一種高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

羅 杰,孔令峰,張坤峰

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中,高分辨雷達是一個重要的發(fā)展方向[1]。高分辨雷達的距離分辨單元小于目標尺寸,目標占據(jù)多個距離單元,可提供更多目標特征信息,稱為擴展目標。近年來,隨著合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)等新體制高分辨力成像雷達在軍事和科技領(lǐng)域的應(yīng)用,擴展目標的概念進一步發(fā)展,由一維距離像目標延伸到二維面目標、三維體目標。在雷達系統(tǒng)研制過程中,雷達目標回波信號模擬器是不可缺少的設(shè)備[2]。因此,研制高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)對于高分辨雷達研制、生產(chǎn)、調(diào)試、測試、試驗以及檢驗具有重要意義。

本文針對現(xiàn)代高分辨力雷達擴展目標回波模擬提出了一種擴展目標模擬系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法,對高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)的研制具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

1 擴展目標模擬分析

對于高分辨力雷達而言,雷達的距離分辨單元小于目標尺寸,目標占據(jù)多個距離單元,其目標回波不能再被看作點目標,而是空間延展為由多個散射點組成的擴展目標?；夭ㄅc發(fā)射信號不再具有相同的形式,目標后向電磁散射在時域上呈現(xiàn)較多尖鋒和低谷[3]。常用的4種高距離分辨雷達體制為線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation,LFM)連續(xù)波雷達[4]、線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達[5]、步進頻率雷達(Stepped Frequency Radar,SFR)[6]和線性調(diào)頻兼步進頻率的調(diào)頻步進雷達[7]。高分辨力雷達信號的時域分辨能力取決于信號帶寬,因此為提高距離向的分辨能力,高分辨雷達通常采用頻率調(diào)制方法來增大信號寬帶[8]。頻率調(diào)制方法主要有線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和步進頻率等,其中線性調(diào)頻信號具有高信噪比、低副瓣的優(yōu)點[9]。

SAR雷達是一種新體制高分辨力成像雷達,獲得高質(zhì)量和高分辨力圖像是合成孔徑雷達追求的目標[10]。SAR成像雷達是一種在距離向和方位向都具有高分辨力的成像雷達,其將合成孔徑技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)和數(shù)字信息處理技術(shù)這3種技術(shù)結(jié)合在一起,可使用較短的天線獲得高距離向和方位向分辨率[11]。在距離向通過發(fā)射大帶寬信號,采用脈沖壓縮技術(shù)來獲取高分辨力;在方位向通過同一雷達傳感器在等間隔位置發(fā)射和接收脈沖信號,將接收的回波信號相干處理,依靠采用長時間信號獲得高分辨力。在SAR成像雷達中使用最多LFM脈沖信號,LFM信號通過在脈沖持續(xù)時間內(nèi)信號頻率的連續(xù)性變化來獲得較大的信號帶寬[12]。

綜上所述,為獲得更多目標信息或高質(zhì)量目標圖像,常用的4種高距離分辨雷達、SAR成像雷達等高分辨力雷達相對于傳統(tǒng)低分辨率雷達的共同特點是采用了大瞬時帶寬信號,通常采用線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和步進頻率等信號形式。對常用的4種高距離分辨雷達體制的目標回波模擬為一維距離像目標模擬,對SAR等高分辨力成像雷達的目標回波模擬為二維面目標和三維體目標目標模擬。因此,對高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)而言,首先要建立一維距離像目標、二維面目標、三維體目標的目標回波模型,再獲取目標雷達散射截面RCS特征數(shù)據(jù),構(gòu)建大時寬的目標回波模擬系統(tǒng),實現(xiàn)一維距離像目標、二維面目標和三維體目標的射頻回波信號模擬系統(tǒng)。

2 擴展目標回波模型

為實現(xiàn)高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng),首先需要建立一維距離像目標、二維面目標和三維體目標的目標回波模型。

2.1 一維距離像目標回波模型

一維距離像目標為距離上擴展的多散射點目標,可以近似為每個獨立散射體的沖激函數(shù)之和。

(1)

式中,ωi為第i個散射點的幅度加權(quán)值;h(ti)為每個散射點的沖激響應(yīng)。

每個散射點的沖激響應(yīng)h(ti)為

(2)

