邊境反擊作戰中電磁影響下的雷達輻射可視化研究*

郭忠偉　賴　彬　徐文濤　周兆才

(1.陸軍軍官學院二系　合肥　230031)(2.陸軍軍官學院一系　合肥　230031)

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邊境反擊作戰中電磁影響下的雷達輻射可視化研究*

郭忠偉1賴彬1徐文濤2周兆才1

(1.陸軍軍官學院二系合肥230031)(2.陸軍軍官學院一系合肥230031)

針對邊境反擊作戰中復雜電磁環境對雷達的影響，給出了實現電磁影響下雷達輻射可視化的方法。首先明確了電磁干擾影響下雷達輻射的可視化的流程，然后對電磁干擾影響下的探測范圍進行了建模并用Matlab進行了仿真，最后運用STK和OpenGL對電磁干擾影響下的雷達輻射數據進行了可視化設計與實現。

邊境反擊作戰;雷達輻射;可視化;數據采樣;面繪制

Class NumberTN911.73

1　引言

未來邊境反擊作戰中電磁環境異常復雜，電子設備不僅要受到對方的干擾，還要受到己方的自擾，雷達作為戰場上重要的電子裝備深受其影響，若能對雷達在戰場電磁干擾影響下的雷達波束進行感知、分析和處理，并以三維等形式對其探測范圍進行可視化直觀顯現，將不僅有助于指揮員在邊境反擊作戰復雜的戰場條件下合理運用雷達和正確地實施指揮，而且有助于指揮人員對戰場電磁情況進行準確判斷。

2　電磁干擾影響下雷達輻射可視化流程

根據Dye提出的數據場可視化理論模型，電磁干擾影響下雷達輻射可視化主要包括三個階段：電磁干擾影響下雷達探測范圍建模、電磁干擾影響下雷達電磁數據采樣、電磁干擾影響下雷達電磁數據可視化繪制。電磁干擾影響下雷達探測范圍建模首先依據雷達方程計算雷達在干擾信號影響下在水平面上的二維探測區域包絡線，即雷達在干擾下各個方位角上的最大探測距離點在水平面上的投

影相連，構成的封閉多邊形，然后計算由于干擾源造成的在方位角、俯仰角上與雷達的主瓣方向存在一定的夾角引起探測范圍的變化；電磁干擾影響下雷達電磁數據采樣則是根據電磁干擾影響下雷達探測范圍模型，將雷達三維探測范圍包絡按照一定的算法進行采樣，得到數據采樣點，從而計算出空間各個點的電磁數據值，即生成三維電磁數據場；電磁干擾影響下雷達電磁數據可視化繪制則是將離散分布的雷達三維電磁數據場，按照一定的規則轉換為可視元素，生成形象、逼真的場景。

3　電磁干擾影響下雷達探測探測范圍建模

3.1雷達方程

設雷達發射和接收采用同一天線，則雷達接收到的回波功率為

(1)

式中，Pt為雷達發射峰值功率；Gt雷達發射天線增益；R為雷達與目標之間的距離；σ為目標的雷達截面積；λ為雷達波長。

雷達接收到的回波功率Pr必須超過最小可檢測信號功率Simin，雷達才能可靠地發現目標，當Pr正好等于Simin時，就可得到雷達檢測該目標的最大探測距離：

(2)

最小可檢測信號功率Simin常常用最小輸出信號噪聲功率比(S/N)omin來表示：

Simin=kTsBnFn(S/N)omin

(3)

式中，k為波爾茲曼常數1.38×10-23J/K；Ts以絕對溫度表示的雷達接收機噪聲溫度(K)；Bn為接收機等效噪聲帶寬(Hz)，一般情況下可認為Bn≈1/τ，τ為脈沖寬度；Fn為接收機噪聲系數(倍)。

于是可得出：

(4)

3.2電磁干擾影響下水平面上雷達包絡線的計算

當雷達未受干擾時，由于水平面上各個方位角的最大探測距離相等，根據雷達方程，所以得出二維包絡線上方位角為θ處的最大探測距離計算公式為

(5)

式中，θ為空間某點和雷達與目標連線的夾角(度)，相當于方位角；D0為檢測目標信號所需的最小輸出信噪比，即檢測因子，D0=(S/N)omin；L為雷達各部分損耗的損耗因子L(L>1)；CB為帶寬校正因子，表示接收機帶寬失配所帶來的信噪比損失，匹配時CB=1，其他時CB>1。

