基于目標模擬設備的對空情報雷達檢飛方法設計

侯丹丹,石宏圖,王劍峰

(1.中國電子信息產業集團有限公司,廣東 深圳 518000;2.93147部隊,成都 610000;3.成都中電錦江信息產業有限公司,成都 610500)

0 引 言

采用真實飛機檢飛是我軍檢驗對空情報雷達探測威力、測量精度、分辨力和抗干擾能力等戰術性能的主要手段之一。但隨著裝備檢飛架次急劇增加,試驗組織協調工作量巨大,資源耗費多,時間跨度大,綜合費效比低[1-4],因此一種新型的基于目標模擬設備的檢飛方式應運而生。目標模擬設備是基于半實物模擬手段及設備,模擬目標、背景及干擾信號,以代替真實飛機目標、真實雜波背景及干擾信號,用來檢驗對空情報雷達主要戰術性能的一種試驗方法。相比傳統檢飛試驗方法,模擬檢飛具有支持目標類型多、試驗成本低、保密性高、樣本量大、邊界明顯、可多次重復、利于問題分析等突出優點。

根據公開資料,美國和西歐國家的雷達裝備鑒定試驗一般采用“內場性能測試與外場標校設備測量”的模擬檢飛方式(如RASS系統等),并未采用真實飛機檢飛,雷達用戶通過實際使用裝備,高度認可采用目標模擬設備檢飛的可信性。俄羅斯的部分新研裝備也未采用真實飛機檢飛,而是通過探測標校球的方式進行性能鑒定[5-7]。采用目標模擬設備完成雷達裝備性能鑒定和確認,已成為國外雷達裝備發展的必然趨勢[8-10],也是適應未來我軍裝備試驗鑒定工作需求的重要技術支撐手段。本文提出一種基于目標模擬設備的對空情報雷達檢飛方法,此方法已實際應用于某型雷達的檢飛工作。

1 技術原理

在真實飛機檢飛試驗場景中,飛機按照規定的航跡飛行,其航跡信息包括目標的航線距離段、航向方位、仰角變化量、飛行速度范圍等;而目標模擬設備檢飛試驗場景(如圖1所示)主要是將飛機等效替換成目標模擬系統與升降平臺。

圖1 目標模擬設備試驗場景示意圖

升降平臺(系留無人機或高塔)搭載電子載荷設備(包括收發天線、功放和光傳主機等)升空,在空中接收雷達輻射信號,并通過延時轉發接收的雷達輻射信號模擬目標回波。此時模擬的場景目標,其俯仰角取決于升降平臺高度(可通過裝置測量),距離變化可通過目標模擬系統的延遲調整實現,速度變化可通過調整目標模擬系統的頻率偏差實現,雷達目標反射截面積(RCS)及距離引起的能量變化可通過調整目標模擬系統的功率實現。目標模擬系統在距離雷達r、仰角β處,通過調整輻射功率、延遲時間和頻率偏移,來模擬距離R、仰角β、速度V的飛行目標;通過調整升降平臺的高度改變模擬目標的仰角。根據此試驗場景,可總結出目標模擬設備需準確模擬出的真實飛機的RCS、距離、速度、方位和俯仰。

1.1 RCS模擬原理

典型的雷達目標起伏分為5類:

(1)Swerling 0類,不起伏;

(2)Swerling I類,慢起伏、瑞利分布,適用于復雜目標由大量近似相等單元散射體組成的情況;

(3)Swerling II類,快起伏、瑞利分布,適用于復雜目標由大量近似相等單元散射體組成的情況;

(4)Swerling III類,慢起伏,適用于目標具有一個較大反射體和許多小反射體合成,或者一個大的反射體在方位上有小變化的情況;

(5)Swerling IV類,快起伏,適用于目標具有一個較大反射體和許多小反射體合成,或者一個大的反射體在方位上有小變化的情況。

通過功率模擬實現目標RCS模擬,根據已知的架設距離、雷達輻射功率、天線增益、模擬距離、模擬系統天線增益、被模擬目標RCS,通過公式推導,使目標模擬系統的輸出信號與被模擬目標回波信號到達雷達口面的功率相等,如圖2所示。

圖2 目標RCS模擬原理

依據雷達方程,雷達照射真實目標得到的回波功率可表示為

(1)

模擬雷達主瓣范圍內的目標,用等效調制目標反射的回波信號功率,雷達接收RCS為σ的目標反射功率可表示為

(2)