因此,在不考慮噪音時,一維距離目標回波模型可表示為如式(3)所示形式。

(3)

另外,文獻[11]提出了一種高分辨力雷達一維距離像擴展目標模擬方法?；诨夭ㄐ盘柕男纬稍斫⒘嘶夭ㄐ盘枖?shù)學(xué)仿真模型,給出了目標RCS調(diào)制因子的解算方法,并進行了仿真驗證。

2.2 二維面目標回波模型

二維面目標是指目標的散射點坐標指含有x、y信息,設(shè)目標的基準點坐標為(x0,y0),目標的某個散射點P的坐標為(x,y),雷達的坐標為(Xr,Yr)。若目標在(x0-Xr,y0-Yr)方向的平動速度為V,與Y軸方向的夾角為θ,目標的轉(zhuǎn)動速度為ω,則在ta時刻,某個散射點P與雷達的瞬時斜距為

(4)

因此,在ta時刻,對于某個散射點的回波信號,其數(shù)學(xué)模型為

(5)

式中,Kr為距離向調(diào)頻率;tr為采樣時間。

2.3 三維體目標回波模型

三維體目標是指目標散射點坐標含有z信息,設(shè)雷達的坐標為(xr,yr,zr),目標的基準點(初始時刻目標質(zhì)心)在雷達坐標系下的位置為(x0,y0,z0),目標的某個散射點P在以基準點為原點的目標坐標系下的位置為(x,y,z),目標坐標位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 目標坐標位置關(guān)系Figure 1. Target coordinate position relationship

若目標在(x0-xr,y0-yr,z0-zr)方向的平動速度為V,與Z軸方向的夾角為θ,與X軸方向的夾角為φ,目標ta時刻的姿態(tài)為(α1,α2,α3),姿態(tài)角分別為橫滾、俯仰和偏航,則在ta時刻,由姿態(tài)變化所引起的位置變化為

(6)

在ta時刻,某個散射點P與雷達的瞬時斜距為

(7)

因此,在ta時刻,對于某個散射點的回波信號,其數(shù)學(xué)模型為

(8)

式中,Kr為距離向調(diào)頻率;tr為采樣時間。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組成

高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)主要由目標RCS特征數(shù)據(jù)仿真計算服務(wù)器、場景規(guī)劃及綜合操控顯示計算機、寬帶射頻接收機單元、基帶回波信號產(chǎn)生單元、寬帶射頻通道單元、寬帶捷變頻率合成器單元和千兆以太網(wǎng)集線器、反射內(nèi)存網(wǎng)集線器等組成,其系統(tǒng)組成如圖2所示。

其中,目標RCS特征數(shù)據(jù)仿真計算服務(wù)器為一臺高性能服務(wù)器,安裝有復(fù)雜目標RCS電磁特性計算仿真軟件,目的是通過仿真計算獲取高分辨力雷達擴展目標回波模擬所需的目標的RCS特征數(shù)據(jù)。

場景規(guī)劃及綜合操控顯示計算機是整個模擬系統(tǒng)的操控顯示中心,承擔(dān)系統(tǒng)的系統(tǒng)控制與操控管理、資源調(diào)度與分配、模擬場景規(guī)劃與設(shè)置、戰(zhàn)情解算與分配、場景態(tài)勢顯示、系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示。

寬帶射頻接收機單元主要是接收高分辨力雷達的射頻發(fā)射信號,對接收到的雷達射頻信號[13]進行電平調(diào)整、脈沖參數(shù)測量以及下變頻等處理,實現(xiàn)平穩(wěn)接收和參數(shù)獲取[14]?；鶐Щ夭ㄐ盘柈a(chǎn)生單元主要是接收寬帶射頻接收機單元輸出的雷達中頻基帶信號,對雷達中頻基帶信號進行高速采樣、存儲、延遲、多普勒調(diào)制、RCS調(diào)制和恢復(fù),生成高分辨力雷達擴展目標回波基帶信號。寬帶射頻通道單元對基帶回波信號產(chǎn)生單元生成的擴展目標回波基帶信號進行上變頻和幅度調(diào)制,產(chǎn)生高分辨力雷達擴展目標回波射頻信號。寬帶捷變頻率合成器單元為寬帶射頻接收機單元和寬帶射頻通道單元提供中上、下變頻所需的本振信號。千兆以太網(wǎng)集線器和反射內(nèi)存網(wǎng)集線器為系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸所需的以太網(wǎng)和實時網(wǎng)系統(tǒng)。

