相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型研究

摘要：相控陣雷達為有源電子掃描陣列雷達，亦或是無源電子掃描陣列雷達，其主要是改變天線表面陣列而發(fā)出的波束合成方式，以此改變波束掃描方向的雷達，此類設(shè)計與機械掃描雷達天線不同，其無需用機械馬達驅(qū)動雷達天線，便可實現(xiàn)大范圍偵測。相控陣雷達系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，該系統(tǒng)仿真應(yīng)根據(jù)其原理、結(jié)構(gòu)特點、工作方式、數(shù)據(jù)處理等方面要素，采用適當?shù)姆抡娣绞綐?gòu)建相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型。本文探討了相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型研究，并提出了實用性應(yīng)用措施，為相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型水平提升提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：相控陣雷達 系統(tǒng)仿真 仿真模型

中圖分類號：TN955 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0114-01

雷達系統(tǒng)仿真與計算機技術(shù)密不可分，是于計算機中重現(xiàn)雷達系統(tǒng)及動態(tài)過程，調(diào)整其間各種參數(shù)，使系統(tǒng)反復(fù)運行，從而確保系統(tǒng)各項性能最優(yōu)化，以此有效縮短雷達的研發(fā)時間，同時降低制造雷達所需的成本。往往雷達系統(tǒng)仿真為功能級仿真與信號級仿真，兩者之間存在一定的不同之處，其功能級仿真是處理信號幅度信息，信號級仿真則是處理信號幅度信息，再是其信號相位信息；通常功能仿真結(jié)構(gòu)簡單且實時性好。隨著現(xiàn)代化社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)表了許多相控陣雷達系統(tǒng)仿真研究成果，不過其間仿真模型粒度和完整性研究結(jié)果中仍存在不足之處。因此，探討相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型研究，對相控陣雷達系統(tǒng)的進一步發(fā)展有著極大推動作用[1]。

1 相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型發(fā)展

計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于雷達中是源自上世紀70年代，而我國的雷達仿真起步晚，仿真均是基于SPW、Matlab、Simulink、ADS、HLA平臺上進行的，Simulink是國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛的計算機仿真工具，其可支持線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、連續(xù)及離散事件系統(tǒng)等類系統(tǒng)的仿真；ADS則可實現(xiàn)高頻、低頻、時域及頻域、數(shù)字信號處理電路等仿真；SPW則多用于信號處理系統(tǒng)設(shè)計中，主要是強有力的軟件包，其亦是廣泛應(yīng)用于雷達領(lǐng)域中；HLA可提供基于分布交互環(huán)境下仿真系統(tǒng)創(chuàng)建的通用技術(shù)支撐框架，以此可快速構(gòu)建分布仿真系統(tǒng)；具體而言，SPW成本高，僅用于Unix操作系統(tǒng)，HLA通信協(xié)議十分復(fù)雜，且版本不同的RTI易產(chǎn)生無法通信的問題，而Simulink應(yīng)用較為廣泛。加上為了實現(xiàn)后期雷達及紅外數(shù)據(jù)的充分融合，則應(yīng)構(gòu)建雷達模塊，獲取雷達數(shù)據(jù)源，而這應(yīng)根據(jù)相控陣雷達工作原理，以適當?shù)臄?shù)字仿真方式，更好的仿真雷達模塊[2]。

2 相控陣雷達系統(tǒng)仿真

2.1 相控陣雷達特點

相控陣雷達有著十分靈活的多波束指向與駐留時間、可控空間功率分配、時間資源分配，可同時完成搜索和多目標精確跟蹤，可于計算機控制下改變相控陣天線中的各個天線單元信號幅度相位分布，且高速改變天線波束波瓣寬度、副瓣位置、副瓣電平、天線副瓣凹口數(shù)量及其位置，這時的相控陣雷達會有著多種工作靈活性及其自適應(yīng)能力。相控陣雷達重量輕、固有冗余度、波束掃描速度快、靈活、抗干擾能力高。

2.2 相控陣雷達系統(tǒng)功能仿真流程

相控陣雷達系統(tǒng)功能仿真流程為：（1）詳細計算目標與雷達的距離，其間存在的方位角與高低角；（2）確定目標有無存在于雷達監(jiān)測范圍內(nèi)，判斷雷達視距與雷達方位角及雷達高低角范圍；（3）詳細計算雷達視野中的雷達檢測信噪比；（4）分析雷達檢測信噪比及其最小檢測信噪比的關(guān)系；（5）詳細計算探測概率；（6）獲取均勻分布變量值，詳細比較相關(guān)值和探測概率的大小；（7）詳細計算雷達已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的目標的各項參數(shù)，這里強調(diào)的是雷達距離及角度測量標準差，疊加至形成雷達測量值；（8）對目標確認、跟蹤、穩(wěn)定跟蹤等航跡進行管理[3]。

3 相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型

3.1 視距計算模型

雷達視距計算模型應(yīng)嚴格計算直視距離、雷達天線高度、目標高度。

3.2 天線模型

平面相控陣天線功能仿真模型十分重要，在得到其仿真模型之后，再開展其他方面的計算，將會大大提升計算效率，具有非常好的應(yīng)用效果，那么在具體的仿真模型確立過程中，應(yīng)詳細計算天線實際幾何面積，并全面分析相控陣天線主瓣增益，判斷相控陣天線單元數(shù)及其單元間距，且確定雷達工作波長及目標，計算出雷達相控陣天線陣面法線夾角，同時獲取天線效率，在得到天線效率之后，在開展與水平天線單元間距及垂直天線單元間距有關(guān)的計算。

