某雷達(dá)模擬器的目標(biāo)與雜波信號模擬強(qiáng)度研究

王付修，魯 剛，左 雷，陳 冰

（1.海軍陸戰(zhàn)學(xué)院，廣州510430；2.海軍裝備部，北京100841；3.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢430033；4.南京理工大學(xué)，南京210094）

復(fù)雜電磁環(huán)境的訓(xùn)練除利用真實的武器裝備外，還大量依靠各類信號模擬器、計算機(jī)模擬技術(shù)、分布式交互仿真技術(shù)以及能模擬假想敵的部隊等[1-3]。作戰(zhàn)模擬的功能有：①直接或通過導(dǎo)調(diào)人員給受訓(xùn)者提供逼真的戰(zhàn)場態(tài)勢信息；②接受受訓(xùn)人員對此態(tài)勢信息的判斷和決策；③通過模擬系統(tǒng)運行結(jié)果，對受訓(xùn)人員的反應(yīng)評估[4]。在進(jìn)行雷達(dá)模擬器的海戰(zhàn)場態(tài)勢環(huán)境編輯時，將態(tài)勢推進(jìn)過程中目標(biāo)信號強(qiáng)度、地物雜波強(qiáng)度、氣象雜波強(qiáng)度、海雜波強(qiáng)度實時計算，以便信號源產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的信號注入雷達(dá)模擬臺。

1 目標(biāo)信號強(qiáng)度的算法

計算雷達(dá)目標(biāo)在每個時刻的回波信號強(qiáng)度，并將這些數(shù)據(jù)標(biāo)注在數(shù)據(jù)表中，是為了控制目標(biāo)信號源產(chǎn)生目標(biāo)信號的大小，以便后端的雷達(dá)模擬臺能在雷達(dá)威力覆蓋范圍內(nèi)準(zhǔn)確地顯示出目標(biāo)與雜波強(qiáng)度變化。

1.1 目標(biāo)信號強(qiáng)度計算

距離雷達(dá)r 處的目標(biāo)，在雷達(dá)天線口徑上單位目標(biāo)的信號回波功率為[5]

式中：F為傳播因子；La為傳播損耗；Pr0為理想條件下雷達(dá)天線的接收功率，

式（2）中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積；λ為雷達(dá)波長；R為測量點距雷達(dá)距離；G為天線增益。

考慮到目標(biāo)信號源輸出從雷達(dá)接收機(jī)的中頻進(jìn)行注入，信號所經(jīng)過前端的各級功率放大增益為Gp，同時將發(fā)射支路和接收支路中頻注入點之前的損耗Ls計入，得到注入點的信號功率為[6]

Ps為天線波束中軸對準(zhǔn)目標(biāo)時，回波信號在中頻放大器輸入端處的功率。

1.2 目標(biāo)反射截面積與大氣傳播因子計算

1.2.1 目標(biāo)反射截面積RCS的計算

目標(biāo)與雷達(dá)相對航向不同，RCS(σ)的大小也不同。將相對航向取成8個45°范圍，見圖1。其中，相對航向落在1、5區(qū)時，目標(biāo)的RCS值為其平均值（dB）的3/4；落在3、7區(qū)時，目標(biāo)的RCS值為其平均值（dB）的5/4；落在其他區(qū)域時，RCS為均值。

圖1 相對航向與目標(biāo)RCS取值區(qū)域示意圖Fig.1 Relative heading and target RCS value area

對海面艦船目標(biāo)，將σ 假設(shè)為一個沿高度均勻分布的模型。本文將艦船高度劃分5 段，從目標(biāo)類型表中取出的σ值均勻分布在這5段上，當(dāng)無大氣波導(dǎo)即視距探測時，需要根據(jù)目標(biāo)每個時刻與雷達(dá)之間的距離，計算出雷達(dá)視距對應(yīng)的最小發(fā)現(xiàn)高度hmin，代入上式的σ 取值應(yīng)為hmin到艦船最大高度上各段RCS的積分，如圖2所示，式（2）中的散射截面積用下式替代：

式（4）中：

hmax由目標(biāo)類型表給出（高度單位為m，距離單位為km）。

圖2 艦船目標(biāo)的RCS取值方法Fig.2 Value taking method of ship target RCS

對于空中目標(biāo)，當(dāng)處于視距以外時，F(xiàn) 設(shè)為0。當(dāng)存在大氣波導(dǎo)即超視距探測時，不再計算視距，海面目標(biāo)的hmin設(shè)為0，各個高度上的F值由PE算法的結(jié)果決定，La的取值采用曲線量化的方式，并按比例取值的方式查表可得。

1.2.2 傳播因子F的確定

對于視距外的目標(biāo)，不計算F的結(jié)果，直接設(shè)置為0。當(dāng)選擇大氣波導(dǎo)環(huán)境時，需根據(jù)波導(dǎo)剖面和PE方程計算F；當(dāng)選擇正常大氣條件時，為了加快計算速度，不選用PE方法計算F，而采用以下方法計算[7]：

