動態(tài)RCS測量的信號仿真

周 霞，周建江，李海林

(南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京 210016)

雷達散射截面是度量目標在雷達波照射下產(chǎn)生的回波強度的物理量，是雷達探測與識別、隱身與反隱身研究的基礎，是現(xiàn)代軍事對抗技術(shù)的主要內(nèi)容[1]。RCS測量是獲取目標電磁散射特性的一個重要手段，按測量對象可分為動態(tài)測量和靜態(tài)測量兩大類，這兩種方式互為補充，不能相互替代，靜態(tài)RCS測量一般在飛機方案論證和設計階段大量進行，而最終隱身指標的確認則由空中動態(tài)RCS[2]測量來完成。通過動態(tài)測試，不但能夠反映在真實背景環(huán)境下的目標散射特征，而且可以反映出目標的活動部件運動、機身與機翼撓動和振動產(chǎn)生的調(diào)制影響以及發(fā)動機尾噴焰對目標整體RCS的貢獻，而這一點是靜態(tài)RCS測量所無法比擬的。另外，RCS動態(tài)測試突破了微波暗室縮比模型靜態(tài)測試[3]或全尺寸目標靜態(tài)測量[4]的技術(shù)瓶頸，為我國未來武器裝備的發(fā)展提供技術(shù)支持，因此，對動態(tài)RCS測試數(shù)據(jù)的仿真和處理成為當下研究的重要課題。

在真實動態(tài)RCS測量中，測量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有雷達伺服、機載姿態(tài)和雷達回波數(shù)據(jù)。分析、計算這些數(shù)據(jù)可以得到隨時間起伏的RCS值，統(tǒng)計分析動態(tài)RCS數(shù)據(jù)，對目標特性的研究具有重要意義。文中目的就是開發(fā)動態(tài)RCS測量的雷達信號仿真與管理系統(tǒng)，在沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，為RCS動態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供數(shù)據(jù)保障，同時為真實RCS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供了理論依據(jù)，且該系統(tǒng)已成功應用于某研究所。

1 系統(tǒng)仿真功能實現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示，首先利用像素法產(chǎn)生各目標的RCS數(shù)據(jù)，然后基于點目標模型，仿真飛機在擾動下，直行、盤旋運動軌跡下的雷達伺服和載姿態(tài)數(shù)據(jù)，最后仿真雷達回波數(shù)據(jù)。在仿真過程中，系統(tǒng)需要處理若干雷達目標的眾多參數(shù)，其中包括雷達波段、工作頻率、極化方式、采樣時間、飛機俯仰角、飛機橫滾角、飛機真航向、雷達方位角、雷達俯仰角、目標距離和回波功率等。為便于用戶管理，該系統(tǒng)搭建在SQL Server的環(huán)境上，將仿真相關(guān)的所有參數(shù)存放在數(shù)據(jù)庫中，以提高數(shù)據(jù)訪問效率和可靠性。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

1.1 RCS仿真

RCS仿真結(jié)果產(chǎn)生的是各雷達目標在不同工作波段、頻率和極化方式下，每個視向方位角和俯仰角對應的RCS值。該部分仿真結(jié)果由某大學目標特性研究中心，RCS像素法仿真軟件計算得出，且最終導入數(shù)據(jù)庫，供用戶查看、使用。像素法[5]是一種將高頻物理光學法與計算機圖形學相結(jié)合的RCS計算方法，它的基本思想是對目標投影在計算機屏幕上的每個像素計算RCS，最后綜合得到目標雷達反射特性數(shù)值?！跋袼亍币簿褪怯嬎銠C屏幕上，組成圖像的最小單位，而這些像素點，也可以視為雷達射線與目標表面相交的點集。圖2給出了利用像素法仿真軟件仿真F22的RCS隨方位角變化的結(jié)果，由于形體具有對稱性，所以只給出了0°～180°范圍內(nèi)的變化情況，其中雷達工作在Ku波段，頻率12.5 GHz，極化方式HH，俯仰角0°。

圖2 某飛機的RCS仿真結(jié)果

由圖2可以看出，該軟件的仿真結(jié)果具有可靠性，可用來仿真各目標的RCS，保證了后續(xù)動態(tài)RCS仿真正確性。

1.2 航跡路徑仿真

航跡仿真采用點目標模型，在目標航跡的每個時刻點上認為其RCS是一個定值，等于該目標在相同姿態(tài)下的靜態(tài)RCS值?；谠撃Ｐ停鞠到y(tǒng)首先仿真產(chǎn)生了雷達伺服數(shù)據(jù)和機載姿態(tài)數(shù)據(jù)，在視向角合成后，得到隨時間變化的視向角序列，通過檢索數(shù)據(jù)庫中像素法產(chǎn)生的RCS，即可以得到動態(tài)RCS序列。

