何彦杰，韩 伟，肖 卉

（1.解放军95980部队，湖北 襄阳 441100；2.空军预警学院，武汉 430019）

载机横滚对三面阵雷达目标检测性能影响分析*

何彦杰1，韩 伟1，肖 卉2

（1.解放军95980部队，湖北 襄阳 441100；2.空军预警学院，武汉 430019）

针对刚体模型条件下，载有三面阵天线的机载预警雷达载机的姿态变化问题，建立了横滚的数学模型，分析了载机横滚对杂波谱和目标回波幅度的影响，在采用单通道信号处理条件下，通过仿真实验给出了不同阵面的横滚对目标的检测概率影响，明确了载机横滚的限度。结果表明：横滚对斜侧面阵的目标检测概率影响明显，而对前向阵影响不明显。

机载预警雷达，三面阵天线，载机横滚，检测概率

0 引言

机载预警雷达在执行警戒或引导任务时，根据作战的要求，需按指定航线在一定区域内航行。这期间，雷达载机会转弯飞行或做其他类型的机动飞行，从而导致载机姿态发生变化，使雷达探测能力受到影响。其中，载机转弯过程中发生的横滚是最为常见的姿态变化，当载机横滚角过大时，机载预警雷达的探测性能会受到严重影响，如何定量分析这种影响，用以在不同探测条件下提出姿态变化的具体限制具有十分重要的意义。

文献［1-3］针对高机动的机载截获前视雷达，分析了天线转动对杂波特性及多通道的空时二维处理（STAP）性能影响，文献［4-6］研究了机载雷达载机偏航对空时二维杂波谱的影响，但以上研究未对机载预警雷达载机的三维运动进行详细建模，未分析姿态变化对目标检测性能的影响。文献［7］对载机姿态变化进行了建模，但仅分析了正侧面阵雷达载机偏航对目标检测概率的影响，未考虑其他姿态变化和天线类型。本文主要研究刚体模型条件下机载三面阵雷达载机的横滚对目标检测性能的影响，首先建立三面阵天线横滚的几何模型，而后分析横滚对杂波谱和目标回波幅度的影响，最后，在采用AMTI+MTD加二维CFAR信号处理方法的基础上，通过仿真实验给出不同阵面和横滚角下的目标检测概率。

1 载机姿态变化模型

雷达与地面杂波散射单元之间的几何位置关系如图1所示。坐标系O-XYZ为参考坐标系。考虑某距离环上的一个杂波散射单元，其在参考坐标系下的方位角和俯仰角分别为θ和φ，天线安放角为θp。

如图2所示，建立载机的机体坐标系XcYcZc，当载机平稳飞行时，机体坐标系与参考坐标系重合；当载机姿态变化时两坐标系的相对位置关系发生改变。雷达载机横滚角定义如下：载机以X轴为旋转轴，旋转的角度为横滚角，用△φ表示，示意图如图3所示。

由此，可以得到横滚后的两坐标位置关系为

由于雷达天线与载机可能有一定的相对位置关系，因此，需进一步将机体坐标系的位置量Xc，Yc，Zc转换为天线坐标系的位置量Xa，Ya，Za，即

式（3）中，E为天线的俯仰角转换矩阵，A为天线的方位角转换矩阵，可表示为

设某一杂波散射体在参考坐标中的方位角和俯仰角分别为θ和φ，则参考坐标系与天线坐标系的变换关系可表示为

式（6）中，φa为散射单元在天线坐标系中的俯仰角，θa为散射单元在天线坐标系中的方位角。

2 载机横滚对杂波谱的影响

基于三面阵天线的机载预警雷达可以实现全方位搜索，其特点是使用三副天线，以等边三角形方式安装在机背上，每副天线分别完成120°方位扫描。三面阵的结构如图4所示。

阵面1称为前向阵，阵面2、3分别称为左斜侧面阵和右斜侧面阵，由于阵面2、3是对称的，因此，本文主要讨论前向阵和右斜侧面阵。

对于非正侧面阵，当载机横滚△φ角后，参考坐标系和天线坐标系的变换关系为：

对于前向阵，θp=-90°，对于右斜侧面阵θp=-30°。则横滚后主波束在参考坐标系中的俯仰角和方位角分别为：

由此，杂波的中心多普勒频率可表示为：

因此，不管对于前向阵还是斜侧面阵，载机横滚时杂波中心频率不发生偏移。载机发生横滚时的主瓣杂波谱宽可表示为

仿真参数如表1所示。后续的所有仿真均采用此参数。主瓣杂波谱宽随载机横滚的变化情况如图5所示。仿真结果表明：不管对于前向阵还是斜侧面阵，载机横滚对主瓣杂波谱宽有一定影响，但影响不大。