式（6）中：f()θd為天線方向圖在目標(biāo)仰角方向的大??；ρ為海面反射系數(shù)的模；α為反射系數(shù)引入的相位與直反射波間路程差引入的相位差之和。

反射系數(shù)是3部分的乘積，即理想海面反射系數(shù)、球面散射因子和海水粗糙度因子。水平極化時，理想海面反射系數(shù)為[8]

式（7）中：ψg為掠射角；

ε′、ε″取值與波段和海水溫度有關(guān)。由于水面艦艇對海搜索雷達(dá)架設(shè)高度較低，且都是水平極化，因而取反射系數(shù)引入的相位為180°，模值為1。

海面粗糙度因子為[9]

式（9）中：λ為電波的波長；hrms為浪高的均方根波高[10]，他是海面風(fēng)速的函數(shù)，利用Phillips海浪模式得

式（10）中，Ws2為海面風(fēng)速，單位取m/s。

球面散射因子為[10]

各符號的定義如圖3所示。

圖3 球面條件下空中目標(biāo)與雷達(dá)的幾何關(guān)系Fig.3 Geometrical relation between airborne target and radar under spherical model

直達(dá)波與海面反射波之間波程差為[11]

式（12）中：

而[12]：

至此，傳播因子F 中的反射系數(shù)的模和相位分別為[13]：

為了確定天線方向圖在目標(biāo)仰角方向的大小（f(θd)的形狀由雷達(dá)參數(shù)給出），需要求解θd[14]：

2 雜波信號強(qiáng)度的算法

2.1 海區(qū)背景的確定

海區(qū)背景提前由專用軟件制作。海區(qū)的背景畫面采用對應(yīng)海圖如圖4所示，實際存儲的海圖是為了控制雜波信號源產(chǎn)生對應(yīng)強(qiáng)度的雜波信號。因此，對應(yīng)海圖按分辨單元存儲了一幅反射率值圖，存儲方式如表1所示。

存儲一幅海區(qū)反射率圖所需的存儲器大小為

圖4 態(tài)勢運行中海區(qū)背景示意圖Fig.4 Schematic of sea background in situation modeling

表1 地物參數(shù)表（分辨率為10″x10″）Tab.1 Ground parameter table

2.2 地面反射率的計算

地面反射率是態(tài)勢軟件選擇訓(xùn)練海區(qū)時，事先由專用軟件填充進(jìn)海圖的各個分辨單元的，而填充的值，是將計算好的反射率值，隨機(jī)抽取填進(jìn)海圖中。反射率值的計算采用如下經(jīng)驗公式進(jìn)行[15]：

式（25）、（26）中：γ10取-14 dB；ψ為擦地角，其值在0～50°內(nèi)；f為雷達(dá)中心頻率（GHz）；分辨率取0.2°。計算好250個值后，隨機(jī)抽取填進(jìn)海圖中的陸地單元。

2.3 地物單元運動要素的計算

由于本艦是運動的，因而在每個時刻時，地物相對于雷達(dá)是按極坐標(biāo)分辨單元進(jìn)行回波強(qiáng)度計算的。為減少運算量，分辨單元不按雷達(dá)真實分辨單元考慮，由于遠(yuǎn)區(qū)地物一般在視距外，因而方位分辨率低一些不會影響視覺效果。計算每個海區(qū)背景單元相對于雷達(dá)的運動要素流程如下：選擇雷達(dá)每一個距離方位單元中心坐標(biāo)（2048×512），對其進(jìn)行直角坐標(biāo)變換，提取變換后落入的海圖直角坐標(biāo)分辨單元的反射率值，將此值作為該雷達(dá)分辨單元的反射率值，雷達(dá)分辨單元的面積計算公式為[16]

式（27）中：c為電磁波傳播速度；τ為雷達(dá)脈沖寬度；θ0.5為半功率波瓣寬度。

運動參數(shù)采樣間隔時間規(guī)定為：當(dāng)雷達(dá)平臺做直線運動時，時間采樣間隔為5 min，當(dāng)雷達(dá)平臺機(jī)動時，時間采樣間隔為6 s。地物雜波運動參數(shù)表如表2所示。

表2 地物雜波運動參數(shù)表Tab.2 Parameter table of moving ground clutter

2.4 地物單元回波強(qiáng)度的計算

在雷達(dá)陣面內(nèi)，每個雷達(dá)分辨單元的回波功率為

雜波信號注入點的信號功率為

3 海雜波信號強(qiáng)度的算法

通過環(huán)境設(shè)定的風(fēng)速，首先計算出海面發(fā)射率；進(jìn)而計算雷達(dá)每個分辨單元的RCS；最后，再計算出平均回波信號的大小。

