無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)的建模與仿真*

張耀中，張建東，史國慶

（西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安　710129）

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無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)的建模與仿真*

張耀中，張建東，史國慶

（西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710129）

摘要：針對海面靜止和移動目標(biāo)的探測、感知、識別、成像等問題，建立了由數(shù)據(jù)/控制接口、人機(jī)界面及多個算法模塊組成的無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化方法對目標(biāo)運(yùn)動特性、環(huán)境特性和警戒雷達(dá)的功能特性進(jìn)行建模與仿真，主要用于模擬現(xiàn)實(shí)裝備中此類載荷的基本功能，從數(shù)字化仿真層面實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)警戒雷達(dá)載荷功能的再現(xiàn)與性能測試，并能完成與指揮控制臺之間的信息交互，同時(shí)系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性，可以作為整個作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的一部分，嵌入到更復(fù)雜的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：警戒雷達(dá)，無人機(jī)，建模與仿真，RCS

0　引言

無人機(jī)對海預(yù)警雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)對海面靜止和移動目標(biāo)的探測、感知、識別、成像等功能，并能完成與指揮控制臺之間的信息交互，即接收指揮控制臺發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和控制命令，將目標(biāo)信息、戰(zhàn)場態(tài)勢信息等上傳給指揮控制臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。另外，無人機(jī)警戒雷達(dá)模擬器將系統(tǒng)中的動態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)仿真人員對仿真系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控，并對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隨著無人機(jī)預(yù)警雷達(dá)在戰(zhàn)爭中的廣泛應(yīng)用，預(yù)警雷達(dá)仿真系統(tǒng)的建模與仿真實(shí)現(xiàn)成為作戰(zhàn)仿真中的重要組成部分。下頁圖1所示為無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)與指揮控制臺之間的交聯(lián)框圖。

本文建立了不同工作模式下的對海警戒雷達(dá)模擬器的功能仿真模型，主要用于模擬實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)裝備中此類載荷的基本功能，即進(jìn)行功能仿真，從數(shù)字化仿真層面實(shí)現(xiàn)無人機(jī)警戒雷達(dá)載荷功能再現(xiàn)、性能測試，同時(shí)也可以作為整個海空一體化作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的一部分。

圖1無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真器與系統(tǒng)的交聯(lián)框圖

1　仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海空一體戰(zhàn)中無人機(jī)警戒雷達(dá)系統(tǒng)的主要功能是：①具有對各型各類的海面艦船目標(biāo)偵察監(jiān)視能力，并將偵察結(jié)果上報(bào)給指揮控制中心；②具備接收指揮控制中心的遙控指令，執(zhí)行對海面目標(biāo)的探測、感知；③具備對指定目標(biāo)的成像能力；④在復(fù)雜海雜波條件下，具備對海面運(yùn)動目標(biāo)的檢測能力。系統(tǒng)的工作模式主要有海面廣域搜索監(jiān)視、海面運(yùn)動目標(biāo)檢測、一維高分辨距離成像和正側(cè)視合成孔徑成像。

無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)/控制接口、人機(jī)界面和多個算法模塊組成。算法模塊主要包含環(huán)境特性模塊、目標(biāo)特性模塊和雷達(dá)功能模塊等。圖2所示為仿真系統(tǒng)的頂層邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖2仿真系統(tǒng)的頂層邏輯結(jié)構(gòu)圖

無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)的各個模塊之間并不是相互孤立的，模塊和模塊之間存在著信息上的交互，例如目標(biāo)模擬模塊向雷達(dá)功能模塊提供目標(biāo)距離和目標(biāo)的RCS信息，向運(yùn)動目標(biāo)檢測與顯示模塊提供目標(biāo)的運(yùn)動信息等；雷達(dá)功能模塊向恒虛警模塊提供目標(biāo)能量和目標(biāo)的位置信息、噪聲功率等信息。仿真系統(tǒng)中各個內(nèi)部模塊之間的信息交互如圖3所示。

