全空間雜波功率計算方法

魏 民，李小波，周青松，張劍云

(解放軍電子工程學院，安徽 合肥 230037)

全空間雜波功率計算方法

魏 民，李小波，周青松，張劍云

(解放軍電子工程學院，安徽 合肥 230037)

針對空中平臺偵察過程中受到雜波影響的問題，提出了全空間雜波功率計算方法。該方法將雜波功率計算從單散射塊的簡單模型擴展到全向散射空間的精確模型，在等距離環內推導出雜波功率數學表達式。仿真實驗結果表明，雜波對提取純凈信號有較大影響，雜波多普勒距離相關。

雜波功率計算；等距離環；雜波多普勒距離相關；空時自適應處理

0 引言

預警機是獲得戰場信息的核心裝備，在戰爭中發揮著越來越重要的作用。空中平臺因具有可視距離遠、機動性強等優點受到廣泛重視，利用空中平臺對其偵察干擾成為研究的熱門。空中偵察設備對機載雷達偵察時會同時接收到直達波和雜波，因此有必要研究雜波對空中偵察設備的影響。

文獻[1]提出雜波多普勒距離相關使得STAP方法不能準確地估計出雜波協方差矩陣，并使雜波抑制性能嚴重下降。文獻[2—6]介紹了雜波多普勒距離相關補償方法，為補償雜波距離相關提供了依據。文獻[7—8]建立了雜波模型，給出了雜波功率數學表達式，不足是既沒有考慮到波束在空間的立體分布特性，也沒有在等距離環內計算雜波功率。本文針對上述問題，提出了全空間雜波功率計算方法。

1 直達波信號功率

構建空中偵察設備與預警機幾何模型如圖1所示。

圖1為空中偵察設備與預警機的幾何模型，偵察機與預警機都位于OYZ平面，偵察機主瓣對準預警機副瓣，兩者之間的距離為R0，偵察機與保護區域距離為R2。預警機飛行高度為Ht，發射功率為Pt，主瓣方位和俯仰波束寬度都為θt，天線增益為高斯函數Gt(φ)，副瓣增益為Gtmin；偵察機的飛行高度為Hr，主瓣波束俯仰角為θ0，主瓣方位和俯仰波束寬度都為θr，天線增益為高斯函數Gr(φ)，主瓣最大值增益為Grmax。

根據簡單雷達方程，偵察接收的直達波信號功率為：

(1)

2 全空間雜波功率

將某一等距離橢圓環分成N份，第i塊雜波功率如下：

(i=1,…,N)

(2)

其中，c為光速，τ是雷達發射脈沖寬度，R1i和R2i分別為第i塊散射塊到預警機和偵察機的距離，Ari=λ2Gr(φri)/4π為第i塊散射塊對應的偵察機天線接收面積，φri為第i塊散射塊相對于偵察機的方向，滿足cosφri=cosφricosθri，φri和θri分別為第i散射塊相對于偵察機的方位角和俯仰角。σc為散射塊對應的雜波橫截面積，σc=σ0Aci，σ0為雜波后向散射系數，Aci=R1iΔψi(cτ/2)sec(θi)為散射塊反射橫截面積，θi和Δψi分別為第i塊散射塊相對于預警機的俯仰角和波束角度寬度。

下面推導等距離橢圓環的數學表達式和式(2)中的各項參數。

cosφi=cosφicosθi

cosφri=cosφricosθri

(3)

(4)

下面確定坐標系OXYZ下的橢球方程，首先推導兩個坐標系的坐標轉換關系，坐標系OXYZ和OX′Y′Z′的一組基分別為：

(5)

則坐標系OXYZ到坐標系OX′Y′Z′的過渡矩陣C為：

(6)

由過渡矩陣可得坐標轉換關系：

(7)

由式(4)和式(7)，可以確定坐標系OXYZ下的任一等距離橢圓環表達式為：

(8)

式(8)是隱函數表達式，下面確定等距離環的顯函數表達式，將地面坐標表達式z代入橢球方程，得到方程如下：

a0y2+b0y+c0x2+d0=0

(9)

確定了等距離環軌跡之后，對每一個等距離環進行無限分割求和，可得偵察機接收的任一等距離環的雜波功率為：

sec[θ(x,y)]σ0ds

(10)

其中，L(n)為第n個等距離橢圓環的軌跡，σ0為地雜波后向散射系數。本文采用Morchin模型[9]，數學表達式如下：

(11)

表1 Morchin模型地雜波參數

雖然雜波傳輸距離比直達波大，但與雷達信號在同一距離環進入偵察機的雜波有一部分來自雷達的主瓣，而直達波信號來自于預警機雷達副瓣。因此，初步預測雜波將會對偵察造成較大的影響，第4節的仿真實驗對預測結果進行了驗證。

3 雜波的非均勻性

第2章從功率角度分析出雜波對空中偵察設備有較大的影響，必須采取方法抑制雜波以獲得純凈的雷達信號。STAP技術是近些年比較熱門的方法，它要求用于估計雜波協方差矩陣的訓練樣本獨立同分布，因此，本節將分析空中偵察設備接收的雜波是否均勻。

圖3給出了空中偵察設備與預警機的幾何模型。如圖所示，天線為均勻線性正側視陣，R和T分別代表偵察機和預警機，速度分別為vr和vt，高度分別為Hr和Ht，兩者之間的距離為L，P為雜波散射點，Rr和Rt分別為偵察機和預警機到雜波點的距離，Rs為兩者之和，θr和θt分別為偵察機和預警機天線波束指向相對于y軸的方位角，φr和φt分別為偵察機和預警機相對于散射點的俯仰角，δr和δt分別為偵察機和預警機飛行方向相對于y軸的方位角，ψt和ψr分別為發射錐角和接收錐角。由文獻[11]可得雜波多普勒頻率如下：