通過風(fēng)速可以計算平均波高[17]：

式中，v為風(fēng)速/（m/s）。

風(fēng)速因子Aw為

進(jìn)一步計算粗糙度因子：

式中，ψ為波束擦地角[18]。

風(fēng)向因子和干涉因子為[19]：

式（33）、（34）中，φ為雷達(dá)天線軸與逆風(fēng)向間的夾角。

最后，可以計算出水平極化時的海雜波后向散射系數(shù)：

得到了散射系數(shù)，就可以求出平均海雜波強(qiáng)度。

4 氣象雜波信號強(qiáng)度的算法

雨雪區(qū)域自身的運動速度與方向同風(fēng)速與風(fēng)向，各個分辨單元相對雷達(dá)的徑向運動速度和強(qiáng)度存儲的表格形式同地物雜波。但每個雷達(dá)距離、方位單元的RCS計算方法不同，具體如下。

雷達(dá)距離R 處的分辨單元體積的計算[20]

式中，θB、φB分別為天線波束的水平和俯仰半功率波束寬度。

該分辨單元的RCS為

因此，注入到雷達(dá)中頻接收模塊的雨雪雜波信號功率為[21]

5 信號強(qiáng)度的生成

雷達(dá)信號源組成如圖5所示，由控制計算機(jī)、定時器、目標(biāo)產(chǎn)生器、地物雜波產(chǎn)生器、氣象雜波產(chǎn)生器、海雜波產(chǎn)生器、噪聲產(chǎn)生器、干擾信號源、航向方位碼產(chǎn)生模塊、調(diào)制與合成模塊、STC控制模塊組成。

圖5 雷達(dá)信號源組成Fig.5 Structure of radar signal source

目標(biāo)信號源產(chǎn)生運動目標(biāo)，目標(biāo)信號服從快慢起伏特征，目標(biāo)回波受對應(yīng)目標(biāo)運動徑向速度引入的多卜勒頻率調(diào)制，目標(biāo)的強(qiáng)度與對應(yīng)的RCS 大小一致，目標(biāo)反映在雷達(dá)P顯上的形狀符合實際。雜波信號源產(chǎn)生地物雜波、氣象雜波、海雜波信號，雜波的多卜勒譜與模型一致，雜波的強(qiáng)度與實際相符，雜波的形狀與模型相符。

信號的合成是將目標(biāo)、雜波、干擾、接收機(jī)噪聲等信號源的輸出合成，并正交調(diào)制到雷達(dá)所需的中頻輸出。同時，該模塊產(chǎn)生用于雷達(dá)模擬臺的中頻信號、時鐘信號。航行及伺服信號源產(chǎn)生模擬的正北、艦艏、天線真方位、本艦航速或徑向速度等信號。

模型控制計算機(jī)與信號源產(chǎn)生器的交互控制各路信號強(qiáng)度原理如圖6所示。模型控制計算機(jī)先進(jìn)行原始信號強(qiáng)度控制，再進(jìn)行波束調(diào)制。當(dāng)雷達(dá)沒有采取信號處理和抗干擾等處理時，各路信號可以直接送雷達(dá)顯示器進(jìn)行顯示，顯示出的各類信號與真實情況基本一致，當(dāng)雷達(dá)工作在某一種或幾種信號處理模式時，或抗干擾模式時，模型控制計算機(jī)再根據(jù)信號處理、抗干擾模式進(jìn)一步對各路信號分別進(jìn)行控制，并將控制后的各路信號輸出。

圖6 模型控制計算機(jī)與信號源產(chǎn)生器的交互控制原理圖Fig.6 Schematic of interactive control of model-control computer and signal source generator

6 雷達(dá)模擬顯示結(jié)果分析

下面通過雷達(dá)實際采集的目標(biāo)與雜波強(qiáng)度信號在雷達(dá)P顯的顯示效果與應(yīng)用本文所采用的雷達(dá)模擬器目標(biāo)與雜波強(qiáng)度計算方法在模擬器P顯的效果圖進(jìn)行對比，如圖7～9所示。

圖7 真實目標(biāo)雜波與模擬目標(biāo)雜波對比Fig.7 Comparison of real target clutter and simulated target clutter

圖8 真實海雜波與模擬海雜波對比Fig.8 Comparison of real sea clutter and simulated sea clutter

圖9 真實氣象雜波與模擬氣象雜波對比Fig.9 Comparison of real weather clutter and simulated weather clutter

通過對比可以看出，本文將在進(jìn)行雷達(dá)模擬器的海戰(zhàn)場態(tài)勢環(huán)境編輯時，態(tài)勢推進(jìn)過程中目標(biāo)信號強(qiáng)度、地物雜波強(qiáng)度、氣象雜波強(qiáng)度、海雜波強(qiáng)度實時計算出來，同時信號源產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的信號注入雷達(dá)模擬臺，在雷達(dá)模擬臺上能夠模擬出目標(biāo)信號與雜波強(qiáng)度變化，效果十分逼真，能夠滿足模擬訓(xùn)練的要求。

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