飛行器特性對雷達探測跟蹤的影響

劉關心

(中國人民解放軍92419部隊，遼寧 125106)

1 引 言

雷達系統對目標的探測與跟蹤總是要依賴目標自身的特性，理論和工程實踐中以電磁散射能力表征雷達目標特性。對于飛行器的特性，人們普遍關注的是其運動特性，運動會使雷達目標特性發生變化。顯然雷達目標特性、運動特性對雷達系統探測跟蹤都有著直接的影響，且彼此間還相互關聯，分析研究它們之間的關系是飛行器設計、目標特性研究、雷達工程、制導控制等領域需要深入開展的工作之一，本文對此進行了一些有益的分析與探索，提出了一些基本的觀點與結論，供相關專業技術人員參考。

2 飛行器雷達目標特性分析[1]

雷達散射截面積(RCS，用б表示)是表征目標對照射電磁波散射能力的物理量，RCS是雷達自身、傳播媒介與目標特征等綜合特性的反映，雷達的探測跟蹤要靠目標對電磁波的散射來實現，雷達方程用數學方法表現了該物理過程。

雷達方程簡單形式見公式(1)

(1)

式中：Rmax——雷達最大探測距離；Pt——輻射功率；Gt——天線增益；Ae為有效接收孔徑面積；Smin——最小可檢測信號。從式(1)中可以看出：

(1)Pt、Gt、Ae由雷達自身性能決定，б、Smin與目標的特性相關，目標特性需要通過RCS幅值和信號噪聲變化在雷達探測與跟蹤中顯現出來，因此RCS成為雷達目標特性的代名詞。

(2)對于某一特定的雷達系統，雷達最大探測距離會隨著RCS大小變化而增減，從定量的角度確定了RCS與雷達性能的聯系，這既反映了雷達設計的特性，也反映了雷達對目標特性的要求。

(3)從雷達方程可以反推出RCS的計算方法，從雷達測量的角度確定了RCS的度量方法，這也正是雷達與雷達目標特性之間不可分的具體體現。

雷達的探測跟蹤通過觀測目標回波來實現，實際的雷達系統其雷達回波總會出現起伏，這種起伏與雷達目標的RCS變化相關聯。根據現代雷達信號研究的成果，RCS的起伏特性呈現以下主要特點：

(1)RCS起伏是隨機的、不規律的，通過統計學原理分析，可以用統計模型來描述其基本規律，現代雷達目標的RCS起伏一般服從χ2分布、萊斯分布和對數正態分布，這使得RCS的變化對雷達探測跟蹤變得有規律可循、有數據可度量。

(2)雷達目標的復雜性導致形成多個散射源，在雷達視線坐標系下隨著目標姿態的改變，雷達系統將接受不同的散射源信號，出現RCS變化，姿態改變越快RCS變化也越快，即RCS隨目標姿態變化十分敏感。

(3)RCS起伏變化表面上出現回波起伏，實際上將導致發現概率、虛警概率、信噪比等雷達主要性能發生變化，影響探測跟蹤能力。通過統計模型得到RCS概率密度后，可以估算出發現概率、虛警概率等，為雷達的設計使用提供依據。

3 飛行特性對雷達目標特性的影響

3.1 對RCS幅值的影響[2,3]

RCS是目標的固有特性，在某一狀態下，其值是一定的，它不會隨其它外部因素而改變，但不同狀態下其RCS值是不同的。雷達的頻率、極化方式以及目標空間姿態等是決定RCS的主要狀態條件，這些條件改變時RCS也會發生變化，圖1給出了戰斧巡航導彈的RCS隨方位分布情況。

圖1 戰斧巡航導彈RCS隨方位分布Fig.1 RCS distributionof Tomahawk cruise missileat any Azimuth

對于運動的飛機和導彈類目標，空中的運動時刻改變著其相對雷達的空間姿態，對探測跟蹤雷達而言，其RCS在隨時間不斷地發生著變化，形成RCS隨時間起伏的函數。圖2給出了某一飛行航路RCS隨時間變化的情況。

圖2 按航路飛行時RCS隨時間變化Fig.2 RCS changes with time on the flight routes

從圖1與圖2的描述可以看出：

(1)同一目標不同方位其RCS差異較大，其起伏范圍在(30～40)dB，雷達在不同方位探測跟蹤目標差異很大，對雷達制導影響嚴重。

(2)雷達采用不同的頻率和極化方式其RCS有較大差異，但起伏的規律是基本一致的，RCS的峰值點和波谷點的方位基本相同，說明雷達自身性能改變的是RCS幅值，而目標自身特性決定了RCS變化規律。

