某炮位偵校雷達(dá)射頻仿真的實(shí)現(xiàn)

肖開健 盧 冀 游 俊

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種雷達(dá)電子戰(zhàn)設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，使得現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上本來就十分密集的電磁信號(hào)環(huán)境變得更加復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的外場(chǎng)試驗(yàn)方法由于很難形成較為逼真的實(shí)戰(zhàn)信號(hào)環(huán)境，而且試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高、保密性差、易受氣候與環(huán)境等因素的影響，己不能滿足現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)備研制階段的需求。為了縮短雷達(dá)的研制周期，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要在設(shè)備全生命周期的各個(gè)階段提供現(xiàn)代化的仿真與測(cè)試手段，以用于評(píng)估系統(tǒng)性能、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此研制相應(yīng)的射頻仿真設(shè)備成為雷達(dá)、特別是炮位偵察校射雷達(dá)研制階段的一個(gè)重要組成部分，并逐漸成為促進(jìn)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的必要手段。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由一維天線陣、中頻目標(biāo)模擬器、射頻綜合分系統(tǒng)、控制與顯示分系統(tǒng)、光端機(jī)等組成。中頻目標(biāo)模擬器、射頻綜合分系統(tǒng)、控制與顯示分系統(tǒng)、光端機(jī)等安裝在方艙內(nèi)，天線陣列自上由下共計(jì)安裝89個(gè)輻射喇叭，用來仿真目標(biāo)在俯仰維的變化；中頻目標(biāo)模擬器主要用來建立彈丸目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中頻回波信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前模型目標(biāo)高度計(jì)算喇叭陣列輸出信號(hào)喇叭號(hào)，實(shí)時(shí)同步控制微波開關(guān)由下向上或由上向下快速切換；射頻綜合分系統(tǒng)主要完成接收微波信號(hào)下變頻、發(fā)射中頻信號(hào)上變頻工作；控制與顯示分系統(tǒng)主要完成參數(shù)設(shè)置、相應(yīng)的戰(zhàn)情規(guī)劃和仿真數(shù)據(jù)顯示等工作；光端機(jī)用來接收雷達(dá)送過來的同步脈沖信號(hào)、控制命令參數(shù)以及發(fā)射激勵(lì)信號(hào)等。射頻仿真系統(tǒng)組成示意圖見圖1所示。

2 工作原理

該系統(tǒng)首先接收雷達(dá)通過光(纖)纜傳送過來的發(fā)射觸發(fā)、波束駐留(CPI)、參考信號(hào)(10MHz或100MHz)以及雷達(dá)工作狀態(tài)(搜索、確認(rèn)、跟蹤、波束指向、工作頻率等)參數(shù)控制信號(hào)(數(shù)字)和射頻激勵(lì)信號(hào)。同步脈沖和控制參數(shù)送給中頻目標(biāo)模擬器；射頻激勵(lì)信號(hào)送給射頻綜合分系統(tǒng)下變換后送給中頻目標(biāo)模擬器。仿真系統(tǒng)與雷達(dá)的接口示意圖見圖2所示。

圖1 射頻仿真系統(tǒng)組成示意圖

圖2 仿真系統(tǒng)與雷達(dá)接口示意圖

如圖3所示，中頻目標(biāo)模擬器根據(jù)控制終端下發(fā)的戰(zhàn)情參數(shù)(目標(biāo)類型、起始速度、運(yùn)動(dòng)方向等)和接收的雷達(dá)的參數(shù)建立目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，并仿真彈丸目標(biāo)在空中飛行。根據(jù)目標(biāo)的當(dāng)前空間位置與雷達(dá)掃描波束進(jìn)行交匯，如掃描波束與目標(biāo)有交匯，實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)回波距離、幅度、多普勒及輸出喇叭號(hào)等信息。

中頻目標(biāo)模擬器根據(jù)前面計(jì)算的距離、幅度、多普勒信息和激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的中頻回波信號(hào)，再經(jīng)過射頻綜合分系統(tǒng)上變頻為射頻信號(hào)通過輻射喇叭輻射出去。

圖3 仿真系統(tǒng)工作原理框圖

3 波束交匯技術(shù)[1]

為了更真實(shí)地仿真彈丸目標(biāo)的特征和雷達(dá)波束與目標(biāo)交匯的程度帶來的幅度起伏，該射頻仿真系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)目標(biāo)交匯技術(shù)。主要將接收的雷達(dá)波束指向與模擬目標(biāo)當(dāng)前位置(x,y,z)實(shí)時(shí)進(jìn)行交匯比較。當(dāng)某個(gè)雷達(dá)波束與目標(biāo)位置有交匯，立刻計(jì)算目標(biāo)回波信號(hào)的幅度、距離、速度等特征信息。由后面設(shè)備生成相應(yīng)距離、幅度、速度的中頻目標(biāo)回波信號(hào)。波束交匯示意圖見圖4所示。

