某雷達模擬器的目標與雜波信號模擬強度研究

王付修，魯 剛，左 雷，陳 冰

（1.海軍陸戰學院，廣州510430；2.海軍裝備部，北京100841；3.海軍工程大學電子工程學院，武漢430033；4.南京理工大學，南京210094）

復雜電磁環境的訓練除利用真實的武器裝備外，還大量依靠各類信號模擬器、計算機模擬技術、分布式交互仿真技術以及能模擬假想敵的部隊等[1-3]。作戰模擬的功能有：①直接或通過導調人員給受訓者提供逼真的戰場態勢信息；②接受受訓人員對此態勢信息的判斷和決策；③通過模擬系統運行結果，對受訓人員的反應評估[4]。在進行雷達模擬器的海戰場態勢環境編輯時，將態勢推進過程中目標信號強度、地物雜波強度、氣象雜波強度、海雜波強度實時計算，以便信號源產生相應強度的信號注入雷達模擬臺。

1 目標信號強度的算法

計算雷達目標在每個時刻的回波信號強度，并將這些數據標注在數據表中，是為了控制目標信號源產生目標信號的大小，以便后端的雷達模擬臺能在雷達威力覆蓋范圍內準確地顯示出目標與雜波強度變化。

1.1 目標信號強度計算

距離雷達r 處的目標，在雷達天線口徑上單位目標的信號回波功率為[5]

式中：F為傳播因子；La為傳播損耗；Pr0為理想條件下雷達天線的接收功率，

式（2）中：Pt為雷達發射功率；σ為目標的雷達截面積；λ為雷達波長；R為測量點距雷達距離；G為天線增益。

考慮到目標信號源輸出從雷達接收機的中頻進行注入，信號所經過前端的各級功率放大增益為Gp，同時將發射支路和接收支路中頻注入點之前的損耗Ls計入，得到注入點的信號功率為[6]

Ps為天線波束中軸對準目標時，回波信號在中頻放大器輸入端處的功率。

1.2 目標反射截面積與大氣傳播因子計算

1.2.1 目標反射截面積RCS的計算

目標與雷達相對航向不同，RCS(σ)的大小也不同。將相對航向取成8個45°范圍，見圖1。其中，相對航向落在1、5區時，目標的RCS值為其平均值（dB）的3/4；落在3、7區時，目標的RCS值為其平均值（dB）的5/4；落在其他區域時，RCS為均值。

圖1 相對航向與目標RCS取值區域示意圖Fig.1 Relative heading and target RCS value area

對海面艦船目標，將σ 假設為一個沿高度均勻分布的模型。本文將艦船高度劃分5 段，從目標類型表中取出的σ值均勻分布在這5段上，當無大氣波導即視距探測時，需要根據目標每個時刻與雷達之間的距離，計算出雷達視距對應的最小發現高度hmin，代入上式的σ 取值應為hmin到艦船最大高度上各段RCS的積分，如圖2所示，式（2）中的散射截面積用下式替代：

式（4）中：

hmax由目標類型表給出（高度單位為m，距離單位為km）。

圖2 艦船目標的RCS取值方法Fig.2 Value taking method of ship target RCS

對于空中目標，當處于視距以外時，F 設為0。當存在大氣波導即超視距探測時，不再計算視距，海面目標的hmin設為0，各個高度上的F值由PE算法的結果決定，La的取值采用曲線量化的方式，并按比例取值的方式查表可得。

1.2.2 傳播因子F的確定

對于視距外的目標，不計算F的結果，直接設置為0。當選擇大氣波導環境時，需根據波導剖面和PE方程計算F；當選擇正常大氣條件時，為了加快計算速度，不選用PE方法計算F，而采用以下方法計算[7]：

式（6）中：f()θd為天線方向圖在目標仰角方向的大小；ρ為海面反射系數的模；α為反射系數引入的相位與直反射波間路程差引入的相位差之和。

反射系數是3部分的乘積，即理想海面反射系數、球面散射因子和海水粗糙度因子。水平極化時，理想海面反射系數為[8]

