雷達作戰復雜電磁環境模擬

王春雨 齊興龍 周一鵬

（空軍航空大學，吉林 長春 130022）

現代科技的進步推動了軍事電子裝備的快速發展，使得作戰空間的電磁環境日趨復雜。D.V.Giri 對人為電磁威脅環境構成要素進行了系統分類[1]。李云剛完成了電子偵察雷達脈沖流的建模[2]。H.G.Kang 提出了干擾信號的綜合建模方法。[3]P.R.Boord 分析了目標相干視頻回波模型[4]。雷達是現代空戰重要的電子設備，對雷達工作的復雜電磁環境進行有效仿真成為加強雷達作戰應用訓練的重要一環[5]。

本文利用三維數字地理數據系統提供典型區域，通過仿真系統可對該區域的材質及作戰目標進行設置，實現作戰環境的仿真。系統利用數學模型驅動，通過信號電平仿真，系統具有高保真度，并通過良好的人機交互功能，使系統易于操作。系統能夠對機載轟炸、火控雷達的空海、空地、輔助導航等工作環境進行有效的模擬。

1 系統結構設計

系統包括控制部分、訓練終端部分和網絡通信三部分。主控制部分由控制計算機和終端顯示器構成。主要完成航線規劃、目標設置、訓練參數的設置、戰場環境數據處理等。訓練終端由終端計算機、終端顯示器等部分構成。終端計算機通過采集終端控制臺的操作數據，完成訓練過程，主要包括雷達狀態模擬、雷達數據生成、人機交互等內容并模擬真實雷達顯示器及操控部件。

2 航線規劃仿真實現

2.1 載機姿態生成

載機模塊主要用于在仿真過程中生成飛機的預設航跡和實時解算飛行位置。載機的飛行姿態和飛行航跡可以很好地表示載機在空中的飛行情況。機體坐標系包括方位角、俯仰角和滾轉角。航跡是指飛行器的測量時間序列，它是反映目標飛行航線、航速，以及飛行目的的重要參數[6]。在仿真系統中，對飛機的運動做了簡化，不考慮風速對于飛機速度的影響，確定了地面坐標系、機體坐標系與雷達坐標系的相對位置關系如公式（1）。

其中，θ 為俯仰角，是飛機縱軸與水平面之間的夾角；ψ 為偏航角，是飛機縱軸在水平面上的投影與地軸之間的夾角；γ 為滾轉角，是飛機對稱面與包含軸的鉛錘面之間的夾角。

2.2 航線生成

在仿真系統中，航跡生成是根據操作者仿真準備時的設置來生成飛機在仿真過程中的飛行軌跡。如果操作者在仿真中沒有對飛行器進行飛行控制，系統將按照預先設定的飛行方式進行飛行；如果操作者在仿真中控制飛機，預設的飛行方向將發生改變，系統將根據調整后的軌跡進行仿真。航跡在仿真初始時進行設置，通過地圖拾取功能可以直接在地圖上進行航跡點設置，同時可以在航跡參數編輯界面對航跡點的經緯度及飛行高度進行修改。

3 環境仿真實現

為降低數據處理量，提高針對性，首先以緯度范圍方式選取處理區域。自動預處理根據高程數據、地圖數據。自動識別地物，包括樹木林地、城市村莊、河流湖泊和道路橋梁，并計算標準單位下的目標回波數據。處理完成后將預處理數據入庫。

仿真推演訓練開始前，應在雷達客戶端和仿真客戶端之間進行數據同步。主程序采用Ribbon 界面設計，界面工具欄根據功能需求劃分為主頁、地物、任務、3D 視圖、工具等。

主頁工具欄主要實現任務文件的編輯和2D 地圖的操作；地物工具欄用于實現目標信息預處理的人機交互操作；任務工具欄用于實現仿真態勢的部署和仿真推演控制；3D 視圖工具欄用于3D 地圖交互；工具欄主要提供界面交互所需的工具及系統設置等。

主程序界面實現采用Model-View-ViewModel 設計模式實現，其中Model 為UI2DComponent 和UI3DCompo nent；View 為顯示界面；ViewModel 將二者有機結合，一方面獲取Model 中的數據并實現與View 的綁定，另一方面響應View 的操作，實現與仿真框架的交互。

