湯永浩,干 鵬,張 斌,顧陽陽,馬益路
(中國航天科工集團(tuán)8511 研究所,江蘇 南京210007)
近年來的幾場局部戰(zhàn)爭中,外軍普遍投入使用了空射誘餌對敵方防空系統(tǒng)實行誘騙,作戰(zhàn)效果顯著。該型電子對抗武器功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一便是雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)。雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)是通過軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)模擬目標(biāo)回波信號替代真實雷達(dá)目標(biāo)回波,達(dá)到復(fù)現(xiàn)雷達(dá)原始信號、傳遞、反射、起伏、調(diào)整等過程的目的,完成對雷達(dá)目標(biāo)的逼真模擬任務(wù)[1]。
當(dāng)前,雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)在雷達(dá)方和電子對抗方2 方面都發(fā)揮著重要作用。對雷達(dá)方而言,雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)主要用于雷達(dá)系統(tǒng)的研究、開發(fā)、調(diào)試及驗證,大大節(jié)約研制成本,縮短研發(fā)周期;同時可用于為雷達(dá)操作手訓(xùn)練提供目標(biāo)信息和環(huán)境信息,使操作手積累各種環(huán)境下的操作經(jīng)驗[2]。對電子對抗方而言,雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)主要用于逼真模擬真實目標(biāo)的各種特性,生成逼真假目標(biāo)或假目標(biāo)集群,欺騙迷惑敵方雷達(dá)探測、跟蹤,起到攻擊時掩護(hù)作戰(zhàn)目標(biāo)突防、提高戰(zhàn)場生存率,防守時有效保護(hù)重要軍事設(shè)施、防止敵方火力打擊的目的[3]。本文主要針對雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。
第二次世界大戰(zhàn)中,英軍部署大量的角反射器用以保護(hù)高價值目標(biāo),可以認(rèn)為是雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)的開端[4]。20 世紀(jì)50 年代,堪薩斯大學(xué)利用水箱和壓電傳感器完成了雷達(dá)回波模擬[5]。隨后隨著彈道導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,各類突防輔助誘餌技術(shù)也日趨成熟。20 世紀(jì)70 年代,數(shù)字射頻存儲技術(shù)(DRFM)的出現(xiàn)進(jìn)一步將干擾與回波模擬技術(shù)推向高潮[6]。到20 世紀(jì)80年代后,美軍開始研制和裝備各型空射誘餌,利用雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)在幾次局部戰(zhàn)爭中占得了作戰(zhàn)先機(jī)。隨著工藝和新材料日趨完善,龍伯透鏡在西方國家的各型作戰(zhàn)飛機(jī)中出現(xiàn)[7]。2000 年左右,美國TCS 公司推出RES-2000 雷達(dá)信號模擬器,代表了雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的模塊化、系統(tǒng)化、功能多樣化發(fā)展趨勢[8]。雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)發(fā)展至今,已從最初的單一的電磁波反射器件發(fā)展為有源無源體制齊頭并進(jìn)、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的學(xué)科技術(shù)。雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)大致的發(fā)展歷程如圖1 所示。
圖1 雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)發(fā)展路線圖
總體上來看,雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)主要有無源和有源2 種實現(xiàn)體制,其主要技術(shù)分類如圖2 所示。
圖2 雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)體制分類
