地面/艦載搜索雷達(dá)目標(biāo)回波建模與仿真

夏永紅，張玉濤，張 寧，匡華星

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷達(dá)目標(biāo)回波模擬是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計和信息處理技術(shù)研究過程中重要的輔助驗證手段，按照經(jīng)典的信息處理流程，依次為信號處理和數(shù)據(jù)處理，在處理過程中涉及到多種信號/數(shù)據(jù)處理算法。為驗證算法的有效性和對比不同算法的性能，需要一定的仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)中的目標(biāo)和場景信息已經(jīng)固定，有時并不能滿足一些算法的性能分析需求。因此，需要結(jié)合特定的應(yīng)用場景，仿真生成滿足一定需求的雷達(dá)目標(biāo)模擬數(shù)據(jù)。例如，文獻[1]對艦船目標(biāo)雷達(dá)回波模擬方法進行了分析。文獻[2]針對彈道目標(biāo)提出了基于場景定義的雷達(dá)目標(biāo)回波仿真方法。文獻[3]針對低空目標(biāo)探測的多徑效應(yīng)進行了仿真分析。文獻[4]提出了一種基于LFM子脈沖的寬帶雷達(dá)目標(biāo)仿真方法。文獻[5]對雷達(dá)目標(biāo)多極化方式下的回波仿真進行了分析。

本文在綜合以上雷達(dá)目標(biāo)回波模擬方法的基礎(chǔ)上，針對地面/艦載兩坐標(biāo)/三坐標(biāo)搜索雷達(dá)探測幾何模型，提出一套較為完整的雷達(dá)目標(biāo)回波建模與仿真分析方法。根據(jù)設(shè)定的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)，按照雷達(dá)波束掃描方式仿真生成常規(guī)單脈沖、MTI/MTD模式和PD模式下一定信噪比/信雜比目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。按照本文方法也可以在雷達(dá)目標(biāo)回波仿真過程中疊加有源干擾信號，為驗證雷達(dá)信息處理流程和算法提供支撐。

1 雷達(dá)目標(biāo)回波建模

設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號，表達(dá)式為

(1)

其中，τ為快時間變量，T為發(fā)射信號脈寬，fc為載頻，K為調(diào)頻斜率，rect[·]為矩形窗函數(shù)。

設(shè)定坐標(biāo)原點O，建立三維直角坐標(biāo)系，設(shè)雷達(dá)架高Hr，t時刻雷達(dá)平臺空間位置坐標(biāo)為(xr_t,yr_t)，目標(biāo)空間位置坐標(biāo)為(xt_t,yt_t,zt_t)，目標(biāo)相對于雷達(dá)平臺距離為

(2)

設(shè)t時刻目標(biāo)能夠被雷達(dá)波束覆蓋，接收信號經(jīng)過下變頻和IQ通道合成后零中頻復(fù)信號表達(dá)式為

exp{-j2πfcτd}

(3)

脈壓后回波信號表達(dá)式為

Spc(τ,t)=Apcsinc{B[τ-τd]}×exp{-j2πfcτd}

(4)

其中，Apc為脈壓后目標(biāo)回波幅度，sinc{·}為脈壓后目標(biāo)回波包絡(luò)，B為發(fā)射信號帶寬。

(1) 目標(biāo)回波幅度

設(shè)雷達(dá)IQ通道噪聲為零均值高斯白噪聲，IQ通道噪聲功率為Pnoise/2，設(shè)目標(biāo)回波脈壓后波束中心信噪比為SNR(單位：dB) ，則脈壓前目標(biāo)回波功率為

Psig=10(SNR-10lg(Tr·Br))/10·Pnoise

(5)

目標(biāo)回波脈壓后波束中心信噪比可以直接設(shè)定，也可以根據(jù)目標(biāo)當(dāng)前距離、目標(biāo)雷達(dá)散射截面積等參數(shù)按照雷達(dá)方程進行計算[6]，簡化公式如下：

容錯是為了在最大限度上保護工作上大膽創(chuàng)新、銳意進取的黨員干部，有利于激勵黨員干部勇于擔(dān)當(dāng)、大膽創(chuàng)新、積極作為。然而該機制是一個非常復(fù)雜的機制，涉及到何為“錯”、何為“容”、怎么“容錯”三個問題，本文主要從以下幾個法律方面進行剖析：

(6)

