雷達目標跟蹤模擬技術(shù)

許文忠，張陽陽，王梓斌，王 勇，趙樂至

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

雷達目標跟蹤模擬是雷達調(diào)試與跟蹤試驗的一項重要技術(shù)工作。該工作主要完成雷達對固定航路的已知回波起伏目標進行跟蹤模擬實驗，并對雷達動態(tài)跟蹤精度進行檢查，是進行任務(wù)動態(tài)試驗的前提條件。傳統(tǒng)的跟蹤模擬是對任務(wù)航段的雷達雜波進行掃描，對目標的的回波特性進行理論估算，存在著諸如數(shù)據(jù)處理量大、周期長等缺陷。本文提出一種新的雷達跟蹤模擬方法，實現(xiàn)了雷達目標的真實環(huán)境下目標的跟蹤模擬。

1 雷達工作原理

雷達系統(tǒng)使用調(diào)制波形和方向性天線來發(fā)射電磁能量到空間的特定區(qū)域搜索目標，組成框圖如圖1 所示。雷達發(fā)射機產(chǎn)生所需強度的高頻脈沖信號，并將高頻信號饋送到天線發(fā)射出去，觀測目標波散射回波，雷達天線接收到目標散射的微弱射頻信號，高頻接收組件將接收到的信號放大后送入微波濾波器，濾波后的信號進入混頻器進行下變頻，將信號變成第一中頻，之后進行二次混頻，形成反射中頻信號，經(jīng)放大和檢波，送入信號處理器與顯示設(shè)備。以上的操作均在雷達主控計算機的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下完成。

圖1 雷達系統(tǒng)組成

2 雷達目標模擬器

雷達目標模擬器在設(shè)計和調(diào)試雷達系統(tǒng)的過程中，模擬雷達回波信號代替實際的雷達回波信號，處理多普勒模糊和距離模糊等技術(shù)要求，降低系統(tǒng)設(shè)計和維護過程中所需的費用。

模擬器根據(jù)目標的軌跡參數(shù)［1］，目標的時延，多譜勒頻率及相關(guān)參數(shù)，模擬線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等復(fù)雜雷達信號回波，模擬靜止、勻速、勻加速及變加速等目標回波，可以設(shè)置目標起始距離、終止距離、速度、加速度、多普勒頻率、目標起伏特性、目標消隱等。實現(xiàn)任意可能的目標航跡。

目標模擬器分為4 個部分［2］:①和、差信號形成器;②微波信號源;③和、差信號控制器;④航路產(chǎn)生器。

圖2 雷達模擬器系統(tǒng)

1)距離模擬

雷達控制計算機將目標斜距R 值送測距機，測距機按R值生成模擬目標距離脈沖，送頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生高頻脈沖，送射頻模擬器。

模擬器目標脈沖具有一定時間延遲的目標回波。雷達接收到目標反射的回波與雷達發(fā)射信號之間的時間延遲，反映了目標對雷達天線的徑向距離。在無距離模糊的情況下，目標的徑向距離R 與延遲時間t 之間的關(guān)系為

式中:C 為電波在空中的傳播速度約3 ×108m/s;R 為目標的徑向距離。

在有距離模糊的情況下目標的徑向距離R 與延遲時間t之間的關(guān)系式變?yōu)?/p>

式中:RT為重頻周期對應(yīng)的距離值;N 為模糊周期。

將雷達主控機產(chǎn)生的距離碼R 轉(zhuǎn)換為延遲目標脈沖;用R 距離值控制目標中頻/射頻脈沖幅度，從而形成距離因子A的模擬。

目標回波隨距離的衰減特性可由雷達方程確定，將雷達方程化簡為

式中:C0為由雷達參數(shù)確定的常數(shù);Pr為目標回波的功率(W);R 為目標到雷達的距離(m)。

雷達接近目標回波的功率與目標到雷達的距離R4成反比［3］。

圖3 回波脈沖形成功能

距離因子的模擬在射頻實現(xiàn)，用距離數(shù)控衰減器來控制射頻脈沖幅度變化來模擬。由于目標距離不同，接收信號強弱變化。

2)目標角度模擬

目標角度模擬是實時模擬由于天線掃描或目標運動，使天線波束相對目標位置不斷改變而造成接收雷達回波信號變化。角度模擬主要是對雷達天線方向性圖的模擬。所以角度模擬輸出U(θ)可表示為［4］

