基于無源雷達(dá)模擬器的幅度算法研究*

楊振強(qiáng) 高玉良 翁呈祥

(空軍雷達(dá)學(xué)院研究生管理大隊(duì)1) 武漢 430019)(空軍雷達(dá)學(xué)院信息對(duì)抗系2) 武漢 430019)

1 引言

無源雷達(dá)是一種被動(dòng)的防空體制雷達(dá),由于受時(shí)差定位體制的約束,雷達(dá)的各站在分開布站的情況下是無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位的[1]。無源雷達(dá)模擬器是以時(shí)差定位原理為基礎(chǔ),通過將假想目標(biāo)的射頻時(shí)差信號(hào)輸入到相應(yīng)的雷達(dá)各站,從而使雷達(dá)各站無需分散布開,即可實(shí)現(xiàn)假想目標(biāo)的定位。

無源雷達(dá)在工作中,不同目標(biāo)的信號(hào)類型和信號(hào)參數(shù)是不同的。同時(shí),受目標(biāo)距離的變化及目標(biāo)飛行方向變化等因素的影響,雷達(dá)各站所接收到達(dá)目標(biāo)信號(hào)的幅度會(huì)不斷的改變。無源雷達(dá)模擬器要較真實(shí)的模擬目標(biāo)信號(hào),不僅要實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)信號(hào)類型及信號(hào)參數(shù)的模擬,同時(shí)要模擬不同條件下所接收到的信號(hào)幅度。

本文從兩種工作模式,分析了信號(hào)幅度的計(jì)算方法,并進(jìn)行了仿真。根據(jù)模擬器幅頻特性引起的幅度變化,提出了幅度調(diào)整的方法。

2 幅度算法

無源雷達(dá)模擬器有兩種工作方式,注入法和輻射法(近距和遠(yuǎn)距)。不同的工作方式,幅度數(shù)據(jù)的算法是不同的。本文關(guān)于幅度的計(jì)算,是以點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)為基礎(chǔ),進(jìn)行定性的分析,不考慮目標(biāo)飛行方向和天線掃描等因素引起的信號(hào)幅度的變化。

2.1 注入法幅度算法

注入法是將模擬器產(chǎn)生的射頻信號(hào)經(jīng)射頻電纜直接注入無源雷達(dá)的接收天線。其信號(hào)幅度的計(jì)算公式如下[2]:

式中Pr為接收信號(hào)的功率,Pt為目標(biāo)信號(hào)峰值功率,Gt為目標(biāo)天線的增益,Ar為無源雷達(dá)的天線有效截面積。

天線增益與天線有效截面積的關(guān)系為:

式中Gr為接收天線的增益,λ為信號(hào)波長(zhǎng)。由于波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系為λ=c/f,帶入式(2)得:

對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù),采用分貝的方式表示,得到幅度的計(jì)算公式為:

式中Pt的單位為w,freq的單位為MHz,Rpd的單位為km,Gtt和Grr為增益的分貝數(shù)。

2.2 輻射法幅度算法

輻射法是將射頻信號(hào)經(jīng)強(qiáng)方向性的天線相應(yīng)的輻射到雷達(dá)的接收天線,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入。要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)幅度的模擬,目標(biāo)信號(hào)到達(dá)雷達(dá)接收天線的功率密度與模擬器天線到達(dá)雷達(dá)接收天線的功率密度要相等。即應(yīng)滿足公式:

式中Ps為模擬器信號(hào)峰值功率,Gs為模擬器天線的增益,Pt為目標(biāo)信號(hào)峰值功率,Gt為目標(biāo)天線的增益。R為目標(biāo)到雷達(dá)距離,Rs為模擬器天線到達(dá)雷達(dá)天線的距離。對(duì)式(6)化簡(jiǎn)得到公式如下:

式中Pt的單位為w,Rpd的單位為km,Rs的單位為m。Gtt和Gss為增益的分貝數(shù)。

注入法時(shí),模擬器的信號(hào)直接注入雷達(dá),在不考慮射頻電纜衰減時(shí),其計(jì)算的信號(hào)幅度Prr也就是設(shè)備輸出的信號(hào)幅度Pss,等同于輻射法時(shí)計(jì)算的信號(hào)幅度。

3 信號(hào)幅度的取值范圍

要使模擬器可工作在兩種方式下,就要對(duì)兩種方式下信號(hào)幅度的取值進(jìn)行計(jì)算,從而決定模擬器信號(hào)的輸出功率和衰減器的動(dòng)態(tài)范圍,使兩種方式的信號(hào)幅度在模擬器的可控范圍之內(nèi)。

