毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計

丁勇，肖澤龍，許建中，彭樹生

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094)

0 引言

最近10年，隨著國內(nèi)毫米波器件技術(shù)的成熟，彈載毫米波被動探測器(毫米波交流輻射計)的研究取得了突破性進(jìn)展［1-2］，其成本進(jìn)一步降低，使其成為了靈巧彈藥尤其是末敏彈的主要探測手段。末敏彈中毫米波被動探測器為毫米波交流輻射計探測體制，在裝備之前需要進(jìn)行測試，其試驗(yàn)包括動態(tài)野外實(shí)測和靜態(tài)整機(jī)性能參數(shù)測試。靜態(tài)整機(jī)性能測試包括靈敏度、積分時間、動態(tài)范圍測試等，通?？稍谑覂?nèi)完成［3］。動態(tài)野外實(shí)測一般通過炮射試驗(yàn)和高塔試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測。炮射試驗(yàn)一般采用真實(shí)敏感器進(jìn)行實(shí)彈試驗(yàn)，成本較高。高塔試驗(yàn)通常將毫米波交流輻射計放在高塔轉(zhuǎn)臺上模擬末敏彈探測過程，一般只能做幾個固定高度的探測試驗(yàn)，而末敏彈實(shí)際探測是從高到低不同高度的探測過程，因此高塔試驗(yàn)并不能很好地模擬末敏彈的探測過程，且連續(xù)高度高塔試驗(yàn)涉及到更多的人力物力［4］。一種比較好的方法是建立半實(shí)物仿真系統(tǒng)，具有物理仿真的高準(zhǔn)確性、實(shí)時性的優(yōu)點(diǎn)，又具有數(shù)學(xué)模擬仿真的高靈活性，低成本的優(yōu)勢，在航空、宇航得到了廣泛的應(yīng)用［5］。文中毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)就是用來模擬毫米波交流輻射計的動態(tài)探測過程，同時可具有室內(nèi)靜態(tài)整機(jī)性能測試的功能，為目標(biāo)特性研究和產(chǎn)品量產(chǎn)性能測試提供了有效手段。與之前提出的定性的目標(biāo)信號模擬不同［6］，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)彈載毫米波交流輻射計探測過程定量動態(tài)仿真。

1 交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介及工作流程

對毫米波交流輻射計進(jìn)行半實(shí)物仿真的目的:一是半實(shí)物仿真系統(tǒng)對野外探測環(huán)境的模擬為毫米波交流輻射計的設(shè)計、研制和參數(shù)優(yōu)化提供支撐條件，保證研制成的毫米波交流輻射計能夠完全達(dá)到戰(zhàn)術(shù)指標(biāo);二是為毫米波交流輻射計提供一個類似于野外試驗(yàn)的軟硬件仿真平臺，能對毫米波交流輻射計在進(jìn)行不同目標(biāo)、環(huán)境和干擾等情況下的探測過程進(jìn)行模擬，方便后端進(jìn)行信號處理分析，為識別門限電平的確定、新的識別方法的有效性和識別率等提供有力的支撐;三是該半實(shí)物仿真系統(tǒng)能對毫米波交流輻射計靜態(tài)和動態(tài)性能測試，提供一個軟、硬件平臺，為裝備前提供可靠的質(zhì)量保障。毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)框圖Fig.1 System framework diagram

毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要由無回波隔離箱、目標(biāo)模擬器、被測毫米波交流輻射計和控制電路(上位機(jī))等部分組成。其基本功能要求該系統(tǒng)能模擬毫米波交流輻射計在野外探測裝甲目標(biāo)的過程。另外還要求該系統(tǒng)完成對毫米波交流輻射計指標(biāo)性能和工作狀態(tài)的檢測。其工作流程如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)確定

1.2.1 衰減器動態(tài)范圍的確定

該毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)要求能夠?qū)?00 ～150 mm 口徑末敏彈中毫米波交流輻射計進(jìn)行半實(shí)物仿真，末敏彈中天線口徑變化90 ～135 mm，不同口徑天線增益變化動態(tài)范圍不超過4 dB. 能接受的天線溫度范圍30 ～350 K，天線溫度變化動態(tài)范圍不超過11 dB，故要求衰減器衰減的動態(tài)范圍大于15 dB.

