基于等效方法的雷達訓練系統設計與實現?

張國兵 齊兆龍

（91336部隊 秦皇島 066001）

1 引言

隨著軍事訓練實戰化要求不斷深化，促使了部隊重視并強化全面軍事訓練，不斷提高戰斗力，雷達裝備職手操管技能訓練也得到大力發展，尤其是雷達仿真模擬訓練得到了長足發展。雷達仿真模擬訓練由于不受各種自然和人為因素的制約，又可以防止雷達發射頻率、脈沖重復周期、抗干擾措施等重要參數的泄露，并具有成本低、訓練效益高的優點。因此，倍受軍事院校和一線部隊的青睞［1］。

為了滿足雷達職手仿真訓練需求，雷達訓練模擬器必須保證系統模擬的逼真度和系統運行的實時性。模擬逼真度主要是指雷達探測環境信號特征模擬的逼真度、終端顯示效果的逼真度，以及各種抗干擾技術措施反饋效果的逼真度；實時性主要是指系統運行的實時性與對應實裝一致。倘若，雷達訓練模擬系統無法同時滿足以上兩種關鍵指標，則將使雷達職手的訓練質效大打折扣。為了保障雷達訓練的實戰化和高效益，本文提出一種基于等效方法的雷達訓練系統實現方法，該方法在保證系統模擬逼真度和實時性的前提下，從雷達探測機理出發，采用等效仿真的思路，對各分系統模塊處理效果進行等效模擬，即僅考慮輸入輸出的映射關系，盡量簡化內部處理的復雜性，依次構建雷達整個系統。該方式構建的雷達訓練系統具有較明顯的效費比優勢。

2 雷達探測機理

雷達是以電磁波為介質，對所屬空間進行探測，并利用電磁波的直線傳播，以及遇到物體發生反射的特性來探測目標在空間的位置，甚至利用目標對電磁波調制的獨特特性作為目標具體類型識別的依據［2］。然而，雷達面臨實際的環境不僅有感興趣的回波信號，同時還有其它不感興趣的回波信號、雜波信號和干擾信號，以及接收機內部噪聲。因此，雷達系統在接收、提取、檢測目標回波的過程中，同時還需要對其它不感興趣信號進行抑制或消除［3］。在雷達系統設計中，為了達到有效地濾除不感興趣的不良信號，保留和提取感興趣目標回波信號的目的，往往在系統各個環節采用硬件技術或者軟件技術優化處理過程。例如頻率捷變、副瓣消隱、脈沖壓縮和恒虛警等技術，都一定程度地改善了雷達探測性能。以脈沖體制雷達為例，其系統主要由天饋模塊、發射模塊、接收機模塊、信號處理模塊、數據處理與顯控模塊組成，如圖1所示。

圖1 脈沖雷達組成示意圖

3 主要等效數學模型

圖2 雷達探測環境建模示意圖

雷達模擬訓練系統是以雷達探測機理為基礎對雷達整個處理過程進行仿真模擬，尤其是模擬抑制雜波或干擾信號的軟硬件處理效果，使其具有與模擬對象一致的功能和性能。雷達模擬訓練系統主要包括雷達探測環境模擬［4］和雷達系統模擬［5］兩部分。雷達探測環境模擬主要包括目標回波、各種雜波和干擾信號等部分的數學建模，如圖2所示；雷達系統模擬主要是對圖1中的各分系統進行數學建模。

3.1 雷達探測環境建模

3.1.1 目標回波模擬

目標回波信號模擬是根據模擬目標隨姿態變化的RCS值和距雷達的距離，并通過雷達方程實時計算目標到達雷達接收機端的回波功率的大小，如式（1）所示。同時根據雷達發射信號的參數和模擬目標的速度解算生成目標回波信號的頻率、相位、多普勒頻移和時間延遲等參數，使其具有真實環境下目標回波的各種特性。對于不同脈沖間目標回波幅度變化特性模擬采用Swirling數學模型［6］。

目標回波功率仿真計算模型即

式中σ為目標的雷達截面積（m2）；Pt為雷達發射機峰值功率（W）；Gt為目標方向雷達發射天線增益；Gr為目標方向雷達接收天線增益；D為雷達抗干擾改善因子；R為目標與雷達距離（m）；Lr為雷達接收綜合損耗；Lt為雷達發射綜合損耗；LAtm為電磁波在大氣中的傳輸損耗；Lb為雷達損耗補償系數；λ雷達工作波長為雷達天線方向圖傳輸因子［7］。

3.1.2 雜波模擬

通常雜波信號分為面雜波和體雜波，地雜波和海雜波一般視為面雜波，氣象雜波以及箔條一般視為體雜波。

1）面雜波計算模型

（1）地雜波功率計算模型［8］

地面雷達以擦地角φ照射地面，照射面Ac，它的寬度由方位波束寬度 θB決定，它沿距離方向的長度由雷達脈沖寬度τ決定，并且仰角波束寬度決定。地面雷達地雜波功率計算式為

因此，面雜波回波功率Prcs與距離的三次方成反比，而不像點目標情況那樣，與距離的四次方成反比。并利用數字地圖的高程信息量化被照射地物的雷達截面積σ0值。

（2）海雜波雷達截面積的計算模型［9］

海雜波是均勻的，不像地雜波一樣的遮蔽效應。在極坐標中的每一個點，根據海情，計算每個采樣點的雷達截面積，并且把它表示成海雜波模型（多種模型）。這樣也得到了在方位角和時間延遲（距離）的離散點上，得到海雜波雷達截面積的采樣值σ0。海雜波一般采用下面的模型：

