雷達(dá)作戰(zhàn)復(fù)雜電磁環(huán)境模擬

王春雨 齊興龍 周一鵬

（空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130022）

現(xiàn)代科技的進(jìn)步推動了軍事電子裝備的快速發(fā)展，使得作戰(zhàn)空間的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。D.V.Giri 對人為電磁威脅環(huán)境構(gòu)成要素進(jìn)行了系統(tǒng)分類[1]。李云剛完成了電子偵察雷達(dá)脈沖流的建模[2]。H.G.Kang 提出了干擾信號的綜合建模方法。[3]P.R.Boord 分析了目標(biāo)相干視頻回波模型[4]。雷達(dá)是現(xiàn)代空戰(zhàn)重要的電子設(shè)備，對雷達(dá)工作的復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行有效仿真成為加強(qiáng)雷達(dá)作戰(zhàn)應(yīng)用訓(xùn)練的重要一環(huán)[5]。

本文利用三維數(shù)字地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供典型區(qū)域，通過仿真系統(tǒng)可對該區(qū)域的材質(zhì)及作戰(zhàn)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)環(huán)境的仿真。系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)模型驅(qū)動，通過信號電平仿真，系統(tǒng)具有高保真度，并通過良好的人機(jī)交互功能，使系統(tǒng)易于操作。系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)載轟炸、火控雷達(dá)的空海、空地、輔助導(dǎo)航等工作環(huán)境進(jìn)行有效的模擬。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括控制部分、訓(xùn)練終端部分和網(wǎng)絡(luò)通信三部分。主控制部分由控制計(jì)算機(jī)和終端顯示器構(gòu)成。主要完成航線規(guī)劃、目標(biāo)設(shè)置、訓(xùn)練參數(shù)的設(shè)置、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)處理等。訓(xùn)練終端由終端計(jì)算機(jī)、終端顯示器等部分構(gòu)成。終端計(jì)算機(jī)通過采集終端控制臺的操作數(shù)據(jù)，完成訓(xùn)練過程，主要包括雷達(dá)狀態(tài)模擬、雷達(dá)數(shù)據(jù)生成、人機(jī)交互等內(nèi)容并模擬真實(shí)雷達(dá)顯示器及操控部件。

2 航線規(guī)劃仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 載機(jī)姿態(tài)生成

載機(jī)模塊主要用于在仿真過程中生成飛機(jī)的預(yù)設(shè)航跡和實(shí)時解算飛行位置。載機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行航跡可以很好地表示載機(jī)在空中的飛行情況。機(jī)體坐標(biāo)系包括方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。航跡是指飛行器的測量時間序列，它是反映目標(biāo)飛行航線、航速，以及飛行目的的重要參數(shù)[6]。在仿真系統(tǒng)中，對飛機(jī)的運(yùn)動做了簡化，不考慮風(fēng)速對于飛機(jī)速度的影響，確定了地面坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系與雷達(dá)坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系如公式（1）。

其中，θ 為俯仰角，是飛機(jī)縱軸與水平面之間的夾角；ψ 為偏航角，是飛機(jī)縱軸在水平面上的投影與地軸之間的夾角；γ 為滾轉(zhuǎn)角，是飛機(jī)對稱面與包含軸的鉛錘面之間的夾角。

2.2 航線生成

在仿真系統(tǒng)中，航跡生成是根據(jù)操作者仿真準(zhǔn)備時的設(shè)置來生成飛機(jī)在仿真過程中的飛行軌跡。如果操作者在仿真中沒有對飛行器進(jìn)行飛行控制，系統(tǒng)將按照預(yù)先設(shè)定的飛行方式進(jìn)行飛行；如果操作者在仿真中控制飛機(jī)，預(yù)設(shè)的飛行方向?qū)l(fā)生改變，系統(tǒng)將根據(jù)調(diào)整后的軌跡進(jìn)行仿真。航跡在仿真初始時進(jìn)行設(shè)置，通過地圖拾取功能可以直接在地圖上進(jìn)行航跡點(diǎn)設(shè)置，同時可以在航跡參數(shù)編輯界面對航跡點(diǎn)的經(jīng)緯度及飛行高度進(jìn)行修改。