1.2.2 目標(biāo)模擬器發(fā)射天線和被測輻射計的接收天線距離和發(fā)射天線口徑確定

圖2 毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System work flow diagram

發(fā)射天線和接收天線距離1.1 m，這是成本與性能的折中考慮。實(shí)際上，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)射天線和接收天線距離太大，無回波隔離箱體積增大，成本增加，而且搬運(yùn)不方便。當(dāng)收發(fā)天線的距離過小時，會導(dǎo)致目標(biāo)模擬器發(fā)射天線和被測輻射計的接收天線構(gòu)成的雙天線系統(tǒng)近場增益損失急劇增大，從而導(dǎo)致該系統(tǒng)不可用。毫米波交流輻射計是寬帶高靈敏度接收機(jī)，接收的是寬帶噪聲信號，主要考慮的是噪聲信號的幅度，而不考慮相位，因此即使系統(tǒng)中發(fā)射天線和接收天線距離達(dá)不到遠(yuǎn)場條件，只要發(fā)射天線和接收天線總的近場增益損失控制在3 dB 以下(此時滿足雙天線系統(tǒng)近場條件)，以方便進(jìn)行增益損失估計和補(bǔ)償，不滿足天線的遠(yuǎn)場條件并不會影響系統(tǒng)性能。

對于目標(biāo)模擬器發(fā)射天線和被測輻射計的接收天線構(gòu)成的雙天線系統(tǒng)，保證兩天線總天線增益損耗小于3 dB 應(yīng)滿足［7］

式中:R 為發(fā)射天線和接收天線之間的距離;D、d 分別是發(fā)射和接收天線的口徑;λ 為工作波長。由于被測輻射計天線(接收天線)最大口徑d 約135 mm，故發(fā)射天線的口徑D 應(yīng)小于48.4 mm.

目標(biāo)模擬器發(fā)射天線采用喇叭天線，保證帶寬覆蓋Ka 頻段，同時保證發(fā)射天線主波束不會碰到側(cè)壁，以減小回波干擾，所以發(fā)射天線增益盡可能高，即發(fā)射天線口徑足夠大，發(fā)射天線口徑D 取48 mm.

1.2.3 無回波隔離箱大小的確定

一般來說，無回波隔離箱的寬度和高度是長度的0.5 倍，而本系統(tǒng)中，收發(fā)天線距離1.1 m，無回波隔離箱內(nèi)部長度約是1.2 m，故無回波隔離箱內(nèi)部寬度和高度為0.6 m.

1.2.4 噪聲源超噪比的確定

根據(jù)第2 節(jié)中(10)式得輻射計探測目標(biāo)過程中天線溫度

式中:LAT(t)為控制衰減器的衰減量隨時間變化;LTS為目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)損耗;ENR 為噪聲源的超噪比;T0為實(shí)驗(yàn)時的環(huán)境溫度，T0=300 K;Gt為發(fā)射天線的增益;Gr為接收天線的增益。

該系統(tǒng)要求所測天線溫度最高350 K，故當(dāng)LAT為插損2.5 dB，接收天線最小口徑90 mm，增益Gr=24 dBi 最小時，發(fā)射天線增益19 dBi，T0=300 K，LTS= -6 dB(含可能的最大的近場增益損耗3 dB)，應(yīng)保證TA＞350 K，可保證被測輻射計天線的天線溫度最高達(dá)350 K，算得ENR ＞17.94 dB. 所以噪聲源超噪比ENR 不低于18 dB.

2 毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)等效模型

毫米波交流輻射計探測原理是輻射計天線根據(jù)其方向圖對在天線俯仰角θ、方位角φ 方向?qū)邮盏降奈矬w輻射出的毫米波能流密度進(jìn)行加權(quán)求和，從而獲取目標(biāo)信息。如果想要在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中完全按照輻射計的工作原理，需要使用目標(biāo)模擬器模仿出不同方位角、俯仰角的被探測物體輻射出的毫米波，稱之為“天線前等效”，但這是不現(xiàn)實(shí)的。本文針對被動探測器信號特點(diǎn)提出一種簡化的模型等效辦法，既能簡化數(shù)學(xué)模型，又不失模型精確性，其原理是使該半實(shí)物仿真系統(tǒng)中毫米波交流輻射計天線的輸出毫米波功率和野外探測毫米波交流輻射計天線的輸出毫米功率一樣，這樣半實(shí)物仿真系統(tǒng)內(nèi)輻射計輸出也與野外探測中輻射計輸出一致，稱之為“天線后等效”。