3.1 注入法幅度仿真

對(duì)于注入法,假定Pt為1kw,Gtt為25dB,Grr為 20dB,頻率在6GHz～18GHz變化。則接收信號(hào)幅值與頻率的特性關(guān)系如圖1所示。

從圖中可以看出,信號(hào)幅度取值范圍為-95dB～-65dB。

圖1 幅度—頻率曲線

3.2 輻射法幅度仿真

輻射法在實(shí)際應(yīng)用中分為近距輻射法和遠(yuǎn)距輻射法。假定 Pt為1kw,Gtt為 25dB,Gs s為20dB,天線距離在0～0.5m和10～50m變化。其幅度距離曲線如圖2所示。

圖2 幅度—距離曲線

比較圖1和圖2可知,在目標(biāo)參數(shù)相同的情況下,近距輻射時(shí)天線距離在0.1～0.5m范圍內(nèi)變化時(shí),其幅度取值范圍為-97dB～-63dB,與注入法時(shí)幅度范圍相當(dāng)。當(dāng)輻射距離在10m～50m之間采用遠(yuǎn)距輻射時(shí),信號(hào)的幅度在-60～-20dB范圍內(nèi)變化。

由此可知,若想使模擬器同時(shí)具有這兩種工作方式,就要選擇大動(dòng)態(tài)范圍的衰減器和適當(dāng)?shù)哪M器信號(hào)的峰值功率。如果近距距離為0.2m,遠(yuǎn)距為20m時(shí),信號(hào)幅度的變化范圍為-33dB～-95dB,限定模擬器信號(hào)功率為-30dB,選用64dB的衰減器,當(dāng)信號(hào)頻率在6GHz～18GHz范圍內(nèi),目標(biāo)距離在50km～400km范圍內(nèi)時(shí),使模擬器工作在兩種工作模式下。

4 幅度調(diào)整

因?yàn)槲⒉ㄆ骷旧砉逃械念l率特性,對(duì)不同頻率的信號(hào),模擬器輸出信號(hào)的幅度是不同的。在不考慮目標(biāo)信號(hào)幅頻特性的情況下,為了較“真實(shí)”的模擬目標(biāo)信號(hào),可以采用兩種方法:隨工作頻率改變輸出信號(hào)的幅度參數(shù)和歸一化整個(gè)頻段內(nèi)信號(hào)輸出幅度。第一種方法是在衰減器衰減為0dB時(shí),對(duì)模擬器整機(jī)的不同頻點(diǎn)的幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,繪制整機(jī)幅頻特性曲線,通過插值的方法,獲得不同頻點(diǎn)的幅值,作為模擬器的輸出功率;第二種方法是以頻段內(nèi)幅值最低點(diǎn)為參考值,對(duì)其他頻點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行差值衰減,使不同頻點(diǎn)輸出信號(hào)的幅度相等。

圖3 整機(jī)幅頻特性曲線

由圖1可知,注入法時(shí)信號(hào)幅度隨頻率的升高呈遞減趨勢(shì),而輻射法時(shí)信號(hào)幅度不隨頻率而改變,所以本文采用改變信號(hào)幅度參數(shù)的方法,以此來計(jì)算信號(hào)的衰減幅度。實(shí)際測(cè)得的整機(jī)幅頻特性曲線如圖3所示。

根據(jù)信號(hào)的頻率,以整機(jī)幅頻特性為基礎(chǔ),通過插值得到該頻點(diǎn)的幅度參數(shù),作為模擬器的輸出功率,以此來計(jì)算衰減器的衰減幅度,從而較“真實(shí)”的模擬信號(hào)幅度的變化。

5 結(jié)語

本文討論了無源雷達(dá)模擬器在不同模式下幅度數(shù)據(jù)的計(jì)算方法,并對(duì)不同模式下幅度的取值范圍進(jìn)行了仿真,得到兩種工作模式下,信號(hào)參數(shù)的需求及天線間距的取值。針對(duì)由器件的幅頻特性引起的信號(hào)幅度的變化,采用輸出功率調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的調(diào)整,從而可“真實(shí)”的模擬目標(biāo)信號(hào)。對(duì)于目標(biāo)頻率特性、目標(biāo)飛行方向和波瓣函數(shù)引起的信號(hào)幅度的變化,還需進(jìn)一步研究。

[1]翟偉建,戴國究.無源雷達(dá)淺析[J].電子對(duì)抗,2003,89(2):41～46

[2]丁鷺飛,耿富錄,等.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006

[3]王小謨,匡永勝,陳忠先,等.監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008

[4]潘晶晶.目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)[M].南京:南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005,6