3.2 運行原理

高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理Figure 3. System operation principle

在系統(tǒng)運行前,通過在目標RCS特征數(shù)據(jù)仿真計算服務(wù)器上安裝復(fù)雜目標RCS電磁特性計算仿真軟件。對建立的目標模型進行電磁仿真,通過仿真計算獲取高分辨力雷達擴展目標回波模擬所需的目標的RCS特征數(shù)據(jù),將目標的RCS特征數(shù)據(jù)下發(fā)給場景規(guī)劃及綜合操控顯示計算機。操作員通過場景規(guī)劃及綜合操控顯示計算機對試驗場景進行規(guī)劃,對場景參數(shù)、雷達參數(shù)和目標參數(shù)進行設(shè)置,生成初始戰(zhàn)情數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)初始化階段,場景規(guī)劃及綜合操控顯示計算機對各分系統(tǒng)進行軟硬件配置和初始化,并將雷達參數(shù)、目標參數(shù)和目標RCS特征數(shù)據(jù)等發(fā)送給各分系統(tǒng)。

在系統(tǒng)運行階段,場景規(guī)劃及綜合操控顯示計算機根據(jù)仿真周期計算目標的運動航跡和姿態(tài)數(shù)據(jù)實時下發(fā)給基帶回波信號產(chǎn)生單元。寬帶射頻接收機單元接收高分辨力雷達的射頻發(fā)射信號,對接收到的雷達射頻信號進行電平調(diào)整、脈沖參數(shù)測量以及下變頻等處理,實現(xiàn)平穩(wěn)接收和參數(shù)獲取,并將脈沖參數(shù)測量發(fā)送給重頻跟蹤器和4套基帶回波信號產(chǎn)生單元。重頻跟蹤器接收來自參數(shù)測量單元的脈沖描述字(Pulse Descriptor Word,PDW)數(shù)據(jù)流,進行跟蹤濾波,實現(xiàn)對雷達信號的快速、準確跟蹤,對跟蹤波門進行綜合,實時、穩(wěn)定地輸出與被試雷達信號相對應(yīng)的各種跟蹤波門和信號批號、目標跟蹤狀態(tài)等信息,發(fā)送給基帶回波信號產(chǎn)生單元,同時將目標跟蹤狀態(tài)發(fā)送給場景規(guī)劃及綜合操控顯示計算機。下變頻模塊將雷達射頻信號變頻至基帶回波信號產(chǎn)生單元所需的中頻信號,并功分放大4路,分別發(fā)送給4套基帶回波信號產(chǎn)生單元?；鶐Щ夭ㄐ盘柈a(chǎn)生單元采用寬帶射頻儲頻(Digital Radio Frequency Memory,DRFM)技術(shù),接收寬帶射頻接收機單元輸出的雷達中頻基帶信號,對雷達中頻基帶信號進行高速采樣、存儲、延遲、多普勒調(diào)制、RCS調(diào)制和恢復(fù),生成高分辨力雷達擴展目標回波基帶信號。寬帶射頻通道單元對基帶回波信號產(chǎn)生單元生成的擴展目標回波基帶信號進行上變頻和幅度調(diào)制,產(chǎn)生高分辨力雷達擴展目標回波射頻信號。寬帶捷變頻率合成器單元為寬帶射頻接收機單元和寬帶射頻通道單元提供中上、下變頻所需的本振信號。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中主要涉及寬帶射頻接收機[15]、大瞬時帶寬基帶回波信號產(chǎn)生、目標RCS數(shù)據(jù)獲取與調(diào)制以及寬帶捷變頻率合成器等關(guān)鍵技術(shù),直接決定系統(tǒng)功能和性能的實現(xiàn),對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

3.3.1 寬帶射頻接收機技術(shù)

系統(tǒng)的寬帶射頻接收機單元采用單比特數(shù)字接收體制的寬帶射頻接收技術(shù),以解決工作帶寬、瞬時帶寬、接收靈敏度、測頻精度的匹配協(xié)調(diào)工作,如圖4所示。

