基于實(shí)采數(shù)據(jù)的雷達(dá)目標(biāo)回波模擬

余貴水，周東瑜，韋有平，陳小清

（1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.中國人民解放軍92985部隊(duì) 福建 廈門 361100）

本文采用的目標(biāo)回波仿真信號(hào)產(chǎn)生的原理為：在雷達(dá)真實(shí)回波中包含了目標(biāo)回波形狀的完整信息，并且不同掃描周期內(nèi)的目標(biāo)回波中包含了目標(biāo)RCS起伏特性。因此可以利用數(shù)據(jù)提取軟件，對某個(gè)符合一定要求的固定目標(biāo)多個(gè)掃描周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并對提取出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，則歸一化后的數(shù)據(jù)包含了目標(biāo)回波形狀信息和回波起伏信息。在已知目標(biāo)RCS大小、運(yùn)動(dòng)信息、工作環(huán)境及雷達(dá)系統(tǒng)性能參數(shù)的條件下，可由雷達(dá)方程計(jì)算出目標(biāo)在不同時(shí)刻的回波強(qiáng)度[1]。利用該強(qiáng)度對采集到的歸一化目標(biāo)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，就可以實(shí)現(xiàn)與真實(shí)回波信號(hào)非常逼近的目標(biāo)回波仿真信號(hào)。

1 目標(biāo)回波仿真過程

目標(biāo)回波仿真信號(hào)的生產(chǎn)過程分為生成標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)回波強(qiáng)度計(jì)算、調(diào)制生成仿真信號(hào)3個(gè)部分，如圖1所示。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的生成

目標(biāo)數(shù)據(jù)庫生成的第一步為目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的提取。為減少雜波對目標(biāo)的影響，一般選擇在雜波強(qiáng)度較小的區(qū)域采集目標(biāo)回波，選擇的區(qū)域盡量小但必須包含目標(biāo)的完整形狀信息[2]（如距離旁瓣、方位副瓣等）。圖2為采集到的該型雷達(dá)9個(gè)掃描周期內(nèi)海面目標(biāo)回波正交檢波后輸出的信號(hào)，其中 I（t）和 Q（t）分別為正交檢波的同向輸出和正交輸出，而 A（t）為輸出視頻信號(hào)的電壓幅度由圖2中明顯可以看出，目標(biāo)回波在不同掃描周期間存在較大的起伏，這是由于目標(biāo)RCS的起伏特性造成。

圖1 目標(biāo)回波仿真信號(hào)產(chǎn)生過程Fig.1 The process of the simulation signal of target echo

為了更清楚的觀察目標(biāo)回波的特點(diǎn)，分別取出一個(gè)掃描周期內(nèi)多個(gè)脈沖和一個(gè)單獨(dú)脈沖的回波數(shù)據(jù)，并計(jì)算出它們的電壓幅度信息A（t），分別如圖3和圖4所示。由圖3可以看出在一個(gè)掃描周期中接收到的目標(biāo)多個(gè)脈沖回波的幅度服從天線方向圖的分布，因此一個(gè)掃描周期內(nèi)同一目標(biāo)反射的多個(gè)脈沖回波包含了雷達(dá)天線的方向圖信息[3]。通過圖4可以看出目標(biāo)回波脈沖附近信號(hào)較強(qiáng)，這是因?yàn)樵撔屠走_(dá)采用了脈沖壓縮技術(shù)，使得目標(biāo)回波脈沖存在距離副瓣。當(dāng)目標(biāo)回波強(qiáng)度較大時(shí)，副瓣就會(huì)非常明顯。

圖2 9個(gè)掃描周期內(nèi)的檢波輸出及信號(hào)幅度Fig.2 The output and amplitude within 9 scanning cycles

圖3 同一掃描周期內(nèi)回波Fig.3 The echo within the same scanning cycle

圖4 單個(gè)發(fā)射脈沖回波Fig.4 The echo of single transmitted pulse

提取出滿足要求的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)以后，下一步工作就是對取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。在圖2中，每個(gè)掃描周期中回波數(shù)據(jù)的峰值對應(yīng)著天線對準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)目標(biāo)回波信號(hào)的強(qiáng)度，也就是天線主瓣增益時(shí)目標(biāo)的回波強(qiáng)度[3]。而在計(jì)算目標(biāo)回波強(qiáng)度采用的雷達(dá)反射截面積σ是目標(biāo)的平均反射截面積σ，那么歸一化的標(biāo)準(zhǔn)就應(yīng)該是當(dāng)目標(biāo)RCS為σ對應(yīng)的回波強(qiáng)度，這可以通過對每個(gè)掃描周期回波數(shù)據(jù)的峰值求平均得到。因此對采集數(shù)據(jù)歸一化的過程為：首先在每個(gè)掃描周期內(nèi)采集到的回波數(shù)據(jù)中尋找最大值Vipeak，然后求出每個(gè)周期采集數(shù)據(jù)最大值的平均值如式（1），并將采集到的所有數(shù)據(jù)都除以最大值如式（2），就可以得到所有數(shù)據(jù)的歸一化數(shù)據(jù)。

