基于DRFM的高分辨雷達擴展目標回波仿真技術(shù)

那洪祥

（91913部隊，遼寧大連116041）

基于DRFM的高分辨雷達擴展目標回波仿真技術(shù)

那洪祥

（91913部隊，遼寧大連116041）

介紹了一種基于DRFM的高分辨雷達擴展目標回波信號仿真方法，該方法將艦船等復雜目標視為擴展目標，其雷達回波信號可以看作擴展目標各散射中心產(chǎn)生的回波信號的疊加。應用該技術(shù)產(chǎn)生的模擬目標回波信號和假目標干擾信號，由于攜帶雷達發(fā)射信號和照射目標特征信息，能順利進入末制導雷達接收機，仿真效果優(yōu)于一般常規(guī)仿真技術(shù)。

DRFM；高分辨雷達；擴展目標；回波仿真

現(xiàn)代高分辨雷達目標探測和識別能力強，對雷達回波信號仿真也提出了更高的要求。由于許多目標的尺寸遠大于雷達的分辨率，必須將探測目標視為擴展目標[1]。擴展目標模型的建立比點目標要復雜的多，一般點目標只涉及到自身的雷達散射截面積（RCS）特性[2]，這一特性只是發(fā)射波長、發(fā)射波的極化方式和目標的姿態(tài)角的函數(shù)；而擴展目標要被分成多個強散射點，所以須對該類目標的空間特性進行描述。這樣就不能以簡單的函數(shù)方式來描述整個目標的散射特性，而應以散射中心的分布特性來描述。

本文基于DRFM[3-4]技術(shù)和FPGA[5]特點，提出了一種高分辨雷達目標回波和假目標欺騙干擾信號仿真方法。該方法首先對脈沖雷達發(fā)射信號進行下變頻和采樣存儲；然后，對所存儲的采樣信號進行卷積運算處理，產(chǎn)生攜帶距離信息、速度信息等調(diào)整特征信息的模擬回波和假目標干擾信號。由于模擬回波和假目標干擾信號攜帶有雷達發(fā)射信號和照射目標特征信息，能順利進入高分辨雷達接收機，其仿真效果明顯優(yōu)于常規(guī)仿真方法[6]。

1 基于DRFM的高分辨雷達擴展目標模型

根據(jù)局部性原理，處于高頻區(qū)的目標的散射特性并不是目標全部表面所貢獻的，而可看作是該目標的某些局部位置（強散射點）的散射特性的疊加。由于擴展目標的尺寸大于雷達的分辨率，所以擴展目標的散射特性可以近似為該物體上多個散射中心的散射場的疊加。高分辨雷達擴展目標散射特性可以寫為：

式（1）中：σ為目標總的散射截面積；σi為各個散射中心的RCS；λ為雷達發(fā)射信號波長；ri為第i個散射中心到雷達的距離；?i為第i個散射中心初始相位。

式（2）中：0≤t≤lmax/c；M為擴展目標散射中心的個數(shù)；ai(θ)是第i個散射中心的強度；τi(θ)是第i個散射中心的時延；θ是擴展目標的姿態(tài)角；c是信號的傳播速度；lmax是目標的最大尺寸。

由于高頻區(qū)不同散射中心的強度與發(fā)射信號頻率之間存在不同的關系，所以式（2）考慮的不夠全面。將這一問題考慮其中可得式（2）的推廣：

式（3）中：0≤t≤lmax/c；增加的?i為常數(shù)，它表示各個散射中心的類型。

由瞬態(tài)電磁散射理論可得，任意物體的沖激響應由2部分組成：一部分是物體的不連續(xù)邊界處的早期響應，即沖激分量；另一部分是物體的感應電流在自然頻率點附近處的晚期相應，即輻射分量[9-12]。物體的早期響應與發(fā)射信號的調(diào)頻特性有關，是發(fā)射信號與物體相互作用的體現(xiàn)，表現(xiàn)為一系列不同散射中心的波峰。晚期響應是早期響應結(jié)束之后開始的，表現(xiàn)為與發(fā)射信號無關的諧振頻率。根據(jù)這一理論分析，目標響應模型可以表示為：