3 環(huán)境仿真實(shí)現(xiàn)

為降低數(shù)據(jù)處理量，提高針對性，首先以緯度范圍方式選取處理區(qū)域。自動預(yù)處理根據(jù)高程數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)。自動識別地物，包括樹木林地、城市村莊、河流湖泊和道路橋梁，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)單位下的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。處理完成后將預(yù)處理數(shù)據(jù)入庫。

仿真推演訓(xùn)練開始前，應(yīng)在雷達(dá)客戶端和仿真客戶端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。主程序采用Ribbon 界面設(shè)計(jì)，界面工具欄根據(jù)功能需求劃分為主頁、地物、任務(wù)、3D 視圖、工具等。

主頁工具欄主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)文件的編輯和2D 地圖的操作；地物工具欄用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息預(yù)處理的人機(jī)交互操作；任務(wù)工具欄用于實(shí)現(xiàn)仿真態(tài)勢的部署和仿真推演控制；3D 視圖工具欄用于3D 地圖交互；工具欄主要提供界面交互所需的工具及系統(tǒng)設(shè)置等。

主程序界面實(shí)現(xiàn)采用Model-View-ViewModel 設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)，其中Model 為UI2DComponent 和UI3DCompo nent；View 為顯示界面；ViewModel 將二者有機(jī)結(jié)合，一方面獲取Model 中的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)與View 的綁定，另一方面響應(yīng)View 的操作，實(shí)現(xiàn)與仿真框架的交互。

2D 地圖平臺采用GMap.Net，3D 地圖采用AGI Insig ht3D，并自主實(shí)現(xiàn)本地衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和矢量地圖的加載與態(tài)勢的標(biāo)繪。

為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的鼠標(biāo)交互命令響應(yīng)，界面實(shí)現(xiàn)抽象出UI2DCommand 和UI3DCommand，用于記錄和處理界面尤其是2D 和3D 平臺的人機(jī)交互。

4 面反射仿真模塊

4.1 地面散射模型

在反射模擬中，地面反射回波特性分析的一個重要指標(biāo)是后向散射系數(shù)σ0?；夭ǖ暮笙蛏⑸湎禂?shù)是指散射體表面反射特性和后向散射特性的乘積按空間范圍的歸一化系數(shù)[7]。也可以說，后向散射系數(shù)σ0是雷達(dá)截面積在單位面積上的平均值。由于地雜波的非均勻性，回波模型通常采用統(tǒng)計(jì)模型，地雜波后向散射系數(shù)服從一定的分布。后向散射系數(shù)與雷達(dá)照射的入射角之間存在依賴關(guān)系，一般情況下，入射余角越接近0°，后向散射系數(shù)σ0越小，入射余角越接近90°，后向散射系數(shù)σ0越大。仿真系統(tǒng)中選用的模型為：可得后向散射系數(shù)與擦地角之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 后向散射系數(shù)與擦地角的關(guān)系圖

4.2 劃分地面散射單元

地面散射單元的劃分應(yīng)滿足每個散射單元的天線增益、距離和入射角恒定。在仿真系統(tǒng)中，假設(shè)反射是均勻的，即來自不同散射單元的后向散射信號是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，空間上沒有相干性。在整個雷達(dá)探測的區(qū)域內(nèi)，地表面被劃分為ΔR×Δθ的網(wǎng)格單元，其中ΔR為距離環(huán)的寬度，Δθ為方位角間隔，如圖2 所示。

圖2 散射單元劃分

4.3 距離環(huán)寬度的確定

如果距離門寬度為τ，則距離分辨率單元為cτ/2。在地面反射時，其距離寬度近似為一個距離分辨率單元，即ΔR=cτ/2。在一定的距離環(huán)內(nèi)，可以把距離環(huán)看成一個平面。在參考坐標(biāo)系中，俯仰角是固定的，方位角在360°內(nèi)變化。

