機載相控陣雷達仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

摘? 要： 通過對機載相控陣雷達原理、工作流程的研究，對其功能進行分解和融合，轉(zhuǎn)化為目標檢測、多目標濾波跟蹤和任務資源調(diào)度管理等多個數(shù)學模型;著重分析研究了機載相控陣雷達的核心模塊，其相關(guān)功能、原理和實現(xiàn)流程，以及仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提出了機載雷達仿真軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。對提出的方法進行仿真試驗，充分驗證了模型和方法的可行性和有效性。該仿真軟件已成功應用到工程試驗項目。

關(guān)鍵詞： 機載雷達; 相控陣; 仿真建模; 數(shù)據(jù)融合; 目標跟蹤

中圖分類號：TN955? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）06-26-05

Abstract： By analyzing airborne phased array radar's function and its decomposition and synchronization， the mathematic models such as target indication by radar， multi-target tracking and resource management are built. Focus on the function， the theory and the realization process of the core model， a realization method of the simulation software system for airborne phased array radar is presented. The result of the simulation has validated the model and the method， the simulation software system has been successfully applied to the test project.

Key words： airborne radar; phased array; simulation modeling; data fusion; target tracking

0 引言

由于現(xiàn)代空戰(zhàn)上各種復雜環(huán)境的影響，要求利用多種傳感器組網(wǎng)來采集目標信息并加以融合，充分利用不同目標不同頻段、各個方向的反射特性，最大限度地提取信息，滿足空戰(zhàn)需要[1，2]。對于數(shù)據(jù)融合來說真實的戰(zhàn)場目標和傳感器探測數(shù)據(jù)，是檢驗其有效性的最好條件。然而這樣的真實數(shù)據(jù)很少，而且成本也較高，在融合算法的前期研究和實驗階段，就需要我們真實的模擬不同干擾環(huán)境下傳感器的探測數(shù)據(jù)。

雷達分系統(tǒng)是飛機綜合火控系統(tǒng)的重要傳感器之一，也是研究空戰(zhàn)中綜合信息處理技術(shù)至關(guān)重要的數(shù)據(jù)來源之一。本文研究實現(xiàn)機載相控陣雷達的任務調(diào)度機制和跟蹤濾波等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了能支持任意長仿真時間和包括機載運動平臺及仿真過程中切換雷達工作模式在內(nèi)的動態(tài)仿真環(huán)境，同時考慮欺騙干擾環(huán)境下雷達的跟蹤處理和不同環(huán)境下雷達誤差的在線模擬，為研究機載雷達抗干擾技術(shù)以及多傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)提供一個靈活可控、高逼真度的數(shù)字仿真試驗平臺。

1 仿真系統(tǒng)模塊與流程設(shè)計

仿真系統(tǒng)按組成結(jié)構(gòu)分為戰(zhàn)場虛擬目標及狀態(tài)仿真軟件和雷達動態(tài)探測仿真軟件兩大部分。其中，戰(zhàn)場目標仿真軟件用于制作想定，對目標進行布站，以及提供目標速度、位置、航跡、型號以及目標所搭載的輻射源信息等。雷達探測仿真軟件接收目標仿真軟件產(chǎn)生的目標原始數(shù)據(jù)，并進行相關(guān)雷達數(shù)據(jù)處理，如計算信噪比、交匯計算等，模擬雷達對目標的探測處理，產(chǎn)生雷達探測目標的相關(guān)數(shù)據(jù)，成為后端融合處理系統(tǒng)的輸入，軟件結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系如圖1所示[3]。

雷達探測功能仿真是通過仿真目標回波、接收機噪聲、干擾、雜波等信號的幅度信息來復現(xiàn)雷達的檢測過程，一般采用基于Monte Carlo的方法來實現(xiàn)[4]。主要是根據(jù)目標與雷達的交會幾何關(guān)系計算信號及干擾的功率。因此，需要對目標與雷達交會的幾何關(guān)系、目標與環(huán)境、雷達檢測過程、雷達測量精度等建立數(shù)學模型。

2 核心模塊的分析與建模

2.1 雷達檢測模塊

雷達檢測模塊主要功能就是獲取目標的點跡和檢測信息，主要完成坐標系轉(zhuǎn)換、交會計算、檢測計算等任務。設(shè)置雷達天線的方位、俯仰范圍，天線增益、波束寬度、發(fā)射功率等參數(shù)等計算雷達的探測范圍，通過與目標的交會判斷，目標回波功率、噪聲功率、信噪比、檢測及虛警概率的計算完成雷達對目標的檢測功能。

⑴ 坐標系轉(zhuǎn)換

由于目標和雷達平臺的位置參數(shù)都是在大地坐標系下給出的，為了得到目標相對于雷達平臺的位置和速度信息，需要將目在標大地坐標系下的位置和速度轉(zhuǎn)換到天線陣面直角坐標系。