式（4）中：N是自然諧振頻率數(shù)；bj(θ)是第j個諧振分量的幅度；Sj是目標的復自然諧振頻率；τj(θ)是自然諧振模延時；u(t)為單位階躍函數(shù)。

式（4）中的第1項是目標鏡面反射，其范圍是[0,lmax/c]，第2項是目標自然諧振分量，可以在t≥lmax/c范圍內(nèi)測得。如果再考慮到信號在各個散射中心之間的傳播效應，可以得到改進的模型：

式（5）中：Akl(θ)是發(fā)射信號在散射中心之間的多路傳播產(chǎn)生的散射分量；Bkl(θ)是各散射中心單獨傳播的散射。

式（5）完整地表達了寬帶雷達照射下目標的散射特性，可將其看作一般的擴展目標模型。

假設雷達發(fā)射信號為s(t)，則雷達發(fā)射信號照射到目標時的回波響應可以表示為：

從式（6）可以看出，擴展目標的回波信號的模型可以看成是雷達發(fā)射信號s(t)經(jīng)過一個系統(tǒng)后的輸出，該系統(tǒng)的h(t,θ)取決于目標本身的電磁散射特性，它不僅與目標自身的結(jié)構(gòu)特性有關系，還與雷達發(fā)射信號的頻率、信號特征以及目標的姿態(tài)角有關。

假設末制導雷達發(fā)射的信號s(t)為點頻單脈沖信號，則s(t)可表示為：

式（7）中：TS為點頻單脈沖信號的周期；τ為矩形波的脈沖寬度；f0為載波的中心頻率。

對于任何一個擴展目標，它的多個散射中心當中必有一個較強的散射中心，而這個較強的散射中心的回波可以近似的看成雷達發(fā)射信號的延時。在對擴展目標進行建模時，回波信號的主要特征是它的能量信息，而大多數(shù)目標的能量響應主要集中在各個局部響應分量之中。因此，在進行建模時忽略式（5）中的后2項[13-14]。則擴展目標回波信號可表示為：

擴展目標回波r(t,θ)是一系列沖激函數(shù)的疊加，這些沖激函數(shù)具有不同的時間延遲、相位和幅度，它的作用就是對雷達發(fā)射信號做準確的延遲，并對回波信號的幅度和相位進行響應的調(diào)制。

2 擴展目標回波信號仿真

由于反艦導彈末制導雷達的探測對象是艦船等復雜目標，幾何尺寸大，結(jié)構(gòu)復雜。假設目標艦船的長度為150m，所以各散射點之間的時間差最大不超過1μs。圖1給出了高分辨雷達目標回波仿真原理框圖。相參雷達發(fā)射信號經(jīng)下變頻和DRFM存儲之后，在FPGA器件中與目標特性數(shù)據(jù)和調(diào)制特性進行卷積運算，運算結(jié)果經(jīng)過D/A恢復和上變頻操作就可以完成對模擬目標回波信號的產(chǎn)生。

雷達回波的目標信息包括目標的RCS、強散射點分布、姿態(tài)角、運動速度等，通過對艦船目標的特征數(shù)據(jù)分析可以得到它的沖擊響應序列[15]h(t,θ)。

上面討論的h(t,θ)是簡化的模型。實際工作中，測量艦船目標某個固定角度的回波信息時，末制導雷達和艦船目標之間的姿態(tài)角不發(fā)生變化，即認為ai(θ)、τi(θ)均為與θ無關的常數(shù)。假設艦船目標上各個散射中心是統(tǒng)一類型，即不考慮散射中心類型差別的影響（不考慮?i）。此時，目標回波可以簡化為[16]：

