基于特性數(shù)據(jù)的雷達目標回波仿真

游 俊 肖開健 肖 秋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

任何雷達，無論是什么型號，無論先進與否，不經(jīng)過有效的戰(zhàn)場環(huán)境下的性能測試和試驗鑒定，就難以滿足作戰(zhàn)需求，就不知道是否可用，是否具備作戰(zhàn)能力。早期的性能鑒定和整機測試均采用外場試驗的方法，利用真實環(huán)境下的目標來給雷達提供測試信號。傳統(tǒng)的外場試驗測試方法不僅需要耗費大量的人力、物力、財力，而且隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜，僅僅依靠外場試驗的測試方法已經(jīng)不能滿足需求。特別是在算法研究、雜波抑制、抗干擾等方面，往往需要有符合特定條件的回波信號對雷達進行測試，如果這些信號全部都通過外場試驗來獲得是不太現(xiàn)實的，因為利用真實目標來產(chǎn)生信號會受到技術(shù)條件、環(huán)境條件以及物質(zhì)條件等因素的限制。同時外場試驗的控制比較復(fù)雜而且可重復(fù)性差，因此試驗測試得到的回波信號具有很大的隨機性，在一些需要回波信號中包含某些特定參數(shù)的情況下，外場試驗往往無法重現(xiàn)。因此，通過仿真的方法來模擬原始回波信號是一個非常重要的研究方向和解決手段[1-3]。

隨著計算機建模與仿真技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展，雷達半實物仿真成為了雷達系統(tǒng)算法研究和性能驗證必不可少的輔助手段。雷達半實物仿真包含目標回波仿真、雜波仿真以及干擾仿真，其最大的優(yōu)點就是經(jīng)濟、靈活、復(fù)用性強。利用數(shù)學(xué)建模的方法和數(shù)字電子設(shè)備來模擬回波信號(包括目標回波信號、雜波信號和干擾信號)可以節(jié)省大量的人力、物力和財力并縮短系統(tǒng)研制周期?；夭〝?shù)學(xué)模型的可控性(即回波信號參數(shù)幾乎可以不受條件限制任意給定)使得模擬的回波信號具有很大的靈活性。利用各種統(tǒng)計模型模擬回波信號，可以在時間上實現(xiàn)任意次重復(fù)試驗同時保持回波信號統(tǒng)計特性的一致性，從而實現(xiàn)信號的復(fù)現(xiàn)。因此，雷達半實物仿真模擬的信號能夠有效地彌補外場環(huán)境真實回波信號所存在的不足，可用于測試和評價處理算法的性能，并分析不同算法的有效性[4-7]。

1 目標回波仿真

雷達通過提取目標回波信號的距離、方向、多普勒速度、幅度等特征信息，完成探測目標的功能；而目標回波仿真則需要模擬具備相應(yīng)特征信息的目標回波信號，才能達到驗證雷達性能的目的。下面介紹一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的半實物雷達目標回波仿真系統(tǒng)。

雷達目標回波仿真系統(tǒng)由屏蔽暗室、轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)、陣列饋電分系統(tǒng)、目標信號模擬分系統(tǒng)和綜合控制分系統(tǒng)組成。其中，屏蔽暗室用于屏蔽外部的電磁信號并吸收內(nèi)部的電磁信號，實現(xiàn)暗室內(nèi)電磁信號傳輸?shù)撵o區(qū)特性，模擬相對干凈的自由空間環(huán)境；轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)用于承載雷達設(shè)備并模擬姿態(tài)運動，完成機載雷達、彈載雷達等運動平臺雷達的姿態(tài)角(包括俯仰角、方位角和橫滾角)運動仿真功能；陣列饋電分系統(tǒng)用于接收雷達發(fā)射信號并輻射目標回波信號，采用球面陣形式，通過對陣列天線輻射信號的幅相控制，實現(xiàn)在指定方向上輻射目標回波信號的模擬，完成目標回波信號的方向(包括方位和俯仰)仿真功能；目標信號模擬分系統(tǒng)用于對雷達發(fā)射信號的調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，通過對接收雷達信號的距離延時調(diào)制、多普勒頻率調(diào)制以及幅度相位調(diào)制，實現(xiàn)目標回波信號的距離、多普勒速度和幅度仿真功能；綜合控制分系統(tǒng)用于仿真參數(shù)設(shè)定，在仿真過程中進行實時參數(shù)解算，控制參與仿真的各分系統(tǒng)按照仿真參數(shù)工作，實現(xiàn)對仿真系統(tǒng)的綜合控制功能。