對于該系統(tǒng)，需要控制暗箱內(nèi)的衰減器，用該電壓控制衰減器對噪聲源進(jìn)行不同程度的衰減，使得無回波隔離箱中被測輻射計接收到目標(biāo)模擬器輻射出的毫米波后，其天線輸出功率和野外毫米波交流輻射計探測裝甲目標(biāo)天線輸出功率是一致的。因而問題的關(guān)鍵是如何獲得控制衰減器的隨時間變化的電壓信號。半實(shí)物仿真系統(tǒng)和外場探測的“天線后等效”等效示意圖如圖1點(diǎn)劃線所示。

2.1 毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)的建模

對該毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，計算出在該半實(shí)物仿真系統(tǒng)中衰減器的衰減量LAT(t)和被測輻射計天線輸出功率Pr(t)的關(guān)系。

目標(biāo)模擬器的實(shí)際輸出功率為

式中:k 為玻爾茲曼常數(shù)，取k =1.38 ×10-23J/K;BTS為半實(shí)物仿真系統(tǒng)中目標(biāo)模擬器的帶寬。

半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，如果目標(biāo)模擬器的發(fā)射天線和被測輻射計的接收天線滿足遠(yuǎn)場條件，根據(jù)電磁波傳播原理，則輻射計系統(tǒng)接收到的信號功率為

式中:Ar為接收天線(即毫米波交流輻射計天線)的有效面積;系統(tǒng)的工作波長λ =8.57 mm(Ka 波段時，其中心頻率為35 GHz)。

此處的發(fā)射功率Pt(t)應(yīng)為目標(biāo)模擬器的輸出功率Po(t)，所以理論上半實(shí)物仿真系統(tǒng)中輻射計接收到的功率Pr(t)為

由于被測試輻射計的帶寬Bra(天線帶寬)會在一定的范圍內(nèi)波動，為保證所有輻射計都能被測試，所以要確保BTS＞Bra且Bra?BTS. 但對于某一個被測輻射計，目標(biāo)模擬器輸出功率中，輻射計天線只能接收到目標(biāo)模擬器帶寬BTS中輻射計天線帶寬Bra內(nèi)頻率的信號，因此只有帶寬在當(dāng)前被測輻射計天線帶寬Bra內(nèi)的輸出功率是有效的，而頻帶Bra外的功率是無效的。

所以在(5)式中，用被測輻射計天線帶寬Bra代替目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)帶寬BTS，即可得到實(shí)際輻射計的有效接收功率Pre(t)為

2.2 野外探測過程建模

依據(jù)用戶設(shè)置的探測場景參數(shù)和彈目交會條件，對野外探測過程進(jìn)行建模，建立裝甲目標(biāo)毫米波輻射模型［8-9］，計算出探測器探測目標(biāo)過程中，交流輻射計接收到的天線溫度隨探測過程變化的關(guān)系。

野外環(huán)境探測下，輻射計天線接收到功率P'r(t)為

2.3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)和野外環(huán)境探測環(huán)境下的等效

對野外探測過程和半實(shí)物仿真過程進(jìn)行等效處理，使得半實(shí)物仿真系統(tǒng)中輻射計接收到目標(biāo)模擬器的信號能量，其天線輸出功率和野外毫米波交流輻射計探測裝甲目標(biāo)時天線輸出功率是一致的，從而半實(shí)物仿真仿真系統(tǒng)中輻射計天線有效接收到的功率Pre(t)應(yīng)和野外探測時輻射計天線接收到功率P'r(t)相等，即:

從而，

(9)式表征了輻射計野外測試的天線溫度TA(t)和目標(biāo)模擬器衰減器的衰減量LAT(t)的映射關(guān)系。

解出各量之間的關(guān)系為

根據(jù)衰減器的控制電壓VAT和衰減量LAT之間的映射關(guān)系LAT=κ(VAT)或VAT=κ-1(LAT)，κ 是單調(diào)函數(shù)。結(jié)合上式可以很容易獲得控制電壓VAT(t)和天線溫度TA(t)之間的關(guān)系。

