邊境反擊作戰(zhàn)中電磁影響下的雷達(dá)輻射可視化研究*

郭忠偉　賴　彬　徐文濤　周兆才

(1.陸軍軍官學(xué)院二系　合肥　230031)(2.陸軍軍官學(xué)院一系　合肥　230031)

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邊境反擊作戰(zhàn)中電磁影響下的雷達(dá)輻射可視化研究*

郭忠偉1賴彬1徐文濤2周兆才1

(1.陸軍軍官學(xué)院二系合肥230031)(2.陸軍軍官學(xué)院一系合肥230031)

針對邊境反擊作戰(zhàn)中復(fù)雜電磁環(huán)境對雷達(dá)的影響，給出了實現(xiàn)電磁影響下雷達(dá)輻射可視化的方法。首先明確了電磁干擾影響下雷達(dá)輻射的可視化的流程，然后對電磁干擾影響下的探測范圍進(jìn)行了建模并用Matlab進(jìn)行了仿真，最后運用STK和OpenGL對電磁干擾影響下的雷達(dá)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化設(shè)計與實現(xiàn)。

邊境反擊作戰(zhàn);雷達(dá)輻射;可視化;數(shù)據(jù)采樣;面繪制

Class NumberTN911.73

1　引言

未來邊境反擊作戰(zhàn)中電磁環(huán)境異常復(fù)雜，電子設(shè)備不僅要受到對方的干擾，還要受到己方的自擾，雷達(dá)作為戰(zhàn)場上重要的電子裝備深受其影響，若能對雷達(dá)在戰(zhàn)場電磁干擾影響下的雷達(dá)波束進(jìn)行感知、分析和處理，并以三維等形式對其探測范圍進(jìn)行可視化直觀顯現(xiàn)，將不僅有助于指揮員在邊境反擊作戰(zhàn)復(fù)雜的戰(zhàn)場條件下合理運用雷達(dá)和正確地實施指揮，而且有助于指揮人員對戰(zhàn)場電磁情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

2　電磁干擾影響下雷達(dá)輻射可視化流程

根據(jù)Dye提出的數(shù)據(jù)場可視化理論模型，電磁干擾影響下雷達(dá)輻射可視化主要包括三個階段：電磁干擾影響下雷達(dá)探測范圍建模、電磁干擾影響下雷達(dá)電磁數(shù)據(jù)采樣、電磁干擾影響下雷達(dá)電磁數(shù)據(jù)可視化繪制。電磁干擾影響下雷達(dá)探測范圍建模首先依據(jù)雷達(dá)方程計算雷達(dá)在干擾信號影響下在水平面上的二維探測區(qū)域包絡(luò)線，即雷達(dá)在干擾下各個方位角上的最大探測距離點在水平面上的投

影相連，構(gòu)成的封閉多邊形，然后計算由于干擾源造成的在方位角、俯仰角上與雷達(dá)的主瓣方向存在一定的夾角引起探測范圍的變化；電磁干擾影響下雷達(dá)電磁數(shù)據(jù)采樣則是根據(jù)電磁干擾影響下雷達(dá)探測范圍模型，將雷達(dá)三維探測范圍包絡(luò)按照一定的算法進(jìn)行采樣，得到數(shù)據(jù)采樣點，從而計算出空間各個點的電磁數(shù)據(jù)值，即生成三維電磁數(shù)據(jù)場；電磁干擾影響下雷達(dá)電磁數(shù)據(jù)可視化繪制則是將離散分布的雷達(dá)三維電磁數(shù)據(jù)場，按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為可視元素，生成形象、逼真的場景。

3　電磁干擾影響下雷達(dá)探測探測范圍建模

3.1雷達(dá)方程

設(shè)雷達(dá)發(fā)射和接收采用同一天線，則雷達(dá)接收到的回波功率為

(1)

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率；Gt雷達(dá)發(fā)射天線增益；R為雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離；σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積；λ為雷達(dá)波長。

