基于DRFM技術(shù)的雷達(dá)標(biāo)校器設(shè)計與實現(xiàn)

劉 勇，李國君，2

（1.92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001；2.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東 煙臺 264001）

0 引言

如何在有限條件和時間內(nèi)完成雷達(dá)測量性能評估，提高雷達(dá)研制、調(diào)試和驗收試驗效率是非常重要的問題。通常，雷達(dá)測量精度評估采用靜態(tài)檢查和動態(tài)檢查兩種方法：靜態(tài)檢查就是利用雷達(dá)標(biāo)校器完成對雷達(dá)測量精度和工作性能的評價；動態(tài)檢查則是利用飛機或其他運動雷達(dá)目標(biāo)來檢查雷達(dá)測量精度和工作性能。

傳統(tǒng)雷達(dá)標(biāo)校器形成的回波信號一般具有如下幾個缺點[1]：

1）回波為理想點目標(biāo)，回波幅度不能實時起伏，與真實復(fù)雜目標(biāo)回波差距較大；

2）在滿足模擬目標(biāo)回波與雷達(dá)間具備相參性的要求下，只能形成距離固定的目標(biāo)回波，多采用光纖延遲線來實現(xiàn)；

3）無法全面兼顧回波速度、多普勒頻移和雷達(dá)相參這3個因素；

4）無法在回波中疊加各種雜波、干擾。

傳統(tǒng)雷達(dá)標(biāo)校器形成的目標(biāo)回波信號形式單一，與考核雷達(dá)各種性能指標(biāo)的要求差距較大，不能全面考核雷達(dá)性能；對很多雷達(dá)還需要利用實際的運動目標(biāo)來進行檢查，尤其是脈沖多普勒體制雷達(dá)，傳統(tǒng)雷達(dá)標(biāo)校方法大大提高了雷達(dá)研制、調(diào)試和試驗鑒定的資金和時間成本。

數(shù)字射頻存儲器（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）技術(shù)作為存儲和復(fù)制射頻信號的一種方法建立于20世紀(jì)80年代初，此后一直廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和電子對抗領(lǐng)域，其發(fā)展的推動力直接來源于電子戰(zhàn)欺騙式干擾技術(shù)的需求。由于DRFM能準(zhǔn)確存儲雷達(dá)的發(fā)射波形，并在綜合控制器的管理下延遲適當(dāng)時間，再施加需要的其他信息可模擬目標(biāo)的各種信息以形成雷達(dá)回波。由于回波的模擬過程不依賴?yán)走_(dá)的具體工作體制，采用DRFM技術(shù)的回波模擬不僅可以實現(xiàn)很多模擬策略，而且可以做到通用化，實現(xiàn)雷達(dá)性能的無線檢測。

1 基于DRFM的雷達(dá)標(biāo)校器原理

傳統(tǒng)雷達(dá)標(biāo)校器都是以光纖延遲線為基礎(chǔ)的單目標(biāo)固定距離標(biāo)校裝置，其基本原理如圖1所示：

采用DRFM技術(shù)后，可以利用原有標(biāo)校器裝置中的接收、下變頻、上變頻及本振等設(shè)備替換其中的光纖延遲和衰減控制電路，升級成一部功能強大的新一代雷達(dá)標(biāo)校器，其基本原理如圖2所示。

圖2 基于DRFM技術(shù)的雷達(dá)標(biāo)校器

在實際雷達(dá)接收機處理中存在大量非線性環(huán)節(jié)（如限幅、量化和設(shè)備本身的非線性因素等）。因此，在中頻上對回波進行模擬會更加準(zhǔn)確和合理；同時為了評估寬帶干擾信號對雷達(dá)接收機的干擾效果，也可以在中頻上進行信號模擬，增加雷達(dá)對抗和反對抗過程的真實程度。采用DRFM技術(shù)就可以實現(xiàn)上述功能。

