基于VC6.0的相控陣?yán)走_視頻仿真系統(tǒng)

張 琛，劉德龍，戴 健

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達的工作原理是輻射電磁能量并檢測反射體反射回波，通過對回波信號中的時間、回波到達角等參數(shù)的計算可以得到目標(biāo)的距離、方位等信息[1]。

相控陣?yán)走_天線具有波束快速變化的特點，易于形成多個波束[2]。本文針對相控陣?yán)走_體制，根據(jù)雷達點跡處理的要求，針對相控陣?yán)走_特征，對雷達視頻進行方位向、俯仰向上的模擬，同時進行距離上的分裂模擬，以達到盡可能接近真實環(huán)境的視頻仿真效果。

1 問題描述

為了更好地驗證點跡提取、凝聚算法的真實可行性，本文介紹了基于相控陣?yán)走_的視頻模擬器的算法實現(xiàn)，該模擬器在方位向以及俯仰向上的視頻分布符合相控陣?yán)走_天線方向圖。當(dāng)按照天線掃描區(qū)域構(gòu)建完雷達視頻回波數(shù)據(jù)之后，將回波數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)報文形式發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊進行算法的驗證。

仿真系統(tǒng)基于VC6.0，通過圖形界面輸入模擬目標(biāo)的距離、方位、仰角、航速、航向、俯沖角等參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)航路，根據(jù)掃描周期、波束間隔將航路分割成點跡，再將點跡按照雷達工作頻率、波束寬度、波束步進、掃描周期、掃描方式等相關(guān)區(qū)域參數(shù)分解成相應(yīng)的回波幅度信息。

同時，在系統(tǒng)中內(nèi)嵌了常用的雷達命令功能：雷達二次命令(航跡的撤批、改批等)、雷達錄取回放功能。本系統(tǒng)作為驗證相控陣?yán)走_點跡數(shù)據(jù)處理、航跡數(shù)據(jù)處理的輸入源已經(jīng)得到了深入的驗證。在處理過程中通過本系統(tǒng)模擬出視頻、點跡，以網(wǎng)絡(luò)形式將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理。

仿真系統(tǒng)可以通過自建航跡來達到分解航跡的目的，根據(jù)項目需求，系統(tǒng)可以模擬徑向運動目標(biāo)、靜止目標(biāo)、圓周運動目標(biāo)、3G加速度目標(biāo)以及多批目標(biāo)運動靜止等等，以此多方面地驗證雷達數(shù)據(jù)處理算法的可行性。同時系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)處理分機發(fā)送的點跡航跡數(shù)據(jù)，并在顯示屏以及列表中顯示。

2 視頻模擬算法

2.1 系統(tǒng)算法概述

仿真系統(tǒng)通過對雷達傳播方程的模擬，來實現(xiàn)對目標(biāo)方位俯仰距離上的分裂，從而形成視頻回波。

本文以相控陣?yán)走_的一種掃描方式(先方位掃后俯仰掃)為例，分析視頻仿真算法，其他掃描方式類似。仿真系統(tǒng)工作流程如圖1所示。點跡解算流程圖如圖2所示。視頻解算流程圖如圖3所示。

圖1 仿真系統(tǒng)工作流程圖

圖2 點跡解算工作流程圖

圖3 視頻解算工作流程圖

要想做好視頻仿真工作，首先要了解相控陣點跡處理的詳細算法。在雷達工作時，天線按照波位掃描，掃描到目標(biāo)時返回回波。由于波位掃描到目標(biāo)的角度不同，因此產(chǎn)生的回波能量也不同。在波位分布不是太分散的前提下，點跡處理在方位向和俯仰向上多波位接收到的視頻會形成拋物線軌跡，拋物線的頂點即可認定為目標(biāo)所在位置。

以此為依據(jù)，結(jié)合目標(biāo)運動規(guī)律、雷達方程、雷達工作參數(shù)，即可得到目標(biāo)的幅度值。

2.2 點跡位置解算

2.2.1 直線題

首先計算出當(dāng)前區(qū)域的相鄰波束時間：

(1)