圖4 寬帶射頻接收機技術(shù)原理Figure 4. Broadband RF receiver technology principle

3.3.2 大瞬時帶寬基帶回波信號產(chǎn)生技術(shù)

系統(tǒng)的基帶回波信號產(chǎn)生單元采用大瞬時帶寬基帶回波信號產(chǎn)生技術(shù),主要包括寬帶數(shù)字儲頻技術(shù)和高速大容量數(shù)據(jù)存儲交換技術(shù),用于解決瞬時帶寬大、二維面目標和三維體目標RCS特征數(shù)據(jù)體量大、數(shù)據(jù)調(diào)制速率高以及實時性要求高等需求問題,如圖5所示。其中,DRFM采用了超高速的A/D、D/A變換器、高速大容量現(xiàn)場可編程邏輯控制器件FPGA(Field-Programmable Gate Array)[16-17]、雙口SDRAM(Synchronous Dynamic Random-Access Memory)等高速器件,可達到瞬時帶寬為1 000 MHz、延遲精度為5 ns、多普勒精度為1 Hz、存儲深度為4 ms的技術(shù)指標。

圖5 大瞬時帶寬基帶回波信號產(chǎn)生技術(shù)原理Figure 5. Principle of technology for generating large instantaneous bandwidth baseband echo signals

高速大容量數(shù)據(jù)存儲交換板由一套多片固態(tài)閃存芯片陣列組成,實時數(shù)據(jù)存儲速度高,能夠存儲總量1 TB的數(shù)據(jù)。板載FPGA作為固態(tài)閃存陣列的控制器,其數(shù)據(jù)交互通過4個12芯的光纖接口進行,光纖接口的最高設(shè)計速度為6.25 Gbit·s-1,以滿足系統(tǒng)調(diào)制數(shù)據(jù)的實時交換需要。

3.3.3 目標RCS數(shù)據(jù)獲取與調(diào)制技術(shù)

高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)可實現(xiàn)一維距離像目標、二維面目標和三維體目標的模擬。但無論是一維距離像目標、二維面目標還是三維體目標的RCS特征數(shù)據(jù)都需進行大量的仿真計算,RCS數(shù)據(jù)量也較大,在基帶信號上調(diào)制的RCS數(shù)據(jù)需要較高的數(shù)據(jù)傳輸率。目標RCS數(shù)據(jù)獲取與調(diào)制技術(shù)用于解決目標回波RCS數(shù)據(jù)仿真計算和高速調(diào)制問題。為了獲取目標的RCS特征數(shù)據(jù),系統(tǒng)的目標RCS特征數(shù)據(jù)仿真計算服務(wù)器采用RadBase、XPATCH、FEKO、GRECO-CMT、NURBS、NESC等典型的復(fù)雜目標RCS計算仿真軟件進行仿真計算。首先建立目標的基礎(chǔ)模型,再進一步完成高精度目標的三維幾何模型,然后引入復(fù)雜目標RCS計算仿真軟件,按照頻率步、角度步進行全頻段范圍、各姿態(tài)角度模擬仿真,對目標電磁散射特性進行分析、預(yù)估與仿真,反復(fù)迭代修正,從而獲得一維距離像目標、二維面目標、三維體目標的RCS特征數(shù)據(jù)。目標RCS調(diào)制因子的解算過程實質(zhì)為目標RCS的電壓量與雷達發(fā)射采樣信號的線性卷積過程[18],因此可以用時域卷積法進行解算[19]。為了在基帶信號上實時、高速、準確地調(diào)制獲得的目標RCS特征數(shù)據(jù),一方面需要寬帶數(shù)字儲頻和高速大容量數(shù)據(jù)存儲交換板,另一方面需要優(yōu)化快速調(diào)制方法,主要是采用在數(shù)字域進行時延數(shù)據(jù)和目標RCS特性數(shù)據(jù)的卷積調(diào)制,如圖6所示。

圖6 目標RCS特性數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)原理Figure 6. Principle of target RCS characteristic data modulation technology

3.3.4 寬帶捷變頻率合成器技術(shù)