2　子系統(tǒng)的建模與仿真

2.1目標(biāo)特性模擬模塊

圖3無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)內(nèi)部模塊交互圖

無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)的目標(biāo)特性模擬模塊主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動特性的模擬和目標(biāo)RCS計(jì)算。前者實(shí)時(shí)計(jì)算和輸出目標(biāo)的各個運(yùn)動參數(shù)，后者能夠根據(jù)Swerling（斯威林）起伏模型，產(chǎn)生服從特定分布的目標(biāo)RCS。

目標(biāo)的運(yùn)動特性模型中，假設(shè)目標(biāo)的運(yùn)動形式有勻速直線運(yùn)動和勻速圓周運(yùn)動兩種，在直角坐標(biāo)系中建立相應(yīng)的運(yùn)動模型，然后根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)，即可得到相應(yīng)的距離、俯仰角和方位信息。

目標(biāo)RCS計(jì)算模型中常用的點(diǎn)目標(biāo)起伏模型是Swerling模型，將起伏分為4種類型，分別為指數(shù)分布快、慢起伏類型和χ2分布快、慢起伏類型。指數(shù)分布起伏類型目標(biāo)的RCS服從如下負(fù)指數(shù)分布，其中為目標(biāo)的平均RCS：

χ2分布起伏類型目標(biāo)的RCS服從分布：

根據(jù)目標(biāo)的平均RCS和Swerling類型，可用如下方法產(chǎn)生出目標(biāo)的RCS：判斷目標(biāo)Swerling類型，若為0，則σ=，即目標(biāo)不起伏；若為1或2，則若為3或4，則

u、u1和u2為［0，1］均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

根據(jù)目標(biāo)Swerling類型和平均RCS，選用相應(yīng)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法，就可得到目標(biāo)的RCS。對有起伏的目標(biāo)，生成的RCS均為服從特定分布的數(shù)組，從該數(shù)組中間依次取值，作為RCS輸出。仿真過程中，調(diào)用目標(biāo)運(yùn)動模型時(shí)，根據(jù)目標(biāo)初始位置、速度、Swerling類型等信息，實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)當(dāng)前位置和相應(yīng)RCS。

2.2環(huán)境特性模擬模塊

環(huán)境特性模擬模塊用來生成警戒雷達(dá)工作的環(huán)境，系統(tǒng)中只考慮海雜波和氣象雜波，根據(jù)附近海況、降雨率及警戒雷達(dá)性能參數(shù)，計(jì)算并輸出海雜波區(qū)域矩陣和雨雜波區(qū)域矩陣。

海雜波與海面的幾何形狀、粗糙度、物理特性、海浪運(yùn)動方向和雷達(dá)波束的相對位置等有關(guān)，該模型根據(jù)海況、警戒雷達(dá)參數(shù)輸出海雜波分布區(qū)域及其RCS。

①海雜波區(qū)域：海雜波的距離范圍受雷達(dá)探測距離的限制，主要由其天線的高度決定：

Rh為雷達(dá)探測距離，ha為天線高度，θ為雷達(dá)下視角。雷達(dá)探測范圍決定了海雜波矩陣包含的分辨單元數(shù)，海雜波覆蓋視距范圍內(nèi)的0~2π區(qū)域。

②確定海雜波矩陣維度：若雷達(dá)距離為cτ/2，方位為θb，則雜波區(qū)域覆蓋的分辨單元數(shù)M×N為

floor（）為向下取整函數(shù)。雜波矩陣的每一行代表距離相同而方位不同的分辨單元，每一列代表方位相同而距離不同的分辨單元。

③單位分辨單元內(nèi)的海雜波平均RCS：

其中τ為雷達(dá)發(fā)射信號脈寬，θb為3 dB水平波束寬度，ha為天線高度，KB為蒲福風(fēng)級，f為雷達(dá)工作頻率。

海雜波回波幅度是有起伏的。海雜波回波起伏服從對數(shù)-正態(tài)分布，故其概率密度函數(shù)為

其中μ為lnx的均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)雜波的分布特性，可以生成相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)作為海雜波的RCS。

2.3雷達(dá)性能模塊

雷達(dá)性能模擬模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要包括以下幾個方面：

①雷達(dá)天線仿真功能：主要實(shí)現(xiàn)警戒雷達(dá)收、發(fā)天線的天線圖、天線掃描功能，并計(jì)算俯仰、水平方向天線方向圖，調(diào)制參數(shù)和累積脈沖數(shù)。