為實現(xiàn)對復(fù)雜雷達(dá)波形的模擬，要求DRFM 具有以下特點：

1）大的瞬時帶寬以適應(yīng)雷達(dá)頻率捷變帶寬和脈內(nèi)調(diào)制；

2）由于大多數(shù)雷達(dá)都基于相參體制工作，為了產(chǎn)生有效干擾，產(chǎn)生的假目標(biāo)必須具有相參特性；

3）能夠存儲和二次產(chǎn)生雷達(dá)脈沖，包括其脈內(nèi)調(diào)制形式，并附加各種調(diào)制；

4）要求復(fù)制的雷達(dá)脈沖必須盡可能干凈，不帶有因量化、存儲、變頻等產(chǎn)生附加的寄生電平；

5）對于運動目標(biāo)，要求有相應(yīng)的多普勒調(diào)制；

6）可以基于雷達(dá)發(fā)射信號形成各種雜波，來逼近實際工作環(huán)境。

基于DRFM技術(shù)的新一代雷達(dá)標(biāo)校器和基于光纖延遲線的傳統(tǒng)雷達(dá)標(biāo)校器性能差異如表1所示：

表1 兩類雷達(dá)標(biāo)校器性能對比

2 基于DRFM的雷達(dá)標(biāo)校器實現(xiàn)

2.1 對頻率捷變的應(yīng)對方法

頻率捷變體制雷達(dá)已廣泛應(yīng)用，基于DRFM技術(shù)的雷達(dá)標(biāo)校器必須考慮如何應(yīng)對頻率捷變體制的雷達(dá)。

不同的雷達(dá)具有不同的捷變帶寬，若雷達(dá)捷變帶寬不是很大，比如小于200 MHz，則可以采用直接采樣方法。目前成熟的A/D 瞬時帶寬滿足要求，但是當(dāng)捷變帶寬大于400 MHz時，就不宜選擇直接采樣方法，可考慮采用多路接收機方法。

由于雷達(dá)捷變頻率無法預(yù)知，采用多路接收機方法時需要解決的問題是頻率選通。借鑒干擾機工作原理，可采用接收機頻率偵聽思路，配合檢測門限來實現(xiàn)對雷達(dá)當(dāng)前發(fā)射頻率的確認(rèn)，為后續(xù)多普勒頻率疊加和幅度起伏等模擬奠定基礎(chǔ)。為了保證對信號無損失的采樣，需要對接收到的雷達(dá)發(fā)射信號進行延時處理，給檢測電路的確認(rèn)留有時間，由于與干擾機的應(yīng)用背景不同，這個延時可以在后續(xù)距離模擬延時中扣除，不影響雷達(dá)標(biāo)校器的使用。

2.2 模擬策略的模型設(shè)計

雷達(dá)信號發(fā)射后，經(jīng)過與雷達(dá)環(huán)境的相互作用后（如散射體散射、大氣衰減、折射和多徑效應(yīng)等）返回到雷達(dá)接收天線口面。對雷達(dá)回波的模擬，通常等效到接收機輸入端建立回波信號模型，并在模型中反映信號受雷達(dá)工作環(huán)境調(diào)制和雷達(dá)天線調(diào)制的影響，因而目標(biāo)信號可視為發(fā)射波形經(jīng)過延遲和多普勒頻移并且幅度受到RCS 起伏調(diào)制后的復(fù)現(xiàn)波形，采用DRFM技術(shù)可將利用模型構(gòu)建的信息疊加到模擬回波中，使回波形式具有多樣性，實現(xiàn)對雷達(dá)更加逼真的檢驗。

1）目標(biāo)運動和多普勒頻率調(diào)制模型。

由于雷達(dá)獲得的是離散目標(biāo)信號，即以一定時間間隔T 獲得的目標(biāo)信息，當(dāng)這個時間間隔足夠小時，可用直線段（或?。┤ケ平繕?biāo)的飛行軌跡，同時可以認(rèn)為在微小時間間隔內(nèi)目標(biāo)是勻加速運動的。因此，任意飛行軌跡可視為直線運動和勻速空間圓周運動的組合。

坐標(biāo)系采用站心地平面直角坐標(biāo)系，正北方為X軸，正東方為Y軸，Z軸指向天頂，對于直線運動，若已知目標(biāo)起始位置矢量(x0,y0,z0)、到達(dá)位置矢量(x1,y1,z1)、速度v、加速度a，可以建立目標(biāo)運動軌跡如下：