將VAT(t)加到衰減器上，該半實(shí)物仿真系統(tǒng)即可有效模擬野外不同探測環(huán)境場景、不同彈目交會情況的過程，但(11)式只適用于當(dāng)目標(biāo)模擬器的發(fā)射天線和被測輻射計的接收天線滿足遠(yuǎn)場條件。

2.4 考慮近場條件下的等效

目標(biāo)模擬器的發(fā)射天線和被測輻射計的接收天線距離較小，不滿足雙天線系統(tǒng)的遠(yuǎn)場條件時，與遠(yuǎn)場比，由于天線口徑中心和外徑的相位差導(dǎo)致一定的增益下降。對模型進(jìn)行適當(dāng)修正或補(bǔ)償，該相位差并不會引起該半實(shí)物仿真系統(tǒng)性能的下降。

系統(tǒng)中目標(biāo)模擬器的發(fā)射天線和被測輻射計的接收天線構(gòu)成的圓口面雙天線系統(tǒng)的近場總增益相對于遠(yuǎn)場總增益的損失［7］為

式中:k'是波數(shù)。

則修正后的控制電壓VAT(t)和天線溫度TA(t)之間的關(guān)系為

3 毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真驗(yàn)證

利用研制完成的毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)高塔實(shí)測數(shù)據(jù)和半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，估算出目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)損耗約LTS=-0.43 dB(此處不含近場增益損失)，插損在正常范圍內(nèi)。毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)物以及末敏彈高塔試驗(yàn)分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖和高塔試驗(yàn)圖Fig.3 Physical and tower test diagrams

用輻射計在轉(zhuǎn)臺上以5 r/s 轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺周圍鋪滿吸波材料，輻射計天線對準(zhǔn)吸波材料，測試毫米波輻射計基底噪聲，測得其標(biāo)準(zhǔn)差0.029 7 V. 令在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中用控制電壓控制衰減器使被測輻射計的噪聲溫度為285 K(室溫)，測得其標(biāo)準(zhǔn)差0.029 9 V.說明半實(shí)物仿真系統(tǒng)能有效模擬探測過程的基底噪聲。

用3 m×7 m 的鐵板在25 m、92 m 高度做了高塔試驗(yàn)，和半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行了了對比，半實(shí)物仿真系統(tǒng)中只把地面當(dāng)成比較平的地面;試驗(yàn)所用毫米波交流輻射計天線為卡塞格倫天線，口徑135 mm，3 dB 波束寬度4.5°，中頻帶寬3 ～250 Hz，外場試驗(yàn)天氣晴朗，室外溫度293 K.

25 米高度，探測器傾角53°，探測器傾角經(jīng)過目標(biāo)中心，結(jié)果對比如圖4所示。

92 米高度，探測器傾角36.5°，探測器傾角經(jīng)過目標(biāo)中心，結(jié)果對比如圖5所示。

由圖4、圖5可知，在有用信號處，半實(shí)物仿真系統(tǒng)無論幅度還是脈寬都擬合的比較好，只是底噪誤差較大。這是由于實(shí)際高塔試驗(yàn)時的背景由吸波材料與大地兩種背景組成的。高塔試驗(yàn)過程示意圖如圖6(a)所示，而半實(shí)物仿真中把目標(biāo)的背景簡化成較平的大地。高塔試驗(yàn)中，大地相對于吸波材料，“輻射溫度”略低，由于交流輻射計反相檢波，大地相對于吸波材料背景有差異，輻射計輸出電壓呈現(xiàn)比較小的起伏信號，而不是完全噪聲信號。用交流輻射計掃描高塔試驗(yàn)背景產(chǎn)生的周期性底噪結(jié)果如圖6(b)所示。

根據(jù)上述示意圖重新建立了場景模型，背景補(bǔ)償后的92 m 高度輻射計輸出電壓對比如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)半實(shí)物仿真結(jié)果和高塔試驗(yàn)的吻合程度較背景補(bǔ)償前均有較大的改善，因此可認(rèn)為該半實(shí)物仿真系統(tǒng)以及數(shù)學(xué)等效模型是有效的。

