，從而對目標回波幅度產生調制。設目標的初始方位在主波束中心（θ0，φ0）處，當載機橫滾時，目標在天線坐標系中的位置發生變化，并逐漸偏離主波束中心。載機橫滾角為△φ時，目標在非正側面陣天線坐標系中的俯仰角和方位角分別為

采用高斯方向圖來模擬主波束，對目標回波功率進行仿真。采用的參數同表1。

圖6（a）（b）分別表示斜側面陣和前向陣的目標回波功率隨橫滾角的變化情況。仿真結果表明：斜側面陣情況下，橫滾對目標回波幅度調制影響要大于前向陣情況，并且波束在天線陣面中的方位角越大，目標回波下降得越慢。

4 載機橫滾的對目標檢測概率的影響

PD體制下機載雷達信號處理一般為距離門脈沖多普勒方法［8］，為了能檢測目標和測出目標的距離，在每個脈沖重復周期內，分隔成與發射脈沖寬度相匹配的距離門，按一個個距離門進行處理。信號處理主要包括脈壓、主雜波對消、脈沖多普勒濾波和CFAR檢測，結構框圖如圖7所示。

雜波建模采用距離環法［9］，將接收通道退化為單通道，產生單通道雜波數據，即距離×脈沖維數據。對目標所在距離單元進行AMTI處理完成主雜波對消，主雜波的中心多普勒頻移由主波束指向決定。仿真中，采用三脈沖對消方法，則濾波器權系數為［1-2exp（j2πfd0/fr） exp（2·j2πfd0/fr）］，其中fd0=2Vcosθ0cosφ0/λ，改善因子可表示為［10］：

式中G為濾波器對目標的功率增益，它由對消器次數以及目標的多普勒頻移決定。SCNRin和SCNRout分別表示AMTI前和AMTI后的信雜噪比。在下面的仿真中，對消前的雜波噪聲功率Cin和對消后的雜波噪聲功率Cout都在時域中進行估算。這里，定義雜噪比CNR=60 dB，目標距離Rt=370 km。

圖8，圖9分別表示右斜側陣和前向陣條件下，SCNRin和SCNRout隨不同橫滾航角的變化情況。仿真結果表明：斜側面陣條件下，載機橫滾使SCNRin和SCNRout明顯下降；前向陣條件下，載機橫滾對SCNRin和SCNRout影響不明顯。

選取位于距離R=370 km處的3個目標，它們速度分別為-180 m/s，60 m/s，300 m/s，速度為負表示目標遠離載機，Pfa=10-6，采用二維CA-CFAR。在斜側面陣和前向陣條件下，它們的檢測概率如表2所示。

從表2的數據可以得到如下結論：

（1）斜側面陣條件下，載機的橫滾使目標的檢測概率有明顯下降；前向陣條件下，載機的橫滾對目標檢測概率基本沒有影響。這是由于在斜側面陣條件下，載機橫滾使目標回波功率嚴重下降，而在前向陣條件下，載機橫滾對目標回波功率影響較小。

（2）當波束掃描到前向陣時，10°內的橫滾對目標檢測概率基本沒有影響，3個目標均能被檢測出；當波束掃描到斜側面陣時，對于V=-180 m/s的目標，當橫滾角超過1°時，該目標難以檢測；對于V=60 m/s的目標，當橫滾角超過4°時，該目標難以檢測；對于V=300 m/s的目標，當橫滾角超過6°時，該目標難以檢測。

5 結束語

載機橫滾對三面陣的雜波譜影響較小，其中，雜波中心多普勒頻率不隨橫滾而變化，雜波譜寬度隨橫滾的變化較小，對目標回波幅度的影響較為明顯，其中，斜側面陣的影響大于前向陣。幾項因素同時影響了AMTI輸出的信雜比，最終影響了目標的檢測概率。仿真結果表明：斜側面陣的目標檢測概率對橫滾非常敏感，隨著橫滾角的增大，目標檢測概率迅速下降，前向陣對橫滾不敏感，10°內的橫滾對目標檢測概率基本沒有影響。

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Analysis of Influence of the Aircraft Rolling on Target Detection Performance of Radar with Three-Side Antenna Array

HE Yan-jie1，HAN Wei1，XIAO Hui2
（1.Unit 95980 of PLA，Xiangyang 441100，China；2.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China）

Considering aircraft rolling of airborne early warning radar with three-side antenna array based on rigid body model，the mathematic model of aircraft rolling is set up，and then the effects of rolling on clutter power spectrum and target echo amplitude is analyzed.Finally，on the condition of single-channel signal processing，the target detection probability of different types of array is gained on the influence of rolling，and the rolling angle confine is given.Simulation results show that rolling of aircraft has obvious influence on target detection probability of inclined side looking antenna array，but little influence on that of forward looking antenna array.

airborne early warning radar，three-side antenna array，aircraft rolling，detection probability

E939；O224

A

1002-0640（2015）10-0022-04

2014-07-15

2014-10-20

國家自然科學基金資助項目（No.51309232）

何彥杰（1983- ），男，河北昌黎人，碩士。研究方向：雷達系統，數據融合。