一種軍用雷達目標回波仿真系統的設計

單顯明，謝 愷，王 銳

(1.沈陽工學院信息與控制學院,撫順 113122；2.陸軍炮兵防空兵學院兵器工程系,合肥 230031)

炮位偵察校射雷達是現代炮兵雷達的主要類型之一,是保障炮兵全天候、全天時獲取戰場情報信息不可或缺的重要偵察裝備[1]。由于炮位偵察校射雷達是利用捕獲飛行中的彈丸數據,來確定敵隱蔽發射中的炮位以及我方炮兵炸點數據。這樣在非實彈射擊的情況下,因無目標環境就無法進行雷達的偵察與校射作業訓練,從而使正常訓練課目難以開展,日常訓練效果無法滿足訓練要求,極大地制約了新裝備戰斗力的生成。

為解決這些問題,研究如何產生逼真的雷達回波信號是十分必要的。國外對該領域研究比較早,例如,美國休斯公司曾專門為AN/TPQ-37炮位偵察校射雷達研制了彈道目標模擬器,歐洲的COBRA雷達也有專用的彈道目標模擬器,模擬彈道目標的角度位置變化,通過數字信號處理,模擬目標的距離位置變化及徑向速度的變化,解決無目標保障環境下的雷達訓練問題。

現代雷達頻帶寬、抗干擾和自適應等特點,給雷達信號的產生與模擬帶來新的挑戰[2]。中國研究人員針對不同型號不同功能的雷達,根據軍事訓練的實際需要,開發了不同的雷達模擬訓練器[3-5]。文獻[6]為解決雷達信號處理機研制過程中缺乏作戰場景和回波輸入的問題, 利用圖形處理器(GPU) 處理平臺實時產生雷達信號,實現了彈道導彈探測雷達模擬器。近幾年，中國沒有關于采用空間電波注入方式的炮位偵察校射雷達回波仿真裝置內容相關的文獻可查,對該領域的研究屬空白階段。

目前雷達模擬器的設計方案主要有3種:①全軟件化雷達模擬器仿真[7-8]；②實裝雷達顯示器和雷達信號生成器板相結合的全硬件仿真[9-10]；③實裝雷達顯示器與計算機雷達信號生成系統相結合的半實物仿真[11-12]。

以方案③為基礎,結合炮位偵察校射雷達的特點,擬采取空間電波注入的方式,首次實現某型軍用雷達日常訓練中的彈道回波信號仿真,為雷達訓練提供真實的彈道模擬目標。

1 系統硬件組成

系統由遙控終端、中頻信號處理、射頻收發組件、頻率綜合器、電子開關和陣列天線組成,其中陣列天線安裝在升降支撐結構上。系統組成如圖1所示。

系統硬件實物如圖2所示,主要包括收發處理機柜和陣列天線兩個部分。收發處理機柜包括上、下變頻組件、信號處理和遙控單元。收發處理單元的射頻插座、控制插座用于接入電子開關陣的信號,遙控信號輸入插座與遙控天線電纜連接。

圖1 系統組成Fig.1 System composition

圖2 系統硬件組成Fig.2 Hardware composition of system

陣列天線通過支撐機構安裝在天線升降機構中,共有48個天線單元,每個線陣16個天線單元,天線單元分為上列饋、中列饋和下列饋。每個列饋高1.6 m,天線陣列總長4.8 m,由天線單元陣、微波開關和反射面組成。

2 系統工作原理

軍用雷達工作在S波段,受保密限制,無法公布雷達的具體工作頻率。由于雷達搜索波束仰角為2°,跟蹤波束范圍為2°～8°,所以仿真系統與雷達之間的距離為120 m,輸出輻射功率為-50～10 dBm,采用1.5 m高基座及合適的高地,確保雷達波束能覆蓋仿真系統的輻射單元。模擬彈道目標的仰角為2°～4°,目標距離為15～30 km,目標的多普勒頻率為0～25 kHz,

系統工作原理如圖3所示。工作時,首先根據雷達工作頻率,設置仿真系統的接收及發射頻率,然后執行系統標定,將雷達望遠鏡對準天線的第一個單元,得到第一個單元相對雷達的方位、仰角和距離,之后計算各天線單元的斜距和仰角,存儲各單元的方位、仰角、斜距。

圖3 系統工作原理Fig.3 Working principle of system

接收天線接收雷達的射頻信號,經接收前端處理后進行下變頻,變為信號處理用的中頻信號,中頻信號處理機將目標回波信號的延遲信息和多普勒信息疊加在接收的雷達中頻信號上,再經上變頻電路將中頻信號變為雷達輻射的射頻信號,由目標軌跡對應的仰角位置的天線單元將信號輻射出去。

信號處理控制收發開關工作在收狀態或發狀態。啟動時,射頻組件的收發開關工作在收狀態,檢測到雷達信號后,控制射頻組件的收發開關工作在發狀態。信號處理單元對接收的中頻信號進行相位計算即可得到目標的多普勒頻率。

3 軟件總體設計

3.1 軟件總體組成

軟件總體組成如圖4所示,主要包括主控軟件和射頻信號實時控制軟件。主控軟件為上位機軟件,運行在個人電腦(PC)及其兼容機上,采用串行口RS485遠距離連接模擬器,用于設置模擬器狀態、彈道模擬器各項參數及操作,通過遙控終端發送至信號處理單元。彈道數據產生模塊主要依據給定射角、初速度、彈丸參數及模擬器參數等,而不考慮方位上的信息,產生俯仰上在模擬器范圍內的彈道數據,輸出某一時刻彈道的速度、距離、喇叭位置供模擬器調用。