圖2中采集到的目標(biāo)回波回波數(shù)據(jù)按照上述方法處理以后得到的歸一化數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 歸一化后的采集數(shù)據(jù)Fig.5 The data collection after uniformization

1.2 目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算

有了歸一化的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)后，下一步工作就是根據(jù)雷達(dá)方程計(jì)算不同時(shí)刻目標(biāo)回波強(qiáng)度。距離雷達(dá)R處的目標(biāo)，在雷達(dá)天線口徑上目標(biāo)的信號(hào)回波強(qiáng)度[4]如式（3）所示。

其中La為大氣衰減，F(xiàn)為傳播因子，Pr0為理想條件下雷達(dá)天線口面的接收功率，其計(jì)算過程如式（4）。

其中Pt為雷達(dá)發(fā)射的脈沖峰值功率 （W），τ為信號(hào)脈沖寬度（s），G為天線增益，λ為雷達(dá)電磁波中心工作波長（m），σ為目標(biāo)平均雷達(dá)截面積（m2）。考慮到目標(biāo)信號(hào)源輸出從雷達(dá)接收機(jī)的視頻端口進(jìn)行注入，信號(hào)將經(jīng)過前端的各級(jí)功率放大增益Gp（由各雷達(dá)給出此參數(shù)），同時(shí)將發(fā)射支路和接收支路（中頻拄入點(diǎn)之前）的損耗Ls（前述損耗取值）計(jì)入，得到注入點(diǎn)的信號(hào)功率如式（5）：

系統(tǒng)損耗（Ls）包括以下幾部分：1）傳輸損耗：雙程取值5 dB（含波導(dǎo)、彎頭、轉(zhuǎn)換開關(guān)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等）；2）天線波束形狀損耗：取值 1.6 dB；3）信號(hào)處理損耗：取值 7 dB（含 A/D 2 dB，、恒虛警 2 dB、積累器 2 dB、不匹配 1 dB）。

1）RCS 的確定

目標(biāo)與雷達(dá)相對航向不同，表現(xiàn)出的RCS（σ）大小也不同。不管是空中還是海上目標(biāo)，將相對航向取成8個(gè)45°范圍，如圖所示，其中相對航向落在1、5區(qū)時(shí)，目標(biāo)的RCS值為其平均值（dB）的3/4，落在3、7區(qū)時(shí)，目標(biāo)的RCS值為其平均值（dB）的5/4，落在其他區(qū)域時(shí)的RCS為均值。

圖6 相對航向與目標(biāo)RCS取值區(qū)域示意圖Fig.6 Relatively course and target RCS selection zone

2）F 值的確定

對于空中目標(biāo)，當(dāng)處于視距以外時(shí)，F(xiàn)設(shè)為0，當(dāng)存在大氣波導(dǎo)時(shí)，不再計(jì)算視距。海面目標(biāo)的hmin設(shè)為0，各個(gè)高度上的F值由PE算法的結(jié)果決定，對于視距外的目標(biāo)，不計(jì)算F的結(jié)果，直接置為0。當(dāng)選擇大氣波導(dǎo)環(huán)境時(shí)，需根據(jù)波導(dǎo)剖面和PE方程[5]計(jì)算F；當(dāng)選擇正常大氣條件時(shí)，為了加快計(jì)算速度，不選用PE方法計(jì)算F，而采用式（6）的方法計(jì)算。

其中f（θd）為天線方向圖在目標(biāo)仰角方向的大小，ρ為海面反射系數(shù)的模值，α為反射系數(shù)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(shù)是三部分的乘積，即理想海面反射系數(shù)、球面散射因子和海水粗糙度因子[6]。

水平極化時(shí)，理想海面反射系數(shù)為

其中，ε′、ε″取值與雷達(dá)工作波段和海水溫度有關(guān)。由于水面艦艇對海搜索雷達(dá)架設(shè)高度較低，且多是水平極化，因此取反射系數(shù)引入的相位為180°，模值為1。