圖3 雷達坐標系

在該模塊的實現(xiàn)過程中，主要涉及雷達坐標系和飛機坐標系，以及兩個坐標系的轉(zhuǎn)換。在雷達坐標系中，一般取正東方向為X軸，正北方向為Y軸，雷達方位角、俯仰角和目標距離如圖3所示;在飛機坐標系統(tǒng)中，一般取平行于機身軸線且指向前為XV軸，右機翼指向為YV軸，滿足右手法則，視向方位角和視向俯仰角φE如圖4所示。在一次航跡仿真后，系統(tǒng)將生成雷達伺服數(shù)據(jù)，如時間、雷達方位角、雷達俯仰角和目標距離等參數(shù)，以及機載姿態(tài)數(shù)據(jù)，如同一時刻下的目標真航向角φ、目標俯仰角θ和目標橫滾角γ等參數(shù)。

圖4 飛機坐標系

視向角合成，即雷達坐標系轉(zhuǎn)換為飛機坐標系的公式為

其中，當忽略地球曲率半徑的影響時，

在航跡路徑的仿真上，文中設計了3種航跡路線:

(1)徑向直線飛行，對仿真飛機隱身性能測試中的關(guān)鍵指標——最大可探測距離具有重要意義。使用較多的航跡路徑是相對雷達徑向臨近、然后再徑向遠離的等高飛行，且航線中點為雷達頂空，該航跡中最大可探測距離為縱向逼近距離和尾向暴露距離，假設在飛行過程中，目標的真航向、俯仰角和橫滾角保持不變。

(2)橫向直線飛行，且假設目標的真航向、俯仰角和橫滾角保持不變，此航跡路徑中，視向方位角近似為0°～180°全方位變化，視向俯仰角在距離雷達橫向距離最短時達到最大，橫向距離R滿足RCS遠場測量條件R≥2d2/λ，其中，d為飛機的橫向尺寸;λ為測量雷達工作波長。

(3)盤旋飛行，即以測量雷達頂空為盤旋中心，目標到雷達的距離保持不變，在同一高度飛行，如果目標的真航向、俯仰角和橫滾角保持不變，那么視向角度將是不變的，對某一視向角的RCS統(tǒng)計分析提供數(shù)據(jù)保障。

3種航跡路徑的仿真，可以得到方位角一定時，動態(tài)RCS隨俯仰角變化的情況，也可以得到動態(tài)RCS隨方位角的變化情況，同時可以利用滑動窗口法統(tǒng)計分析某一視向角的RCS，對雷達隱身性能評估有著重要意義。

1.3 擾動添加

在實際動態(tài)RCS測量過程中，一般采用相對測量法，即通過對標準體進行標定實驗，然后再測量、計算出復雜目標的RCS。因此，RCS的誤差來源于測量過程引入的誤差和標定過程引入的誤差。在實際飛行測試過程中，由于飛行過程中氣流的抖動、背景噪聲、測量雷達的性能以及飛機性能等多因素的影響，會對測量帶來各種誤差，這些誤差一般根據(jù)實測經(jīng)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出。表1列出了航跡測量過程中主要參數(shù)的擾動，且服從高斯分布。

表1 動態(tài)測量中主要參數(shù)的擾動

表1中各參數(shù)的擾動對動態(tài)RCS的影響，最終可以歸結(jié)為視向方位角、俯仰角產(chǎn)生的影響，其中一種飛行擾動模型[6]為

式中，φA(t+1)、φE(t+1)為t+1時刻視向方位角、俯仰角的擾動量，Δt為采樣間隔，T為目標擾動周期，N(0，1)為在[-1，1]區(qū)間上服從標準高斯分布的隨機數(shù)，σA、σE為視向方位角、俯仰角擾動方差。

設計中取 Δt=5 ms、T=8 s、σA=0.5°、σE=3°，用戶在界面操作上，輸入目標機起始坐標(-10，-40，8)km、終點坐標(-10，40，8)km，飛行速度700 km·h-1，采樣間隔50 ms，則添加視向角度和距離擾動后，一次直線航跡仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 直線航跡仿真

1.4 動態(tài)回波數(shù)據(jù)仿真

動態(tài)回波仿真就是計算每個采樣時刻的回波值，采用收發(fā)天線分置的雷達方程公式，且對于單基站雷達，有

式中，K為雷達常數(shù)，由標準金屬球經(jīng)過標定試驗測量、統(tǒng)計得出，與雷達性能相關(guān)，因此由界面輸入;Lm為雷達系統(tǒng)到目標之間的大氣傳輸損耗，跟測量的天氣、環(huán)境等因素有關(guān)，且損耗隨距離不同而不同，也由用戶界面輸入;σ(φA，φE)為檢索數(shù)據(jù)庫得到的RCS值。

利用圖5仿真的航跡，以及目標F22在雷達工作波段Ku、頻率12.5 GHz和極化方式 HH下的靜態(tài)RCS數(shù)據(jù)，仿真該航跡下的動態(tài)RCS以及回波數(shù)據(jù)。圖6中實線表示該航次下，添加擾動后的動態(tài)RCS值，虛線表示未添加擾動的動態(tài)RCS值。圖7為該航跡下，添加擾動后的回波序列。