無源目標(biāo)模擬技術(shù)本身并不輻射電磁信號,通過精心設(shè)計的材料、構(gòu)型等特性實現(xiàn)對特定電磁信號的模擬功能,常見的種類有無源回波增強(qiáng)器件和仿形誘餌等。其中,角反射器是應(yīng)用最為廣泛的無源回波增強(qiáng)器件,它通過金屬角折射放大效應(yīng)產(chǎn)生很強(qiáng)的回波信號,具有造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單、反射回波特性強(qiáng)烈等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于軍事、船舶救生等領(lǐng)域[9]。龍伯透鏡常常加掛在隱身飛機(jī)等航空飛行器件上,通常由若干層介電常數(shù)不同的材料制成,可通過透鏡將電磁波聚焦在金屬反射面上,并將入射電磁波反射回入射源方向,具有體積小、雷達(dá)截面積大、方向性好等優(yōu)勢[6]。仿形誘餌通常采用氣囊式外形加鍍金屬薄層和涂覆高能誘餌劑的方式實現(xiàn)紅外/微波復(fù)合誘騙的功能,布設(shè)撤守簡便,成本較低,但存在體積、質(zhì)量較大等缺點[10]。
有源目標(biāo)模擬技術(shù)通過輻射經(jīng)過調(diào)制的電磁信號,精確模擬目標(biāo)的電磁散射特性,實現(xiàn)對特定目標(biāo)模擬回波的生成。有源雷達(dá)目標(biāo)模擬主要有直接數(shù)字頻率合成(DDS)、數(shù)字射頻存儲(DRFM)和光纖延遲線(FODL)等技術(shù)實現(xiàn)體制[3]。DDS 是根據(jù)提前預(yù)知的模擬回波參數(shù),直接產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出,其基本組成如圖3所示;DRFM 則采用存儲陣列將接收到的雷達(dá)射頻信號的波形實時存儲起來,然后根據(jù)相應(yīng)的模擬參數(shù)對接收信號進(jìn)行調(diào)制,經(jīng)射頻鏈路放大后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),如圖4 所示;FODL 是將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號,通過光纖等光學(xué)器件對光信號進(jìn)行延遲和調(diào)制,再重新將光信號轉(zhuǎn)換為射頻信號經(jīng)射頻鏈路放大后輸出,如圖5 所示。3 種典型有源目標(biāo)模擬技術(shù)體制特性總結(jié)如表1所示。
圖3 DDS 的基本組成
國外對雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于國內(nèi),不少國家都投入了大量的人力、物力用于發(fā)展雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)。雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)在雷達(dá)方的應(yīng)用主要是各種雷達(dá)目標(biāo)模擬器,在電子對抗方的應(yīng)用主要是誘餌類裝備,其典型代表產(chǎn)品及性能特點如表2所示。
美國Sensis 公司研制的雷達(dá)環(huán)境模擬器(RES),是為了實現(xiàn)對美軍AN/TPS-59 遠(yuǎn)距離警戒雷達(dá)的測試與驗證。RES 能夠根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)置的雷達(dá)環(huán)境實時地為雷達(dá)AN/TPS-59 提供包括目標(biāo)、雜波和干擾在內(nèi)的模擬信號,從而滿足其雷達(dá)工程設(shè)計的調(diào)試、測試與驗證的工作[11-12]。
圖4 數(shù)字射頻存儲方式部件基本組成
圖5 光纖延時儲頻光延時傳輸處理組件示意圖
數(shù)字化雷達(dá)環(huán)境模擬器(Digital Radar Environment Simulator-D-RES)是美國KOR 電子公司生產(chǎn)的一款性能極好、靈活性非常高的模擬器。工作人員可通過直觀的面板定義所需要模擬的目標(biāo)回波的參數(shù)、雷達(dá)環(huán)境等。其通過模塊化的分系統(tǒng)設(shè)計,能模擬出各種噪聲信號及目標(biāo)回波信號,采用VME 總線結(jié)構(gòu),能滿足雷達(dá)系統(tǒng)實時性的要求[11,15]。
美國Malibu Research 公司研發(fā)的一款雷達(dá)信號模擬器功能全面,不僅能模擬目標(biāo)的回波信號,還能模擬雜波信號和敵方發(fā)送的欺騙干擾信號等。該模擬器主要用于AN/TPQ-36 和AN/TPQ-37 迫擊炮火控相控陣?yán)走_(dá)的性能測試與驗證[15]。
法國Synopsis 公司采用數(shù)字射頻存儲技術(shù)和PCI 總線標(biāo)準(zhǔn)研制出一種雷達(dá)目標(biāo)模擬器RTS-800NG,該模擬器屬于通用模擬器,除了能夠進(jìn)行雷達(dá)射頻信號模擬外,還能夠產(chǎn)生雷達(dá)動目標(biāo)回波和欺騙干擾[12]。
RCS 信號增強(qiáng)模擬系統(tǒng)是微型空射誘餌(MALD)的核心搭載載荷。MALD 通過搭載該載荷,可通過復(fù)制己方及友方飛機(jī)的作戰(zhàn)飛行剖面和信號特征對敵方防空系統(tǒng)中雷達(dá)探測系統(tǒng)實施欺騙,從而實現(xiàn)保護(hù)作戰(zhàn)飛機(jī)執(zhí)行任務(wù),提高戰(zhàn)場生存率的目的[16-17]。