雷達目標回波仿真的一種簡單做法是假定仿真目標為單散射點目標，目標的雷達散射截面積(即RCS)為常數(shù)，目標按照特定軌跡運動，目標回波仿真示意圖如圖2所示。假設(shè)t時刻，目標相對雷達的距離為R，方位角為Φ，俯仰角為Θ，多普勒速度為Vd，目標RCS為σ。

圖1 雷達目標回波仿真系統(tǒng)

圖2 目標回波仿真示意圖

目標的距離、多普勒速度以及RCS的仿真是通過目標信號模擬分系統(tǒng)實現(xiàn)的。目標回波相對雷達發(fā)射信號的距離延時為

(1)

其中c為電磁波傳播速度。由于雷達天線到球面陣天線之間的距離(等于球面陣半徑r)會引起傳播延時、球面陣天線到目標信號模擬分系統(tǒng)之間存在傳輸延時等因素，導(dǎo)致仿真系統(tǒng)存在固有延時Δτ0，因此目標信號模擬分系統(tǒng)需要調(diào)制Δτ-Δτ0的距離延時，以實現(xiàn)目標距離的仿真。

目標回波的多普勒頻率為

(2)

其中fc為雷達工作頻率。此時，目標信號模擬分系統(tǒng)需要調(diào)制fd的多普勒頻率，以實現(xiàn)目標多普勒速度的仿真。

根據(jù)雷達方程，雷達接收到的目標回波信號的功率為

(3)

其中，Pt為雷達發(fā)射功率；Gt和Gr分別為雷達發(fā)射天線和接收天線的增益；Ft(Φ,Θ)和Fr(Φ,Θ)分別為雷達發(fā)射天線和接收天線在仿真目標方向上的方向圖；λ為雷達工作波長。如果仿真系統(tǒng)的發(fā)射功率為Pst，天線增益為Gst，那么雷達接收到的仿真信號的功率為

(4)

為了保證仿真信號的功率與目標回波信號的功率一致，即Psr=Pr，那么仿真系統(tǒng)的發(fā)射信號功率應(yīng)為

(5)

由于目標信號模擬分系統(tǒng)到球面陣天線之間存在功率放大器件，并考慮傳輸損耗等因素，假設(shè)目標信號模擬分系統(tǒng)到球面陣天線前端的系統(tǒng)增益為GS，因此目標信號模擬分系統(tǒng)的仿真信號輸出功率應(yīng)為Pst-GS，據(jù)此進行幅度調(diào)制實現(xiàn)目標回波信號幅度的仿真。

目標的方位角和俯仰角的仿真是通過陣列饋電分系統(tǒng)實現(xiàn)的。采用陣列輻射方式的目標回波仿真系統(tǒng)，主要利用球面陣上多個天線同時輻射信號，在保證各天線信號相位一致的條件下，通過控制各個天線信號的幅度，使得到達雷達處的合成信號矢量方向為仿真目標方向。這里以三元組為例介紹，假設(shè)三元組三個天線的方位角和俯仰角分別為(Φ1,Θ1)、(Φ2,Θ2)、(Φ3,Θ3)，如圖3所示。

圖3 三元組合成示意圖

如果三元組天線輻射的三個信號到達雷達天線中心處的場強分別為E1、E2、E3，在三個信號相位一致的前提下，根據(jù)矢量合成原理，三個信號的合成信號場強方向為：

(6)

(7)

按照E1+E2+E3=1進行歸一化，有

(8)

(9)

(10)

通過校準使球面陣各天線到達雷達中心天線處的路徑基本一致(即幅度相位變化一致)后，陣列饋電分系統(tǒng)根據(jù)目標的方位角和俯仰角位置，尋找距離最近的三元組天線，按照(8)～(10)式控制三元組各天線幅度，即可實現(xiàn)目標方位角和俯仰角的仿真。

雷達平臺姿態(tài)角的仿真是通過轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)實現(xiàn)的。根據(jù)每個時刻雷達平臺姿態(tài)角信息，轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)運動到對應(yīng)的方位角、俯仰角和橫滾角位置，固定轉(zhuǎn)臺上的雷達設(shè)備做相應(yīng)的姿態(tài)運動。