3.3 檢測信噪比計算模型

為了能夠有效的提升雷達實際的檢測性能，在司機通過中，可以通過目標回波功率計算模型開展相應(yīng)的計算，以便于雷達接收目標回波能量能夠得到有效提升，通過非相干積累與相干脈沖的積累，能夠有效的提升雷達接收目標的回波功率，并且非相干脈沖的提升，在提升雷達回波能量方面的效果更加的明顯，其間倍數(shù)與積累的有效分子相關(guān)，相干積累方式均是采用脈沖積累處理；還有一種方式就是噪聲功率計算模型，大氣噪聲以及接收機工作過程中所產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲其該模型中的接收機主要的噪聲來源，在均值方差為零的正態(tài)分布當中具有很好的應(yīng)用效果，在此基礎(chǔ)上所獲得的方差就是噪聲的平均功率。

3.4 雜波功率計算模型

雜波功率計算模型，相控陣雷達系統(tǒng)功能仿真要與具體的仿真應(yīng)用為基礎(chǔ)來實現(xiàn)，且應(yīng)全面分析仿真模型中產(chǎn)生的雜波功率，從而分析該功率對仿真系統(tǒng)帶來的影響；干擾功率計算模型，通常是基于雷達方程進行的計算，從而獲得相應(yīng)的干擾功率；影響檢測信噪比計算模型的因素諸多，比如目標回波功率與干擾功率等[4]。

4 相控陣雷達系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

4.1 天線系統(tǒng)

依據(jù)相控陣雷達系統(tǒng)天線系統(tǒng)的司機特點，本次仿真設(shè)計當中所采用的天線系統(tǒng)為矩形陣列，其仿真模型為：

式中，表示的是天線波束指向的俯仰角；θ表示的是天線波束指向的方位角；dy表示的是陣元的縱向間距；dx表示的是陣元的橫向間距；N表示的是天線的陣元數(shù)。

本次仿真過程中，設(shè)置=30°，θ=20°，陣元數(shù)為：30×30，設(shè)置垂直方向的v=sinθsin，水平方向為u=sinθcos，dy=dx=0.5λ。

4.2 信號環(huán)境

相控陣雷達依據(jù)實際情況，向地面或者是空中發(fā)射探測信號，在發(fā)現(xiàn)目標之后，會返回一個包含有噪聲、雜波及有用信息等在內(nèi)的回波信號，那么在開展信號環(huán)境仿真工作的過程中，就需要能夠?qū)⒃肼暋㈦s波、有用目標等進行疊加，以便于能夠?qū)φ鎸嵉男盘柇h(huán)境進行比較準確的仿真。采用線性調(diào)頻信號作為本次仿真工作中的發(fā)射信號，這種形式的信號具有匹配濾波器對回波的多普勒頻移不敏感的特點，也就是說，在其實際的運行過程中，即便是在回波信號當中包含有比較嚴重的多普勒頻移，脈沖壓縮工作還是能夠通過同一個匹配濾波器來實現(xiàn)。在所發(fā)射的信號經(jīng)歷了過時延、多普勒頻移、大氣衰減等一系列的過程之后，能夠形成雷達目標回波信號。對于雜波的仿真采用瑞麗雜波，可以通過無記憶非線性變化實現(xiàn)其仿真工作[5]。

4.3 信號處理

為了能夠有效的消除雷達信號當中的噪聲與雜波，需要對所反射的回波信號進行提取之后，對其實施相應(yīng)的處理，通常情況下，在對雷達回波信號進行處理，常用的處理技術(shù)有：脈沖壓縮技術(shù)、恒虛警檢測技術(shù)、動目標顯示技術(shù)等。

4.4 仿真結(jié)果與分析

在具體的仿真工作當中，除了上述仿真模型設(shè)計及信號處理方案設(shè)計之外，還需要應(yīng)用到的一項非常重要的工具就是Matlab圖形用戶界面，實際操作過程中，需要結(jié)合雷達仿真子庫來對仿真界面進行設(shè)計，設(shè)計出一個人機交互界面，方便相關(guān)操作，在該界面中應(yīng)該包含參數(shù)設(shè)置單元、模塊庫單元、掃描界面單元等幾個基本的單元。在實際的仿真工作中，要通過對仿真結(jié)果開展分析，判斷其是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的仿真效果，需要對目標數(shù)據(jù)開展超過100次的測量，并將其與真實的測量數(shù)據(jù)進行對比分析，將二者之間的差值作為判斷依據(jù)來判斷相關(guān)數(shù)據(jù)是否處于合理的范圍內(nèi)。總體上來講，應(yīng)用相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型來開展相關(guān)數(shù)據(jù)的仿真工作，能夠為實際的相控陣雷達系統(tǒng)有關(guān)問題的分析提供重要的參考依據(jù)。

5 結(jié)語

相控陣雷達系統(tǒng)可用于研制工作、作戰(zhàn)性能與效能評估等，但盡管我國相控陣雷達系統(tǒng)仿真發(fā)展飛速，但其間仿真模型亦存在諸多不足之處，這也說明探討相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型研究，對相控陣雷達系統(tǒng)的進一步發(fā)展有著極大推動作用。

參考文獻

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[3]羅敏.多功能相控陣雷達發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].現(xiàn)代雷達，2011（09）.

[4]李爭，郭宜忠，張鑫，秦義.一種遠程相控陣雷達作戰(zhàn)效能評估模型[J].空軍雷達學(xué)院學(xué)報，2010（03）.

[5]王象，李盾，畢莉.相控陣雷達相干視頻信號建模與仿真方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010（22）.

收稿日期：2016-08-03

作者簡介：何永喜（1983—），男，河南南陽人，本科，畢業(yè)于解放軍電子工程學(xué)院，工程師，研究方向：雷達仿真。