式中：ts為當(dāng)前區(qū)域掃描周期；Na為當(dāng)前區(qū)域方位向上的波束個數(shù)；Ne為當(dāng)前區(qū)域俯仰向上的波束個數(shù)。

當(dāng)前目標(biāo)水平速度為：

Vh=Vcosθfc

(2)

當(dāng)前目標(biāo)垂直速度為：

Vv=Vsinθfc

(3)

式中：V為當(dāng)前目標(biāo)速度；θfc為當(dāng)前目標(biāo)俯沖角。

一個天線周期運動所經(jīng)過的路程在水平面上的分量為：

Sh=VhtminNb

(4)

一個天線周期運動所經(jīng)過的路程在垂直面上的分量為：

Sv=VvtminNb

(5)

式中Nb為當(dāng)前波位個數(shù)。

當(dāng)前最新時刻的水平距離為：

(6)

當(dāng)前最新時刻的垂直距離為：

(7)

當(dāng)前仰角值：

(8)

當(dāng)前方位值：

(9)

式中：δ在順時針時為1，逆時針時為-1，徑向為0。

由此可以計算出當(dāng)前時刻目標(biāo)所在位置，即目標(biāo)點跡。

2.2.2 曲線題

將航路投影到直角坐標(biāo)系。首先將航路投影到y(tǒng)z平面(假設(shè)原點位于圓心，隨后再轉(zhuǎn)換回來)：

Dyz=Rcos(θa+Δθ)

(10)

式中：Δθ為2次計算的方位差。

目標(biāo)在Z坐標(biāo)中相鄰2次運動的距離差為ΔZ=Dyzsin(θfc)，其中θfc為當(dāng)前目標(biāo)俯沖角。

目標(biāo)當(dāng)前的距離：

(11)

目標(biāo)相對坐標(biāo)為：

(12)

轉(zhuǎn)換為目標(biāo)真實坐標(biāo)：

(13)

最后再將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的方位、仰角、距離：

(14)

由此即可得出目標(biāo)新的方位、距離、仰角。

2.3 視頻解算

由Kerr提出的單基地雷達(發(fā)射接收同基地)方程[3]：

(15)

根據(jù)幅度系數(shù)、當(dāng)前波位的波束指向、目標(biāo)的位置即可得出目標(biāo)在當(dāng)前波位對應(yīng)的幅度。

首先仿真出目標(biāo)的實部、虛部[4]：

cosθecsinθac)+kDl(sinθe-sinθe)))

(16)

cosθecsinθac)+kDl(sinθe-sinθe)))

(17)

當(dāng)前波位視頻幅度：

(18)

式中：Dr、Dl為行列單元的間距；θe、θa為目標(biāo)的方位、仰角；θec、θac為當(dāng)前波束的波束指向。

在使用時，可根據(jù)真實目標(biāo)回波幅度大小的不同對幅度值進行相應(yīng)的擴大縮小。

模擬5個接收波束，分別為中心波束、方位向上左右兩波束、俯仰向上上下兩波束。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 5個接收波束排列方式

在計算目標(biāo)在其他4個波束上的回波幅度值的時候，只需要將θec、θac增加或減少相應(yīng)的波束間隔即可。

之后為了驗證數(shù)據(jù)處理的距離凝聚，將目標(biāo)在距離向上進行分裂即完成視頻仿真。

3 模擬視頻效果

方位向、俯仰向的仿真結(jié)果(波束寬度2°，方位俯仰步進5°，方位向上17個波束，俯仰向上3個波束，共51個波束)如圖5～圖7所示。

圖5 一個周期內(nèi)各個波束上的視頻分布

圖6 徑向向內(nèi)目標(biāo)不同周期幅度變化

圖7 3G加速度仿真與驗證結(jié)果

圖8 32批徑向目標(biāo)仿真與驗證結(jié)果

4 結(jié)束語

本文主要介紹了相控陣?yán)走_視頻仿真的整個流程，分析了點跡解析、視頻解析，對距離、方位、俯仰分裂等問題作了詳細的研究說明，最后對視頻仿真結(jié)果進行了驗證，同時利用將仿真結(jié)果通過數(shù)據(jù)處理進行真實性驗證。