式中:Eθ為波束對準目標時接收信號歸一化值;F(θ)為雷達天線方向性圖函數(shù)。

目標角度模擬是按目標角度特性對回波信號進行方向幅度加權(quán)及相位變化來逼真地模擬目標角度信息。目標角度特性包括目標的方位角、俯仰角。

角度模擬原理框圖見圖4。

圖4 角度模擬原理

3)多普勒模擬

當目標相對雷達作徑向運動時，目標回波產(chǎn)生多普勒的頻移，雷達用測量多普勒頻率或目標回波距離上的時間變化率的方法進行測速，所以目標速度的物理特性模擬就是多普勒頻率的模擬。

當雷達發(fā)射機和接收機在同一位置時，多普勒頻率可表示為

式中:λ 為發(fā)射波長;ur為目標徑向速度。

雷達運動目標多普勒特性的模擬是提供一個同目標距離相關(guān)的多普勒頻率，為了保證測速系統(tǒng)頻率穩(wěn)定跟蹤的要求，模擬的多普勒頻率在變化時其相位必須連續(xù)，否則將形成視頻干擾，破壞測速系統(tǒng)工作。

4)Swerling 2 型目標RCS 模擬

RCS 是個起伏量，要正確地描述它的起伏，必須知道其概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)。概率密度函數(shù)p(σ)給出目標截面積在σ 和σ +dσ 之間的概率，而相關(guān)函數(shù)則描述了雷達截面積在回波脈沖序列間的相關(guān)程度。Swerling 模型把典型的目標模型起伏分為4 種類型:有2 種不同的概率密度函數(shù)，2 種不同的相關(guān)函數(shù)，一種是在天線一次掃描間回波起伏是完全相關(guān)的，而掃描至掃描間完全不相關(guān)，稱為慢起伏目標;另一種是快起伏目標，它的回波脈沖在脈沖至脈沖間是完全不相關(guān)的。

模擬Swerling-2 型目標RCS，根據(jù)雷達原理，該類型目標的概率密度函數(shù)為

它描述的目標的起伏特性為快起伏，脈沖間完全不相關(guān)。可以通過反函數(shù)法利用(0，1)均勻分布的隨機變量λ 產(chǎn)生負指數(shù)分布的隨機變量σ，對上式指數(shù)函數(shù)作積分

因此可得隨機變量數(shù)

可以證明λ 在(0，1)區(qū)間上服從均勻分布，σ 為均值為的指數(shù)分布隨機變量。利用產(chǎn)生的隨機數(shù)σ 來對目標回波進行調(diào)制，即可完成模擬功能。

5)航跡模擬

雷達工作在模擬狀態(tài)下，首先由雷達控制計算機按照空中點目標特性，運算飛行軌跡實時生成目標斜距R、方位角A、俯仰角E 等坐標［5］。

距離的模擬方式:雷達控制計算機將目標斜距R 值送測距機，測距機按R 值生成模擬目標距離脈沖，送頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生高頻脈沖，送射頻模擬器。

回波幅度的控制:射頻模擬器通過一個衰減器控制模擬信號的強弱，來模擬目標回波的大小。

角度的模擬方式:射頻模擬器通過3 路分配器，將模擬信號一分為3 路，產(chǎn)生單脈沖和、差、差3 通道高頻模擬目標信號。2 路差通道分別設(shè)一個數(shù)控衰減器和0/π 調(diào)相器。角度模擬是按天線差波束方向圖進行的，按照模擬目標方位、俯仰值與雷達天線方位、俯仰碼盤值的差值(E，A)分別去控制方位和俯仰2 個差信號的大小，根據(jù)差信號的符號進行0/π 控制。