下位機為射頻信號實時控制軟件,主要完成遠程通信、設置射頻收發模塊頻率和衰減值、目標信號處理模塊距離和速度值、功率測量模塊工作模式和自校準功能、顯示模塊工作狀態值和讀取功率測量模塊的幅度測量值和工作狀態值等功能,各模塊間采用串口通信,射頻信號實時控制軟件采用嵌入式單片機,嵌入式C語言編程,Keil開發環境。

圖4 軟件總體組成Fig.4 Overall composition of software

圖5 遙控終端軟件界面Fig.5 Remote control terminal software interface

3.2 主控軟件

主控軟件模塊界面如圖5所示。打開軟件模塊時會向遙控終端發送握手信號,收、發指示燈顯示軟件通信狀態,若指示燈為綠色并交替閃爍則表示握手成功。

通過界面可設置頻率、速度、距離、輸入衰減、輸出衰減、幅度檢測工作模式、自檢脈沖參數、軌跡點參數(速度、距離、喇叭位置)、軌跡運動、軌跡停止、喇叭陣列工作模式、接收脈沖展寬及等待參數等功能。

操作界面右側為運動目標數據輸入區域,在模擬器工作時讀取目標運動軌跡文件,運動目標數據顯示在這個區域。點擊右方“讀文件”,選擇校射數據文件,校射數據文件在圖5右邊表格中顯示。表格第1列為目標對應于某一時刻的速度,第2列為目標距離,第3列為打開的喇叭位置。校射數據目標相對雷達的速度為正值,距離逐漸變大,喇叭位置從48至1變化。如選擇偵察數據,則目標相對雷達的速度為負值,距離逐漸變小,喇叭位置從1至48變化。

模擬器正常工作,系統軟件界面有通訊指示燈指示收發狀態,當指示燈不停閃爍時,表明正在傳輸數據,等待正常閃爍時(2～3 s間隔閃爍),即可進行其他的操作。模擬器自動檢測接收信號的電平并顯示在參考值的顯示框內。

3.3 射頻信號實時控制軟件

射頻信號實時控制軟件組成如圖6所示,包括串口通信模塊、功率測量模塊、顯示模塊、目標信號處理模塊和射頻收發模塊等部分。射頻信號實時控制軟件運行流程如圖7所示。

圖6 控制模塊組成Fig.6 Control module composition

圖7 控制模塊軟件運行流程Fig.7 Operation process of control module software

4 系統驗證

系統采用兩種方式驗證。

第一種方式為檢驗固定單元、固定距離的回波信號,對所有單元分別進行了實驗。距離為15～30 km,多普勒頻率最大值為25 kHz,固定距離為15、20 km的彈道回波在雷達實裝B型顯示器顯示畫面如圖8所示。

圖8 固定距離的彈道目標Fig.8 Ballistic target with a fixed distance

第二種方式為檢驗彈道目標數據。當雷達為偵察方式時,模擬彈道目標的回波信號,共生成20條彈道數據,以下僅列出前3條雷達搜索、跟蹤、外推的部分結果數據,其中:X為橫坐標；Y為縱坐標；H為高程；T為波束編號。

雷達搜索數據:

X=5 076 262.500，Y=345 416.281，H=210.00，波束編號Tn=0，2，32，118。

T=0.163 629，A=-0.001 099，E=0.017 672，R=15 025.380 859，D1=0.005 370，T1=1.578 211，RV=1.634 416；

T=0.327 253A=-0.000 956，E=0.018 496，R=14 990.226 563，D1=0.005 306，T1=1.578 084，RV=1.634 416；

T=0.524 464，A=-0.001 090，E=0.019 725，R=14 953.957 031，D1=0.005 306，T1=1.578 126，RV=1.634 416。

雷達跟蹤數據:

X=5 076 245.000，Y=345 426.344，H=210.00，

波束編號Tn=2,3,80。

T=0.163 521，A=-0.002 366，E=0.017 559，R=15 021.681 641，D1=0.005 327，T1=1.578 041，RV=1.634 416；

T=0.327 145，A=-0.001 843，E=0.018 870，R=14 986.070 313，D1=0.005 284，T1=1.578 169，RV=1.634 416；

T=0.524 464，A=-0.001 616，E=0.020 061，R=14 950.177 734，D1=0.005 348，T1=1.578 169，RV=1.634 416。

雷達外推數據:

X=5 076 320.000，Y=345 460.781，H=210.00，波束編號Tn=4，8，33，16。

T=0.165 131，A=0.003 211，E=0.017 995,R=15 011.336 914，D1=0.005 263，T1=1.578 169，RV=1.634 416；

T=0.328 762，A=0.002 490，E=0.019 686，R=14 984.359 375，D1=0.005 284，T1=1.578 211，RV=1.634 416；

T=0.524 464，A=0.001 064，E=0.020 881,R=14 947.599 609，D1=0.005 348，T1=1.578 254，RV=1.634 416。

通過各項實驗表明,系統能夠生成真實的雷達偵察或校射彈道回波信號,回波距離精度為1.5 m,滿足各項指標要求,保障了雷達偵察或校射作業的需求。

5 結論

軍用雷達目標回波仿真系統采用陣列天線模擬彈道目標的空間位置變化,用應答方式產生目標的回波信號,首次實現了某型軍用雷達彈道目標的真實模擬,解決了雷達日常訓練無實彈射擊保障的訓練難題。