當雷達受干擾時(以遠距離支援干擾為例)，設有M部干擾機干擾天線都指向雷達，第i(1≤i≤M)部干擾機和目標在地面的投影相對于雷達的張角為θi(°)，與雷達距離為Rji，功率為Pji(W)，天線增益為Gji，帶寬為Bji，極化損失為γji(當采用圓極化時取0.5)。把雷達到干擾機1的連線作為基線，按照逆時針方向，基線與雷達到干擾機i的連線的夾角分別為ξi(1≤i≤M)(度)，且ξ1=0，如圖1所示。

圖1　多部干擾機遠距離支援干擾示意圖

第i部干擾機進入雷達接收機輸入端外的干擾信號功率Prji為

(6)

式中：Pj為干擾機發射功率；γj為干擾信號對雷達天線的極化損失(當采用圓極化時取0.5)；Bj為干擾機帶寬(Hz)。

由雷達方程，多部干擾機遠距離支援干擾條件下雷達的最大探測距離為

(7)

將式(6)代入式(7)，得到多部干擾機遠距離支援干擾條件下雷達最大探測距離為

(8)

在求雷達的二維包絡線時，θi可以采用方位角θ(以雷達到干擾機1的連線為基線)為參量代替。將方位角θ按照一定間隔從0°取到360°分別計算Rmaxj，并連接相應的點，形成的曲線就是多部干擾機遠距離支援干擾條件下雷達的二維包絡線。多部干擾機遠距離支援干擾條件下二維包絡線在方位角θ處的最大探測距離Rj(θ)為

(9)

M=1時(特例情況)，即單部干擾機遠距離支援干擾情況時，用Matlab進行仿真，方位角θ從0°取到360°，結果如圖2所示。

圖2　單部干擾機遠距離支援干擾時壓制區仿真圖

3.3電磁干擾影響下垂直面上雷達探測距離的計算

當雷達未受到干擾時，雷達在方位角θ和俯仰角φ處的最大探測距離，等于該方位角θ處的最大探測距離與天線垂直面方向性函數fy(φ)的平方根的乘積：

式中，fy(φ)為雷達天線垂直面方向性函數；R(θ)為二維包絡線在方位角θ處的最大探測距離。

當雷達受到干擾時，在方位角上干擾機與雷達的主瓣方向存在一定的夾角，造成進入雷達的能量變化而引起探測距離的變化，同時在俯仰角上干擾機與雷達天線的主瓣方向不同的夾角也會引起雷達探測距離的變化。為能夠真實反映干擾在垂直面上的影響，需對天線垂直面方向性函數進行修正：

(10)

式中，δ0.5為雷達的垂直波瓣寬度；δ為干擾機與雷達在垂直面上的夾角；φz為波束指向角。K常數，對于余割平方方向性函數仿真情況取0.04～0.06，對于辛格方向性函數和高斯方向性函數，取0.07～0.10。

在雷達受到干擾情況下，經過對天線垂直面方向性函數的修正，雷達在方位角θ和俯仰角φ處的最大探測距離：

(11)

4　電磁干擾影響下雷達輻射數據采樣

電磁波可視化要求數據必須是離散化的，所以要將電磁干擾影響下雷達電磁輻射包絡按照一定的算法進行采樣，得到數據采樣點。

以求點Aφn(θm)的坐標為例，數據采樣算法步驟為：

步驟1：根據方位角θm、干擾源數量、干擾方式計算最大探測距離Rj(θm)；

步驟3：受氣象因素的影響對雷達站至采樣點Aφn(θm)的距離進行修正：

exp(-0.115δj(φn)Raj(φn))