“亮云”(BriteCloud)誘餌可以由載機(jī)投放出去并具有一定的機(jī)動性能,其雷達(dá)特性更接近于真實目標(biāo),可以最大限度地將來襲導(dǎo)彈威脅從載機(jī)平臺上誘離。該系統(tǒng)采用直接射頻存儲技術(shù)(DRFM),可以對雷達(dá)信號進(jìn)行接收并快速地復(fù)制發(fā)射出去,降低了系統(tǒng)的延遲,可最大限度地與目標(biāo)回波信號重合在一起,增強(qiáng)了誘騙效果。
相較于國外雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的研究,國內(nèi)起步較晚。我國第一部雷達(dá)信號模擬器是20 世紀(jì)70 年代研制出來的,直到20 世紀(jì)90 年代才開始出現(xiàn)一些比較成熟的關(guān)于雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的研究,各科研院所先后研制出各種用途的雷達(dá)目標(biāo)模擬器,并逐漸應(yīng)用在相關(guān)雷達(dá)調(diào)試與試驗中[12]。例如:1994 年北京航空航天大學(xué)與航空部601 所共同研制出了通用型PD 雷達(dá)目標(biāo)模擬器[12-13];1998 年西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院研制出基于DDS 技術(shù)的雷達(dá)信號模擬器[13];2000 年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程系研制出國內(nèi)第一臺毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器[12-13];2002 年電子科技大學(xué)研制出X 波段機(jī)載火控相控陣?yán)走_(dá)模擬器等[13]。各典型產(chǎn)品用途及其性能特點簡介如表3 所示[14]。
表1 典型有源目標(biāo)模擬技術(shù)體制及特點
表2 國外雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)裝備發(fā)展情況
表3 國內(nèi)雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)裝備發(fā)展情況
隨著雷達(dá)工作帶寬、分辨力等能力的不斷提升和雷達(dá)成像技術(shù)的不斷發(fā)展,以往簡單的目標(biāo)模擬技術(shù)難以滿足精細(xì)化、實時性、自適應(yīng)性等新的應(yīng)用要求。為滿足新一代的雷達(dá)系統(tǒng)性能驗證與雷達(dá)對抗裝備研制應(yīng)用需求,雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)需要在以下幾項關(guān)鍵技術(shù)方面開展進(jìn)一步重點攻關(guān)研究。
目標(biāo)的雷達(dá)散射截面是雷達(dá)目標(biāo)電磁特征信息中基本且重要的一個物理參數(shù),其表征了雷達(dá)目標(biāo)對照射電磁波的散射能力。雷達(dá)目標(biāo)模擬中最核心的是目標(biāo)特性的回波模擬,而獲取目標(biāo)的RCS 特性,是目標(biāo)特性回波模擬的前提條件?,F(xiàn)有獲取目標(biāo)RCS的基本手段有3 種:實物測量、縮比模型測量以及建模計算仿真[18]。
實物測量方法在微波暗室內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行實地測量,能夠獲得大量豐富的實測數(shù)據(jù),不存在建模誤差和變換損失等因素。但是,實物測量法應(yīng)用通常受限于目標(biāo)的尺寸、測量成本、測量時長等因素,同時測量結(jié)果受雷達(dá)帶寬、內(nèi)部噪聲等因素的影響,所得的數(shù)據(jù)的分辨率、信噪比等均會收到影響[19]。
縮比模型測量方法使用具有相似幾何構(gòu)型、相同材料構(gòu)成的小型縮比模型,對其RCS 暗室測量的結(jié)果進(jìn)行變換,能夠得到目標(biāo)的RCS 特性分布數(shù)據(jù),可以一定程度上彌補(bǔ)實物測量帶來的目標(biāo)尺寸、測量成本和測量時長等限制因素。但是,縮比模型法也會引入模型縮比誤差和變換誤差等因素,且當(dāng)雷達(dá)波頻率處于目標(biāo)諧振區(qū)時,測量誤差較大[20]。
隨著電子計算機(jī)的高速發(fā)展和建模技術(shù)的日漸成熟,仿真計算方法憑借其靈活高效、效費比高、實時性好等優(yōu)勢越來越成為目前進(jìn)行目標(biāo)電磁特征獲取的重要手段。但是,目前仿真計算也只能解決一些簡單目標(biāo)的電磁散射問題,對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)的散射特性仿真計算結(jié)果很難取得滿意的精度[21]。