其中，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，G為天線增益，λ為波長，σ為目標(biāo)雷達(dá)散射截面積，k為波爾茲曼常數(shù)，T0為雷達(dá)系統(tǒng)溫度，F(xiàn)n為接收機噪聲系數(shù)，Lall為系統(tǒng)損耗/處理損失等損耗總和。

(2) 雙程回波延遲

目標(biāo)雙程回波延遲為τd=2Rt/c，設(shè)目標(biāo)初始距離為R0，徑向速度為Vr(t)，則可將目標(biāo)距離表示為Rt=R0+Vr(t)t，脈壓后回波信號可以表示為

(7)

其中，exp{-j2πfdt}為目標(biāo)運動引起的多普勒相位(相位正負(fù)號表示目標(biāo)接近或遠(yuǎn)離)，fd=2Vr/λ為多普勒頻率；若目標(biāo)在徑向存在加速度，則多普勒頻率會分布在多個多普勒單元。對于脈壓后距離包絡(luò)sinc{B[τ-2Rt/c]}，若目標(biāo)徑向速度較快或相參脈沖串持續(xù)時間較長，則在相參脈沖串內(nèi)目標(biāo)回波會跨越多個距離單元，進行相參處理時需要距離徙動校正。

當(dāng)雷達(dá)采用PD模式時，目標(biāo)回波在距離上存在模糊折疊，此時需要根據(jù)當(dāng)前脈組重復(fù)周期PRI和真實目標(biāo)回波延遲計算模糊折疊后的延遲時間(或模糊折疊距離)為τ′d=2mod(Rt,Rmax)/c=mod(τd,PRI)，其中mod(·)為取余運算，Rmax為當(dāng)前重復(fù)周期對應(yīng)最大不模糊距離。

2 雷達(dá)目標(biāo)回波仿真

在建立雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型后，設(shè)定目標(biāo)場景和雷達(dá)工作方式/參數(shù)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射/接收信號物理過程仿真生成零中頻IQ信號。仿真流程圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)目標(biāo)回波仿真流程圖

2.1 天線方向圖

在進行目標(biāo)回波幅度計算時，需要根據(jù)目標(biāo)當(dāng)前位置偏離天線波束中心指向的方位/俯仰角度(θ,φ)得到歸一化天線方向圖調(diào)制系數(shù)。仿真生成波束指向(0°, 0°)的和差波束天線方向圖如圖2所示，截取角度范圍±30°。若仿真目標(biāo)回波信號，一般可截取第1零點內(nèi)天線方向圖數(shù)據(jù)進行波束覆蓋判斷(假定其他副瓣目標(biāo)回波低于接收機噪聲)，以節(jié)省仿真計算時間。若仿真生成副瓣進入的干擾信號，則需要考慮天線方向圖所有副瓣。

圖2 天線方向圖仿真

2.2 點目標(biāo)回波仿真

仿真生成目標(biāo)回波時按照設(shè)定的雷達(dá)波束掃描方式進行空域掃描覆蓋。例如，當(dāng)天線波束掃描至某一方位角度/方位波位時，對所有俯仰波位按照掃描參數(shù)進行掃描，再進行下一方位波位的俯仰掃描。對于每一個波位，對處于天線波束覆蓋范圍內(nèi)的多個目標(biāo)回波進行疊加，得到當(dāng)前波位回波數(shù)據(jù)。設(shè)置以(35 km,0°)為中心，間隔為5 km×12°的9點點陣，如圖3(a)所示，仿真得到經(jīng)過脈壓的視頻數(shù)據(jù)如圖3(b)所示。通過改變仿真目標(biāo)的距離和方位，能夠驗證雷達(dá)理論分辨力。

