基于參量動態(tài)配平的天波超視距雷達性能評估方法

韓彥明，居 閩，盧 琨

(1.空軍駐滬寧地區(qū)軍事代表室， 南京210039;2.上海機電工程研究所， 上海201109)

(3.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

天波超視距雷達通過電離層的反射來傳輸信號的特殊機理，可獲得遠(yuǎn)程超視距覆蓋能力，成為性價比較高的大區(qū)域?qū)崟r監(jiān)視系統(tǒng)［1］。作為傳輸媒質(zhì)，電離層具有周期性、時變性和非平穩(wěn)性等特點，隨每日時段、季節(jié)和太陽活動周期變化，通常需要將其看作雷達系統(tǒng)的一個組成部分［2］。電離層存在多種效應(yīng)，例如電離層暴、行波擾動、多徑傳輸、前沿聚焦、電離層遮蔽等，會對雷達探測效能產(chǎn)生直接影響，甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗。此外，高頻段頻譜占用嚴(yán)重，在工作頻帶內(nèi)面臨著嚴(yán)重干擾，雷達需要選取“干凈”頻點進行工作［3］。天波超視距雷達所面臨的這些環(huán)境因素使得傳統(tǒng)的性能評估方法不再適用，這主要體現(xiàn)在三個方面。

1)指向性不明。微波雷達性能受環(huán)境影響小，評估通常不考慮外界因素。而天波雷達必須把電離層和干擾等環(huán)境因素納入評估體系中，否則，如頻率管理系統(tǒng)、瞬態(tài)干擾抑制、電離層污染補償?shù)戎匾考退惴ǖ难邪l(fā)和改進將失去意義。在這種情況下，傳統(tǒng)方法評估的發(fā)射功率、天線口徑、接收機靈敏度等指標(biāo)僅僅反映系統(tǒng)在理想條件下的最大潛能，而無法體現(xiàn)系統(tǒng)真實工作能力。

2)準(zhǔn)確性不足。傳統(tǒng)評估方法的評估結(jié)果是靜態(tài)的，將多次試驗樣本的結(jié)果匯總，按照假定分布模型(典型的就是正態(tài)分布)進行統(tǒng)計，獲得結(jié)果。但由于環(huán)境的時變性和非平穩(wěn)性，這些結(jié)果極度依賴于統(tǒng)計樣本。當(dāng)年份、季節(jié)和時段變化后，假定的分布模型差異極大，少數(shù)樣本無法反映全局，而覆蓋全面的樣本難以獲得，而即使獲得以后加權(quán)平均抹掉了其中的差異性，也大大降低了統(tǒng)計結(jié)果的指導(dǎo)意義。

3)操作性不強。如要獲得完整太陽活動周期的統(tǒng)計樣本，至少需要11年時間，即便是獲得典型的各季節(jié)場景，那也需要不分晝夜的積累一年時間，顯然這對性能評估而言是難以接受的。無論是設(shè)備維修升級或是算法優(yōu)化，都需要快速準(zhǔn)確的性能評估結(jié)果提供支持，指引研究方向。靜態(tài)評估的長周期和大代價，嚴(yán)重削弱了性能評估的意義。

上述問題引起了相關(guān)研究人員的關(guān)注。文獻［4］提出了基于模糊邏輯的參量融合方法，采用自頂向下的流程對天波雷達系統(tǒng)性能進行評估，充分考慮到環(huán)境特征所帶來的影響。參量融合方法涉及的參量包括雜波中目標(biāo)可見度、雜波強度、背景噪聲、最小可檢測速度等。但該方法未考慮參量的時變性，同時，參量部分是基于理論計算而不是實時提取，不能很好地反映環(huán)境變化。

本文在構(gòu)造參量空間的基礎(chǔ)上，引入動態(tài)配平機制，全部參量均從探測結(jié)果中實時提取，提出了基于參量動態(tài)配平的天波雷達性能評估方法。

1 評估方法

1.1 探測性能

天波超視距雷達探測空中目標(biāo)的雷達方程［5］為

式中:S為目標(biāo)回波能量;N為噪聲能量;Pav為平均發(fā)射功率;Gt為發(fā)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;N0為噪聲功率密度;σt為目標(biāo)的雷達截面積;Fp為極化及其他失配損耗;L為路徑及系統(tǒng)損耗;R為作用距離。