(3)圖1中給出的是RCS隨方位變化的情況，實際上，俯仰和橫滾發生變化時也會呈現相同的變化，只是其起伏分布不同而已。這說明空中目標姿態的任何變化都會使RCS出現差異，三維姿態的變化使這種差異更加復雜，定量的評估也更難。

(4)圖2的動態實測數據更具不穩定性，表明了RCS動靜態之間的差異，為更有效判明雷達跟蹤效果應以動態測試數據為依據[4]。

3.2 對雷達目標噪聲的影響[3]

雷達目標噪聲是由復雜形狀目標的運動或姿態角變化產生的，復雜目標各部分散射回波幅值與相對相位變化會引起回波幅值的變化，而散射回波幅值是姿態角的敏感函數，無論目標軌跡還是姿態發生改變都將使雷達測量坐標系下的視線角變化，回波幅值的變化和視線角的變化形成雷達目標噪聲，對雷達的測量產生影響。目標的不同特性能夠產生幅度噪聲、角閃爍噪聲、多普勒噪聲和距離噪聲等主要雷達目標噪聲，這些噪聲以不同的形式影響雷達的探測跟蹤性能。

幅度噪聲是由復雜目標各散射子矢量引起的回波起伏，包含了低頻到幾千赫茲的頻譜范圍，對預警雷達的檢測概率、跟蹤雷達的角跟蹤精度等產生影響。可視為剛體的飛行器，運動時姿態的變化或雷達視線變化，造成回波幅度的起伏，是主要的幅度噪聲。飛行器翼尖等處的低頻顫動，活動部件(螺旋槳、直升機旋翼、發動機排氣道葉片等)調制特性，它們的基波和諧波分量將引起回波幅度的起伏或增加背景噪聲，形成幅度噪聲。顯然，目標結構越復雜，回波幅度變化越大；目標機動或快速運動導致姿態或雷達視線變化快，幅度噪聲就越大，反之亦然。因此，目標的結構復雜性、運動速度、機動性產生幅度噪聲影響。

凡目標尺度能與波長相比擬，且具有兩個以上等效散射中心的擴展目標，都會產生角閃爍噪聲，用離目標幾何中心的線偏差來表示。在遠距離該線偏差幾乎與目標速度、距離、雷達頻率等不相關，對角跟蹤誤差影響較小。但對于近距離和高精度雷達跟蹤，特別是雷達導引頭，角閃爍噪聲成為主要的誤差源。對于對稱目標產生的角閃爍線偏差均方值一般取(0.15～0.35)L(L為垂直視線方向的目標拓展長度)，但實際上有可能超過L。角閃爍噪聲所引起的角度誤差與距離成反比，其影響主要在近距和中距上。可見，造成角閃爍噪聲的主要是目標的尺度和等效散射中心，而在雷達視線目標下目標的運動會改變目標的展寬與散射中心，外部結構、尺寸及目標運動影響角閃爍噪聲的形成。

任何擴展目標的機動或加速運動產生徑向非線性運動，形成回波相位變化率，這一變化率與點目標變化率存在差異，即多普勒噪聲。多普雷噪聲主要是擴展目標回波相位波前畸變或目標上活動部件產生。回波相位波前畸變與角閃爍密切相關，經分析研究，由此產生的多普勒調制頻率均方根值按公式(2)計算。

δf=2.72бεбθ

(2)

式中：бε=4πεθ/λ——角閃爍均方根；εθ——角閃爍線偏差；бθ——視線角變化率。由該式可見目標的運動速度、機動性、目標結構等特性都將影響多普勒噪聲的形成。目標上的活動部件周期性旋轉產生的調制譜分量同樣是重要的多普勒噪聲，該部分噪聲與活動部件(如直升機旋翼)的轉速、葉片數量等特性相關。

距離噪聲是由擴展目標在視線方向的徑向尺度造成回波展寬，形成測距誤差，經驗分析距離噪聲均方根估計在(0.3～0.5)L′(L′為目標徑向長度)，它與角閃爍線偏差分布相似，由于目標運動與狀態變化縱向比橫向要小，距離噪聲要比角閃爍噪聲小。目標在運動過程中徑向尺度在不斷改變，距離噪聲也會發生變化，與目標的運動狀態等相關。

4 運動特性對雷達探測性能的影響

4.1 飛行狀態對雷達探測能力的限制

雷達的探測首要的條件是無線電通視，飛行目標只有在雷達視線內才能被跟蹤。飛行器飛行狀態對雷達探測范圍的影響主要是指其飛行高度和速度對雷達可視范圍和可能探測跟蹤時間，表1給出了目標飛行高度與視距及飛越視距時間的計算結果。

