中近程搜索雷達發(fā)射信號脈沖寬度設(shè)計方法

王延暴，周永偉，張群逸

（西安電子工程研究所，西安 710100）

0 引言

中近程搜索雷達要解決好盲區(qū)小和威力遠兩大問題，往往采用連續(xù)發(fā)射寬、窄兩種脈沖寬度信號的方法，寬脈沖信號負責(zé)對遠區(qū)空域的探測，解決探測威力問題，窄脈沖信號負責(zé)對近區(qū)空域的探測，解決探測盲區(qū)問題［1］。探測威力遠往往采用高發(fā)射峰值功率和大占空比脈沖信號，大占空比必然導(dǎo)致盲區(qū)增大，理想信號參數(shù)的窄脈沖探測范圍大于寬脈沖盲區(qū)，寬、窄脈沖探測距離可以很好銜接，合理選取發(fā)射信號占空比、寬窄脈沖寬度至關(guān)重要［2-10］。目前還沒有相關(guān)文獻給出如何優(yōu)化占空比、寬窄脈沖寬度，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域是通過試探方法給出寬窄脈沖寬度設(shè)計［11］。試探方法首先根據(jù)雷達威力得到發(fā)射信號脈沖重復(fù)周期，根據(jù)經(jīng)驗值給出占空比及寬脈沖寬度，根據(jù)探測盲區(qū)求出最小窄脈沖寬度，然后計算不同RCS 目標寬窄脈沖雷達威力覆蓋范圍，如果寬窄脈沖探測距離無法銜接，重新調(diào)整寬窄脈沖寬度，如此循環(huán)直至找到滿足要求的寬窄脈沖寬度。試探方法計算量大、效率低，找到滿足要求的參數(shù)不一定是最優(yōu)值。本文通過對發(fā)射信號寬、窄脈沖探測距離的公式推導(dǎo)，給出了雷達威力與發(fā)射信號占空比、寬窄脈沖探測距離銜接系數(shù)、探測目標RCS 最小值、探測目標RCS 最大值的關(guān)系公式，可以快速得到最優(yōu)發(fā)射信號參數(shù)，解決了過去通過試探方法解決以上問題的難題。

1 雷達探測威力推導(dǎo)

中近程搜索雷達發(fā)射信號常使用在寬脈沖后緊跟一個窄脈沖的信號形式，兩種脈沖寬度的回波信號共用接收時段，由于寬脈沖和窄脈沖共用接收區(qū)間，為了區(qū)分兩種脈沖的回波，往往采用不同的信號形式和信號頻率，發(fā)射信號的時序及探測范圍如圖1 所示。

圖1 發(fā)射信號時序及探測范圍示意圖

根據(jù)雷達方程：式中，Pt為發(fā)射峰值功率，為發(fā)射脈沖寬度，Gt為

發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，為雷達波長，σ

為目標有效反射面積，Ii為積累點數(shù)，k 為波爾茲曼常數(shù)，Ts為接收系統(tǒng)等效噪聲溫度，D（01）為檢測因子，Ls為系統(tǒng)損耗［12］。

結(jié)合以上定義可得出：

中近程搜索雷達往往采用低重頻信號，為了使第一盲速盡可能大，PRF 要盡量小，理想的設(shè)計是雷達的探測威力等于最大不模糊距離，由于窄脈沖信號時寬小，距離不模糊時，寬脈沖最大探測距離約為：

窄脈沖距離探測要大于等于發(fā)射脈沖信號盲區(qū)，因此：

實際中由于存在方向圖失配損失，窄脈沖距離探測要大于等于發(fā)射脈沖信號探測盲區(qū)的γ 倍，γ≥1，γ 定義為銜接系數(shù)，γ 的取值由發(fā)射方向圖、接收方向圖帶來的波束交疊損失大小決定，波束交疊損失越小，γ 的取值越接近1，此時：