2.3 一定信噪/雜比目標(biāo)回波仿真

圖3 點目標(biāo)回波仿真

在驗證雷達(dá)目標(biāo)檢測性能時通常需要一定信噪/雜比目標(biāo)的數(shù)據(jù)，仿真4個點目標(biāo)，設(shè)定信噪比分別為3、6、9、12 dB。仿真生成經(jīng)過脈壓后的數(shù)據(jù)如圖4(a)所示，從左至右信噪比依次增加。在仿真一定信雜比或雜波背景下目標(biāo)回波數(shù)據(jù)時可以模擬生成雜波數(shù)據(jù)，也可以采用實測雜波數(shù)據(jù)疊加仿真目標(biāo)的方式。目標(biāo)信雜比根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)局部雜波功率進行計算(局部區(qū)域大小可根據(jù)實際情況設(shè)置，因為雜波分布不均勻，采用局部雜波數(shù)據(jù)進行信雜比統(tǒng)計可以反映目標(biāo)在局部區(qū)域的強弱)。雜波中疊加目標(biāo)的強度也可以根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)信噪比計算，以衡量一定信噪比目標(biāo)在當(dāng)前雜波環(huán)境中的相對強弱。例如，對于特定的雜波場景數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)散射截面積大小，可以驗證目標(biāo)在穿越雜波時的檢測提取能力。仿真局部信雜比為12 dB的目標(biāo)疊加在實測海雜波中，如圖4(b)所示。

圖4 一定信噪/雜比目標(biāo)回波視頻仿真

2.4 MTI脈組回波仿真

設(shè)定仿真場景如圖5所示。雷達(dá)平臺沿正北方向以10 m/s速度勻速直線航行，雷達(dá)架高25 m。1個靜止目標(biāo)位置(30,30) km，高度50 m。1個運動目標(biāo)初始位置(100,100) km，高度2 000 m，定高飛行，以速度(200,200) m/s靠近雷達(dá)平臺。仿真1個MTI脈組處理結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為未進行平臺運動速度補償時的MTI處理結(jié)果，圖6(b)為平臺運動補償后的MTI處理結(jié)果。

圖5 仿真場景示意圖

圖6 參差MTI脈組回波仿真處理結(jié)果

2.5 MTD/PD脈組回波仿真

在強雜波環(huán)境下雷達(dá)通常會使用MTD/PD模式提高目標(biāo)探測能力。對于PD模式，由于在距離上存在模糊折疊，在實際應(yīng)用中需要先進行仿真驗證。以圖5仿真場景為例，設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號載頻3 GHz，設(shè)PD其中一個脈組脈沖重復(fù)周期為400 μs，對應(yīng)最大不模糊距離為60 km，最大不模糊速度為125 m/s。仿真得到的一個脈組回波數(shù)據(jù)如圖7所示。圖7(a)為距離-脈沖域數(shù)據(jù)，圖7(b)為距離-多普勒域數(shù)據(jù)。圖5中，運動目標(biāo)P1相對雷達(dá)平臺距離為141.435 km，雷達(dá)接收到目標(biāo)回波模糊距離為21.435 km，相對于雷達(dá)平臺的徑向速度為282.84 m/s，在多普勒域中主要位于第2個多普勒通道內(nèi)。從圖7中可以看出，仿真與分析結(jié)果吻合。

圖7 PD脈組回波仿真

對于圖5仿真場景，仿真PD模式多個脈組回波數(shù)據(jù)如圖8所示。圖8(a)為信號處理后距離模糊視頻數(shù)據(jù)，距離量程為0～60 km，圖8(b)為點跡提取結(jié)果，處理結(jié)果與仿真場景一致。

對于圖3仿真場景，設(shè)9個點目標(biāo)速度均為500 m/s，定高飛行。仿真PD模式多個脈組回波數(shù)據(jù)如圖9所示。圖9(a)為信號處理后距離模糊視頻數(shù)據(jù)，距離量程為0～27 km，圖8(b)為點跡提取結(jié)果， 處理結(jié)果與仿真場景一致。

圖8 PD模式目標(biāo)回波仿真

圖9 PD模式目標(biāo)回波仿真

3 結(jié)束語

本文針對地面/艦載兩坐標(biāo)/三坐標(biāo)搜索雷達(dá)探測幾何模型，提出了一種雷達(dá)目標(biāo)回波建模與仿真方法，能夠根據(jù)設(shè)定的雷達(dá)波束掃描方式、雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)，仿真生成雷達(dá)目標(biāo)零中頻IQ數(shù)據(jù)。通過對常規(guī)單脈沖、MTI/MTD模式和PD模式下一定信噪比/信雜比目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的模擬仿真，驗證了仿真方法的正確性。根據(jù)本文的仿真方法，可以連續(xù)仿真多個天線周期目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，且在雷達(dá)目標(biāo)回波仿真過程中還可以疊加有源干擾信號，為驗證目標(biāo)檢測跟蹤等信息處理流程和算法提供支撐。