3 载机横滚对目标回波幅度的影响

对于三面阵天线而言，当载机横滚时，前向阵或斜侧面阵上的波束都会产生指向误差，从而对目标回波幅度产生调制。设目标的初始方位在主波束中心（θ0，φ0）处，当载机横滚时，目标在天线坐标系中的位置发生变化，并逐渐偏离主波束中心。载机横滚角为△φ时，目标在非正侧面阵天线坐标系中的俯仰角和方位角分别为

采用高斯方向图来模拟主波束，对目标回波功率进行仿真。采用的参数同表1。

图6（a）（b）分别表示斜侧面阵和前向阵的目标回波功率随横滚角的变化情况。仿真结果表明：斜侧面阵情况下，横滚对目标回波幅度调制影响要大于前向阵情况，并且波束在天线阵面中的方位角越大，目标回波下降得越慢。

4 载机横滚的对目标检测概率的影响

PD体制下机载雷达信号处理一般为距离门脉冲多普勒方法［8］，为了能检测目标和测出目标的距离，在每个脉冲重复周期内，分隔成与发射脉冲宽度相匹配的距离门，按一个个距离门进行处理。信号处理主要包括脉压、主杂波对消、脉冲多普勒滤波和CFAR检测，结构框图如图7所示。

杂波建模采用距离环法［9］，将接收通道退化为单通道，产生单通道杂波数据，即距离×脉冲维数据。对目标所在距离单元进行AMTI处理完成主杂波对消，主杂波的中心多普勒频移由主波束指向决定。仿真中，采用三脉冲对消方法，则滤波器权系数为［1-2exp（j2πfd0/fr） exp（2·j2πfd0/fr）］，其中fd0=2Vcosθ0cosφ0/λ，改善因子可表示为［10］：

式中G为滤波器对目标的功率增益，它由对消器次数以及目标的多普勒频移决定。SCNRin和SCNRout分别表示AMTI前和AMTI后的信杂噪比。在下面的仿真中，对消前的杂波噪声功率Cin和对消后的杂波噪声功率Cout都在时域中进行估算。这里，定义杂噪比CNR=60 dB，目标距离Rt=370 km。

图8，图9分别表示右斜侧阵和前向阵条件下，SCNRin和SCNRout随不同横滚航角的变化情况。仿真结果表明：斜侧面阵条件下，载机横滚使SCNRin和SCNRout明显下降；前向阵条件下，载机横滚对SCNRin和SCNRout影响不明显。

选取位于距离R=370 km处的3个目标，它们速度分别为-180 m/s，60 m/s，300 m/s，速度为负表示目标远离载机，Pfa=10-6，采用二维CA-CFAR。在斜侧面阵和前向阵条件下，它们的检测概率如表2所示。

从表2的数据可以得到如下结论：

（1）斜侧面阵条件下，载机的横滚使目标的检测概率有明显下降；前向阵条件下，载机的横滚对目标检测概率基本没有影响。这是由于在斜侧面阵条件下，载机横滚使目标回波功率严重下降，而在前向阵条件下，载机横滚对目标回波功率影响较小。

（2）当波束扫描到前向阵时，10°内的横滚对目标检测概率基本没有影响，3个目标均能被检测出；当波束扫描到斜侧面阵时，对于V=-180 m/s的目标，当横滚角超过1°时，该目标难以检测；对于V=60 m/s的目标，当横滚角超过4°时，该目标难以检测；对于V=300 m/s的目标，当横滚角超过6°时，该目标难以检测。

5 结束语

载机横滚对三面阵的杂波谱影响较小，其中，杂波中心多普勒频率不随横滚而变化，杂波谱宽度随横滚的变化较小，对目标回波幅度的影响较为明显，其中，斜侧面阵的影响大于前向阵。几项因素同时影响了AMTI输出的信杂比，最终影响了目标的检测概率。仿真结果表明：斜侧面阵的目标检测概率对横滚非常敏感，随着横滚角的增大，目标检测概率迅速下降，前向阵对横滚不敏感，10°内的横滚对目标检测概率基本没有影响。

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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

国家自然科学基金资助项目（No.51309232）

何彦杰（1983- ），男，河北昌黎人，硕士。研究方向：雷达系统，数据融合。