將式（17）代入式（8），可以得出寬脈沖對σ大的最大探測距離：

2 脈沖寬度設(shè)計步驟

發(fā)射信號脈沖寬度設(shè)計步驟如下：

1）根據(jù)探測目標RCS 的范圍，確定當前模式σ大及γ，σ小從RCS 范圍最小值遍歷到最大值，根據(jù)式（20）計算當前參數(shù)下占空比的取值范圍，遍歷占空比，根據(jù)式（18）繪制雷達威力系數(shù)曲線；

2）根據(jù)雷達威力系數(shù)曲線，合理分配RCS 區(qū)間，確定當前模式下σ小、σ大，找出該模式下最優(yōu)占空比；

5）由占空比、σ小和σ大、根據(jù)式（17）可以算出當前模式下β 值范圍，取最大值得到最優(yōu)寬窄脈沖寬度比，結(jié)合脈沖重復(fù)周期計算出寬、窄脈沖寬度；

6）重新確定下一個工作模式RCS 最大值，重復(fù)以上步驟，確定其他模式下工作參數(shù)。

圖2 脈沖寬度設(shè)計流程圖

3 試驗結(jié)果與分析

雷達探測對象一般包括固定翼飛機、武裝直升機、無人機、巡航導(dǎo)彈等典型目標，目標的RCS 一般由0.01 m2～2 m2不等，有些雷達要求探測目標的RCS 范圍更寬。某型雷達的RCS 范圍為0.01 m2～2 m2，σ大=2，σ小設(shè)置3 個典型值0.5、0.1、0.01，由式（18）可得出給定σ小、σ大參數(shù)下雷達威力系數(shù)與占空比的關(guān)系曲線，如圖3 所示。找出每組參數(shù)下最優(yōu)占空比及威力系數(shù)，計算最優(yōu)寬窄脈沖寬度比值，如下頁表1 所示。

圖3 RCS_max 為2 m2 時威力系數(shù)與占空比關(guān)系曲線

圖4 RCS_max 為0.1 m2 時威力系數(shù)與占空比關(guān)系曲線

表1 RCS_max 為2 m2 時雷達參數(shù)對應(yīng)表

表2 RCS_max 為0.1 m2 時雷達參數(shù)對應(yīng)表

由表1 可以看出，在目標的RCS 最大值、銜接系數(shù)γ 確定情況下，σ小越小，發(fā)射信號的占空比就越小，寬窄脈沖比值也越小，雷達的威力系數(shù)就越小，雷達探測威力越近。雷達探測目標RCS 的范圍越大，要保證所有目標的寬窄脈沖探測距離的銜接，大目標的探測距離就越近，這是設(shè)計時不希望的。如果一種工作模式實現(xiàn)全部目標的探測，雷達的威力系數(shù)變?yōu)?.68，如果有多部雷達同時探測，可以劃分不同的模式實現(xiàn)全部類型目標的探測，模式1 目標RCS 設(shè)定為0.1 m2～2 m2。下一模式雷達的RCS 范圍為0.01 m2～0.1 m2，σ大=0.1，σ小設(shè)置3 個典型值0.05、0.02、0.01，重復(fù)上面工作，得到圖4、表2。由表2 可以看出，當σ大=0.1，σ小3 個典型值下威力系數(shù)變化不大，不需要進一步劃分。某型雷達設(shè)置2 個典型工作模式就可以，一個用于大目標的檢測，一個用于小目標的檢測。

4 結(jié)論

本文提出的發(fā)射信號脈沖寬度設(shè)計方法，主要應(yīng)用于發(fā)射信號形式為包括寬、窄脈沖的中近程搜索雷達，用于發(fā)射信號占空比、脈沖重復(fù)周期、寬窄脈沖寬度的最優(yōu)值求取。通過雷達威力與發(fā)射信號占空比α、銜接系數(shù)γ、σ小、σ大的關(guān)系公式，繪制雷達威力系數(shù)與占空比關(guān)系曲線，可以得到占空比最優(yōu)值，進一步得到寬脈沖雷達威力、重復(fù)周期、寬窄脈沖寬度。通過多組雷達威力系數(shù)與占空比關(guān)系曲線，可得出RCS 劃分依據(jù)，為雷達模式設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。