⑵ 交會判斷

搜索時，利用俯仰和方位波束信息來判斷;當目標已被跟蹤上時，可以預測到目標的距離和速度時，就可以利用距離波門、速度波門、俯仰及方位波束信息來判斷。

假定目標在天線陣面方位坐標系下的位置（），雷達波束中心在天線方位坐標下的坐標（），方位和俯仰的波束寬度分別為，則交會成功的判斷條件為

⑶ 檢測計算

檢測計算是在計算目標回波功率、干擾功率、噪聲功率的基礎(chǔ)上，設(shè)定合適的門限電平通過雷達檢測方程得到檢測概率和虛警概率。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

雷達數(shù)據(jù)處理模塊主要是進行多目標的跟蹤處理，具體包括航跡起始、航跡關(guān)聯(lián)，航跡質(zhì)量管理，以及航跡的濾波預測。

⑴ 航跡起始以及航跡管理

航跡起始方法：對于每一幀中，沒有與任何航跡相關(guān)的點跡，均起始一條暫時航跡，其航跡質(zhì)量為1（航跡質(zhì)量共有0，1，2，3四等級，質(zhì)量為0時航跡終止）。①以暫時航跡的第一點為中心P1，VmaxT（T為雷達的掃描周期）為相關(guān)門的半徑，如果下一個掃描周期雷達在此區(qū)域觀測到新的點跡P2，則形成暫時航跡的第二點，航跡質(zhì)量升為2。②在獲得P1，P2兩點后，利用兩點的數(shù)據(jù)，形成暫時航跡的狀態(tài)估計，并對第三點進行預測，以預測點P3'為中心。新的點跡落入此關(guān)聯(lián)門，航跡質(zhì)量升為3，轉(zhuǎn)化為可靠航跡。③如果沒有點跡落入，則外推一個點再做預測，關(guān)聯(lián)邏輯同上，若有觀測值滿足要求，則該航跡得到確認，轉(zhuǎn)化為可靠航跡，否則刪除該航跡[5]。

⑵ 航跡關(guān)聯(lián)

這里采用計算量少的最近鄰域相關(guān)法，即比較相關(guān)門內(nèi)各個回波的更新向量v（k+1），使g（k+1）達到最小者被看作是真實目標的回波。其中

最近鄰域相關(guān)法按以下四條判別準則進行關(guān)聯(lián)。

① 若某個航跡門內(nèi)只有一個觀測量，則該航跡與此觀測量相關(guān)，而不考慮其他。

② 若某個觀測量已落入一個航跡門內(nèi)，則該觀測量與此航跡相關(guān)，而不考慮其他。

③ 當某航跡門內(nèi)含有多個測量時，該航跡與最近的觀測量相關(guān)。

④ 當某觀測量落入多個航跡的門內(nèi)時，該觀測量與最近的航跡相關(guān)。

⑤ 在航跡關(guān)聯(lián)時，當建立濾波器之后，采用橢球形相關(guān)門進行相關(guān)。

設(shè)γ為橢球跟蹤門的門限大小，當回波Z（k+1）的范數(shù)滿足關(guān)系式g（k+1）≤γ時，稱Z（k+1）為候選回波。

⑶ 濾波預測

考慮到目標可能會機動飛行，因此采用當前比較有效的機動目標跟蹤算法交互式多模型（IMM）算法，IMM算法包含了多個濾波器（各自對應著相應的模型）、一個模型概率估計器、一個交互式作用器（在濾波器的輸入端）和一個估計混合器（在濾波器的輸出端），多模型通過交互作用跟蹤一個目標的機動運動[6，7]。

本系統(tǒng)中濾波器采用三個模型，第一個為非機動（勻速運動）模型，第二個和第三個都為機動（勻加速運動）模型，狀態(tài)矢量和觀測值均在地心直角坐標系下表示。子濾波器采用Kalman濾波器。

2.3 資源管理模塊

資源管理模塊主要實現(xiàn)各種雷達事件的產(chǎn)生，不同的工作模式對應不同的波形和波束參數(shù)，雷達事件的調(diào)度等功能。其工作流程如圖2所示。

在保證高優(yōu)先級雷達事件優(yōu)先調(diào)度的條件下，使得調(diào)度間隔內(nèi)的空閑時間盡可能少。采用自適應調(diào)度算法，其原理具體描述如下：

⑴ 調(diào)度器取出期望發(fā)射時間落入本調(diào)度間隔中的雷達事件，記為，將R中的雷達事件根據(jù)優(yōu)先級和期望發(fā)射時間按字典序排列，得到。用Pi'表示此集合中第i個事件請求的優(yōu)先級，t'ei表示此集合中第i個事件請求的期望執(zhí)行時間，應滿足以下約束：，當時，有。

