基于擴展目標(biāo)的雷達目標(biāo)回波模擬及驗證

陳 旭,王金鋒,朱 平

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在雷達研制、調(diào)試和試驗的各個階段,都需要對雷達性能進行測試,尤其是雷達的主要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)如探測威力、探測精度等。而傳統(tǒng)的外場試驗成本高,周期長,試驗效率低,因此需要采用現(xiàn)代化的便捷測試方法,能夠在試驗室或近場對雷達研制全周期進行性能考核評估,提高雷達的研制效率。其中以電磁藍軍模擬為核心需求的雷達目標(biāo)回波模擬器,成為當(dāng)前目標(biāo)模擬仿真領(lǐng)域的一個研究熱點。

本文以高分辨率雷達探測需求為背景,根據(jù)雷達發(fā)射信號建立滿足要求的高分辨率擴展目標(biāo)模型,給出一種基于目標(biāo)布點方式的擴展目標(biāo)模擬方法,并以數(shù)字儲頻單元(DRFM)為核心模塊研制了一套雷達目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)[1],最后采用中頻數(shù)據(jù)采集、逆合成孔徑雷達(ISAR)成像處理的方法對模擬的目標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析測試,測試結(jié)果滿足高分辨率雷達目標(biāo)模擬的要求。

1 擴展目標(biāo)模型

常規(guī)的目標(biāo)模擬方法以點目標(biāo)為主,僅考慮目標(biāo)的雷達截面(RCS)特性,這一特性由雷達電磁波波長、極化方式和目標(biāo)的姿態(tài)角等參數(shù)決定。而對于高分辨率雷達來說,這種點目標(biāo)模擬方式不能全面、合理地模擬艦船、飛機等復(fù)雜目標(biāo)。這類目標(biāo)的散射特性可表現(xiàn)為多個強散射點。本文采用擴展目標(biāo)模型進行描述并模擬,分別計算各個散射點中心目標(biāo)特性與雷達發(fā)射信號的時域卷積,得到單個散射點的回波信號,再將各散射點的回波信號進行時域疊加,得到擴展目標(biāo)的回波信號[2-3]。

設(shè)雷達發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號,其基帶信號用s(t)表示為:

(1)

式中:TP為發(fā)射脈沖寬度;Kr為調(diào)頻斜率;t為采樣時間。

則其中任一個散射點在ta時刻的回波信號即為該點在雷達發(fā)射信號基礎(chǔ)上增加時延、幅度調(diào)制和多普勒調(diào)制,用下式表示為:

(2)

式中:σ為該散射點的幅度值;R(ta)為該散射點與雷達間距離;λ為電磁波波長;c為電磁波傳播速度,為一常數(shù)。

擴展目標(biāo)回波可以看成多個散射點的集合,即表示為各散射點的矢量和,所以擴展目標(biāo)回波模型可用下式表示:

(3)

式中:M為散射點數(shù)目;σi為第i個點的幅度值;Ri(ta)為第i個散射點與雷達間距離;其它參數(shù)定義同式(2)。

2 擴展目標(biāo)模擬方法

本文設(shè)計并模擬實現(xiàn)的擴展目標(biāo)包括一維距離像目標(biāo)、二維面目標(biāo)和三維體目標(biāo)。根據(jù)上一節(jié)所建立的擴展目標(biāo)模型,以三維體目標(biāo)為例,詳細描述其具體的模擬實現(xiàn)方法。

三維體目標(biāo)即模擬的擴展目標(biāo)各散射點坐標(biāo)值包括x、y、z三維信息,設(shè)置雷達坐標(biāo)為(xr,yr,zr),目標(biāo)的基準點在雷達坐標(biāo)系下的位置為(x0,y0,z0),目標(biāo)的某個散射點P在以基準點為原點的目標(biāo)坐標(biāo)系下的位置為(xi,yi,zi)。設(shè)目標(biāo)在(x0-xr,y0-yr,z0-zr)方向上平動的速度為V,與Z軸方向的夾角為θ,與X軸方向的夾角為φ;目標(biāo)在ta時刻的姿態(tài)信息即橫滾、俯仰和偏航表示為(γ,?,ψ),如圖1所示。

圖1 三維體目標(biāo)運動示意圖

(1) 計算t時刻由目標(biāo)姿態(tài)變化引起的位置變化:

(4)

(2) 計算t時刻由目標(biāo)平動所引起的位置變化:

(5)

式中:(V,θ,φ)根據(jù)目標(biāo)運動態(tài)勢得到,根據(jù)系統(tǒng)需求定時更新。

(3) 計算散射點P與雷達的瞬時斜距為:

(6)

(4) 計算t時刻散射點P的回波信號,即式(2)。

(5) 計算t時刻整個擴展目標(biāo)的回波信號,即式(3)。

3 基于擴展目標(biāo)的雷達目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上節(jié)建立的擴展目標(biāo)模型以及目標(biāo)模擬方法,本文基于數(shù)字儲頻法(數(shù)字射頻存儲器(DRFM)產(chǎn)生法)構(gòu)建技術(shù)方案:采用射頻接收機接收雷達信號;利用下變頻電路將雷達射頻信號變?yōu)楣β氏鄬愣ǖ闹蓄l信號,然后利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對雷達中頻信號進行高速采樣、存儲,并在數(shù)字邏輯電路的控制下,將存儲的數(shù)字中頻基帶信號經(jīng)延遲、多普勒調(diào)制、疊加等,利用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生滿足要求的擴展目標(biāo)中頻信號;然后經(jīng)過上變頻、功率放大后輸出模擬的射頻信號[4]。實現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 基于擴展目標(biāo)的雷達目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)原理框圖

數(shù)字儲頻單元為本系統(tǒng)的核心部分,實現(xiàn)對雷達信號的采集存儲,以及對目標(biāo)回波的重構(gòu)以產(chǎn)生所需要的擴展目標(biāo)。該單元基于高速信號數(shù)字采樣和實時存儲技術(shù),采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理器(DSP)作為核心處理架構(gòu),并由高速AD采樣器、DA轉(zhuǎn)換器、大容量存儲器及控制接口等組成。硬件組成見圖3。

圖3 數(shù)字儲頻單元硬件總體框圖

如圖3所示,數(shù)字儲頻單元以1片Virtex-6系列 FPGA芯片 XC6VSX315T和1片DSP芯片TMS320C6455作為核心處理架構(gòu)。其中DSP芯片實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)配置參數(shù)、雷達參數(shù)等的解析,生成擴展目標(biāo)調(diào)制參數(shù),包括本振參數(shù)、速度、距離、功率等,并發(fā)送給FPGA芯片;FPGA芯片對采樣后的雷達中頻數(shù)據(jù)進行抽取,然后根據(jù)DSP發(fā)送過來的參數(shù)完成回波信號的延時、擴展點卷積、多普勒調(diào)制、功率調(diào)制、多個散射點目標(biāo)疊加、插值、上混頻、幅度補償后輸出。此外,數(shù)字儲頻單元其它主要電路還包括1片高速ADC,分辨率10 bit,最高采樣率可達3 GSPS,用于對輸入的雷達信號進行數(shù)字采樣;1片DAC轉(zhuǎn)換器,最高頻率2.5 GSPS,用于將產(chǎn)生的擴展目標(biāo)信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出;1片Virtex-5系列 FPGA芯片 XC5VLX30T用于外部接口控制、板內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?shù)字儲頻單元信號處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)字儲頻單元信號處理流程

4 應(yīng)用舉例及驗證

本節(jié)舉例說明對研制的擴展目標(biāo)模擬系統(tǒng)的測試方法和測試結(jié)果。測試框圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)測試框圖

如圖5所示,由雷達信號模擬器產(chǎn)生寬帶雷達線性調(diào)頻信號;控制計算機產(chǎn)生需要模擬的擴展目標(biāo)的各種參數(shù),包括所有散射點位置、散射點功率、目標(biāo)運動速度、目標(biāo)轉(zhuǎn)動速度等;目標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則實現(xiàn)對擴展目標(biāo)中頻數(shù)據(jù)的采集,以進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

本文采用基于擴展目標(biāo)布點的方法模擬目標(biāo),然后對錄取的數(shù)據(jù)進行逆合成孔徑雷達(ISAR)成像處理及檢驗。因此首先由控制計算機產(chǎn)生擴展目標(biāo)的參數(shù),包括質(zhì)心位置、各散射點位置、擴展目標(biāo)的運動速度、目標(biāo)轉(zhuǎn)速等。圖6為產(chǎn)生的一個三維擴展目標(biāo)0°時的散射點布置模型。