圖4 25 m 高度輻射計輸出信號波形對比圖Fig.4 Comparison of output signal waveforms at height of 25 m

圖5 92 m 高度輻射計輸出信號波形對比圖Fig.5 Comparison of output signal waveforms at height of 92 m

圖6 高塔探測示意圖和基底噪聲圖Fig.6 Tower detection and basal noise

在時域和頻域驗(yàn)證半實(shí)物仿真系統(tǒng)的結(jié)果［10］。在時域使用TIC(THEIL 不等式系數(shù)法)作為模型驗(yàn)證方法，系統(tǒng)模型檢驗(yàn)時，通常認(rèn)為THEIL 不等式系數(shù)TIC 值＜0.3 時兩對時間序列是相容的?？紤]到毫米波交流輻射計掃描探測器的輸出信號有很大一塊基底噪聲，這只會影響模型檢驗(yàn)精度，因此這里只檢驗(yàn)0.1 V 以上的鐘形信號。表1為半實(shí)物仿真與高塔試驗(yàn)TIC 值。

表1 半實(shí)物仿真與高塔試驗(yàn)TIC 值Tab.1 TIC values of HITL simulation and tower test

半實(shí)物仿真-高塔試驗(yàn)結(jié)果的TIC 值＜0.1，可以認(rèn)為半實(shí)物仿真-高塔試驗(yàn)對比結(jié)果在時域上是相容的。

在頻域使用頻譜分析法作為模型驗(yàn)證方法，過程為:用最大熵譜估計計算兩個時間序列的功率譜，得到功率譜密度后，可以算得兩個信號不同頻率點(diǎn)的相容系數(shù)ρ.

圖7 經(jīng)背景補(bǔ)償后92 m 高度輻射計輸出信號波形對比圖Fig.7 Comparison of output signal waveforms after background compensation at height of 92 m

根據(jù)圖8～圖10 可以發(fā)現(xiàn)，半實(shí)物仿真系統(tǒng)含有更多的高頻噪聲。經(jīng)分析是由該半實(shí)物仿真系統(tǒng)內(nèi)較野外更為復(fù)雜的電磁環(huán)境造成的。半實(shí)物仿真結(jié)果和高塔試驗(yàn)結(jié)果在500 Hz 以上某些頻點(diǎn)不相容，但當(dāng)信號的頻率為500 Hz 以上時，其功率已經(jīng)衰減了30 dB 以上，因此可以忽略頻率在500 Hz 以上的信號，即認(rèn)為如果頻率低于500 Hz 的信號相容即可。上述結(jié)果是在顯著性水平α =0.05 下得到的，因此半實(shí)物仿真試驗(yàn)和高塔試驗(yàn)數(shù)據(jù)(頻率低于500 Hz)是相容的這一結(jié)論的置信度為95%.

4 結(jié)論

圖8 25 m 高度頻域評估Fig.8 Frequency domain evaluates at heigt of 25 m

圖9 92 m 高度頻域評估Fig.9 Frequency domain evaluates at 92 m

圖10 92 m 高度(背景補(bǔ)償)頻域評估Fig.10 Frequency domain evaluates after background compensation at height of 92 m

本文實(shí)現(xiàn)了毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其核心是根據(jù)輻射計的信號特點(diǎn)(噪聲功率信號)提出了“天線后等效”的等效方法，將室內(nèi)毫米波交流輻射計半實(shí)物仿真系統(tǒng)與輻射計野外探測過程的數(shù)學(xué)模型等效處理，并考慮實(shí)際測試情況，分析并建立了近場條件下的等效模型。選取具有代表性的高高度(92 m)和低高度(25 m)兩組高塔試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)和該系統(tǒng)仿真結(jié)果在時域(回波信號幅度和脈寬)以及頻域(最大熵譜估計和不同頻點(diǎn)相容系數(shù))分別進(jìn)行了模型驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明半實(shí)物仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)果與野外高塔試驗(yàn)的結(jié)果是相容的，其中頻域相容的條件是信號頻率低于500 Hz，且相容的置信度為95%. 該半實(shí)物仿真系統(tǒng)為某型末敏彈毫米波交流輻射計量產(chǎn)測試和目標(biāo)識別研究提供了有效手段。

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