基于目標(biāo)模擬設(shè)備的對空情報雷達(dá)檢飛方法設(shè)計

侯丹丹,石宏圖,王劍峰

(1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518000;2.93147部隊,成都 610000;3.成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司,成都 610500)

0 引 言

采用真實(shí)飛機(jī)檢飛是我軍檢驗(yàn)對空情報雷達(dá)探測威力、測量精度、分辨力和抗干擾能力等戰(zhàn)術(shù)性能的主要手段之一。但隨著裝備檢飛架次急劇增加,試驗(yàn)組織協(xié)調(diào)工作量巨大,資源耗費(fèi)多,時間跨度大,綜合費(fèi)效比低[1-4],因此一種新型的基于目標(biāo)模擬設(shè)備的檢飛方式應(yīng)運(yùn)而生。目標(biāo)模擬設(shè)備是基于半實(shí)物模擬手段及設(shè)備,模擬目標(biāo)、背景及干擾信號,以代替真實(shí)飛機(jī)目標(biāo)、真實(shí)雜波背景及干擾信號,用來檢驗(yàn)對空情報雷達(dá)主要戰(zhàn)術(shù)性能的一種試驗(yàn)方法。相比傳統(tǒng)檢飛試驗(yàn)方法,模擬檢飛具有支持目標(biāo)類型多、試驗(yàn)成本低、保密性高、樣本量大、邊界明顯、可多次重復(fù)、利于問題分析等突出優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)公開資料,美國和西歐國家的雷達(dá)裝備鑒定試驗(yàn)一般采用“內(nèi)場性能測試與外場標(biāo)校設(shè)備測量”的模擬檢飛方式(如RASS系統(tǒng)等),并未采用真實(shí)飛機(jī)檢飛,雷達(dá)用戶通過實(shí)際使用裝備,高度認(rèn)可采用目標(biāo)模擬設(shè)備檢飛的可信性。俄羅斯的部分新研裝備也未采用真實(shí)飛機(jī)檢飛,而是通過探測標(biāo)校球的方式進(jìn)行性能鑒定[5-7]。采用目標(biāo)模擬設(shè)備完成雷達(dá)裝備性能鑒定和確認(rèn),已成為國外雷達(dá)裝備發(fā)展的必然趨勢[8-10],也是適應(yīng)未來我軍裝備試驗(yàn)鑒定工作需求的重要技術(shù)支撐手段。本文提出一種基于目標(biāo)模擬設(shè)備的對空情報雷達(dá)檢飛方法,此方法已實(shí)際應(yīng)用于某型雷達(dá)的檢飛工作。

1 技術(shù)原理

在真實(shí)飛機(jī)檢飛試驗(yàn)場景中,飛機(jī)按照規(guī)定的航跡飛行,其航跡信息包括目標(biāo)的航線距離段、航向方位、仰角變化量、飛行速度范圍等;而目標(biāo)模擬設(shè)備檢飛試驗(yàn)場景(如圖1所示)主要是將飛機(jī)等效替換成目標(biāo)模擬系統(tǒng)與升降平臺。

圖1 目標(biāo)模擬設(shè)備試驗(yàn)場景示意圖

升降平臺(系留無人機(jī)或高塔)搭載電子載荷設(shè)備(包括收發(fā)天線、功放和光傳主機(jī)等)升空,在空中接收雷達(dá)輻射信號,并通過延時轉(zhuǎn)發(fā)接收的雷達(dá)輻射信號模擬目標(biāo)回波。此時模擬的場景目標(biāo),其俯仰角取決于升降平臺高度(可通過裝置測量),距離變化可通過目標(biāo)模擬系統(tǒng)的延遲調(diào)整實(shí)現(xiàn),速度變化可通過調(diào)整目標(biāo)模擬系統(tǒng)的頻率偏差實(shí)現(xiàn),雷達(dá)目標(biāo)反射截面積(RCS)及距離引起的能量變化可通過調(diào)整目標(biāo)模擬系統(tǒng)的功率實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)模擬系統(tǒng)在距離雷達(dá)r、仰角β處,通過調(diào)整輻射功率、延遲時間和頻率偏移,來模擬距離R、仰角β、速度V的飛行目標(biāo);通過調(diào)整升降平臺的高度改變模擬目標(biāo)的仰角。根據(jù)此試驗(yàn)場景,可總結(jié)出目標(biāo)模擬設(shè)備需準(zhǔn)確模擬出的真實(shí)飛機(jī)的RCS、距離、速度、方位和俯仰。