雷達(dá)接收到的回波功率Pr必須超過最小可檢測信號功率Simin，雷達(dá)才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，當(dāng)Pr正好等于Simin時，就可得到雷達(dá)檢測該目標(biāo)的最大探測距離：

(2)

最小可檢測信號功率Simin常常用最小輸出信號噪聲功率比(S/N)omin來表示：

Simin=kTsBnFn(S/N)omin

(3)

式中，k為波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K；Ts以絕對溫度表示的雷達(dá)接收機(jī)噪聲溫度(K)；Bn為接收機(jī)等效噪聲帶寬(Hz)，一般情況下可認(rèn)為Bn≈1/τ，τ為脈沖寬度；Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù)(倍)。

于是可得出：

(4)

3.2電磁干擾影響下水平面上雷達(dá)包絡(luò)線的計算

當(dāng)雷達(dá)未受干擾時，由于水平面上各個方位角的最大探測距離相等，根據(jù)雷達(dá)方程，所以得出二維包絡(luò)線上方位角為θ處的最大探測距離計算公式為

(5)

式中，θ為空間某點和雷達(dá)與目標(biāo)連線的夾角(度)，相當(dāng)于方位角；D0為檢測目標(biāo)信號所需的最小輸出信噪比，即檢測因子，D0=(S/N)omin；L為雷達(dá)各部分損耗的損耗因子L(L>1)；CB為帶寬校正因子，表示接收機(jī)帶寬失配所帶來的信噪比損失，匹配時CB=1，其他時CB>1。

當(dāng)雷達(dá)受干擾時(以遠(yuǎn)距離支援干擾為例)，設(shè)有M部干擾機(jī)干擾天線都指向雷達(dá)，第i(1≤i≤M)部干擾機(jī)和目標(biāo)在地面的投影相對于雷達(dá)的張角為θi(°)，與雷達(dá)距離為Rji，功率為Pji(W)，天線增益為Gji，帶寬為Bji，極化損失為γji(當(dāng)采用圓極化時取0.5)。把雷達(dá)到干擾機(jī)1的連線作為基線，按照逆時針方向，基線與雷達(dá)到干擾機(jī)i的連線的夾角分別為ξi(1≤i≤M)(度)，且ξ1=0，如圖1所示。

圖1　多部干擾機(jī)遠(yuǎn)距離支援干擾示意圖

第i部干擾機(jī)進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)輸入端外的干擾信號功率Prji為

(6)

式中：Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率；γj為干擾信號對雷達(dá)天線的極化損失(當(dāng)采用圓極化時取0.5)；Bj為干擾機(jī)帶寬(Hz)。

由雷達(dá)方程，多部干擾機(jī)遠(yuǎn)距離支援干擾條件下雷達(dá)的最大探測距離為

(7)

將式(6)代入式(7)，得到多部干擾機(jī)遠(yuǎn)距離支援干擾條件下雷達(dá)最大探測距離為

(8)

在求雷達(dá)的二維包絡(luò)線時，θi可以采用方位角θ(以雷達(dá)到干擾機(jī)1的連線為基線)為參量代替。將方位角θ按照一定間隔從0°取到360°分別計算Rmaxj，并連接相應(yīng)的點，形成的曲線就是多部干擾機(jī)遠(yuǎn)距離支援干擾條件下雷達(dá)的二維包絡(luò)線。多部干擾機(jī)遠(yuǎn)距離支援干擾條件下二維包絡(luò)線在方位角θ處的最大探測距離Rj(θ)為

(9)

M=1時(特例情況)，即單部干擾機(jī)遠(yuǎn)距離支援干擾情況時，用Matlab進(jìn)行仿真，方位角θ從0°取到360°，結(jié)果如圖2所示。

圖2　單部干擾機(jī)遠(yuǎn)距離支援干擾時壓制區(qū)仿真圖

3.3電磁干擾影響下垂直面上雷達(dá)探測距離的計算

當(dāng)雷達(dá)未受到干擾時，雷達(dá)在方位角θ和俯仰角φ處的最大探測距離，等于該方位角θ處的最大探測距離與天線垂直面方向性函數(shù)fy(φ)的平方根的乘積：