其中δj為在最大探測距離處大氣影響因素的衰減系數之和，Raj為電波傳播途徑上大氣衰減存在的距離；

步驟4：求采樣點Aφn(θm)的大地坐標：

M_CoordTransform.RD_RAzElToBLH(Rjφn(θm),θm,φn,BA,LA,HA)(BA,LA,AA)為A點的雷達地理坐標；

步驟5：求采樣點Aφn(θm)的地心直角坐標

M_CoordTransform.BLHToXYZ (BA,LA,HA,XA,YA,ZA)。

按照一定角度間隔，將φn從0°取到90°，θm從0°取到360°，按照上述五步計算，得到每個采樣點的地心直角坐標，從而建立采樣點集合AN×M。

5　電磁干擾影響下雷達探測電磁波可視化實現

圖3　電磁干擾影響條件下雷達探測范圍基本曲面繪制示意圖

電磁干擾影響下雷達探測電磁波的可視化實現需要將采樣點數據集AN×M與OpenGL圖元建模的方法結合起來。OpenGL繪制復雜曲面時，是按照一定次序繪制由復雜曲面分解出的一系列基本曲面的方法進行的。由于雷達三維探測范圍包絡曲面非常復雜，因此要將其分解為一系列基本曲面，而后再進行面繪制。如圖3所示，陰影部分是由集合AN×M中的三個相鄰的點Aφi(θm)、Aφi(θn)、Aφj(θn)圍成的基本曲面。以這個基本曲面的繪制為例，研究電磁干擾影響下雷達探測電磁波的可視化方法。

利用OpenGL的glBegin(GL_TRIANGLES)函數，結合三個頂點坐標，就可以繪制基本曲面，偽代碼如下：

glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK,GL_LINE);//線繪制模式

glBegin(GL_TRIANGLES));//繪制基本曲面

glVertex3d(Xφi(θm),Yφi(θm),Zφi(θm));

glVertex3d(Xφi(θn),Yφi(θn),Zφi(θn));

glVertex3d(Xφj(θn),Yφj(θn),Zφj(θn));

glEnd();//結束繪制

電磁干擾影響條件下雷達三維探測范圍包絡就是由許多個這樣的基本曲面組成的。從集合AN×M中取俯仰角φn及其相鄰的φn+1進行采樣的兩組采樣數據點，分別為

Aφn={Aφn(θm)|φn}(1≤m≤M,1≤n≤N-1)

Aφn+1={Aφn+1(θm)|φn+1}(1≤m≤M,1≤n≤N-1)

將這兩組點集按照圖3的繪制方法，方位角遍歷方位角集θM，就可以繪制俯仰角φn、φn+1之間的曲面。然后，改變φn的取值，遍歷俯仰角集φN，按照前述繪制方法，即可繪制出整個曲面，從而實現電磁干擾影響下雷達輻射的三維可視化。

設計的雷達輻射可視化系統綜合運用了STK和OpenGL。該系統主要包括基于STK/Terrain的地理信息系統、雷達電磁波展現子系統、采樣數據庫、想定數據庫以及系統展現過濾與控制模塊等構成。圖4所示為某雷達在電磁干擾影響下電磁波可視化效果圖。由圖可以看出，在雷達受到電磁干擾的方向上，雷達探測區域被“撕開”一個缺口，受到干擾后，雷達的探測性能明顯降低。

圖4　電磁干擾影響下的雷達電磁波效果圖

6　結語

針對邊境反擊作戰中電磁環境對雷達的影響，給出了電磁干擾影響下雷達輻射建模和基于面繪制的可視化方法，并進行了設計與實現。該技術可作為支撐技術嵌入雷達指揮系統，對雷達在復雜電磁環境下的探測范圍進行可視化顯現，為雷達的運用提供支持。

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Visualization Research of Radar Radiation under the Influence of Electromagnetic in Border Counterattack

GUO Zhongwei1LAI bin1XU Wentao2ZHOU Zhaocai1

(1.2nd Department,Officer Academy of PLA,Hefei230031)(2.1st Department,Officer Academy of PLA,Hefei230031)

Aiming at the influence of the complex electromagnetic environment to radar,a method of visualization for radar radiation under the influence of electronic jamming is presented.Firstly,the flow of visualization is presented for radar radiation.Secondly,the radar detection range under the influence of electromagnetic jamming is modeled and the model is simulated with Matlab.Finally,the 3-D visualization scene of radar radiation under the influence of electromagnetic jamming is gotten by surface rendering the radiation data with STK and OpenGL.

border counter attack,radar radiation,visualization,data acquisition,surface rendering

2016年3月14日,

2016年4月29日

郭忠偉，男，博士，副教授，研究方向：有作戰指揮學、智能信息處理。賴彬，男，碩士研究生，研究方向：作戰指揮學。徐文濤，男，碩士，講師，研究方向：作戰指揮學、軍事地形學。周兆才，男，碩士研究生，研究方向：作戰指揮學。

TN911.73DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.033