艦載跟蹤雷達中頻回波信號的逼真模擬

陳 翰，張友益

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達系統(tǒng)模擬是設計和研究雷達的一種重要手段，雷達系統(tǒng)模擬是將雷達發(fā)射信號發(fā)射、傳播、調(diào)制、接收及信號處理過程不斷復現(xiàn)及優(yōu)化雷達的模擬方法。雷達系統(tǒng)模擬的核心是精準構(gòu)建系統(tǒng)中各個部分模型，對雷達回波信號的模擬是雷達系統(tǒng)模擬的核心。在雷達回波模擬中主要的2類散射回波模型是目標回波模型和雜波模型，對雷達目標回波的模擬著重關(guān)注雷達目標的后向散射模型。

雷達目標散射截面積的獲取方法主要有嚴格理論計算、暗室縮比或外場全尺寸測量、高頻軟件計算雷達反射截面積(RCS)方法。其中嚴格理論計算耗費時間長，且對于復雜的擴展目標模型并不適用；在外場進行全尺寸測量準確度高但耗資巨大，且姿態(tài)角等變量難以精確控制；雖然室內(nèi)縮比模型測量的RCS數(shù)據(jù)準確度較高，但無法模擬目標的動態(tài)信息和仿真場景變化；近些年國內(nèi)外研發(fā)了很多種電磁計算軟件，可結(jié)合CAD軟件對目標建模并計算各種靜態(tài)RCS數(shù)據(jù)。目前雷達回波模擬技術(shù)還主要是對目標的幅度和相位進行模擬，對于目標的姿態(tài)角、極化特性、起伏特性和頻率特性等重要信息模擬效果較差。

本文對跟蹤雷達目標的中頻回波進行模擬，提出了一種對任意姿態(tài)角、極化特性和頻率特性下的雷達中頻回波信號的逼真模擬方法。首先對雷達發(fā)射信號和相控陣方向圖建模，研究了目標運動和坐標轉(zhuǎn)換方式。主要以F22飛機為例，在跟蹤雷達體制和仿真場景下，對某特定時刻姿態(tài)角、極化方式和頻率特性下的雷達中頻回波進行了模擬，與F22實測一維距離向數(shù)據(jù)進行對比，得到了目標回波信號的逼真模擬結(jié)果。

1 雷達發(fā)射信號模型和目標坐標轉(zhuǎn)換模型

1.1 發(fā)射信號模型

線性調(diào)頻信號中復包絡為：

()=ejπ，0≤≤

(1)

數(shù)學表達式為：

(2)

式中：調(diào)頻斜率=，為帶寬，為脈寬；為發(fā)射信號中心頻率。

相控陣方向圖函數(shù)：

(3)

式中：、分別為行列陣元數(shù)；、分別為行列陣元間距；、分別為行列陣元相移；為天線波長。

1.2 目標姿態(tài)角

對于目標轉(zhuǎn)動引起的姿態(tài)角變化，計算轉(zhuǎn)動后目標相對初始位置的位移得到轉(zhuǎn)動后目標的位置信息和姿態(tài)角。

1.3 目標運動建模

假設目標的運動是加速直線運動，其他復雜的運動可以分別投影在、、平面進行計算。對于航跡已知的運動，直接由目標運動到某時刻的瞬時信息計算姿態(tài)角。目標的初始位置設為(,,)，俯仰角為，方位角為，加速度為(,,)，速度為(,,)，則勻加速運動到時刻的坐標為：

(4)

目標瞬時坐標為((),(),())，計算瞬時徑向距離、回波延時、方位角和俯仰角：

(5)

1.4 坐標系轉(zhuǎn)換

在甲板坐標系中，航向角為艦艏與正北的夾角；縱搖角為艦艏相對于水平面的轉(zhuǎn)角，艦艏抬高為正；橫搖角為甲板繞艦艏與水平面的夾角，右舷下降為正。艦船上一點在大地直角坐標系中的坐標為(,,)，轉(zhuǎn)換為甲板坐標系中的坐標(,,)為：

(6)

甲板坐標系中的坐標(,,)轉(zhuǎn)換為大地直角坐標系中的坐標(,,)：

(7)

2 擴展目標的仿真方法

雷達波照射到電大尺寸目標，在能獲得目標的固定姿態(tài)角、極化方式、頻率特性下的RCS值時，可以使用沖激響應法將目標的運動、RCS等信息與回波信號進行耦合。將特定的環(huán)境參數(shù)、頻率特性、極化特性、目標姿態(tài)角和傳輸損耗等參數(shù)構(gòu)成一個線性系統(tǒng)()，得到更加逼真的模擬效果:

()=()*()

(8)

(9)

目標回波信號表示為：

(10)

式中:為雷達發(fā)射信號的調(diào)制幅度；為回波時延。

雷達接收機接收到射頻頻段的信號進行下變頻操作，將時延、多普勒頻率代入式(10)，得到單個散射點的目標回波中頻信號為：

(11)

擴展目標個點的目標中頻回波信號為：

(12)

擴展目標回波的沖激響應為：

(13)

將RCS數(shù)據(jù)代入式(13)得到擴展目標回波，下面對目標散射截面積進行仿真。

3 基于高頻電磁仿真軟件的目標RCS精確模擬方法

在FEKO中設置求解參數(shù)：入射角為45°，雷達載波頻率為9 GHz，激勵源近似設置為平面波，求解方法選擇大面元物理光學法(LE-PO)。本文對飛機進行三維建模后利用FEKO軟件計算各種距離、姿態(tài)角下的瞬時RCS數(shù)據(jù)并用于模擬雷達特定時刻的目標中頻回波。在FEKO中建立F22飛機模型并進行仿真，網(wǎng)格劃分如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 網(wǎng)格劃分后的F22飛機模型

圖2 頻率9 GHz，入射角45°，HH極化下 F22的RCS圖

4 雜波和噪聲

雷達回波信號中除目標和干擾外的其他散射現(xiàn)象為雷達雜波，K雜波廣泛應用于高分辨率雷達海雜波的模擬。使用球不變隨機過程法模擬K分布雜波的幅度譜和功率譜，接收機噪聲一般為高斯白噪聲。目標及其傳播損耗、雜波、噪聲各個部分矢量疊加得到雷達接收端的中頻回波信號。

5 仿真流程及結(jié)果

仿真模型中跟蹤雷達參數(shù)如下：

工作體制：放大鏈式頻率捷變體制、脈組捷變頻和動目標處理兼容、數(shù)字動目標檢測(MTD)、單脈沖角跟蹤和光學輔助跟蹤與監(jiān)視。

跟蹤性能：最大距離跟蹤速度≥900 m/s；最大距離跟蹤加速度≥200 m/s；跟蹤范圍：0～360°。

抗干擾能力：抗寬帶阻塞干擾；抗窄帶瞄準干擾；抗距離拖曳干擾；抗速度拖曳干擾；抗角欺騙干擾；抗無源雜波干擾；抗氣象干擾。

分辨率：方位不大于2°；仰角不大于2°；距離不大于150 m。

抗干擾措施：脈間頻率捷變；脈組間頻率捷變；射頻掩護技術(shù)；脈沖重復周期抖動；MTD信號處理；距離前沿跟蹤；被動無源跟蹤；雷達光電復合跟蹤。

仿真參數(shù)：峰值功率35 kW；天線增益31 dB；天線陣元數(shù)100個；天線轉(zhuǎn)速24 r/m；極化方式為HH極化；信號帶寬150 MHz；載頻9 GHz；脈沖寬度0.01 μs；帶寬300 MHz；脈沖重復頻率4 000 Hz；噪聲系數(shù)1 dB。

仿真場景：雷達初始的波束指向為 0°，雷達天線波束掃描方向為順時針，飛機在開始仿真時處于波束指向方向，距雷達的水平距離10 km、飛行高度 2 km處，俯仰角45°，以方位角0°和 300 m/s 的速度飛向雷達。雜波為K分布模擬的海雜波環(huán)境。為了減小計算量，直接對相應波門內(nèi)的回波數(shù)據(jù)進行處理，給出了單個目標回波的波形和真實環(huán)境場景下的回波圖，并在脈壓后與真實飛機模型的一維距離像作對比，如圖3～圖5所示。

圖3 雷達中頻回波時域波形

圖4 仿真一維距離像

圖5 方位角0°的一維距離像實測數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文先計算目標運動過程中特定時刻的姿態(tài)角、運動信息、距離延時等信息，計算靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)得到運動狀態(tài)下特定時刻的雷達中頻回波信號，包含幅度相位信息、極化特性、頻率特性和幅度起伏特性等目標特性。為進一步研究跟蹤雷達和目標回波特性提供了方法和數(shù)據(jù)支撐。