空中目標(biāo)的運動速度較快，目標(biāo)回波具有較大的多普勒頻移。檢測應(yīng)遠(yuǎn)離地物雜波，在噪聲和干擾背景下進行，目標(biāo)發(fā)現(xiàn)能力取決于目標(biāo)回波的信噪比。為獲得較高的信噪比，對空中目標(biāo)探測需要更高的發(fā)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。

由于地海雜波的存在，當(dāng)目標(biāo)沿相對雷達切向飛行時，回波會淹沒在強地海雜波中，相對雷達站的徑向速度越低，被淹沒的可能越大。因此，雜波寬度是影響空中目標(biāo)，特別是低徑向速度目標(biāo)的探測性能。雜波寬度主要由頻率穩(wěn)定度、地表特征、多徑傳輸嚴(yán)重程度、電離層相位穩(wěn)定性等因素決定。

1.2 特征參量

1)覆蓋尺度值(距離/方位)

覆蓋尺度值表征雷達利用某一工作頻率在距離和方位上所能覆蓋的區(qū)域大小，以雜噪比為依據(jù)進行衡量。單一頻率能覆蓋的區(qū)域越大，覆蓋尺度值越大。覆蓋尺度值表示為FCA。

2)雜波強度值

雜波強度值表征雷達覆蓋區(qū)域內(nèi)地海雜波強度，以回波幅度值(dB)為依據(jù)進行衡量。雜波回波幅度越高，強度值越大。雜波強度值表示為FCS。當(dāng)對空中目標(biāo)探測時，地表特征可為地面或海面，地海散射雜波在多普勒上不可分辨，整體納入統(tǒng)計。

3)噪聲基底值

噪聲基底值表征雷達在當(dāng)前工作頻率上所能接收到的噪聲電平，以噪聲幅度值(dB)為依據(jù)進行衡量。噪聲電平越低，噪聲基底值就越大。噪聲基底值表示為FNL。

4)雜波寬度值

雜波寬度值表征雷達探測到的雜波在多普勒維上的展寬，以多普勒寬度進行衡量。雜波的多普勒擴展越小，雜波寬度值越大。雜波寬度值表示為FCW。

5)擴展雜波值

擴展雜波值表征出現(xiàn)在非零多普勒位置強度可淹沒目標(biāo)回波的雜波，以距離/多普勒淹沒區(qū)域中的雜波強度值為依據(jù)進行衡量。擴展雜波區(qū)域越小，強度越低，擴展雜波值越大。擴展雜波值表示為FSC。

6)多徑傳輸值

多徑傳輸值表征電離層多徑傳輸效應(yīng)的強弱，以傳輸路徑數(shù)目進行衡量。傳輸路徑數(shù)目越少，多徑傳輸值越大。多徑傳輸值表示為FMP。

7)多普勒偏移值

多普勒偏移值表征回波經(jīng)電離層傳輸后所疊加的多普勒偏移程度，以雜波多普勒偏移量進行衡量。雜波偏離零多普勒位置越小，多普勒偏移值越大。多普勒偏移值表示為FDS。

1.3 參量空間

空中目標(biāo)探測性能可表征為

由于各特征參量的時變性，評估分值也隨之變化，實時動態(tài)評估成為必然選擇。

1.4 評估分值

由式(2)獲得的評估分值是一個無量綱的數(shù)值，它實時反映系統(tǒng)探測能力的變化情況，其中包括環(huán)境因素所引起的變化。

評估分值可以在每個探測周期(相干積累時間內(nèi))內(nèi)更新一次，采樣的密集可以平滑掉一些緩變因素的影響，而突出瞬態(tài)變化。典型的例子就是瞬態(tài)干擾的出現(xiàn)，當(dāng)某一探測周期內(nèi)出現(xiàn)雷電或流星余跡等具有瞬時特性的干擾時，評估分值將會有一個階躍式的降低，而電離層或大氣噪聲等因素通常不能產(chǎn)生如此劇烈的跳變。而另一種可能導(dǎo)致評估分值突然變化的情況是雷達設(shè)備出現(xiàn)故障，不能接收和處理出有效回波，此時按評估公式獲得的評估分值將會掉落至一個極低值。

當(dāng)然，雷達工作參數(shù)的變化也會引起評估分值的變化，特別是工作頻率。因此，評估分值也可以用于動態(tài)反映雷達變頻前后的探測效能變化，如果大多數(shù)的工作頻率更替都導(dǎo)致評估分值下降，那么顯然這個選頻方法值得質(zhì)疑;反之，換頻帶來評估分值的提升則表明選頻方法可適應(yīng)環(huán)境變化。