式中：ss為海情級數（1-5級）；θg為擦地角或入射余 角θc=arcsin(λ/4πhe)，he≈ 0.025+0.046ss1.72（m）。

根據式（3）所給出的模型可以畫出不同海情下，海面反射率隨雷達波束入射余角變化的曲線。

2）體雜波計算模型

雨是典型的體雜波，雨、雹云和霧也都呈現體雜波特性［10］，所以一般認為氣象雜波屬于體雜波，雷達接收的體雜波功率為

式中，G為天線增益；R為雜波中心距雷達斜距離；σν氣象雜波雷達截面，可表示為

其中，Vm為雷達分辨單元的體積，亦即垂直波束寬度為φ3dB，水平波束寬度為θ3dB和脈寬為τ的雷達波束所占有的體積，近似為

實際應用中，要根據雨等不同氣象類型的體雜波求Σσi的表達式，它與降雨量、風速等參數有關。

3.1.3 干擾信號模擬［11］

對搜索雷達實施的干擾主要包括壓制性干擾和欺騙性干擾。壓制性干擾一般有窄帶瞄準式、寬帶阻塞式、掃頻式等，其干擾回波特征一般為噪聲調頻（噪聲調相）、噪聲調幅和噪聲調頻調幅等；有源欺騙干擾主要密集假目標、航跡假目標等。對雷達實施干擾的戰術方式有：1）遠距離支援式干擾（SOD），即干擾機遠離被掩護目標，以遠距離實施干擾來掩護目標；2）隨隊干擾（ESJ），即干擾機與被掩護目標在同一距離附近，它對雷達干擾的目的是形成雷達主瓣干擾和盡可能的副瓣干擾；3）自衛式干擾（SDJ），即干擾機裝載在目標上，主要用于掩護自身載體目標，它對雷達干擾的目的是形成雷達主瓣干擾。則雷達接收機端的干擾功率為

式中，Pj為干擾機發射功率（W）；Gj干擾機天線對雷達方向的增益；Gjr為雷達天線在干擾機方向上的增益；λ為雷達工作波長（m）；γj為干擾回波特征對雷達天線的極化損失；Rj為雷達與干擾機之間的距離（m）；Lr為雷達接收綜合損耗；Lj為干擾機發射綜合損耗；Ljt為干擾機到雷達距離上的干擾回波特征大氣損耗（單程的）；Br為雷達接收機瞬時帶寬；Bj為干擾回波特征帶寬。

3.2 雷達系統建模

雷達系統建模主要是對雷達各分系統功能和性能進行建模仿真，如圖1所示。其中，天饋模塊、接收機模塊和信號處理模塊采用等效處理的方式實現。天饋模塊采用實測方向圖數據對接收或發射信號進行調制；接收機和信號處理模塊均采用對應參數的改善因子調制輸入信號得出與實裝一致的輸出信號。即根據它們在相關參數確定的條件下對SNR（信噪比）或ISR（干信比）的改善結果來歸一化等效實時調制雜波信號幅度、干擾信號幅度和目標回波信號幅度，使其達到相應處理的改善效果，例如MTI處理的改善效果為30dB，則雜波信號幅度歸一化衰減30dB，具體處理或操作的調整量與雜波的多普勒頻移有關。

為了保證數據處理和顯控模塊與實裝一致性，則采用移植實裝軟件并對其進行適應性修改，例如人工操控指令以參數的方式送給各子系統，使其改變相應的處理模塊，輸出等效的處理結果，確保各種操控指令都能得到正確的效果反饋。在檢測處理過程中，采用了完整的雷達檢測處理算法，例如滑窗檢測法、恒虛警處理和目標航跡的建批、起航算法等［12］。保證了訓練系統與實裝具有相比擬的檢測性能（發現概率和虛警概率）［13］。

4 系統設計與實現

4.1 系統結構與信息流程

雷達模擬訓練系統的硬件主要由操控臺、計算機和網絡交換機等組成，其功能實現主要由軟件功能模塊組成。其軟件結構設計與信息流程如圖3所示。

圖3 軟件結構設計與信息流程

系統軟件模塊主要包括態勢編輯與顯示、態勢導調控制、回波特征模擬模塊、終端顯示控制和等模塊。態勢編輯顯示模塊主要是完成目標環境編輯、雜波（云雨雜波、海雜波）參數設置、干擾環境編輯以及態勢信息二維顯示功能；態勢導調控制模塊主要完成訓練過程導調控制、目標和干擾實時導調控制功能；回波特征模擬模塊主要包括初始化參數計算模塊、目標回波特征模擬模塊、雜波回波特征模擬模塊、干擾回波特征模擬模塊、波束調制模塊和抗干擾因子計算模塊等，主要完成目標、雜波、干擾等回波特征的模擬，以及抗干擾處理效果模擬；終端顯示控制模塊主要包括信號處理模塊、數據處理模塊和顯示控制與處理模塊，主要是對雷達界面顯示、操作控制及其響應、回波及干擾顯示模擬；訓練管理與考評模塊主要完成訓練態勢接收與存儲、訓練人員及考核信息管理、訓練科目內容管理以及訓練考核評估功能［14］。

4.2 模擬結果

以某型雷達為對象，對其體制、信號類型、信號處理和數據處理以及抗干擾改善等部分進行等效模擬，模擬效果實時呈現在雷達顯控終端，模擬結果具有較高的逼真度，如圖4所示。

圖4 某型雷達終端模擬顯示效果

5 結語

基于等效方法的雷達模擬訓練系統是采用仿真手段構建雷達裝備的探測效能，用于雷達職手裝備技能運用訓練，具有顯著的軍事經濟效益。但是，采用等效仿真手段實現的雷達模擬系統是介于功能級和信號級之間的仿真系統，在雷達探測環境仿真和系統仿真的逼真度方面還有一定的差距，需要進一步深化和提升。