式中，fy(φ)為雷達(dá)天線垂直面方向性函數(shù)；R(θ)為二維包絡(luò)線在方位角θ處的最大探測距離。

當(dāng)雷達(dá)受到干擾時，在方位角上干擾機(jī)與雷達(dá)的主瓣方向存在一定的夾角，造成進(jìn)入雷達(dá)的能量變化而引起探測距離的變化，同時在俯仰角上干擾機(jī)與雷達(dá)天線的主瓣方向不同的夾角也會引起雷達(dá)探測距離的變化。為能夠真實反映干擾在垂直面上的影響，需對天線垂直面方向性函數(shù)進(jìn)行修正：

(10)

式中，δ0.5為雷達(dá)的垂直波瓣寬度；δ為干擾機(jī)與雷達(dá)在垂直面上的夾角；φz為波束指向角。K常數(shù)，對于余割平方方向性函數(shù)仿真情況取0.04～0.06，對于辛格方向性函數(shù)和高斯方向性函數(shù)，取0.07～0.10。

在雷達(dá)受到干擾情況下，經(jīng)過對天線垂直面方向性函數(shù)的修正，雷達(dá)在方位角θ和俯仰角φ處的最大探測距離：

(11)

4　電磁干擾影響下雷達(dá)輻射數(shù)據(jù)采樣

電磁波可視化要求數(shù)據(jù)必須是離散化的，所以要將電磁干擾影響下雷達(dá)電磁輻射包絡(luò)按照一定的算法進(jìn)行采樣，得到數(shù)據(jù)采樣點。

以求點Aφn(θm)的坐標(biāo)為例，數(shù)據(jù)采樣算法步驟為：

步驟1：根據(jù)方位角θm、干擾源數(shù)量、干擾方式計算最大探測距離Rj(θm)；

步驟3：受氣象因素的影響對雷達(dá)站至采樣點Aφn(θm)的距離進(jìn)行修正：

exp(-0.115δj(φn)Raj(φn))

其中δj為在最大探測距離處大氣影響因素的衰減系數(shù)之和，Raj為電波傳播途徑上大氣衰減存在的距離；

步驟4：求采樣點Aφn(θm)的大地坐標(biāo)：

M_CoordTransform.RD_RAzElToBLH(Rjφn(θm),θm,φn,BA,LA,HA)(BA,LA,AA)為A點的雷達(dá)地理坐標(biāo)；

步驟5：求采樣點Aφn(θm)的地心直角坐標(biāo)

M_CoordTransform.BLHToXYZ (BA,LA,HA,XA,YA,ZA)。

按照一定角度間隔，將φn從0°取到90°，θm從0°取到360°，按照上述五步計算，得到每個采樣點的地心直角坐標(biāo)，從而建立采樣點集合AN×M。

5　電磁干擾影響下雷達(dá)探測電磁波可視化實現(xiàn)

圖3　電磁干擾影響條件下雷達(dá)探測范圍基本曲面繪制示意圖

電磁干擾影響下雷達(dá)探測電磁波的可視化實現(xiàn)需要將采樣點數(shù)據(jù)集AN×M與OpenGL圖元建模的方法結(jié)合起來。OpenGL繪制復(fù)雜曲面時，是按照一定次序繪制由復(fù)雜曲面分解出的一系列基本曲面的方法進(jìn)行的。由于雷達(dá)三維探測范圍包絡(luò)曲面非常復(fù)雜，因此要將其分解為一系列基本曲面，而后再進(jìn)行面繪制。如圖3所示，陰影部分是由集合AN×M中的三個相鄰的點Aφi(θm)、Aφi(θn)、Aφj(θn)圍成的基本曲面。以這個基本曲面的繪制為例，研究電磁干擾影響下雷達(dá)探測電磁波的可視化方法。

