基于特性數(shù)據(jù)的雷達(dá)目標(biāo)回波仿真

游 俊 肖開健 肖 秋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

任何雷達(dá)，無論是什么型號，無論先進(jìn)與否，不經(jīng)過有效的戰(zhàn)場環(huán)境下的性能測試和試驗(yàn)鑒定，就難以滿足作戰(zhàn)需求，就不知道是否可用，是否具備作戰(zhàn)能力。早期的性能鑒定和整機(jī)測試均采用外場試驗(yàn)的方法，利用真實(shí)環(huán)境下的目標(biāo)來給雷達(dá)提供測試信號。傳統(tǒng)的外場試驗(yàn)測試方法不僅需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，而且隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜，僅僅依靠外場試驗(yàn)的測試方法已經(jīng)不能滿足需求。特別是在算法研究、雜波抑制、抗干擾等方面，往往需要有符合特定條件的回波信號對雷達(dá)進(jìn)行測試，如果這些信號全部都通過外場試驗(yàn)來獲得是不太現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槔谜鎸?shí)目標(biāo)來產(chǎn)生信號會受到技術(shù)條件、環(huán)境條件以及物質(zhì)條件等因素的限制。同時(shí)外場試驗(yàn)的控制比較復(fù)雜而且可重復(fù)性差，因此試驗(yàn)測試得到的回波信號具有很大的隨機(jī)性，在一些需要回波信號中包含某些特定參數(shù)的情況下，外場試驗(yàn)往往無法重現(xiàn)。因此，通過仿真的方法來模擬原始回波信號是一個(gè)非常重要的研究方向和解決手段[1-3]。

隨著計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)半實(shí)物仿真成為了雷達(dá)系統(tǒng)算法研究和性能驗(yàn)證必不可少的輔助手段。雷達(dá)半實(shí)物仿真包含目標(biāo)回波仿真、雜波仿真以及干擾仿真，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是經(jīng)濟(jì)、靈活、復(fù)用性強(qiáng)。利用數(shù)學(xué)建模的方法和數(shù)字電子設(shè)備來模擬回波信號(包括目標(biāo)回波信號、雜波信號和干擾信號)可以節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力并縮短系統(tǒng)研制周期。回波數(shù)學(xué)模型的可控性(即回波信號參數(shù)幾乎可以不受條件限制任意給定)使得模擬的回波信號具有很大的靈活性。利用各種統(tǒng)計(jì)模型模擬回波信號，可以在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)任意次重復(fù)試驗(yàn)同時(shí)保持回波信號統(tǒng)計(jì)特性的一致性，從而實(shí)現(xiàn)信號的復(fù)現(xiàn)。因此，雷達(dá)半實(shí)物仿真模擬的信號能夠有效地彌補(bǔ)外場環(huán)境真實(shí)回波信號所存在的不足，可用于測試和評價(jià)處理算法的性能，并分析不同算法的有效性[4-7]。

1 目標(biāo)回波仿真

雷達(dá)通過提取目標(biāo)回波信號的距離、方向、多普勒速度、幅度等特征信息，完成探測目標(biāo)的功能；而目標(biāo)回波仿真則需要模擬具備相應(yīng)特征信息的目標(biāo)回波信號，才能達(dá)到驗(yàn)證雷達(dá)性能的目的。下面介紹一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的半實(shí)物雷達(dá)目標(biāo)回波仿真系統(tǒng)。

雷達(dá)目標(biāo)回波仿真系統(tǒng)由屏蔽暗室、轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)、陣列饋電分系統(tǒng)、目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)和綜合控制分系統(tǒng)組成。其中，屏蔽暗室用于屏蔽外部的電磁信號并吸收內(nèi)部的電磁信號，實(shí)現(xiàn)暗室內(nèi)電磁信號傳輸?shù)撵o區(qū)特性，模擬相對干凈的自由空間環(huán)境；轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)用于承載雷達(dá)設(shè)備并模擬姿態(tài)運(yùn)動，完成機(jī)載雷達(dá)、彈載雷達(dá)等運(yùn)動平臺雷達(dá)的姿態(tài)角(包括俯仰角、方位角和橫滾角)運(yùn)動仿真功能；陣列饋電分系統(tǒng)用于接收雷達(dá)發(fā)射信號并輻射目標(biāo)回波信號，采用球面陣形式，通過對陣列天線輻射信號的幅相控制，實(shí)現(xiàn)在指定方向上輻射目標(biāo)回波信號的模擬，完成目標(biāo)回波信號的方向(包括方位和俯仰)仿真功能；目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)用于對雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，通過對接收雷達(dá)信號的距離延時(shí)調(diào)制、多普勒頻率調(diào)制以及幅度相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號的距離、多普勒速度和幅度仿真功能；綜合控制分系統(tǒng)用于仿真參數(shù)設(shè)定，在仿真過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)解算，控制參與仿真的各分系統(tǒng)按照仿真參數(shù)工作，實(shí)現(xiàn)對仿真系統(tǒng)的綜合控制功能。

