一種雜波實時仿真方法*

萬祥蘭 祁 嶺

（1.湖北工業(yè)大學 武漢 430068）（2.海軍駐洛陽地區(qū)軍事代表室 洛陽 471000）

1 引言

雷達導引系統(tǒng)在低空和下視攻擊狀態(tài)時總是處于雜波環(huán)境之中，導引頭發(fā)射的功率信號都會通過地面的或海面的反射、散射經過天線的主瓣和旁瓣進入接收系統(tǒng)，形成背景雜波。大面積的雜波區(qū)使得導引頭內部雜波電平大幅度增加，甚至造成導引頭接收系統(tǒng)飽和阻塞，直接降低了導引頭對信號目標的正常跟蹤與截獲能力，或由于信雜比的降低在跟蹤階段增加了角度跟蹤的隨機誤差，直接影響到導引系統(tǒng)的精度[1～2]。因此，選擇適當的模型，利用雜波的性質對其進行有效的模擬尤為必要。

2 雜波仿真模型

2.1 雜波仿真的特點及要求

雜波信號是緩變的非平穩(wěn)隨機信號，也即當導引系統(tǒng)實時雜波仿真時，需要在100ms內實現一個攻擊狀態(tài)下的雜波功率譜更新周期[3]。

現代雷達接收機能夠探測到低于主瓣雜波很多的目標信號，統(tǒng)計結果表明，在極限情況下當噪聲信號高于雜波主瓣信號-60dB時，導引頭可能誤將噪聲當作目標截獲，所以由雜波功率譜變換到時域的信號重構算法帶來的附加噪聲以及由信號調制帶來的附加噪聲必須在主瓣雜波-60dB以下，至少小于-50dB[4～5]。

總之，雜波信號的特殊性要求兩項特殊的但也是必須滿足的技術指標：

盡量保持精度情況下滿足實時性，即功率譜更新周期小于100ms。

由雜波功率譜重構到時域并調制到中頻帶來的附加噪聲須小于主瓣雜波-60dB。

2.2 地面后向散射系數

地面后向散射系數σ°取決于微波頻率f、入射角θ、極化形式、地面的物理特征等，影響地面后向散射系數的幾方面因素包括：入射角、反射面粗糙度、反射面濕度、植被覆蓋、雪層覆蓋等[6]。其中城市的回波特性隨機性很大，不宜給出相對統(tǒng)一的模型或數據。

2.3 雜波的統(tǒng)計特性

2.4 雜波功率譜計算

鑒于雷達導引系統(tǒng)采用脈沖多普勒體制，采故用傳統(tǒng)的等多普勒線-距離線網格劃分方法，雜波計算網格劃分與雜波計算坐標系定義如圖1所示，XOY平面為導彈速度矢量與導彈高度線所在的平面，ξ為速度方向與X軸的夾角，θ（定義為入射余角）為任一網格單元A與ZOX平面的夾角，φ為網格單元矢量在XOZ平面的投影與X軸的夾角[7]。對某一距離門確定多普勒頻帶的雜波功率等于該距離門等距離線與多普勒線所圍成的網格回波功率：

圖1 距離-速度坐標系定義

式中：Pr為平均發(fā)射功率；λ為雷達波長；G(θ，φ)為天線增益（和信號或差信號）；L為系統(tǒng)損耗。

C：光速

σ0：地面后向散射系數

2.5 相當面積單元的預先計算

參照工程經驗，只考慮0＜ξ＜50°情況，將ξ劃分為50等份，角度間隔為1°。

等多普勒線從最大多普勒頻率至零多普勒頻率劃分為2048等份，可以滿足要求。

等距離線參照等多普勒頻率的劃分，θ從0°～90°共劃分為76等份，角度間隔為0.02rad。

同時計算網格單元中心相對于導彈中心的向量坐標，存入數據庫，配合實時計算天線增益。

2.6 雜波功率譜的實時計算

雜波功率譜實時計算包括網格單元對應天線增益的確定、計算歸一化的功率譜、計算當前速度下的相當雜波功率譜、時域數據的求取和總功率的控制四個步驟。

在雜波計算坐標系下，天線和通道增益和天線差通道增益可由網格單元向量在x、y、z軸向量上的投影求出；按照2048等份根據雷達方程計算得到歸一化的雜波功率譜[8]；用4096個數（即多普勒分辨100Hz）可以滿足雜波譜精度的要求；對雜波功率譜補零為4096個數，將之轉換為矢量頻譜，相位隨機化，IFFT，然后求時域數據實部、虛部最大值，將時域數據歸一化，再放大32000倍，以短整數形式，打成USB包，給USB接口輸出；雜波總功率的控制依靠射頻衰減器實現，求出2048個多普勒頻率環(huán)的總功率，根據功率鏈折算到射頻信號源輸出口處功率，控制衰減器實現[9～10]。

3 模型驗證

3.1 雜波仿真的校核與驗證

雜波仿真的正確性需要校核（VERIFICATION）和驗證（VALIDATION），即V&V，具體地講包括以下幾個方面：

雜波功率譜實時計算要求在100ms以內完成，計算結果需要校核，應與非實時精確計算結果一致。

雜波信號的重構要求將實時計算出的雜波功率譜重構到時域，重構的時域信號需要校核，其功率譜應與實時計算出的功率譜一致。

調制后的信號需要校核，其譜特性應與基帶信號的譜特性一致。

最終雷達導引頭接收到的雜波信號應驗證與實際飛行情況下接收的雜波信號一致。

圖2 雜波模擬系統(tǒng)的校核與驗證

3.2 雜波驗模條件及雜波典型值

導彈速度V，飛行高度H，下視角θ，第一旁瓣角Φ以及發(fā)射頻率F，為初始設置參數，根據公式，Fd=2×V/λ×cos(θ)可以計算出主瓣雜波位置，雜波普寬度，Fd=2×V/λ×cos(θ±φ)旁瓣雜波位置。根據天線主旁瓣增益比X，以及旁瓣雜波區(qū)域比主瓣雜波區(qū)域略大的特點，估算主瓣雜波與旁瓣雜波的功率比為（2*X-3dB）。

條件A：導彈速度1000m/s，飛行高度3000m，下視角30°，主雜波理論位置201.1kHz，雜波譜理論寬度233.3kHz，主瓣與第一旁瓣理論功率差約為32dB；

條件B：導彈速度500m/s，飛行高度3000m，下視角30°，主雜波理論位置101.0kHz，雜波譜理論寬度116.7kHz，主瓣與第一旁瓣理論功率差約為32dB。

3.3 雜波算法仿真結果

不同條件雜波模型仿真結果如表1，圖3～6所示。

表1 不同條件雜波模型仿真結果表

圖3 主雜波位置201kHz

圖4 主雜波位置201kHz

圖5 主雜波位置103kHz

圖6 主雜波位置103kHz

4 結語

本方法產生的雜波信號在保持精度的情況下可以滿足實時性，即功率譜更新周期小于100ms。且雜波頻域帶內連續(xù)、平坦，說明產生的信號沒有周期成分，具有良好的隨機性。主旁瓣雜波信號特性與理論分析和實測統(tǒng)計特性基本一致。滿足雷達彈內場雜波模擬和抗雜波特性驗證的要求。