利用OpenGL的glBegin(GL_TRIANGLES)函數(shù)，結(jié)合三個頂點坐標(biāo)，就可以繪制基本曲面，偽代碼如下：

glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK,GL_LINE);//線繪制模式

glBegin(GL_TRIANGLES));//繪制基本曲面

glVertex3d(Xφi(θm),Yφi(θm),Zφi(θm));

glVertex3d(Xφi(θn),Yφi(θn),Zφi(θn));

glVertex3d(Xφj(θn),Yφj(θn),Zφj(θn));

glEnd();//結(jié)束繪制

電磁干擾影響條件下雷達(dá)三維探測范圍包絡(luò)就是由許多個這樣的基本曲面組成的。從集合AN×M中取俯仰角φn及其相鄰的φn+1進(jìn)行采樣的兩組采樣數(shù)據(jù)點，分別為

Aφn={Aφn(θm)|φn}(1≤m≤M,1≤n≤N-1)

Aφn+1={Aφn+1(θm)|φn+1}(1≤m≤M,1≤n≤N-1)

將這兩組點集按照圖3的繪制方法，方位角遍歷方位角集θM，就可以繪制俯仰角φn、φn+1之間的曲面。然后，改變φn的取值，遍歷俯仰角集φN，按照前述繪制方法，即可繪制出整個曲面，從而實現(xiàn)電磁干擾影響下雷達(dá)輻射的三維可視化。

設(shè)計的雷達(dá)輻射可視化系統(tǒng)綜合運用了STK和OpenGL。該系統(tǒng)主要包括基于STK/Terrain的地理信息系統(tǒng)、雷達(dá)電磁波展現(xiàn)子系統(tǒng)、采樣數(shù)據(jù)庫、想定數(shù)據(jù)庫以及系統(tǒng)展現(xiàn)過濾與控制模塊等構(gòu)成。圖4所示為某雷達(dá)在電磁干擾影響下電磁波可視化效果圖。由圖可以看出，在雷達(dá)受到電磁干擾的方向上，雷達(dá)探測區(qū)域被“撕開”一個缺口，受到干擾后，雷達(dá)的探測性能明顯降低。

圖4　電磁干擾影響下的雷達(dá)電磁波效果圖

6　結(jié)語

針對邊境反擊作戰(zhàn)中電磁環(huán)境對雷達(dá)的影響，給出了電磁干擾影響下雷達(dá)輻射建模和基于面繪制的可視化方法，并進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)。該技術(shù)可作為支撐技術(shù)嵌入雷達(dá)指揮系統(tǒng)，對雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的探測范圍進(jìn)行可視化顯現(xiàn)，為雷達(dá)的運用提供支持。

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Visualization Research of Radar Radiation under the Influence of Electromagnetic in Border Counterattack

GUO Zhongwei1LAI bin1XU Wentao2ZHOU Zhaocai1

(1.2nd Department,Officer Academy of PLA,Hefei230031)(2.1st Department,Officer Academy of PLA,Hefei230031)

Aiming at the influence of the complex electromagnetic environment to radar,a method of visualization for radar radiation under the influence of electronic jamming is presented.Firstly,the flow of visualization is presented for radar radiation.Secondly,the radar detection range under the influence of electromagnetic jamming is modeled and the model is simulated with Matlab.Finally,the 3-D visualization scene of radar radiation under the influence of electromagnetic jamming is gotten by surface rendering the radiation data with STK and OpenGL.

border counter attack,radar radiation,visualization,data acquisition,surface rendering

2016年3月14日,

2016年4月29日

郭忠偉，男，博士，副教授，研究方向：有作戰(zhàn)指揮學(xué)、智能信息處理。賴彬，男，碩士研究生，研究方向：作戰(zhàn)指揮學(xué)。徐文濤，男，碩士，講師，研究方向：作戰(zhàn)指揮學(xué)、軍事地形學(xué)。周兆才，男，碩士研究生，研究方向：作戰(zhàn)指揮學(xué)。

TN911.73DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.033