雷達(dá)目標(biāo)回波仿真的一種簡單做法是假定仿真目標(biāo)為單散射點(diǎn)目標(biāo)，目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(即RCS)為常數(shù)，目標(biāo)按照特定軌跡運(yùn)動，目標(biāo)回波仿真示意圖如圖2所示。假設(shè)t時(shí)刻，目標(biāo)相對雷達(dá)的距離為R，方位角為Φ，俯仰角為Θ，多普勒速度為Vd，目標(biāo)RCS為σ。

圖1 雷達(dá)目標(biāo)回波仿真系統(tǒng)

圖2 目標(biāo)回波仿真示意圖

目標(biāo)的距離、多普勒速度以及RCS的仿真是通過目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。目標(biāo)回波相對雷達(dá)發(fā)射信號的距離延時(shí)為

(1)

其中c為電磁波傳播速度。由于雷達(dá)天線到球面陣天線之間的距離(等于球面陣半徑r)會引起傳播延時(shí)、球面陣天線到目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)之間存在傳輸延時(shí)等因素，導(dǎo)致仿真系統(tǒng)存在固有延時(shí)Δτ0，因此目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)需要調(diào)制Δτ-Δτ0的距離延時(shí)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的仿真。

目標(biāo)回波的多普勒頻率為

(2)

其中fc為雷達(dá)工作頻率。此時(shí)，目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)需要調(diào)制fd的多普勒頻率，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多普勒速度的仿真。

根據(jù)雷達(dá)方程，雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號的功率為

(3)

其中，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Gt和Gr分別為雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線的增益；Ft(Φ,Θ)和Fr(Φ,Θ)分別為雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線在仿真目標(biāo)方向上的方向圖；λ為雷達(dá)工作波長。如果仿真系統(tǒng)的發(fā)射功率為Pst，天線增益為Gst，那么雷達(dá)接收到的仿真信號的功率為

(4)

為了保證仿真信號的功率與目標(biāo)回波信號的功率一致，即Psr=Pr，那么仿真系統(tǒng)的發(fā)射信號功率應(yīng)為

(5)

由于目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)到球面陣天線之間存在功率放大器件，并考慮傳輸損耗等因素，假設(shè)目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)到球面陣天線前端的系統(tǒng)增益為GS，因此目標(biāo)信號模擬分系統(tǒng)的仿真信號輸出功率應(yīng)為Pst-GS，據(jù)此進(jìn)行幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號幅度的仿真。

目標(biāo)的方位角和俯仰角的仿真是通過陣列饋電分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。采用陣列輻射方式的目標(biāo)回波仿真系統(tǒng)，主要利用球面陣上多個(gè)天線同時(shí)輻射信號，在保證各天線信號相位一致的條件下，通過控制各個(gè)天線信號的幅度，使得到達(dá)雷達(dá)處的合成信號矢量方向?yàn)榉抡婺繕?biāo)方向。這里以三元組為例介紹，假設(shè)三元組三個(gè)天線的方位角和俯仰角分別為(Φ1,Θ1)、(Φ2,Θ2)、(Φ3,Θ3)，如圖3所示。

圖3 三元組合成示意圖

如果三元組天線輻射的三個(gè)信號到達(dá)雷達(dá)天線中心處的場強(qiáng)分別為E1、E2、E3，在三個(gè)信號相位一致的前提下，根據(jù)矢量合成原理，三個(gè)信號的合成信號場強(qiáng)方向?yàn)椋?/p>

(6)

(7)

按照E1+E2+E3=1進(jìn)行歸一化，有

(8)

(9)

(10)

通過校準(zhǔn)使球面陣各天線到達(dá)雷達(dá)中心天線處的路徑基本一致(即幅度相位變化一致)后，陣列饋電分系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)的方位角和俯仰角位置，尋找距離最近的三元組天線，按照(8)～(10)式控制三元組各天線幅度，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角和俯仰角的仿真。

雷達(dá)平臺姿態(tài)角的仿真是通過轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)每個(gè)時(shí)刻雷達(dá)平臺姿態(tài)角信息，轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)運(yùn)動到對應(yīng)的方位角、俯仰角和橫滾角位置，固定轉(zhuǎn)臺上的雷達(dá)設(shè)備做相應(yīng)的姿態(tài)運(yùn)動。