海面粗糙度因子為

其中，hrms（米）為浪高的標(biāo)準(zhǔn)偏差（為 0.25H1/3）：

球面散射因子為：

式（11）中各符號(hào)的定義如圖7所示。

直達(dá)波與海面反射波之間的波程差為：

圖7 球面條件下空中目標(biāo)與雷達(dá)的幾何關(guān)系Fig.7 Geometric relationship between target and radar

至此，傳播因子F中的反射系數(shù)的模和相位分別為：

為了確定天線方向圖在目標(biāo)仰角方向的大小（f（θd）的形狀由雷達(dá)參數(shù)給出），需要求解θd：

3）La的確定

La的取值采用曲線量化的方式[8]，并按比例取值的方式取值，如表1所示。

當(dāng)目標(biāo)相對于雷達(dá)的仰角小于0°時(shí)，按0°對待。當(dāng)目標(biāo)位于相對于S波段雷達(dá)仰角7°、距離33 km處時(shí)，首先分別從表中取出S波段5°和10°時(shí)的0 km和50 km處的衰減值，分別求出5°和10°曲線在0～50公里段上的斜率，分別計(jì)算出33 km處的衰減結(jié)果，在利用這兩個(gè)結(jié)果計(jì)算出33 km處5°和10°范圍的斜率，然后計(jì)算出最后的雙程衰減結(jié)果。信號(hào)源輸出的是電壓信號(hào)，考慮信號(hào)源輸出端為50 Ω負(fù)載，因此輸出的目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)度為

2 結(jié)果分析

為了對模擬的效果進(jìn)行對比分析，我們把基于實(shí)采數(shù)據(jù)的模擬效果與基于數(shù)學(xué)模型的模擬效果進(jìn)行對比。圖8是根據(jù)文獻(xiàn)7基于Swerling模型得到的單個(gè)周期的回波模擬效果，圖9是基于實(shí)采數(shù)據(jù)的單個(gè)周期的回波模擬效果。從信號(hào)波形上可以明顯看出兩組信號(hào)存在如下差別。

表1 各波段大氣雙程傳播衰減（dB）簡表Tab.1 The round-trip attention （db）of all wave band transmitted in the atmosphere

圖8 基于模型的單個(gè)周期回波模擬Fig.8 The echo simulation based on the model

1）對于回波中的噪聲信號(hào)來講，圖8中噪聲在時(shí)間上具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，相鄰時(shí)間內(nèi)噪聲信號(hào)關(guān)聯(lián)性弱，而圖9中噪聲具有一定的時(shí)間關(guān)聯(lián)性。由于圖9中的噪聲來源于實(shí)際的雷達(dá)接收機(jī)，因此它更接近于真實(shí)情況。

2）首先目標(biāo)RCS是一個(gè)隨機(jī)起伏變量，同一次掃描中的不同回波脈沖中也可能存在起伏，而Swerling模型并不是很準(zhǔn)確的符合真實(shí)目標(biāo)RCS的起伏特性。而圖9中的真實(shí)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)包含了目標(biāo)RCS的起伏特性。

3）同一掃描周期天線掃過目標(biāo)的多個(gè)脈沖重復(fù)周期過程中，由于目標(biāo)相對于天線中軸線的方位是變化的，所以天線對目標(biāo)回波的增益也是變化的，這需要通過天線方向圖來反映。基于數(shù)學(xué)模型的模擬只在幾個(gè)峰值上跟真實(shí)天線方向圖符合，其它的值與真實(shí)值存在一定的差異。而基于實(shí)采數(shù)據(jù)的模擬中同一個(gè)掃描周期內(nèi)真實(shí)脈沖回波數(shù)據(jù)是嚴(yán)格符合雷達(dá)天線方向圖的。

圖9 基于實(shí)采數(shù)據(jù)單個(gè)周期回波模擬Fig.9 The simulation of single-cycle echo based on collection in practice

4）利用真實(shí)回波數(shù)據(jù)模擬回波不需要計(jì)算信號(hào)的波形和仿真噪聲信號(hào)，能夠得到更高效的運(yùn)算速度。

3 結(jié) 論

在信號(hào)源模塊的回波和雜波模擬中采用基于實(shí)采數(shù)據(jù)的回波和雜波模擬方法，產(chǎn)生的噪聲特性、RCS起伏、天線方向圖調(diào)制等方面更接近真實(shí)目標(biāo)回波的特性，海雜波和氣象雜波基本與真實(shí)環(huán)境回波一致。采用該方法研制成功的模擬器具有很高的逼真度，能夠滿足雷達(dá)操手在復(fù)雜雜波背景下的各種訓(xùn)練需求。

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