評估分值可以在算法研發(fā)中起到指導(dǎo)性作用，上文提到的選頻算法評估就是一個例子。信息處理算法也是一樣，例如在空間濾波和瞬態(tài)干擾抑制方面提出過許多種方法［6-7］，哪一種方法更具有工程上的有效性，則可以通過啟用和關(guān)閉該算法模塊前后評估分值的變化來進行比較。對于相同的場景，某一算法總是表現(xiàn)出比其他算法穩(wěn)定且較高的評估分值輸出，顯然它將更具有吸引力。

上述關(guān)于評估分值的應(yīng)用場合，都是以評估分值是真實反映雷達探測能力為前提。真實是比較容易做到的，而準(zhǔn)確往往很難實現(xiàn)。因此，在評估分值的產(chǎn)生方法上，也存在一個不斷迭代優(yōu)化的過程。

2 動態(tài)配平

利用雜波能量來對目標(biāo)探測性能進行評估，需要修正目標(biāo)與地海表面在散射特征上的差異，這一修正過程稱為配平。

對于天波雷達幾千米至幾十千米的分辨率，雷達探測的飛機和艦船目標(biāo)從尺寸上來說，均屬于點目標(biāo)，其強度與分辨率無關(guān)。而地海雜波則是面目標(biāo)，其強度與分辨單元的大小有關(guān)，如下式所示

式中:σ0為地表散射系數(shù);ΔS為分辨單元的二維面積;ΔR為距離分辨單元大小;Δφ為方位分辨單元大小。

從式(4)中可看出，要將目標(biāo)回波強度與雜波強度進行配平，修正需在兩個方面展開，包括分辨單元和地表散射系數(shù)。分辨單元與雷達工作所采用的工作參數(shù)有關(guān):距離分辨單元取決于信號帶寬，方位分辨單元取決于波束寬度。地表散射系數(shù)與探測區(qū)域的地表特征有關(guān)，也即是探測的距離和方位相關(guān)，同時也受工作頻率的影響。

上述這些參數(shù)均隨著雷達工作任務(wù)需求動態(tài)變化，傳統(tǒng)基于統(tǒng)計的靜態(tài)配平方法難以滿足評估需求，需引入動態(tài)配平方法。

設(shè)置一個標(biāo)稱值100，該數(shù)值是對應(yīng)帶寬1 kHz、波束寬度1°以及鏡面海面時的雜波探測數(shù)值;再將實際探測參數(shù)折算成相對值，對式(3)中的FCS進行配平，可得

式中:FCC為配平量。

3 數(shù)據(jù)分析

參量動態(tài)評估涉及多個參變量，此處以信噪比為例進行說明，其他參量類推。本文采用兩個典型區(qū)域進行性能評估。評估目標(biāo)為典型空中目標(biāo)，從區(qū)域1跨越至區(qū)域2。區(qū)域1為海面，帶寬采用200 kHz，波束寬度為5°，評估時刻海態(tài)等級為2級;區(qū)域2為平原地帶，帶寬采用100 kHz，波束寬度為10°。同一目標(biāo)跨越區(qū)域1和區(qū)域2時的信噪比如圖1所示。共采樣數(shù)據(jù)47幀，其中第28幀時目標(biāo)跨區(qū)。圖2為采用動態(tài)配平和未采用動態(tài)配平時的性能評估曲線。

圖2 動態(tài)配平前后評估分值對比圖

從圖2中可以看出:動態(tài)配平后區(qū)域間評估分值的階躍現(xiàn)象消失，與目標(biāo)真實回波能量變化趨向一致，表明動態(tài)配平可以有效消除因探測參數(shù)和地表散射系數(shù)所產(chǎn)生的影響。

圖3給出了動態(tài)配平后隨時間(探測幀周期)變化的評估分值圖，從圖中可清晰地看出:在第7幀和第34幀附近，由于瞬態(tài)干擾的存在，探測性能產(chǎn)生急劇的下降。

圖3 動態(tài)配平后的評估分值時間圖

4 結(jié)束語

從結(jié)果可看出:通過多參量動態(tài)配平后可以消除帶寬、波束寬度以及地表散射系數(shù)等因素的影響，使雜波能量與目標(biāo)回波能量變化趨勢趨于一致，這樣使得采用雜波強度來評估目標(biāo)探測效能更具有參考意義。動態(tài)配平后的評估值還有助于消除因時間上的非平穩(wěn)性導(dǎo)致的誤差，能夠?qū)崟r反映雷達當(dāng)前探測能力，為天波超視距雷達的性能評估和輔助決策提供了有力支撐。

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