1.1 RCS模擬原理

典型的雷達(dá)目標(biāo)起伏分為5類:

(1)Swerling 0類,不起伏;

(2)Swerling I類,慢起伏、瑞利分布,適用于復(fù)雜目標(biāo)由大量近似相等單元散射體組成的情況;

(3)Swerling II類,快起伏、瑞利分布,適用于復(fù)雜目標(biāo)由大量近似相等單元散射體組成的情況;

(4)Swerling III類,慢起伏,適用于目標(biāo)具有一個較大反射體和許多小反射體合成,或者一個大的反射體在方位上有小變化的情況;

(5)Swerling IV類,快起伏,適用于目標(biāo)具有一個較大反射體和許多小反射體合成,或者一個大的反射體在方位上有小變化的情況。

通過功率模擬實(shí)現(xiàn)目標(biāo)RCS模擬,根據(jù)已知的架設(shè)距離、雷達(dá)輻射功率、天線增益、模擬距離、模擬系統(tǒng)天線增益、被模擬目標(biāo)RCS,通過公式推導(dǎo),使目標(biāo)模擬系統(tǒng)的輸出信號與被模擬目標(biāo)回波信號到達(dá)雷達(dá)口面的功率相等,如圖2所示。

圖2 目標(biāo)RCS模擬原理

依據(jù)雷達(dá)方程,雷達(dá)照射真實(shí)目標(biāo)得到的回波功率可表示為

(1)

模擬雷達(dá)主瓣范圍內(nèi)的目標(biāo),用等效調(diào)制目標(biāo)反射的回波信號功率,雷達(dá)接收RCS為σ的目標(biāo)反射功率可表示為

(2)

(3)

式中,r為模擬系統(tǒng)到雷達(dá)的距離;R為模擬目標(biāo)到雷達(dá)距離;Pt為雷達(dá)發(fā)射功率;Gt為主瓣天線增益;Ptsim為目標(biāo)模擬器發(fā)射功率;Gtsim為目標(biāo)模擬設(shè)備天線增益;L1為目標(biāo)到雷達(dá)的距離相關(guān)的衰減;L2為模擬設(shè)備到雷達(dá)的距離相關(guān)的衰減。

雷達(dá)檢飛試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)RCS以Swerling I類目標(biāo)為主,目標(biāo)RCS為起伏序列。Swerling I類目標(biāo)的模擬是在Swerling 0類目標(biāo)的基礎(chǔ)上增加功率起伏調(diào)制,調(diào)制序列的產(chǎn)生采用理論模型仿真計算方式。Swerling I類目標(biāo)概率密度函數(shù)為

(4)

根據(jù)理論模型,Swerling I類目標(biāo)RCS為2 m2的仿真結(jié)果如圖3所示。

(a) RCS值

1.2 距離模擬原理

通過延時變化等效模擬距離變化,目標(biāo)距離模擬原理如圖4所示。

圖4 目標(biāo)距離模擬原理

對于距離為R的飛機(jī)目標(biāo),雷達(dá)發(fā)射信號與接收回波信號的時間間隔為

Δt目標(biāo)=2R/c

(5)

對于目標(biāo)模擬系統(tǒng),若不進(jìn)行時間延遲處理,則回波信號與雷達(dá)發(fā)射信號時間間隔為

Δt模擬=2r/c+tm

(6)

式中,tm為目標(biāo)模擬系統(tǒng)接收雷達(dá)信號后的處理轉(zhuǎn)發(fā)時間。

可見,為了能真實(shí)模擬目標(biāo)信號,目標(biāo)模擬系統(tǒng)模擬回波與飛機(jī)目標(biāo)回波相對于雷達(dá)發(fā)射信號的時間間隔應(yīng)當(dāng)一致,因此目標(biāo)模擬系統(tǒng)在轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)接收信號時須進(jìn)行時間延遲處理,時延時間為