在針對具體目標(biāo)的RCS 特性獲取過程中,3 種RCS 特性獲取方法各有優(yōu)勢,適用范圍也有所不同,需對具體問題具體分析。理論仿真與測量是相輔相成的,理論仿真能夠預(yù)測和解釋測量數(shù)據(jù),測量數(shù)據(jù)也能驗證理論模型的正確性。
要較準(zhǔn)確地模擬雷達(dá)散射截面積的動態(tài)變化,還需要考慮對RCS 起伏特性進(jìn)行建模。一個合理精確的起伏模型才能夠準(zhǔn)確表征目標(biāo)的RCS 動態(tài)變化特性。依據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率與目標(biāo)尺寸關(guān)系,可以將目標(biāo)模型分為“點目標(biāo)”以及“擴(kuò)展目標(biāo)”2 種[13]。不同的目標(biāo)模型在雷達(dá)信號的照射下,其回波表現(xiàn)有所區(qū)別。
對于窄帶雷達(dá)發(fā)射的信號,由于其帶寬較小,因此距離分辨率常常大于目標(biāo)尺寸,不能將目標(biāo)的散射點分辨出來,此時這些散射點回波在時域疊加后形成的整體回波與“點目標(biāo)”回波相似,其波形參數(shù)與發(fā)射信號類似,僅在幅度與相位上有所不同。幅度的變化主要來源于信號傳輸過程衰減以及目標(biāo)RCS 特性對回波信號的調(diào)制;相位的變來源于信號在空間傳輸導(dǎo)致的時延、目標(biāo)運動造成的多普勒頻移以及目標(biāo)散射特性。RCS 的起伏會顯著影響雷達(dá)對目標(biāo)檢測性能,為衡量起伏對檢測概率的影響,需要采用一種接近而又合理的分布模型對目標(biāo)RCS 起伏特性進(jìn)行描述。迄今為止,RCS 模型已經(jīng)發(fā)展出2 代分布模型,其主要特點和適用的描述對象如表4 所示[21]。
表4 RCS 起伏模型
隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,雷達(dá)分辨率也有了很大的提高,此時雷達(dá)的分辨單元已經(jīng)遠(yuǎn)小于目標(biāo)的尺寸,已經(jīng)不能將其視作簡單的點目標(biāo),而是將目標(biāo)作為擴(kuò)展目標(biāo)進(jìn)行分析。擴(kuò)展目標(biāo)模型的建立又比點目標(biāo)復(fù)雜,原因在于對點目標(biāo)模擬時,只涉及對RCS 特性的分析,其特性是雷達(dá)波長、姿態(tài)和極化的函數(shù)。但是,對于擴(kuò)展目標(biāo)而言,其建模的復(fù)雜性主要由以下2方面造成:一方面需要考慮目標(biāo)的空間特性;另一方面需要分析其占據(jù)了多個雷達(dá)分辨單元,增加了問題復(fù)雜性。常用的擴(kuò)展目標(biāo)電磁特性主要有高分辨一維距離像(HRRP)和雷達(dá)二維成像等。
模擬目標(biāo)回波實時重構(gòu)是雷達(dá)目標(biāo)模擬的關(guān)鍵技術(shù)之一,其作用是根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制計算,快速高效地生成具有目標(biāo)散射特性的雷達(dá)回波信號。隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜化和捷變抗干擾等技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用,在高強(qiáng)度對抗場景下實時生成各種模擬目標(biāo)回波,是對雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù)的新要求[22]。
點目標(biāo)的回波實時重構(gòu)主要考慮目標(biāo)的雷達(dá)截面積隨著姿態(tài)、時間、頻率、目標(biāo)形狀、飛行速度等變化造成動態(tài)RCS 的變化。在進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)模擬時,RCS 值的精確計算非常困難。目前現(xiàn)有方法大多采用符合統(tǒng)計分布規(guī)律的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行代替,根據(jù)目標(biāo)類型選擇合適的RCS 平均值及起伏分布類型[23]。但這種方式得到的RCS 隨航跡改變引起的起伏特征與真實的回波會有偏差,不能精確反映由于目標(biāo)的姿態(tài)或飛行參數(shù)改變引起的RCS 起伏,從而導(dǎo)致回波起伏不夠真實。另一種可行的方法是采用RCS 起伏時間譜函數(shù)。該方法依據(jù)目標(biāo)航跡,經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,實時加載事先存儲的目標(biāo)在不同角度、頻率、速度等參數(shù)下RCS 隨時間起伏的模型,具有計算量較小、實時性好且具有較高可信度等優(yōu)勢[23]。