寬帶捷變頻率合成器[20]單元的主要功能是為高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)的寬帶射頻接收機單元和寬帶射頻通道單元提供中上、下變頻所需的本振信號。為實現(xiàn)系統(tǒng)所需的寬頻帶、精細步進、快速引導(dǎo)的寬帶捷變頻率合成器,采用了寬帶捷變頻率合成器技術(shù)。該技術(shù)采用大頻率步進的直接式頻率合成器產(chǎn)生的標頻信號和可進行頻率精細控制的數(shù)字直接頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)產(chǎn)生的信號進行上變頻合成,從而生成可連續(xù)快速調(diào)整頻率的標頻信號。

寬帶捷變頻率合成器技術(shù)由精頻率步跳FFS1產(chǎn)生的精細頻率信號與粗頻率步跳FFS2產(chǎn)生的粗頻率信號混頻濾波后,再同粗頻率步跳FFS3和FFS4產(chǎn)生的頻率信號進行混頻,通過開關(guān)濾波器組濾波和放大器放大后輸出所需的寬頻帶、精細步進的低相噪本振信號。為保證變頻輸出信號的相參性,各標頻及DDS均是一個以100 MHz低相噪晶體振蕩器的頻率為基準而產(chǎn)生的連續(xù)波信號。寬帶捷變頻率合成器技術(shù)原理如圖7所示。

圖7 寬帶捷變頻率合成器技術(shù)原理Figure 7. Principle of broadband agile frequency synthesizer technology

4 試驗驗證

為了驗證高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)效果,首先建立某典型戰(zhàn)斗機目標的二維幾何模型,利用RadBase仿真軟件獲得該典型戰(zhàn)斗機目標的RCS特征數(shù)據(jù),再利用RadBase仿真軟件進行二維成像仿真,最后利用高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)進行射頻仿真和二維成像處理。RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果對比如圖8所示,其中圖8(a)為RadBase仿真結(jié)果,圖8(b)為射頻仿真二維成像處理結(jié)果。

(a)

(b)圖8 RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果對比(0°)(a)RadarBase二維成像結(jié)果 (b)射頻仿真二維成像處理結(jié)果Figure 8. Comparison of RadBase simulation result and RF simulation 2D imaging processing result(0°)(a)RadBase 2D imaging processing result (b)RF simulation 2D imaging processing result

為了將圖像散射點能和典型飛機目標部位對應(yīng),便于RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果分析對比,在RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果圖上疊加典型飛機目標輪廓線后的對比圖如圖9～圖11所示。

(a)

(b)圖9 疊加典型飛機目標輪廓線后的RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果對比(0°)(a)RadarBase二維成像結(jié)果 (b)射頻仿真二維成像處理結(jié)果Figure 9. Comparison of RadBase simulation result and RF simulation 2D imaging processing result after superimposing typical aircraf target contours(0°)(a)RadBase 2D imaging processing result (b)RF simulation 2D imaging processing result

(a)

(b)圖10 疊加典型飛機目標輪廓線后的RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果對比(20°)(a)RadarBase二維成像結(jié)果 (b)射頻仿真二維成像處理結(jié)果Figure 10. Comparison of RadBase simulation result and RF simulation 2D imaging processing result after superimposing typical aircraf target contours(20°)(a)RadBase 2D imaging processing result (b)RF simulation 2D imaging processing result

(a)

(b)圖11 疊加典型飛機目標輪廓線后的RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果對比(180°)(a)RadarBase二維成像結(jié)果 (b)射頻仿真二維成像處理結(jié)果Figure 11. Comparison of RadBase simulation result and RF simulation 2D imaging processing result after superimposing typical aircraf target contours(180°)(a)RadBase 2D imaging processing result (b)RF simulation 2D imaging processing result

5 結(jié)束語

通過RadBase仿真結(jié)果和射頻仿真二維成像處理結(jié)果的對比可知,利用所述高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)進行某典型戰(zhàn)斗機目標的模擬結(jié)果與利用RadBase仿真軟件進行某典型戰(zhàn)斗機目標的仿真結(jié)果一致,證明了高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)的有效性,可較為真實地模擬高距離分辨率雷達的回波信號,滿足高距離分辨率雷達的研制、生產(chǎn)、調(diào)試、測試、試驗以及檢驗需求,對高分辨力雷達擴展目標模擬系統(tǒng)的研制具有較好的指導(dǎo)意義和參考價值。