E，A 符號位表示偏離方向，在輸出信號中表示和信號與差信號的0/π 相位關(guān)系

假設(shè)K=1，Δθ=0.05 mrad，θ0=1/2 波束寬度，可得Δ/Σ=-43 dB，所以數(shù)控衰減63 dB。

3 路各安置隔離器，保證3 路間隔離度，和差支路都設(shè)放大器，補償0/π 調(diào)相器及數(shù)控電調(diào)衰減器的起始衰減，保證高頻接收機的需要。

3 雷達目標跟蹤模擬設(shè)計

雷達目標跟蹤模擬的主要設(shè)計思路是雷達在發(fā)射機開機狀態(tài)下，將環(huán)境反射信號與模擬器模擬的目標信號進行功率合成。組成示意圖如圖5 所示。

圖5 雷達目標跟蹤模擬組成示意圖

模擬器產(chǎn)生的目標信號通過定向耦合器加到主訊道和、方位差、仰角差功率的合成信道上［2］。當航路產(chǎn)生器輸出一個已知目標軌跡，設(shè)目標角度的參數(shù)為θm，而雷達實際所處位置的角度為θR。令θm-θR=Δθ，當Δθ 越大，則產(chǎn)生的角誤差越大，這個角誤差信號通過接收機處理后送入伺服，使天線向θm方向轉(zhuǎn)動，θm變化時，θR也隨著變化，并始終使Δθ趨向最小或0，這就是角度模擬。距離模擬是按照反射式雷達方程來計算的，通過距離延時器改變模擬信號源輸出模擬脈沖信號的時間，產(chǎn)生距離上的時間模擬。發(fā)射機產(chǎn)生的微波信號經(jīng)天線發(fā)射出去，由環(huán)境反射的回波信號由天線接收，經(jīng)高頻接收機、中頻接收機，將和、方位差、仰角差信號通過定向耦合器加到功率合成信道上。由此實現(xiàn)了在天線掃描到某一方位，對于此方位上每一個距離單元，模擬的目標回波與實際環(huán)境的雜波回波疊加起來。

為保證模擬器與雷達同步工作，雷達使用頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生第一本振信號、第二本振信號、中頻接收機控制時鐘信號、連續(xù)波基準信號、中頻采樣時鐘信號、發(fā)射微波激勵信號以及模擬器需要的中頻信號。頻率綜合器分為2部分:發(fā)射頻綜;接收頻綜。發(fā)射頻綜輸出包括:發(fā)射激勵信號、中頻信號、中頻采樣時鐘和中頻控制時鐘、模擬器需要的連續(xù)波信號、同步器時鐘基準連續(xù)波信號。接收頻綜包括:第一本振信號、第二本振信號。

4 結(jié)束語

目前實驗對航路規(guī)劃的要求越來越高，雷達目標跟蹤模擬是航路規(guī)劃中一個關(guān)鍵問題。在實際工程中，通過上述方法研制了某型相控陣雷達視頻回波模擬器，并進行了安裝調(diào)試，在發(fā)射機開機狀態(tài)下，由雷達信號模擬器模擬目標回波起伏，信號貫入雷達接收機，與雷達環(huán)境回波進行疊加，該模擬器所模擬的視頻回波各項性能指標滿足實驗要求，達到較高的準確度，獲得滿意的試驗訓(xùn)練效果。

［1］劉朝暉.實時雷達視頻信號模擬器的研制［D］.北京:北京理工大學，1994.

［2］衛(wèi)健，陳定階. 雷達目標模擬器［J］. 現(xiàn)代雷達，2002，2（1）:55-57.

［3］（美） M.I.斯科爾尼克.雷達手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1978.

［4］（美）伊利.布魯克納.雷達技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［5］胡小川.機載相控陣雷達模擬器系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究［D］.成都:電子科技大學，2003.

［6］程春華，吳進華，周大旺.一種基于SVM 的航路規(guī)劃研究［J］. 海軍航空工程學院學報，2010（1）:61-64.

［7］孫世巖，張國棟.艦艇搖擺對雷達目標跟蹤精度的影響分析［J］.火力與指揮控制，2011（5）:75-78.

［8］丁吉，樊瓊劍，任博.未知環(huán)境中的無人偵察機動態(tài)航路規(guī)劃［J］.四川兵工學報，2012（5）:28-31.