上兩式中：

速度V在空間矢量T方向上的投影是引起目標(biāo)多普勒頻移的目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向速度v：

而目標(biāo)的多普勒頻率為：

2）目標(biāo)RCS 起伏模型。

一部雷達(dá)作用距離、定位精度和目標(biāo)識別功能都與雷達(dá)目標(biāo)的RCS 有密切關(guān)系，要正確描述RCS起伏，必須知道它的概率密度函數(shù)（與目標(biāo)類型和典型航路有關(guān)）和相關(guān)函數(shù)。概率密度函數(shù)p (σ)給出目標(biāo)截面積σ在σ和σ+dσ之間的概率，而相關(guān)函數(shù)則描述RCS在回波脈沖序列間的相關(guān)程度，雷達(dá)RCS 起伏隨機、不規(guī)律[2]，很難準(zhǔn)確得到各種目標(biāo)截面積的概率分布和相關(guān)函數(shù)，通常用一個接近又合理的模型來估計目標(biāo)起伏影響。最早提出且目前仍然常用的起伏模型是Swerling模型。

Swerling模型具有4種經(jīng)典起伏模型，隨著雷達(dá)目標(biāo)本身的發(fā)展，隱身目標(biāo)、非良導(dǎo)體目標(biāo)以及高速飛行體等出現(xiàn)，經(jīng)典Swerling模型已不能精確表述各類目標(biāo)統(tǒng)計性能。

本文采用χ2統(tǒng)計模型[3]。

一個雷達(dá)散射截面的隨機變量σ的χ2概率密度函數(shù)為：

式(8)屬于新一代RCS 起伏統(tǒng)計模型，具有通用性，包含更多的雷達(dá)目標(biāo)類型。其表達(dá)式簡潔，只有一個變參數(shù)，雙自由度k值可以不是正整數(shù)，擬合曲線精度高[4-5]，包含了經(jīng)典的4種Swerling模型：

a.當(dāng)k=1時，式(8)為二自由度χ2分布，即Swerling-1型分布；

b.當(dāng)k=2時，式(8)為四自由度χ2分布，即Swerling-3型分布；

c.當(dāng)k=N時，式(8)可以表示Swerling-2型分布；

d.當(dāng)k=2N時，式(8)則可以表示Swerling-4型分布。

3 基于DRFM的雷達(dá)標(biāo)校器應(yīng)用

應(yīng)用DRFM技術(shù)已經(jīng)成功的設(shè)計了某雷達(dá)標(biāo)校器并成功應(yīng)用于某型雷達(dá)標(biāo)校和模擬訓(xùn)練工作中。該系統(tǒng)由接收和發(fā)射天線陣、接收外差下變頻器、DRFM組件、上變頻與功放、頻綜、信號測量及同步器、綜合控制器、系統(tǒng)控制計算機、自檢電路和二次電源組成。雷達(dá)標(biāo)校器系統(tǒng)組成如圖3所示：

圖3 某雷達(dá)標(biāo)校器系統(tǒng)組成框圖

雷達(dá)標(biāo)校器的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。

圖4 為雷達(dá)標(biāo)校器參數(shù)設(shè)置界面

4 結(jié)束語

本文提出了基于DRFM技術(shù)實現(xiàn)雷達(dá)標(biāo)校器的方法，使雷達(dá)標(biāo)校器具有更強的模擬功能。通過加載合理的模型算法，使得模擬的效果更加逼近真實情況，具有較強的實用性。同時，該方法容易實現(xiàn)傳統(tǒng)標(biāo)校裝置的升級改造，具有較強的工程應(yīng)用推廣價值。

[1]斯科爾尼克.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].林茂庸,譯.北京:國防工業(yè)出版社,1992:168-172.

[2]黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:224-236.

[3]SWERLING P.Radar probability of detection for some additional fluctuating target cases[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1997,33(4):698-709.

[4]林剛,許家棟.目標(biāo)RCS 動態(tài)數(shù)據(jù)的分布特征研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2006,28(2):46-49.

[5]曾勇虎,王國玉,陳永光,等.基于χ2分布的目標(biāo)RCS 起伏特性分析[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2007(2):33-36.