2 特性數(shù)據(jù)的仿真解算

特性數(shù)據(jù)指的是雷達特性數(shù)據(jù)和目標特性數(shù)據(jù)。雷達特性數(shù)據(jù)包括雷達平臺運動特性數(shù)據(jù)和雷達電磁特性參數(shù)。其中，雷達平臺運動特性數(shù)據(jù)包含平臺位置、速度和姿態(tài)角的時間序列；雷達電磁特性參數(shù)包含發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、發(fā)射天線方向圖等參數(shù)。目標特性數(shù)據(jù)包括目標運動特性數(shù)據(jù)和目標電磁散射特性數(shù)據(jù)。其中，目標運動特性數(shù)據(jù)包含目標的位置、速度和姿態(tài)角的時間序列；目標電磁散射特性數(shù)據(jù)包含目標在不同入射姿態(tài)角的RCS。

基于特性數(shù)據(jù)的雷達目標回波仿真是在仿真過程中，由綜合控制分系統(tǒng)根據(jù)特性數(shù)據(jù)解算在每個仿真時刻目標的距離、方向、多普勒速度、信號幅度等特征信息，控制其它各分系統(tǒng)實現(xiàn)目標回波信號仿真。其中，雷達運動平臺的姿態(tài)角數(shù)據(jù)不需要進行解算，可以直接下發(fā)給轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)，這里不做贅述。

以大地直角坐標系(如圖4所示)為例，假設(shè)在t時刻的雷達平臺的位置(XR,YR,ZR)，速度(VRX,VRY,VRZ)，目標平臺的位置(XT,YT,ZT)，速度(VTX,VTY,VTZ)，姿態(tài)角(φT,θT,αT)。

圖4 仿真坐標系示意圖

1)距離信息解算：

目標相對雷達位置為ΔX=XT-XR，ΔY=YT-YR，ΔZ=ZT-ZR，目標距離為

(11)

2)方向信息解算：

目標相對雷達方位角為

(12)

目標相對雷達俯仰角為

(13)

3)多普勒速度信息解算：

目標相對雷達速度ΔVX=VTX-VRX，ΔVY=VTY-VRY，ΔVZ=VTZ-VRZ，目標多普勒速度為

(14)

4)信號幅度解算：

圖5 姿態(tài)角引起的目標坐標系變換示意圖

首先，根據(jù)目標姿態(tài)角(φT,θT,αT)以及雷達相對目標的方向(-Φ,-Θ)，解算雷達波照射目標的姿態(tài)角(φI,θI)。姿態(tài)角引起的目標坐標系變換如圖5所示，將仿真直角坐標系轉(zhuǎn)換到目標直角坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣為

(15)

在仿真坐標系下，雷達相對目標的方向坐標為P0=[-cosΘcosΦ,-sinΘ,-cosΘsinΦ]。在目標直角坐標系下，雷達相對目標的方向坐標為PT=P0·HT。

利用下式關(guān)系

[cosθIcosφI,sinθI,cosθIsinφI]=PT

(16)

解算入射姿態(tài)角(θI,φI)，得到

θI=arcsin[sinθTcosαTcos(φT-Φ)cosΘ+sinαTsin(φT-Φ)cosΘ-cosθTcosαTsinΘ]

按照目標電磁散射特性數(shù)據(jù)，查找在當前入射姿態(tài)角條件下的目標RCS，記為Σ(φI,θI)。

根據(jù)雷達電磁特性參數(shù)(發(fā)射功率Pt、發(fā)射天線增益Gt、發(fā)射天線方向圖Ft(·))，以及仿真系統(tǒng)輻射天線增益Gst、球面陣半徑r，按照式(5)解算仿真回波信號功率，

(17)

以上就是在基于特性數(shù)據(jù)的雷達目標回波仿真中，目標的距離、方向、多普勒速度和信號幅度特征信息的解算過程。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的半實物雷達目標回波仿真系統(tǒng)，對其組成和仿真工作原理進行了簡要描述，在此基礎(chǔ)上介紹了基于特性數(shù)據(jù)的雷達目標回波仿真，并闡述了目標的距離、方向、多普勒速度和信號幅度特征信息的解算過程。

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