Δt=Δt目標(biāo)-Δt模擬=2R/c-(2r/c+tm)

(7)

1.3 速度模擬原理

由于飛機(jī)運(yùn)動會導(dǎo)致出現(xiàn)多普勒頻移,因此采用頻率偏移量值模擬目標(biāo)速度。

多普勒頻移計算公式為

(8)

式中,V為模擬飛機(jī)目標(biāo)運(yùn)動速度;λ為雷達(dá)信號波長;β為模擬目標(biāo)運(yùn)動方向相對于目標(biāo)與雷達(dá)徑向方向的夾角。

1.4 方位和俯仰模擬原理

測量目標(biāo)模擬系統(tǒng)掛載平臺相對雷達(dá)的方位和俯仰角,作為模擬目標(biāo)的方位和俯仰。

2 設(shè)備標(biāo)定

每次試驗(yàn)前標(biāo)定目標(biāo)模擬系統(tǒng)模擬Swerling I類目標(biāo)的準(zhǔn)確性。在標(biāo)定時,目標(biāo)模擬系統(tǒng)與定標(biāo)球處于同一個方位,標(biāo)定場景如圖5所示。

圖5 目標(biāo)模擬器標(biāo)定場景示意圖

標(biāo)定步驟如下:

(1)按圖5所示搭建試驗(yàn)場景;

(2)啟動雷達(dá),設(shè)置雷達(dá)波束指向目標(biāo)模擬系統(tǒng);

(3)目標(biāo)模擬系統(tǒng)接收雷達(dá)輻射信號,通過理論計算并進(jìn)行調(diào)制,輸出RCS為2 m2、距離2 km處的Swerling I類目標(biāo)模擬等效回波;

(4)雷達(dá)接收目標(biāo)模擬系統(tǒng)模擬回波信號,自動錄取1 000個回波功率,統(tǒng)計這些回波功率數(shù)據(jù)的起伏趨勢;

(5)觀察分布趨勢是否一致,對比采集的分布趨勢和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡娣植稼厔菔欠穹娜鹄植?

(6)計算統(tǒng)計的雷達(dá)采集數(shù)據(jù)均值是否為2 m2。

3 模擬檢飛與真實(shí)檢飛差異

模擬檢飛方法與真實(shí)飛機(jī)檢飛在航線設(shè)計與樣本采樣方面主要的差異,如表1所示。

表1 模擬檢飛方法與真實(shí)飛機(jī)檢飛方法比較

4 雷達(dá)聯(lián)試

雷達(dá)與目標(biāo)模擬設(shè)備的聯(lián)試情況如圖6所示,證明模擬檢飛方法正確可行。目前,空軍機(jī)關(guān)已將模擬檢飛方法作為檢驗(yàn)該雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)性能的主要試驗(yàn)方法之一,列入了雷達(dá)設(shè)計鑒定檢飛試驗(yàn)大綱。后續(xù)還將根據(jù)試驗(yàn)情況,在其他新研對空情報雷達(dá)裝備鑒定試驗(yàn)中推廣模擬檢飛方法。

圖6 目標(biāo)模擬設(shè)備與雷達(dá)聯(lián)試效果

5 結(jié)束語

本文采用功率起伏調(diào)制、時間延遲調(diào)制、多普勒頻率偏移和升降平臺搭建等方法,研制目標(biāo)模擬設(shè)備,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)目標(biāo)向背站飛行時的主要特征模擬。結(jié)合雷達(dá)檢飛項目需求,研究雷達(dá)模擬檢飛試驗(yàn)方法用于驗(yàn)證雷達(dá)主要戰(zhàn)術(shù)性能的科學(xué)性、可行性和有效性。

基于目標(biāo)模擬器的檢飛目前仍存在樣本容量較小、與真實(shí)飛機(jī)起伏的一致性有待驗(yàn)證等問題,不過基于目標(biāo)模擬系統(tǒng)的雷達(dá)檢飛已是大勢所趨。本文為空軍后續(xù)對空情報雷達(dá)裝備廣泛開展模擬檢飛鑒定試驗(yàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ),有較大的參考價值。