②雷達(dá)信號仿真功能：主要實(shí)現(xiàn)警戒雷達(dá)發(fā)射信號、目標(biāo)回波信號、接收機(jī)噪聲、雷達(dá)接收信號、回波信號處理的功能仿真，通過建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號在不同階段的處理功能。

③雷達(dá)系統(tǒng)功能仿真：主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波功率計(jì)算、雷達(dá)探測能力計(jì)算、接收機(jī)噪聲計(jì)算、動目標(biāo)檢測與顯示（MTD/MTI）、目標(biāo)一維高分辨成像（HRRP）、目標(biāo)二維正側(cè)視成像（SAR成像）功能。

④雷達(dá)信號處理功能：一方面，在上述功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真場景設(shè)計(jì)生成目標(biāo)信息，包括目標(biāo)點(diǎn)跡即目標(biāo)的位置、速度、相對于無人機(jī)的角度（方位/俯仰角），目標(biāo)航跡，目標(biāo)成像以及所有目標(biāo)的戰(zhàn)場態(tài)勢信息；另一方面，接收、處理來自指揮控制臺的導(dǎo)航類、目標(biāo)類及相應(yīng)的控制類信息，生成目標(biāo)的航跡、運(yùn)動參數(shù)和正側(cè)視圖像等。

2.3.1天線波束的增益模型

雷達(dá)的天線波束形狀為高斯型，其天線主瓣方向圖為

G（θ）=ηGmax·f（θ）（11）

式中，η為天線效率，通常取0.65，Gmax為天線增益的最大值。

2.3.2天線掃描模型

天線采用扇掃方式，即從-165°~165°間來回掃描，反復(fù)進(jìn)行。這種方式在天線垂直方向上有較寬的覆蓋，而在天線水平方向上的波束角比較窄。

2.3.3雷達(dá)探測模型

由目標(biāo)的RCS以及雷達(dá)性能參數(shù)，可以計(jì)算出接收目標(biāo)信號能量。在不考慮系統(tǒng)損耗、大氣波導(dǎo)傳輸損耗、人為干擾等因素影響的情況下，警戒雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波功率：

式中，λ=c/f為雷達(dá)工作波長，Pt為雷達(dá)發(fā)射脈沖峰值功率，τ為雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度，σt為目標(biāo)RCS，G （θ）為給定方向天線增益，GI為信號處理增益。

雜波能量的計(jì)算與目標(biāo)回波能量類似，計(jì)算經(jīng)過處理后的雜波能量：

式中σc為雜波的RCS。

警戒雷達(dá)的噪聲功率計(jì)算公式為：

Pn=kTsBn（14）

k為波爾斯曼常數(shù)，即1.38×10-23瓦秒/°K，Ts為接收機(jī)噪聲溫度，Bn為接收機(jī)檢波前濾波器噪聲帶寬。

2.3.4脈沖積累數(shù)計(jì)算模型

積累脈沖數(shù)通常由天線波束的掃描速度和波束在搜索平面上的寬度確定。在方位掃描雷達(dá)中，積累脈沖數(shù)采用如下公式計(jì)算：

其中，PRF為雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率（Hz），RPM為雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速（r/min）。

2.3.5恒虛警模型

恒虛警模型中，根據(jù)輸入的目標(biāo)和海雜波信息，輸出雜波圖矩陣，用于目標(biāo)檢測。每一個雜波圖單元都被前幾次掃描落在其邊界內(nèi)（或附近）的雷達(dá)回波（或剩余雜波）不斷更新。為保存記憶，通常使用以下形式的簡單遞歸濾波器來更新：

yi-1為上一時(shí)刻雜波圖幅度，yi為當(dāng)前雜波圖幅度，xi是在當(dāng)前掃描時(shí)的雷達(dá)輸出，常數(shù)α決定遞歸濾波器的存儲量。