回波模型即艦船目標的各個散射中心對雷達發(fā)射信號的延時、幅度調(diào)制和相位調(diào)制的疊加。

下面對艦船目標的雷達照射回波信號的波形和頻譜進行仿真分析。

設單脈沖信號的周期TS=1000 μs，脈沖寬度τ=0.5μs，基波頻率f0=200MHz，采樣頻率fc=600MHz。圖2是發(fā)射單脈沖信號的波形，圖3是單脈沖信號的頻譜。

假設艦船目標有N個散射中心，則雷達發(fā)射信號的回波由N個散射中心的延時和幅度調(diào)制特性疊加而成。當M=1時，將艦船目標看作一個點目標；當M=2時，將艦船目標看作2個強散射點組合的擴展目標，若2個散射中心距離15m（對應延時τ2=0.1μs），對應雷達回波信號的波形和頻譜的仿真結(jié)果如圖4所示；當M=3時，回波信號由3個散射中心的回波疊加而成，假設第2、第3個散射中心的延時為τ2=0.1μs、τ3=0.3μs，回波信號的波形和頻譜的仿真結(jié)果如圖5所示。

同理，可得M=4、M=5等多個散射中心疊加的回波信號的時域和頻域特征。在時域方面，隨著疊加散射中心回波數(shù)目的增多和相對延時的增大，艦船目標回波的波形被明顯展寬了，展寬寬度等于幾個疊加延時信號中的最大延時量，回波信號的幅度也隨著疊加次數(shù)的增多而改變，具體的幅度由疊加信號的幅度決定。在頻域方面，回波信號r(t)的頻譜整體變窄了。

3 結(jié)論

擴展目標回波信號和假目標干擾信號仿真中，將艦船目標的散射特性簡化為多個散射中心回波信號的疊加。通過建模仿真分析可以看出，疊加延時信號后，回波信號的波形被展寬，整體頻譜變窄，但是回波信號的離散譜被展寬。這一點與外場實測數(shù)據(jù)中末制導雷達發(fā)射信號照射到艦船目標的回波信號的時域特性相符，充分驗證了該技術(shù)對高分辨雷達擴展目標回波信號和假目標干擾信號仿真的有效性。

[1]于冰.相參雷達目標模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學，2010.YU BING.The design and implementation for simulation system of coherent radar target[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.（in Chinese）

[2]黎海濤，徐繼麟.超寬帶線性調(diào)頻雷達目標回波模型[J].電波科學學報，1999，14（4）：440-444.LI HAITAO.XU JILIN.Modeling of ultra-wide band linear frequency modulated radar[J].Chinese Journal of Radio Science，1999，14（4）：440-444.（in Chinese）

[3]張玉芳.基于DRFM的雷達干擾技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學，2005.ZHANG YUFANG.Research on radar jamming based on DRFM[D].Xi’an：Xidian University，2005.（in Chinese）

[4]牛剛，陳國順，曹文斌.短波通信裝備抗干擾性能測試平臺研究[J].電子技術(shù)應用，2013，39（3）：84-87.NIU GANG，CHEN GUOSHUN，CAO WENBI.The test platform of HF communication equipment anti-jamming capabilities[J].Application of ElectronicTechnique，2013，39（3）：84-87.（in Chinese）

[5]褚振勇，翁木云.FPGA設計及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002：3-10.CHU ZHENYONG，WENG MUYUN.FPGA design and application[M].Xi’an：Xidian University Press，2002：3-10.（in Chinese）

[6]LORA G WEISS.Wavelet and wideband correlation processing[J].IEEE signal Processing Magazine，1994（1）：13-32.