4.4 確定單個散射單元參數(shù)

為了確定散射單元的回波信號，首先必須確定散射單元的相關(guān)屬性，包括參考坐標(biāo)系下散射單元的方位角、俯仰角、擦除角和雷達(dá)截面積。

根據(jù)機(jī)載雷與達(dá)散射單元的相對幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出散射單元中心俯仰角：

其中，H為載機(jī)高度，Ri為載機(jī)到散射單元中心的距離，Re是地球平均半徑的4/3。

散射單元中心的方位角在360°范圍內(nèi)變化，每次遞增Δθ，則某距離環(huán)內(nèi)的第k散射單元的方位角為：

經(jīng)過坐標(biāo)變換，能夠得到機(jī)體坐標(biāo)系中散射單元的方位角θ0和俯仰角φ0。散射單元的擦地角為：

4.5 散射單元的回波信號模型

所有雜波散射元的相干疊加就是地雜波的相干模型，所以必須先確定一個散射單元的回波信號。根據(jù)雷達(dá)方程，在（θ，φ）處雷達(dá)接收到的散射單元回波信號幅度可表示為：

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射信號的峰值功率，λ為雷達(dá)工作波長，σ為該散射單元的雷達(dá)截面積，G(αr，βr)為雷達(dá)天線增益，(αr，βr)為散射單元相對于天線的方位角和俯仰角，L為雷達(dá)綜合損耗。

4.6 地面回波模擬仿真

結(jié)合地雜波相干信號模型，地雜波的相干信號仿真過程為：首先讀取雷達(dá)參數(shù)、地球半徑、載機(jī)參數(shù)和散射系數(shù)，然后計(jì)算距離分辨單元Ru=cτ/2，散射單元數(shù)量為

再推算散射單元中心的俯仰角：

最后計(jì)算散射單元的擦地角：

當(dāng)方位角θ=0 時，確定如果滿足制定條件，調(diào)整天線方向圖，計(jì)算，天線面積ΔA=RiΔRΔθ，雷達(dá)截面積σ=σ0ΔA，產(chǎn)生后向散射系數(shù)序列，并產(chǎn)生下一個單元回波信號，方位角θ=θ+Δθ，如果θ＞2π，則i=i+1，判斷i 是否大于N，若i 小于N，重新推算散射單元中心的俯仰角：

重復(fù)上述過程；若i 大于N，直接結(jié)束。如果不滿足制定條件，直接判斷i 是否大于N，重復(fù)后續(xù)過程。

5 目標(biāo)回波模擬設(shè)計(jì)

在仿真系統(tǒng)中，通過天線模塊實(shí)時獲取天線指向，利用目標(biāo)與載體的相對位置關(guān)系來判斷目標(biāo)是否在天線波束內(nèi)。如果目標(biāo)不在波束內(nèi)，則認(rèn)為目標(biāo)不能被雷達(dá)探測到，則不會產(chǎn)生該目標(biāo)的回波信號；當(dāng)目標(biāo)在波束內(nèi)時，根據(jù)結(jié)合天線增益、目標(biāo)距離和目標(biāo)與載體之間的相對位置的回波信號模型對目標(biāo)回波信號進(jìn)行仿真。

6 總結(jié)

本文提出的仿真系統(tǒng)利用三維數(shù)字地球系統(tǒng)作為雷達(dá)波束掃描對象，構(gòu)建了與實(shí)際雷達(dá)相同的電磁作戰(zhàn)環(huán)境，能夠真實(shí)地反映雷達(dá)的工作狀態(tài)，與真實(shí)的電磁環(huán)境相似度較高，可用于電子裝備在指定電磁環(huán)境中的模擬訓(xùn)練，有助于提高訓(xùn)練效果。