(3)

式中,r為模擬系統到雷達的距離;R為模擬目標到雷達距離;Pt為雷達發射功率;Gt為主瓣天線增益;Ptsim為目標模擬器發射功率;Gtsim為目標模擬設備天線增益;L1為目標到雷達的距離相關的衰減;L2為模擬設備到雷達的距離相關的衰減。

雷達檢飛試驗目標RCS以Swerling I類目標為主,目標RCS為起伏序列。Swerling I類目標的模擬是在Swerling 0類目標的基礎上增加功率起伏調制,調制序列的產生采用理論模型仿真計算方式。Swerling I類目標概率密度函數為

(4)

根據理論模型,Swerling I類目標RCS為2 m2的仿真結果如圖3所示。

(a) RCS值

1.2 距離模擬原理

通過延時變化等效模擬距離變化,目標距離模擬原理如圖4所示。

圖4 目標距離模擬原理

對于距離為R的飛機目標,雷達發射信號與接收回波信號的時間間隔為

Δt目標=2R/c

(5)

對于目標模擬系統,若不進行時間延遲處理,則回波信號與雷達發射信號時間間隔為

Δt模擬=2r/c+tm

(6)

式中,tm為目標模擬系統接收雷達信號后的處理轉發時間。

可見,為了能真實模擬目標信號,目標模擬系統模擬回波與飛機目標回波相對于雷達發射信號的時間間隔應當一致,因此目標模擬系統在轉發雷達接收信號時須進行時間延遲處理,時延時間為

Δt=Δt目標-Δt模擬=2R/c-(2r/c+tm)

(7)

1.3 速度模擬原理

由于飛機運動會導致出現多普勒頻移,因此采用頻率偏移量值模擬目標速度。

多普勒頻移計算公式為

(8)

式中,V為模擬飛機目標運動速度;λ為雷達信號波長;β為模擬目標運動方向相對于目標與雷達徑向方向的夾角。

1.4 方位和俯仰模擬原理

測量目標模擬系統掛載平臺相對雷達的方位和俯仰角,作為模擬目標的方位和俯仰。

2 設備標定

每次試驗前標定目標模擬系統模擬Swerling I類目標的準確性。在標定時,目標模擬系統與定標球處于同一個方位,標定場景如圖5所示。

圖5 目標模擬器標定場景示意圖

標定步驟如下:

(1)按圖5所示搭建試驗場景;

(2)啟動雷達,設置雷達波束指向目標模擬系統;

(3)目標模擬系統接收雷達輻射信號,通過理論計算并進行調制,輸出RCS為2 m2、距離2 km處的Swerling I類目標模擬等效回波;

(4)雷達接收目標模擬系統模擬回波信號,自動錄取1 000個回波功率,統計這些回波功率數據的起伏趨勢;

(5)觀察分布趨勢是否一致,對比采集的分布趨勢和經驗模型仿真分布趨勢是否服從瑞利分布;

(6)計算統計的雷達采集數據均值是否為2 m2。

3 模擬檢飛與真實檢飛差異

模擬檢飛方法與真實飛機檢飛在航線設計與樣本采樣方面主要的差異,如表1所示。

表1 模擬檢飛方法與真實飛機檢飛方法比較

4 雷達聯試

雷達與目標模擬設備的聯試情況如圖6所示,證明模擬檢飛方法正確可行。目前,空軍機關已將模擬檢飛方法作為檢驗該雷達戰術性能的主要試驗方法之一,列入了雷達設計鑒定檢飛試驗大綱。后續還將根據試驗情況,在其他新研對空情報雷達裝備鑒定試驗中推廣模擬檢飛方法。

圖6 目標模擬設備與雷達聯試效果

5 結束語

本文采用功率起伏調制、時間延遲調制、多普勒頻率偏移和升降平臺搭建等方法,研制目標模擬設備,實現飛機目標向背站飛行時的主要特征模擬。結合雷達檢飛項目需求,研究雷達模擬檢飛試驗方法用于驗證雷達主要戰術性能的科學性、可行性和有效性。

基于目標模擬器的檢飛目前仍存在樣本容量較小、與真實飛機起伏的一致性有待驗證等問題,不過基于目標模擬系統的雷達檢飛已是大勢所趨。本文為空軍后續對空情報雷達裝備廣泛開展模擬檢飛鑒定試驗奠定了技術基礎,有較大的參考價值。