式（7）中：ψg為掠射角；

ε′、ε″取值與波段和海水溫度有關。由于水面艦艇對海搜索雷達架設高度較低，且都是水平極化，因而取反射系數引入的相位為180°，模值為1。

海面粗糙度因子為[9]

式（9）中：λ為電波的波長；hrms為浪高的均方根波高[10]，他是海面風速的函數，利用Phillips海浪模式得

式（10）中，Ws2為海面風速，單位取m/s。

球面散射因子為[10]

各符號的定義如圖3所示。

圖3 球面條件下空中目標與雷達的幾何關系Fig.3 Geometrical relation between airborne target and radar under spherical model

直達波與海面反射波之間波程差為[11]

式（12）中：

而[12]：

至此，傳播因子F 中的反射系數的模和相位分別為[13]：

為了確定天線方向圖在目標仰角方向的大小（f(θd)的形狀由雷達參數給出），需要求解θd[14]：

2 雜波信號強度的算法

2.1 海區背景的確定

海區背景提前由專用軟件制作。海區的背景畫面采用對應海圖如圖4所示，實際存儲的海圖是為了控制雜波信號源產生對應強度的雜波信號。因此，對應海圖按分辨單元存儲了一幅反射率值圖，存儲方式如表1所示。

存儲一幅海區反射率圖所需的存儲器大小為

圖4 態勢運行中海區背景示意圖Fig.4 Schematic of sea background in situation modeling

表1 地物參數表（分辨率為10″x10″）Tab.1 Ground parameter table

2.2 地面反射率的計算

地面反射率是態勢軟件選擇訓練海區時，事先由專用軟件填充進海圖的各個分辨單元的，而填充的值，是將計算好的反射率值，隨機抽取填進海圖中。反射率值的計算采用如下經驗公式進行[15]：

式（25）、（26）中：γ10取-14 dB；ψ為擦地角，其值在0～50°內；f為雷達中心頻率（GHz）；分辨率取0.2°。計算好250個值后，隨機抽取填進海圖中的陸地單元。

2.3 地物單元運動要素的計算

由于本艦是運動的，因而在每個時刻時，地物相對于雷達是按極坐標分辨單元進行回波強度計算的。為減少運算量，分辨單元不按雷達真實分辨單元考慮，由于遠區地物一般在視距外，因而方位分辨率低一些不會影響視覺效果。計算每個海區背景單元相對于雷達的運動要素流程如下：選擇雷達每一個距離方位單元中心坐標（2048×512），對其進行直角坐標變換，提取變換后落入的海圖直角坐標分辨單元的反射率值，將此值作為該雷達分辨單元的反射率值，雷達分辨單元的面積計算公式為[16]

式（27）中：c為電磁波傳播速度；τ為雷達脈沖寬度；θ0.5為半功率波瓣寬度。

運動參數采樣間隔時間規定為：當雷達平臺做直線運動時，時間采樣間隔為5 min，當雷達平臺機動時，時間采樣間隔為6 s。地物雜波運動參數表如表2所示。

表2 地物雜波運動參數表Tab.2 Parameter table of moving ground clutter

2.4 地物單元回波強度的計算

在雷達陣面內，每個雷達分辨單元的回波功率為

雜波信號注入點的信號功率為

3 海雜波信號強度的算法

通過環境設定的風速，首先計算出海面發射率；進而計算雷達每個分辨單元的RCS；最后，再計算出平均回波信號的大小。

通過風速可以計算平均波高[17]：

式中，v為風速/（m/s）。

風速因子Aw為

進一步計算粗糙度因子：

式中，ψ為波束擦地角[18]。

風向因子和干涉因子為[19]：

式（33）、（34）中，φ為雷達天線軸與逆風向間的夾角。

最后，可以計算出水平極化時的海雜波后向散射系數：

得到了散射系數，就可以求出平均海雜波強度。

4 氣象雜波信號強度的算法

雨雪區域自身的運動速度與方向同風速與風向，各個分辨單元相對雷達的徑向運動速度和強度存儲的表格形式同地物雜波。但每個雷達距離、方位單元的RCS計算方法不同，具體如下。