[7]楊陳.末制導雷達及其干擾技術(shù)的研究[D].成都：電子科技大學，2007.YANG CHEN.Research on terminal guidance radar and jamming technology[D].Chendu：University of Electronic Science and technology of China，2007.（in Chinese）

[8]梁志恒，潘海明.毫米波導引頭目標回波和雜波模擬方法研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（12）：2723-2726.LIANG ZHIHENG，PANG HAIMING.Method of target and clutter signal signal simulation for MMW seeker[J].Journal of System Simulation，2007，19（12）：2723-2726.（in Chinese）

[9]潘金波.相參雷達目標雜波與欺騙干擾模擬系統(tǒng)的研究與實驗[D].南京：南京航空航天大學，2010.PAN JINBO.Research and experiment for simulation system of coherent radar target，clutter and deceptive jamming[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.（in Chinese）

[10]徐曉陽.相參雷達射頻仿真技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學，2005.XU XIAOYANG.Research on radio frequency simulation of coherent radar[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2005.（in Chinese）

[11]宋兵兵，潘明海，梁志恒，等.高精度干涉測高雷達回波快速實現(xiàn)方法[J].哈爾濱工程大學學報，2015，33（11）：1494-1498.SONG BINGBING，PAN MINGHAI，LIANG ZHIHENG，et al.Fast implementation method of high-precision interferometric radar echo simulation[J].Journal of Harbin Engineering University，2015，33（11）：1494-1498.（in Chinese）

[12]王磊，于超鵬，劉平.機載相控陣天氣雷達回波仿真與分析[J].系統(tǒng)仿真學報，2016，28（8）：1869-1877.WANG LEI，YU CHAOPENG，LIU PING.Simulation and analysis of airborne phase array weather radar reflectivity[J].Journal of System Simulation，2016，28（8）：1869-1877.（in Chinese）

[13]肖漢波，張長青.基于寬帶DRFM的雷達面目標回波模擬技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2015，55（12）：1378-1383.XIAO HANBO，ZHANG CHANGQING.Radar surface target echo simulation technology based on wideband DRFM[J].Telecommunication Engineering，2015，55（12）：1378-1383.（in Chinese）

[14]李尚生，張軍，陳佳林.基于DRFM的通用無線電高度模擬裝置的設計[J].海軍航空工程學院學報，2013，28（2）：107-110.LI SHANGSHENG，ZHANG JUN，CHEN JIALIN.Design of universal radio altitude simulator based on DRFM[J].Journal of Naval Aeronautical Engineering Institute，2013，28（2）：107-110.（in Chinese）

[15]李尚生，付哲泉，莫祿.高分辨雷達目標回波信號產(chǎn)生技術(shù)研究[J].宇航計測技術(shù)，2015，35（3）：5-9.LI SHANGSHENG，F(xiàn)U ZHEQUAN，MO LU.Research on the technology of generating the echo signal for highresolution radar[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2015，35（3）：5-9.（in Chinese）

[16]李尚生，張軍，陳佳林.DRFM在高度信號模擬中的應用及關鍵技術(shù)研究[J].宇航計測技術(shù)，2013，33（5）：9-11.LI SHANGSHENG，ZHANG JUN，CHEN JIALIN.Research on the key technologies for applications of DRFM in simulating altitude signal[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2013，33（5）：9-11.（in Chinese）

Extended Target Echo Simulation of High-Resolution Radar Based on DRFM

NA Hongxiang
（The 91913rdUnit of PLA,Dalian Liaoning 116001,China）

In this paper,article proposed a simulation method of high-resolution radar extended target echo signal simula?tion was proposed based on DRFM.If ships and warships were regarded as extended targets,the radar echo signal would be the superposition of each scattered center echo signal.Analog target echo signal and false target jamming signal generat?ed by this method carried the radar emission signal and irradiation target characteristic information effectively,and could pass the threshold voltage of terminal guidance radar.Therefore the method was better than general conventional simula?tion techniques.

DRFM;high-resolution radar;extended target;echo simulation

TN958

A

1673-1522（2017）04-0347-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.04.002

2017-06-12；

2017-07-12

那洪祥（1978-），男，工程師，大學。