擴(kuò)展目標(biāo)的回波實時重構(gòu)遵循多散射中心重構(gòu)模型,在高頻區(qū)目標(biāo)總的電磁散射可認(rèn)為是各散射中心電磁散射的矢量合成。因此擴(kuò)展目標(biāo)回波重構(gòu)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取多散射中心的空間分布。獲取擴(kuò)展目標(biāo)散射中心的空間分布常用方法有位置重構(gòu)法與雷達(dá)三維成像法,2 種方法都是基于多個視角下的寬帶測量方式,其中位置重構(gòu)法近年來備受關(guān)注[3]。重構(gòu)法對視角分布沒有嚴(yán)格限制,大大提高了整個系統(tǒng)的可操作性和靈活性,但是對視角的分散度有一定要求,不能得到單一的幅度估計值;成像法由于成像孔徑集中在成像中心角附近的一個小范圍內(nèi),因而得到的是目標(biāo)在特定姿態(tài)下散射中心的位置和幅度特性,但是要求各個視角下的測量過程完全相參,這就對系統(tǒng)造成了一定的限制。
逼真度是衡量模擬仿真模型與真實目標(biāo)之間的相似程度,是評價模擬系統(tǒng)性能優(yōu)劣的頂層指標(biāo)[24]。現(xiàn)有的評價系統(tǒng)大多是對雷達(dá)的具體性能進(jìn)行評估,而針對雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的評價體系尚未開展充分研究,這也是當(dāng)前雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)面臨的一大研究熱點和難題[25]。
雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的模擬對象主要是雷達(dá)信號和被模擬的真實目標(biāo),因此模擬逼真度評價體系也應(yīng)該從雷達(dá)參數(shù)和目標(biāo)的固有特征2 個方面進(jìn)行相似度評估。參照雷達(dá)系統(tǒng)的評價指標(biāo)和目標(biāo)散射特性指標(biāo),模擬逼真度評價體系可從模擬的雷達(dá)信號特性、目標(biāo)的運動特性及電磁散射特性3 個維度進(jìn)行指標(biāo)細(xì)化比較。初步考慮的模擬逼真度評價體系如圖6所示。
圖6 模擬逼真度評價體系
目前,已有不少研究學(xué)者對模擬仿真系統(tǒng)的逼真度開展了評價方法研究,如AHP 層次分析法、基于余弦定理的相似度評估法、基于多屬性決策的有效性評估法等[26-27]。然而,基于上述各個維度參數(shù)細(xì)節(jié)的評價,開發(fā)一套簡潔有效的逼真度評價體系,仍然需要進(jìn)一步深入研究。
近年來,雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)研制試驗測試和電子對抗裝備2 個領(lǐng)域均表現(xiàn)出了十分重要的應(yīng)用價值,因而逐漸受到了越來越多的重視和研發(fā)投入。根據(jù)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展特點和雷達(dá)對抗技術(shù)的應(yīng)用需求,雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)出以下幾個方面的特點:
一是隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)呈現(xiàn)出多頻段、多體制融合、智能化的技術(shù)發(fā)展特征,雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)正由單一頻段、單一手段向著更寬的工作帶寬、多樣化的技術(shù)體制方向發(fā)展,以往僅模擬簡單目標(biāo)模型的方式也將轉(zhuǎn)變?yōu)楦泳?xì)的目標(biāo)散射特征模擬,具備寬帶化、精細(xì)化、智能化的目標(biāo)模擬能力。
二是隨著雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)研制過程中的成熟應(yīng)用,其成功經(jīng)驗將加快該技術(shù)在電子戰(zhàn)裝備上的廣泛應(yīng)用,促使其由雷達(dá)配試設(shè)備完成向電子作戰(zhàn)裝備的屬性轉(zhuǎn)變。
三是為了適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下的雷達(dá)系統(tǒng)性能驗證與電子對抗作戰(zhàn)的雙重應(yīng)用需求,雷達(dá)目標(biāo)模擬設(shè)備的必然需要朝著硬件設(shè)計通用化、技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化、裝備體系序列化的思路發(fā)展,加快技術(shù)發(fā)展進(jìn)程和裝備能力快速生成。
關(guān)注雷達(dá)目標(biāo)回波模擬技術(shù),加快該技術(shù)的發(fā)展,加大對該技術(shù)的研究投入,有利于促進(jìn)雷達(dá)與電子對抗2 大領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展?!?/p>