表1 飛行高度與視距及飛越視距時間Tab.1 Visual range and flight time of sight distance at diffident flight height

分析上表給出的數據，可以看出：

(1)目標的飛行高度和飛行速度對艦載雷達的探測跟蹤有著嚴格的限制。飛行高度越低視距越小，雷達可探測跟蹤的范圍越小，飛行速度越快目標飛越視距的時間越短，雷達可用的探測跟蹤時間也越少。雷達探測范圍越小、可用探測跟蹤時間越短，艦空武器使用就越受到制約。這也是飛行特性對艦空武器影響最本質之處。

(2)在目標常使用的特性下，視距并無實質的差距。反艦導彈飛行高度常在(5～25)m內，而視距差別只有10km左右，飛機目標常在中高空飛行視距的限制并不大。但對不同速度而言飛越視距的時間差距較大，因此飛行速度的制約性更大。

(3)表1中給出的僅是視距的數據，實際上當目標飛行高度很低，艦載雷達形成負角度探測跟蹤時，多路徑效應、海雜波等也會形成對雷達探測跟蹤的影響。

4.2 飛行性能對雷達探測概率的影響[1,6]

當雷達本身固有參數(如工作波長，發射頻率等)和其它環境參數(如氣象條件、海面狀況等)以及目標運動參數確定時，雷達所需信噪比與探測概率、虛警概率之間具有如公式(3)關系

lnPd=lnPfd/(SNR+1)

(3)

式中:Pfd——虛警概率;Pd——雷達探測概率;SNR——信噪比。當虛警概率Pfd為固定值時，雷達探測概Pd只和信噪比SNR有關系，而信噪比SNR會受到大氣衰減、海雜波、多徑效應以及入射角等因素變化的影響，當目標高度不同時，上述幾種因素值會有較大變化，具體分析如下：

(1)對正常大氣來講，高度每降低100m，大氣壓上升12hPa，溫度提高0.55℃，相對濕度不變。因此從大氣衰減的角度來講，目標高度越低，大氣衰減越大，信噪比SNR就越低，雷達對目標的探測概率也就越低；

(2)對低空目標來說，海雜波強度大，海雜波使得檢測門限較高，影響雷達的目標檢測性能。當目標RCS較小(小于1m2數量級)時，海雜波功率與目標回波功率相當，對雷達的檢測性能起主導作用，當目標距離較近時，目標所在距離單元對應的電磁波入射角增大，使海面散射系數增大、雜波信號增強，導致檢測門限提高，可能造成目標難以檢測。因此，從海雜波角度來講，目標高度越低，海雜波越強，雷達對目標的探測概率越低。

4.3 飛行性能對雷達跟蹤性能的影響[5]

雷達系統對目標的跟蹤能力主要體現在跟蹤速度和加速度上，除相控陣體制雷達外，雷達跟蹤速度和加速度是重要的性能。特別是近距離跟蹤目標時，目標的角閃爍十分嚴重，對跟蹤性能的影響也嚴重。

從雷達觀測看，其最大舷角跟蹤速度按公式(4)計算。

Wq=VmP/R2

(4)

式中:Vm——目標速度;P——航路捷徑;R——目標距離。

仰角跟蹤速度按公式(5)計算。

Wε=VmH/R2

(5)

式中:H——目標高度。從式(4)和(5)中可以看出：

(1)雷達跟蹤特性與目標運動性能有著密切的關聯。盡管雷達跟蹤性能是固有特性，但其設計應受到目標運動性能的約束，而且在實際使用過程中，其跟蹤誤差、穩定度會隨著目標運動性能的變化而改變。

(2)目標距離越近跟蹤速度要求越大，近距離對雷達跟蹤影響大。目標運動速度越大，跟蹤速度要求越快，高速度對雷達跟蹤影響也大。目標捷徑越大、高度越高，角度變化越快，跟蹤速度也會越大，大捷徑、高高度對雷達跟蹤影響也越大。

(3)目標運動性能對雷達跟蹤的影響是綜合的，每一航路的每一時刻都會有差異，總體的趨勢是有規律的。

5 結束語

飛行器目標特性研究是一個十分廣闊的領域，從不同的角度、不同層面分析都會有許多十分有益的成果，本文從目標自身特性出發進行了一些初步分析與研究，以期引發更深更多的研究成果涌現，為推動這一領域發展起到一定的作用。