圖6 擴展目標(biāo)布點設(shè)計示意圖

擴展目標(biāo)模擬系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置:

(1) 擴展目標(biāo)參數(shù)設(shè)置:散射點數(shù)量21個,散射點位置相對基準點坐標(biāo)為(-9,-18,1.5)、(-6,-18,1.5)、(-3,-18,1.2)、(0,-18,1.2)、(3,-18,1.2)、(6,-18,1.0)、(9,-18,1.0)、(0,-15,1.0)、(0,-12,0.6)、(0,-9,0.6)、(0,-6,0.6)、(0,-3,0.3)、(0,0,0)、(-6,1.5,-0.3)、(6,1.5,-0.3)、(-3,3,-0.6)、(0,3,-1)、(3,3,-1)、(0,6,-1)、(0,9,-1.2)、(0,12,-1.2),目標(biāo)運動速度V=20 m/s,目標(biāo)轉(zhuǎn)動速度A=30°/s。

(2) 雷達信號參數(shù):采用線性調(diào)頻信號,信號帶寬Br=400 MHz,脈寬Tp=100 μs,重頻fPRF=5 kHz;

(3) 目標(biāo)模擬系統(tǒng)AD采樣率fs=1 200 MHz。

對擴展目標(biāo)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的目標(biāo)數(shù)據(jù),錄取后進行ISAR成像處理[5]。處理流程如圖7所示。

圖7 錄取數(shù)據(jù)ISAR成像處理流程

(1) 去斜處理

對錄取的擴展目標(biāo)回波數(shù)據(jù)首先進行去斜處理,針對上節(jié)所建立的目標(biāo)回波模型,設(shè)置去斜參考信號為:

(7)

式中:Rref為參考距離,即為雷達到目標(biāo)質(zhì)心的距離,其它參數(shù)定義同式(3)。

將回波信號與參考信號的共軛相乘,并進行傅里葉變換,得到下式:

(8)

(2) 一維距離成像

對去斜后的回波信號進行快速傅里葉變換可得到一維距離像,如圖8所示。

(3) 包絡(luò)對齊

包絡(luò)對齊的目的是消除由于目標(biāo)運動相對于雷達的平動造成的相鄰回波在距離向上的錯位,通過對齊調(diào)整,把積累時間內(nèi)的回波信號在距離向上調(diào)整為一致,作為后面初相校正和方位壓縮的基礎(chǔ)。本文采用相鄰相關(guān)法實現(xiàn)包絡(luò)對齊。

(4) 相位補償

在進行包絡(luò)對齊后,各次回波中還存在由于目標(biāo)平動所造成的相位變化,因此需要通過相位補償來進一步校正。常用的相位補償法包括特顯點相位補償法、參數(shù)估計相位補償法和基于圖像準則的相位補償法等。本文采用計算量相對小、易于工程實現(xiàn)的特顯點法。

(5) 成像處理

在完成包絡(luò)對齊和相位補償后,可進行成像處理。本次錄取數(shù)據(jù)方位向取256個脈沖,成像處理結(jié)果如圖9所示。

對比圖6設(shè)計模型、目標(biāo)轉(zhuǎn)動角度和圖9成像結(jié)果,本文所設(shè)計的雷達目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)滿足要求,能夠模擬典型復(fù)雜擴展目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文以三維體目標(biāo)為例,詳細介紹了基于目標(biāo)布點方式的擴展目標(biāo)模擬方法,即將擴展目標(biāo)分解為多個強散射點,分別計算各散射點的回波信號,再將各散射點的回波信號進行時域疊加,得到擴展目標(biāo)的回波信號。通過推導(dǎo)得到了具體的計算公式,然后基于數(shù)字儲頻原理研制了雷達目標(biāo)回波模擬系統(tǒng),并對模擬的目標(biāo)采用ISAR成像處理進行測試驗證。測試結(jié)果表明:研制的雷達目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)能夠有效模擬復(fù)雜擴展目標(biāo),為高分辨率雷達調(diào)試、試驗提供了一種行之有效的手段。