(12)

由圖3幾何架構可得如下幾何關系：

Rr+Rt=Rs

(13)

由式(12)和式(13)可得任意幾何配置和飛行方向下，雜波多普勒頻率fd關于參變量θr的依賴于ψr和Rs兩個變量的函數表達式如下：

(14)

其中，Rr可以表示為：

(15)

由上述求解可以看出fd是關于cosψr和Rs的函數，當Rs固定時，fd并不是關于cosψr的線性函數，因此初步預測雜波呈現距離依賴性。

圖4給出了任意3種飛行方向，載機飛行方向偏離角度均為45°的整數倍，第4章對3種飛行情況進行仿真，得到雜波譜空時分布二維圖，得到雜波多普勒距離相關的結論。仿真驗證了預測的正確性。由于雜波多普勒距離相關，使得協方差矩陣估計樣本不滿足獨立同分布的條件，導致待檢測單元協方差矩陣的極大似然估計存在誤差，造成STAP方法雜波抑制性能嚴重下降，因此需要對雜波多普勒距離相關進行補償。

4 仿真實驗

4.1 實驗1： 直達波和雜波功率比較

實驗參數設置：偵察機到預警機的距離R0=[100 km,300 km]，預警機高度Ht=10 km，工作頻率f=1 GHz，重復頻率fr=1.5 kHz，發射脈寬τ=13 μs，發射功率Pt=100 kW，主瓣方位和俯仰波束寬度θt=3°，方位和俯仰半功率波束寬度為θ0.5t=1°，天線主瓣增益最大值Gtmax=30 dB，副瓣增益為-20 dB；偵察機在距離被保護區域20 km的位置飛行，主瓣方位和俯仰波束寬度θr=20°，方位和俯仰半功率波束寬度為θ0.5t=10°，主瓣最大值增益Gtmax=20 dB，副瓣增益為-20 dB。偵察機主瓣對準預警機副瓣，天線增益函數都為高斯函數，方向圖改善因子為-12，每個離散點做200次Monte Carlo實驗。空中偵察設備與預警機的幾何結構參照圖1，仿真結果如圖5所示。

圖5給出了堆積效應說明及不同地形下的雜波和直達波功率比較。圖(a)中縱坐標為P(n)/P(1)，表示第n個模糊距離環的雜波功率與第一個距離環的雜波功率比值，從圖中看出第一個距離環的雜波功率遠大于其他距離環，因此在圖(b)和圖(c)中只考慮了第一個距離環。

圖5(b)給出了沙漠地形下的直達波和雜波功率大小，此時直達波僅比雜波大2 dBmW左右；圖5(c)給出了農田地形下的直達波和雜波功率大小，雜波比直達波高出6 dBmW左右。通常情況下，當信雜比大于10 dB，即直達波功率高出雜波功率10 dBmW時，才能獲得較純凈的雷達信號。因此得出結論，需要抑制空中偵察設備接收的雜波。從圖(b)和圖(c)可以看出文獻方法與本文方法計算結果有較大差異，這是因為文獻方法只考慮天線主瓣增益，且假設主瓣增益一致，并沒有考慮到波束在空間的立體分布特性，也沒考慮等距離環的影響，只是對雜波功率進行粗略的計算。

4.2 實驗2：雜波非均勻性驗證

實驗參數設置：偵察機與預警機距離L=120 km，預警機高度Ht=10 000 m，偵察機高度Hr=2 000 m，飛行速度vt=vr=150 m/s，波長λ=0.3 m，距離和Rs分別為180 km,240 km,300 km，天線為正側視陣列。根據第3章的分析，仿真圖4中六種幾何模型的雜波譜空時分布特性，得到歸一化雜波多普勒頻率fdλ/2v與接收錐角余弦cosψr的關系如圖6所示。

圖6給出了歸一化多普勒頻率fdλ/2v與接收錐角余弦cosψr的關系，充分反映了雜波譜空時分布特性，從圖中可以看出：1)隨著偵察機和預警機的飛行方向改變，雜波譜空時分布也在急劇變化；2)雜波多普勒頻率與錐角余弦并不是線性關系，雜波多普勒距離相關，驗證了預測的正確性。雜波多普勒距離相關導致STAP性能下降，需要對雜波補償以提高STAP方法的雜波抑制性能。

5 結論

本文提出了全空間雜波功率計算方法。該方法將雜波功率計算從單散射塊的簡單模型擴展到全向散射空間的精確模型。仿真實驗表明：雜波對提取純凈信號有較大影響；雜波多普勒距離相關；本文方法計算結果更加準確。下一步研究如何補償雜波多普勒距離相關，提高STAP雜波抑制性能。

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Whole Space Calculation Method of Clutter Power

WEI Min, LI Xiaobo, ZHOU Qingsong, ZHANG Jianyun

(Electronic Engineering Institution of PLA, Hefei 230037, China)

In view of the impact of clutter on the aerial platform, this paper proposed a whole space calculation method of clutter power. Calculation of clutter power was extended to the accurate model of the omnidirectional scattering space from the simple model of the single scattering block. The mathematical expression of clutter power was derived from the equal-distance ring. The simulation results showed that the clutter had a great influence on the extraction of pure signals, and the clutter Doppler frequency was related to the distance.

calculation of clutter power; equal-distance ring; clutter Doppler distance correlation; space-time adaptive processing

2016-07-02

國家自然科學基金項目資助(61272333)；安徽省自然科學基金項目資助(1308085QF99)

魏民(1993—)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向：雷達信號處理，STAP信號處理。E-mail:13215608602@163.com。

TN971

A

1008-1194(2017)01-0052-06