圖4 波束交匯示意圖

如圖4所示，①為目標(biāo)中心位置；②為雷達(dá)掃描波束中心位置；③為目標(biāo)與波束交匯公共區(qū)域。

當(dāng)雷達(dá)掃描波束與目標(biāo)有交匯以后，可以根據(jù)公式(1)計(jì)算目標(biāo)的幅度

(1)

其中，(SinA,SinE)為目標(biāo)方位和高低角的正弦；

(SinAt,SinEt)為雷達(dá)波束方位和高低角的正弦；

(SinθA0.5,SinθE0.5)為半功率波束方位和高低角的正弦；

N為目標(biāo)幅度量化值。

4 喇叭幅度控制

由波束交匯計(jì)算的目標(biāo)幅度是雷達(dá)波束與目標(biāo)交匯的程度帶來的幅度起伏，不是最終仿真系統(tǒng)喇叭輸出的信號(hào)功率。最終的仿真系統(tǒng)喇叭輸出信號(hào)功率由雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益、仿真目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離引起的功率衰減以及目標(biāo)交匯帶來的功率起伏等因素決定。信號(hào)功率計(jì)算關(guān)系圖見圖5所示。

圖5 信號(hào)功率計(jì)算示意圖

如圖5所示，其中：

Pt為雷達(dá)發(fā)射功率(dBm)；

G為雷達(dá)天線主波束增益(dB)；

G1為發(fā)射信號(hào)經(jīng)過目標(biāo)反射的增益(dB)；

σ為目標(biāo)反射面積(m2)；

L1為雷達(dá)陣面到彈丸目標(biāo)之間的空間損耗(dB)；

L2為雷達(dá)陣面到仿真系統(tǒng)喇叭輸出口面的空間損耗(dB)；

D1為雷達(dá)陣面到彈丸目標(biāo)之間的距離；

D2為雷達(dá)陣面到仿真系統(tǒng)喇叭輸出口面的距離

L1= 32.4+20log(D1)+20log(F)

(2)

L2= 32.4+20log(D2)+20log(F)

(3)

G1=-39+10log(σ)+20log(F)

(4)

由此可見，信號(hào)到達(dá)塔喇叭的口面功率為

P=Pt+G1-2×L1+L2

(5)

(此功率為目標(biāo)輸出最大輸出功率，未包含波束交匯損失)

5 試驗(yàn)情況

該系統(tǒng)多次與某炮位偵察校射雷達(dá)進(jìn)行聯(lián)試，雷達(dá)在炮位偵察模式下，在仿真系統(tǒng)控制終端設(shè)置目標(biāo)個(gè)數(shù)為1或4，目標(biāo)速度為300 m/s,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橛蛇h(yuǎn)至近，射角為45°，雷達(dá)能對(duì)單個(gè)目標(biāo)、多個(gè)目標(biāo)能夠進(jìn)行有效的跟蹤。同樣，雷達(dá)在炮位校射模式下，在仿真系統(tǒng)控制終端設(shè)置目標(biāo)個(gè)數(shù)為1或4，目標(biāo)速度為300 m/s,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橛山吝h(yuǎn)，雷達(dá)對(duì)單個(gè)目標(biāo)、多個(gè)目標(biāo)能夠進(jìn)行有效的跟蹤。單個(gè)目標(biāo)跟蹤顯示圖見圖6所示，多個(gè)目標(biāo)跟蹤顯示圖見圖7所示。

圖6 單目標(biāo)跟蹤

圖7 多目標(biāo)跟蹤

6 結(jié)束語

在雷達(dá)的研制、調(diào)試和操作使用過程中射頻仿真技術(shù)已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，它可以縮短雷達(dá)的研制周期,減少雷達(dá)的研制和雷達(dá)操作手的培訓(xùn)費(fèi)用等。該射頻仿真系統(tǒng)采用由中頻目標(biāo)模擬器、頻率綜合器、俯仰一維喇叭陣列和實(shí)時(shí)波束交匯技術(shù)，能有效地仿真彈丸目標(biāo)上升和下降的運(yùn)動(dòng)過程。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以作為炮位偵察雷達(dá)研制、調(diào)試的一種較好的手段。