雷達距離R 處的分辨單元體積的計算[20]

式中，θB、φB分別為天線波束的水平和俯仰半功率波束寬度。

該分辨單元的RCS為

因此，注入到雷達中頻接收模塊的雨雪雜波信號功率為[21]

5 信號強度的生成

雷達信號源組成如圖5所示，由控制計算機、定時器、目標產生器、地物雜波產生器、氣象雜波產生器、海雜波產生器、噪聲產生器、干擾信號源、航向方位碼產生模塊、調制與合成模塊、STC控制模塊組成。

圖5 雷達信號源組成Fig.5 Structure of radar signal source

目標信號源產生運動目標，目標信號服從快慢起伏特征，目標回波受對應目標運動徑向速度引入的多卜勒頻率調制，目標的強度與對應的RCS 大小一致，目標反映在雷達P顯上的形狀符合實際。雜波信號源產生地物雜波、氣象雜波、海雜波信號，雜波的多卜勒譜與模型一致，雜波的強度與實際相符，雜波的形狀與模型相符。

信號的合成是將目標、雜波、干擾、接收機噪聲等信號源的輸出合成，并正交調制到雷達所需的中頻輸出。同時，該模塊產生用于雷達模擬臺的中頻信號、時鐘信號。航行及伺服信號源產生模擬的正北、艦艏、天線真方位、本艦航速或徑向速度等信號。

模型控制計算機與信號源產生器的交互控制各路信號強度原理如圖6所示。模型控制計算機先進行原始信號強度控制，再進行波束調制。當雷達沒有采取信號處理和抗干擾等處理時，各路信號可以直接送雷達顯示器進行顯示，顯示出的各類信號與真實情況基本一致，當雷達工作在某一種或幾種信號處理模式時，或抗干擾模式時，模型控制計算機再根據信號處理、抗干擾模式進一步對各路信號分別進行控制，并將控制后的各路信號輸出。

圖6 模型控制計算機與信號源產生器的交互控制原理圖Fig.6 Schematic of interactive control of model-control computer and signal source generator

6 雷達模擬顯示結果分析

下面通過雷達實際采集的目標與雜波強度信號在雷達P顯的顯示效果與應用本文所采用的雷達模擬器目標與雜波強度計算方法在模擬器P顯的效果圖進行對比，如圖7～9所示。

圖7 真實目標雜波與模擬目標雜波對比Fig.7 Comparison of real target clutter and simulated target clutter

圖8 真實海雜波與模擬海雜波對比Fig.8 Comparison of real sea clutter and simulated sea clutter

圖9 真實氣象雜波與模擬氣象雜波對比Fig.9 Comparison of real weather clutter and simulated weather clutter

通過對比可以看出，本文將在進行雷達模擬器的海戰場態勢環境編輯時，態勢推進過程中目標信號強度、地物雜波強度、氣象雜波強度、海雜波強度實時計算出來，同時信號源產生相應強度的信號注入雷達模擬臺，在雷達模擬臺上能夠模擬出目標信號與雜波強度變化，效果十分逼真，能夠滿足模擬訓練的要求。

[1]韓來彬.雷達訓練模擬系統訓練管理方工程化設計[D].長沙：國防科技大學，2002.

HAN LAISHAN.The training management engineering design of radar simulation training systems[D].Changsha：Nation University of Defense Technology，2002.（in Chinese）

[2]MOLINI L，PARODIAND A，SICCARDI F.Uncertainty in radar simulator measurements on simplified meteorological scenarios[J].Geophysical Research Abstracts，2005，7：06110.

[3]劉承禹，王展.雷達模擬器控制軟件的設計與實現[J].現代雷達，2004，26（6）：4-7.