⑵ 取出r1'，令，送入執(zhí)行鏈表。對的事件依次分析后分別送入執(zhí)行鏈表、延遲鏈表和刪除鏈表。

執(zhí)行鏈表中的雷達事件要滿足以下兩個約束條件：① ，其中，ΔT'為中第i個事件請求的駐留長度，TEQ為執(zhí)行鏈表中的事件駐留長度總和;②t'si的賦值滿足下屬公式的約束。

延遲鏈表中的雷達事件滿足以下約束條件：①不滿足執(zhí)行鏈表的約束條件;②，為第i個事件請求的時間窗。

刪除鏈表中的雷達事件不滿足執(zhí)行鏈表和延遲鏈表的約束條件。

執(zhí)行鏈表中的雷達事件將被送入任務處理模塊。延遲鏈表中的雷達事件送入下次調(diào)度間隔進行再次分析。刪除鏈表中的雷達事件將被丟棄。

3 仿真試驗分析

為了驗證雷達仿真實現(xiàn)的效果和關(guān)鍵算法模塊的性能，設(shè)計了一個仿真場景，如圖3所示。

載機勻速直線運動，初始位置（20000m，6000m，0m），飛行速度200m/s;目標1勻速直線運動，與載機飛行方向夾角方位-15度，俯仰0度，初始位置（30000m，6000m，-30000m），飛行速度340m/s;目標2勻速直線運動，與載機飛行方向夾角方位15度，俯仰0度，初始位置（15000m，6000m，30000m），飛行速度500m/s;目標3拋物運動，與載機飛行方向夾角方位0度，俯仰30度，初始位置（40000m，5000m，20000m），飛行速度200m/s。

選擇1號目標進行分析，在默認系統(tǒng)誤差（由目標RCS、信噪比和距離相互作用產(chǎn)生）下，測試雷達處理效果。從圖4可以看出，在濾波器作用下，目標1的跟蹤誤差小于檢測誤差，平滑濾波效果良好。檢測誤差變化范圍在一百米左右，跟蹤誤差變化范圍在幾十米以內(nèi)。

（a） 默認系統(tǒng)誤差水平

（b） 人工干預誤差

手動修改跟蹤誤差水平（測距誤差100m，測速誤差20m/s，俯仰測角誤差0.005rad，方位測角誤差0.005rad），模擬不同環(huán)境下雷達的跟蹤效果。從圖4可以看出，檢測誤差變化范圍在一千米以內(nèi)，跟蹤誤差變化范圍在幾百米以內(nèi)，平滑濾波效果良好。

輸入欺騙干擾，距離拖引干擾（拖引速度：1000m/s，拖引時間：5s），速度拖引干擾（拖引速度：100m/s，拖引時間：5s）。同時切換雷達的工作模式TAS/STT/MTT。

（a） 目標1檢測跟蹤誤差

（b） 目標2檢測跟蹤誤差

雷達在TAS模式下運行，在400s時對1號目標進行STT變換（拖引欺騙干擾效果從圖5（a）可知），拖引期結(jié)束后仍按照TAS模式工作，雷達仍然能穩(wěn)定跟蹤1號目標;550s之后，由于對2號目標進行單目標跟蹤（拖引欺騙干擾效果從圖5（b）可知），所以1號目標在這段時間內(nèi)沒有檢測和跟蹤點跡;650s之后，由于角度原因，目標2未能交會和檢測。此后雷達傳感器轉(zhuǎn)入MTT工作模式，對1號目標進行搜索。

TAS工作模式下，采樣時間間隔為0.05s，MTT采樣時間間隔為8s，對單個目標TAS的跟蹤效果好于MTT模式。通過分析可知，建立的模型符合機載相控陣雷達的工作原理和性能要求。

4 結(jié)論

本文闡述了機載相控陣雷達動態(tài)探測目標的主要處理過程，對雷達數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相關(guān)模型給出了分析，并進行了仿真試驗。在仿真系統(tǒng)中，對目標回波、接收機噪聲、干擾、雜波等信號進行了模擬仿真，提出了機載相控陣雷達系統(tǒng)仿真的詳細流程，同時提供了系統(tǒng)在線實時修改雷達性能參數(shù)和不同工作模式的切換，使得可以方便的模擬不同場景和質(zhì)量的探測數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果說明了系統(tǒng)通用模型的可行性和有效性，其軟件系統(tǒng)已成功應用于某大型空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，為空戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真研究提供了支撐平臺和分析評估依據(jù)。目前，針對通用模型進行功能、流程仿真研究，對其不同型號的相控陣雷達模型有待作進一步差異性分析，研究其參數(shù)特征進行調(diào)優(yōu)試驗。

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