2.3.6目標(biāo)檢測模型

目標(biāo)檢測模塊中，根據(jù)目標(biāo)、雜波的能量和位置信息，計(jì)算檢測結(jié)果。由雜波圖矩陣和恒虛警門限系數(shù)生成判決門限，用當(dāng)前的信號總功率（包括目標(biāo)、雜波、噪聲）和門限進(jìn)行比較，大于門限則輸出雷達(dá)視頻，否則不輸出。

根據(jù)輸出xi檢測目標(biāo)的判據(jù)是：

xi≥KTyi-1（17）

其中，門限常數(shù)kT按所需的虛警率選擇。

3　警戒雷達(dá)模擬器的仿真實(shí)現(xiàn)

警戒雷達(dá)模擬器主要有兩種工作方式：遙控方式和本機(jī)方式。在遙控方式下，警戒雷達(dá)模擬器利用以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)與指揮控制臺的信息交互，仿真開始前，接收來自指揮控制臺的仿真參數(shù)設(shè)置。在仿真過程中，將雷達(dá)探測到的目標(biāo)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給指揮控制臺，便于指揮控制臺實(shí)施數(shù)據(jù)分析。在本機(jī)工作方式下，通過仿真操作人員設(shè)置無人機(jī)的初始位置、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、控制命令和航路點(diǎn)信息來完成無人機(jī)運(yùn)動的仿真，設(shè)置目標(biāo)、環(huán)境信息，經(jīng)過警戒雷達(dá)模擬器的仿真運(yùn)算，將目標(biāo)信息、戰(zhàn)場態(tài)勢信息和狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)總線發(fā)送給指揮控制臺，以完成警戒雷達(dá)模擬器與指揮控制臺之間的信息交互。

警戒雷達(dá)模擬器采用基于VC++與MATLAB相結(jié)合的混合編程方式，軟件框架采用VC++的MFC類庫，利用VC++的文檔/視圖框架結(jié)構(gòu)，從而便于整個軟件的管理和維護(hù)。利用MATLAB實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能模擬中的目標(biāo)成像功能，即HRRP成像和SAR成像，將MATLAB的文件編譯成動態(tài)鏈接庫，并與MFC的視圖類結(jié)合進(jìn)行圖形的可視化顯示。仿真實(shí)現(xiàn)后的無人機(jī)對海警戒雷達(dá)模擬器的總體運(yùn)行效果如圖4所示。

圖4無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)主操作界面

4　結(jié)論

無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)以無人機(jī)裝備的對海警戒雷達(dá)載荷為原型，主要實(shí)現(xiàn)了對海面靜止和移動目標(biāo)的探測、感知、識別、成像等功能，并能完成與指揮控制臺之間的信息交互。本文建立了由數(shù)據(jù)/控制接口、人機(jī)界面和多個算法模塊組成的無人機(jī)警戒雷達(dá)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化方法對目標(biāo)運(yùn)動特性、環(huán)境特性和警戒雷達(dá)的功能特性進(jìn)行了仿真，通過測試實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)與指揮控制臺之間的信息交互，并建立了簡單合理的人機(jī)操縱界面。該仿真系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)裝備中的此類載荷的基本功能，從數(shù)字化仿真層面完成了無人機(jī)警戒雷達(dá)載荷功能的再現(xiàn)與性能測試。

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Research on Modeling and Simulation of UAV Warning Radar

ZHANG Yao-zhong，ZHANG Jian-dong，SHI Guo-qing
（Electronic Information College，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

Abstract：For the stationary and moving target detection，awareness，recognition，imaging and other issues in the sea environment，the simulation system of UAV warning radar which is composed of the data/control interface，human-machine interface and other function algorithm modules is designed. In the simulation system modular approach for the target movement characteristics，environmental characteristics and feature functions of the warning radar，which mainly used to simulating the basic functions of the real equipment are adopted. The feature function and performance testing of UAV warning radar from the digital level is realized. Our simulation system can interchange information with the command console via the Ethernet bus. At the same time，the system has good scalability，which can be used as part of the whole combat simulation system.

Key words：warning radar，UCAV，modeling and simulation，RCS

作者簡介：張耀中（1974-），男，河南舞陽人，碩士生導(dǎo)師。研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真。

*基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20138053038）

收稿日期：2015-01-11修回日期：2015-02-26

文章編號：1002-0640（2016）02-0093-04

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A