2 特性數(shù)據(jù)的仿真解算

特性數(shù)據(jù)指的是雷達(dá)特性數(shù)據(jù)和目標(biāo)特性數(shù)據(jù)。雷達(dá)特性數(shù)據(jù)包括雷達(dá)平臺運(yùn)動特性數(shù)據(jù)和雷達(dá)電磁特性參數(shù)。其中，雷達(dá)平臺運(yùn)動特性數(shù)據(jù)包含平臺位置、速度和姿態(tài)角的時(shí)間序列；雷達(dá)電磁特性參數(shù)包含發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、發(fā)射天線方向圖等參數(shù)。目標(biāo)特性數(shù)據(jù)包括目標(biāo)運(yùn)動特性數(shù)據(jù)和目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)。其中，目標(biāo)運(yùn)動特性數(shù)據(jù)包含目標(biāo)的位置、速度和姿態(tài)角的時(shí)間序列；目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)包含目標(biāo)在不同入射姿態(tài)角的RCS。

基于特性數(shù)據(jù)的雷達(dá)目標(biāo)回波仿真是在仿真過程中，由綜合控制分系統(tǒng)根據(jù)特性數(shù)據(jù)解算在每個(gè)仿真時(shí)刻目標(biāo)的距離、方向、多普勒速度、信號幅度等特征信息，控制其它各分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號仿真。其中，雷達(dá)運(yùn)動平臺的姿態(tài)角數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行解算，可以直接下發(fā)給轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)，這里不做贅述。

以大地直角坐標(biāo)系(如圖4所示)為例，假設(shè)在t時(shí)刻的雷達(dá)平臺的位置(XR,YR,ZR)，速度(VRX,VRY,VRZ)，目標(biāo)平臺的位置(XT,YT,ZT)，速度(VTX,VTY,VTZ)，姿態(tài)角(φT,θT,αT)。

圖4 仿真坐標(biāo)系示意圖

1)距離信息解算：

目標(biāo)相對雷達(dá)位置為ΔX=XT-XR，ΔY=YT-YR，ΔZ=ZT-ZR，目標(biāo)距離為

(11)

2)方向信息解算：

目標(biāo)相對雷達(dá)方位角為

(12)

目標(biāo)相對雷達(dá)俯仰角為

(13)

3)多普勒速度信息解算：

目標(biāo)相對雷達(dá)速度ΔVX=VTX-VRX，ΔVY=VTY-VRY，ΔVZ=VTZ-VRZ，目標(biāo)多普勒速度為

(14)

4)信號幅度解算：

圖5 姿態(tài)角引起的目標(biāo)坐標(biāo)系變換示意圖

首先，根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)角(φT,θT,αT)以及雷達(dá)相對目標(biāo)的方向(-Φ,-Θ)，解算雷達(dá)波照射目標(biāo)的姿態(tài)角(φI,θI)。姿態(tài)角引起的目標(biāo)坐標(biāo)系變換如圖5所示，將仿真直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到目標(biāo)直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

(15)

在仿真坐標(biāo)系下，雷達(dá)相對目標(biāo)的方向坐標(biāo)為P0=[-cosΘcosΦ,-sinΘ,-cosΘsinΦ]。在目標(biāo)直角坐標(biāo)系下，雷達(dá)相對目標(biāo)的方向坐標(biāo)為PT=P0·HT。

利用下式關(guān)系

[cosθIcosφI,sinθI,cosθIsinφI]=PT

(16)

解算入射姿態(tài)角(θI,φI)，得到

θI=arcsin[sinθTcosαTcos(φT-Φ)cosΘ+sinαTsin(φT-Φ)cosΘ-cosθTcosαTsinΘ]

按照目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)，查找在當(dāng)前入射姿態(tài)角條件下的目標(biāo)RCS，記為Σ(φI,θI)。

根據(jù)雷達(dá)電磁特性參數(shù)(發(fā)射功率Pt、發(fā)射天線增益Gt、發(fā)射天線方向圖Ft(·))，以及仿真系統(tǒng)輻射天線增益Gst、球面陣半徑r，按照式(5)解算仿真回波信號功率，

(17)

以上就是在基于特性數(shù)據(jù)的雷達(dá)目標(biāo)回波仿真中，目標(biāo)的距離、方向、多普勒速度和信號幅度特征信息的解算過程。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的半實(shí)物雷達(dá)目標(biāo)回波仿真系統(tǒng)，對其組成和仿真工作原理進(jìn)行了簡要描述，在此基礎(chǔ)上介紹了基于特性數(shù)據(jù)的雷達(dá)目標(biāo)回波仿真，并闡述了目標(biāo)的距離、方向、多普勒速度和信號幅度特征信息的解算過程。

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