LIU CHENGYU，WANG ZHAN.Control software design and implementation of radar simulator[J].Modern Radar，2004，26（6）：4-7.（in Chinese）

[4]楊萬海.雷達系統建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007：4-17.

YANG WANHAI.Modeling and simulation of radar systems[M].Xi’an：Xidian University Press，2007：4-17.（in Chinese）

[5]米切爾R L.雷達系統模擬[M].北京：北京科學出版社，1982：4-18.

MICHELL R L.Radar system simulation[M].Beijing：Beijing Science Press，1982：4-18.（in Chinese）

[6]張明友，汪學剛.雷達系統[M].2 版.北京：電子工業出版社，2005：3-4.

ZHANG MINGYOU，WANG XUEGANG.Radar systems[M].2nd ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2005：3-4.（in Chinese）

[7]張偉.雷達系統仿真的理論、方法與應用研究[D].成都：電子科技大學，2004.

ZHANG WEI.The Theory，algorithm and application research of system simulation of radars[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology，2004.（in Chinese）

[8]田佳.雷達模擬器的研究與設計[D].大連：大連海事大學，2008.

TIAN JIA.Research and design of radar simulator[D].Dalian：Dalian Maritime University，2008.（in Chinese）

[9]尹勇，劉秀文，李志華.采用真雷達顯示器的航海雷達模擬器的關鍵技術[J].系統仿真學報，2007，19（5）：1014-1017.

YIN YONG，LIU XIUWEN，LI ZHIHUA.Key technologies of navigation radar simulator using real radar monitor[J].Journal of System Simulation，2007，19（5）：1014-1017.（in Chinese）

[10]DAVID L A.電子戰建模與仿真導論[M].北京：電子工業出版社，2004：221-225.

DAVID L A.Introduction to the modeling and simulation of electronic warfare[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2004：221-225.（in Chinese）

[11]繆德剛.航海雷達[M].大連：大連海事大學出版社，1993：156-158.

MIAO DEGANG.Marine radar[M].Dalian：Dalian Maritime University Press，1993：156-158.（in Chinese）

[12]BASSEM R M.Radar system analysis and design using matlab[M].2nd ed.London：Chapman and Hall/CRC，2005：250-300.

[13]CUI XIAOHAI，ZENG TAO，LONG TENG.Modeling and simulation of video target echo and clutter for HLAbased radar system[C]//7th International Conferences on Signal Processing Proceedings.2004：2049-2052.

[14]PLANT W P.A new interpretation of sea surface slope probability density functions[J].Geophysical Research，2003，108（C9）：3295-3298.

[15]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].3 版.西安：西安電子科技大學出版社，2002：128-130.

DING LUFEI，GENG FULU.Principle of radar[M].3rd ed.Xi’an：Xidian University Press，2002：128-130.（in Chinese）

[16]衛健，陳定階.雷達目標模擬器[J].現代雷達，2000（1）：55-57.

WEI JIAN，CHEN DINGJIE.Radar target simulator[J].Modern Radar，2000（1）：55-57.（in Chinese）

[17]MERRILL I S.雷達手冊[K].北京：電子工業出版社，2003：2-3.

MERRILL I S.Radar manual[K].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2003：2-3.（in Chinese）

[18]張英俊.電子海圖的數學和算法基礎[M].大連：大連海事大學出版社，2001：112-113.

ZHANG YINGJUN.Math and algorithm basis of electronic chart[M].Dalian：Dalian Maritime University Press，2001：112-113.（in Chinese）

[19]謝雪康，楊曉蓉.一種雷達模擬信號的產生方法[J].電子信息對抗技術，2009，24（3）：56-61.

XIE XUEKANG，YANG XIAORONG.A generation approach of simulated radar signal[J].Electronic Information Warfare Technology，2009，24（3）：56-61.（in Chinese）

[20]翁曉明.多功能雷達目標回波模擬器顯示、控制系統的實現[D].南京：南京理工大學，2010：1-5.

WENG XIAOMING.The realization of display and control in multifunctional radar target echo simulator[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2010：1-5.（in Chinese）