如圖6和圖7所示，飛行過程中角度、距離的隨機擾動，對目標RCS值影響很大，在真實測量過程中，如何從擾動中提取正確的RCS是個難題，因此分析仿真數(shù)據(jù)，對動態(tài)RCS的研究具有重要的參考價值。其中，曲線中存在小部分平坦線段，這是由于RCS仿真精度的限制，在檢索數(shù)據(jù)庫時，如果數(shù)據(jù)庫中不存在某視向角下的RCS，則利用相鄰角度的RCS替代，完全符合真實測量中的精度要求。另外，該部分實現(xiàn)的難點就是，每仿真一次航跡，就必須檢索該航次中每個時刻的靜態(tài)RCS值，如果采樣間隔為1 ms，飛行時間為5 min，那么一次飛行中將產(chǎn)生30萬個采樣點，對每一點都檢索一次數(shù)據(jù)庫，將會消耗很多時間，也會造成界面假死狀態(tài)，因此數(shù)據(jù)庫操作的加速和編程中多線程的使用是必須的。

2 數(shù)據(jù)庫、界面設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為便于用戶訪問和操作數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用了3層的C/S結(jié)構(gòu)，即表示層、中間層和數(shù)據(jù)層，如圖8所示。與兩層的C/S結(jié)構(gòu)相比，客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫相連，增加了訪問的安全性。

表示層負責用戶與系統(tǒng)的交互，是在Visual Studio 2008平臺上開發(fā)的窗體程序?？蛻舳说墓δ馨?支持用戶以不同的權(quán)限訪問、添加、修改或刪除數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù);依據(jù)隱身性能研究要求，設計飛行航跡路徑，且直觀地顯示出理想路徑;計算添加擾動后的動態(tài)RCS、回波數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。表示層將用戶操作數(shù)據(jù)庫的請求傳遞給中間層，然后由中間層把結(jié)果返回給用戶，而不直接訪問后臺數(shù)據(jù)庫。

圖8 3層C/S設計結(jié)構(gòu)

中間層是連接客戶端和數(shù)據(jù)庫服務器的橋梁，采用了ADO.NET存儲技術(shù)。中間層執(zhí)行用戶發(fā)來的Transact-SQL語句，數(shù)據(jù)庫服務器處理完成后，將結(jié)果反饋給用戶。中間層其實是把數(shù)據(jù)庫操作中頻繁用到的功能進行封裝，并規(guī)范統(tǒng)一的接口，供其他層調(diào)用，中間層的應用可以提高企業(yè)級應用的性能，增強了系統(tǒng)的可移植性。

數(shù)據(jù)層主要負責動態(tài)測試仿真數(shù)據(jù)的存儲、管理和處理。在數(shù)據(jù)表格的建立中，設計了一個檢索表格，所有表格都是動態(tài)建立的，不僅管理方便，而且可伸縮性強。

2.2 數(shù)據(jù)庫操作

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫除了用來存儲大容量數(shù)據(jù)外，還用來加快數(shù)據(jù)查找和計算的速度。在ADO.NET技術(shù)中，采用 SqlConnection、SqlCommand、SqlDataReader以及SqlDataAdapter類來連接訪問數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行Transact-SQL語句，并讀取結(jié)果，其中SqlDataReader是一種只讀、快速的單向流，適合內(nèi)存緊張時檢索大量數(shù)據(jù)，且訪問數(shù)據(jù)速度快;應用 DataSet、DataTable、DataRow、DataColumn來存儲獨立于數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，因此常用于在內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)源檢索到的數(shù)據(jù)，方便用戶計算和界面顯示;同時，應用 DataRelation和Constraint類保證了數(shù)據(jù)的完整性。

在RCS仿真數(shù)據(jù)入庫的過程中，對大批量的仿真數(shù)據(jù)，沒有采用INSERT語句逐行插入新數(shù)據(jù)，而是用.NET中的SqlBulkCopy類來進行批量更新，它首先從數(shù)據(jù)文件中讀入一塊數(shù)據(jù)存入DataTable或DataReader中，然后通過數(shù)據(jù)流直接對數(shù)據(jù)庫表格裝載，其原理等同于SQL Server的BCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的批量復制。在少量數(shù)據(jù)入庫時，INSERT語句跟SqlBulkCopy類的性能差不多，但對大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)來說，如果頻繁連接數(shù)據(jù)庫、操作數(shù)據(jù)庫表格，則運行效率低且系統(tǒng)性能差，SqlBulkCopy類的使用大大提高了數(shù)據(jù)入庫的速度。

3 結(jié)束語

基于SQL Server數(shù)據(jù)庫的動態(tài)RCS測量的信號仿真系統(tǒng)，使用戶能方便、快速地檢索多個雷達目標在不同雷達波段、工作頻率和極化方式下的RCS仿真數(shù)據(jù)，逼真地仿真了目標在指定條件下的航跡數(shù)據(jù)，且直觀地顯示了視向合成角度隨時間變化的曲線，最后仿真了飛行過程中不可避免的擾動誤差，得出不同航跡下的動態(tài)RCS及回波數(shù)據(jù)，為沒有雷達實測數(shù)據(jù)的RCS統(tǒng)計分析，提供了可靠地仿真數(shù)據(jù)源，對目標隱身與反隱身技術(shù)的研究有著重要的實用價值。

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