2D 地圖平臺采用GMap.Net，3D 地圖采用AGI Insig ht3D，并自主實現本地衛星影像數據、高程數據和矢量地圖的加載與態勢的標繪。

為實現統一的鼠標交互命令響應，界面實現抽象出UI2DCommand 和UI3DCommand，用于記錄和處理界面尤其是2D 和3D 平臺的人機交互。

4 面反射仿真模塊

4.1 地面散射模型

在反射模擬中，地面反射回波特性分析的一個重要指標是后向散射系數σ0?；夭ǖ暮笙蛏⑸湎禂凳侵干⑸潴w表面反射特性和后向散射特性的乘積按空間范圍的歸一化系數[7]。也可以說，后向散射系數σ0是雷達截面積在單位面積上的平均值。由于地雜波的非均勻性，回波模型通常采用統計模型，地雜波后向散射系數服從一定的分布。后向散射系數與雷達照射的入射角之間存在依賴關系，一般情況下，入射余角越接近0°，后向散射系數σ0越小，入射余角越接近90°，后向散射系數σ0越大。仿真系統中選用的模型為：可得后向散射系數與擦地角之間的關系如圖1 所示。

圖1 后向散射系數與擦地角的關系圖

4.2 劃分地面散射單元

地面散射單元的劃分應滿足每個散射單元的天線增益、距離和入射角恒定。在仿真系統中，假設反射是均勻的，即來自不同散射單元的后向散射信號是統計獨立的，空間上沒有相干性。在整個雷達探測的區域內，地表面被劃分為ΔR×Δθ的網格單元，其中ΔR為距離環的寬度，Δθ為方位角間隔，如圖2 所示。

圖2 散射單元劃分

4.3 距離環寬度的確定

如果距離門寬度為τ，則距離分辨率單元為cτ/2。在地面反射時，其距離寬度近似為一個距離分辨率單元，即ΔR=cτ/2。在一定的距離環內，可以把距離環看成一個平面。在參考坐標系中，俯仰角是固定的，方位角在360°內變化。

4.4 確定單個散射單元參數

為了確定散射單元的回波信號，首先必須確定散射單元的相關屬性，包括參考坐標系下散射單元的方位角、俯仰角、擦除角和雷達截面積。

根據機載雷與達散射單元的相對幾何關系，可以推導出散射單元中心俯仰角：

其中，H為載機高度，Ri為載機到散射單元中心的距離，Re是地球平均半徑的4/3。

散射單元中心的方位角在360°范圍內變化，每次遞增Δθ，則某距離環內的第k散射單元的方位角為：

經過坐標變換，能夠得到機體坐標系中散射單元的方位角θ0和俯仰角φ0。散射單元的擦地角為：

4.5 散射單元的回波信號模型

所有雜波散射元的相干疊加就是地雜波的相干模型，所以必須先確定一個散射單元的回波信號。根據雷達方程，在（θ，φ）處雷達接收到的散射單元回波信號幅度可表示為：

式中，Pt為雷達發射信號的峰值功率，λ為雷達工作波長，σ為該散射單元的雷達截面積，G(αr，βr)為雷達天線增益，(αr，βr)為散射單元相對于天線的方位角和俯仰角，L為雷達綜合損耗。

4.6 地面回波模擬仿真

結合地雜波相干信號模型，地雜波的相干信號仿真過程為：首先讀取雷達參數、地球半徑、載機參數和散射系數，然后計算距離分辨單元Ru=cτ/2，散射單元數量為

再推算散射單元中心的俯仰角：

最后計算散射單元的擦地角：

當方位角θ=0 時，確定如果滿足制定條件，調整天線方向圖，計算，天線面積ΔA=RiΔRΔθ，雷達截面積σ=σ0ΔA，產生后向散射系數序列，并產生下一個單元回波信號，方位角θ=θ+Δθ，如果θ＞2π，則i=i+1，判斷i 是否大于N，若i 小于N，重新推算散射單元中心的俯仰角：

重復上述過程；若i 大于N，直接結束。如果不滿足制定條件，直接判斷i 是否大于N，重復后續過程。

5 目標回波模擬設計

在仿真系統中，通過天線模塊實時獲取天線指向，利用目標與載體的相對位置關系來判斷目標是否在天線波束內。如果目標不在波束內，則認為目標不能被雷達探測到，則不會產生該目標的回波信號；當目標在波束內時，根據結合天線增益、目標距離和目標與載體之間的相對位置的回波信號模型對目標回波信號進行仿真。

6 總結

本文提出的仿真系統利用三維數字地球系統作為雷達波束掃描對象，構建了與實際雷達相同的電磁作戰環境，能夠真實地反映雷達的工作狀態，與真實的電磁環境相似度較高，可用于電子裝備在指定電磁環境中的模擬訓練，有助于提高訓練效果。