基于DRFM技术的雷达标校器设计与实现

刘 勇，李国君，2

（1.92941部队，辽宁 葫芦岛 125001；2.海军航空工程学院电子信息工程系，山东 烟台 264001）

0 引言

如何在有限条件和时间内完成雷达测量性能评估，提高雷达研制、调试和验收试验效率是非常重要的问题。通常，雷达测量精度评估采用静态检查和动态检查两种方法：静态检查就是利用雷达标校器完成对雷达测量精度和工作性能的评价；动态检查则是利用飞机或其他运动雷达目标来检查雷达测量精度和工作性能。

传统雷达标校器形成的回波信号一般具有如下几个缺点[1]：

1）回波为理想点目标，回波幅度不能实时起伏，与真实复杂目标回波差距较大；

2）在满足模拟目标回波与雷达间具备相参性的要求下，只能形成距离固定的目标回波，多采用光纤延迟线来实现；

3）无法全面兼顾回波速度、多普勒频移和雷达相参这3个因素；

4）无法在回波中叠加各种杂波、干扰。

传统雷达标校器形成的目标回波信号形式单一，与考核雷达各种性能指标的要求差距较大，不能全面考核雷达性能；对很多雷达还需要利用实际的运动目标来进行检查，尤其是脉冲多普勒体制雷达，传统雷达标校方法大大提高了雷达研制、调试和试验鉴定的资金和时间成本。

数字射频存储器（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）技术作为存储和复制射频信号的一种方法建立于20世纪80年代初，此后一直广泛应用于雷达和电子对抗领域，其发展的推动力直接来源于电子战欺骗式干扰技术的需求。由于DRFM能准确存储雷达的发射波形，并在综合控制器的管理下延迟适当时间，再施加需要的其他信息可模拟目标的各种信息以形成雷达回波。由于回波的模拟过程不依赖雷达的具体工作体制，采用DRFM技术的回波模拟不仅可以实现很多模拟策略，而且可以做到通用化，实现雷达性能的无线检测。

1 基于DRFM的雷达标校器原理

传统雷达标校器都是以光纤延迟线为基础的单目标固定距离标校装置，其基本原理如图1所示：

采用DRFM技术后，可以利用原有标校器装置中的接收、下变频、上变频及本振等设备替换其中的光纤延迟和衰减控制电路，升级成一部功能强大的新一代雷达标校器，其基本原理如图2所示。

图2 基于DRFM技术的雷达标校器

在实际雷达接收机处理中存在大量非线性环节（如限幅、量化和设备本身的非线性因素等）。因此，在中频上对回波进行模拟会更加准确和合理；同时为了评估宽带干扰信号对雷达接收机的干扰效果，也可以在中频上进行信号模拟，增加雷达对抗和反对抗过程的真实程度。采用DRFM技术就可以实现上述功能。

为实现对复杂雷达波形的模拟，要求DRFM 具有以下特点：

1）大的瞬时带宽以适应雷达频率捷变带宽和脉内调制；

2）由于大多数雷达都基于相参体制工作，为了产生有效干扰，产生的假目标必须具有相参特性；

3）能够存储和二次产生雷达脉冲，包括其脉内调制形式，并附加各种调制；

4）要求复制的雷达脉冲必须尽可能干净，不带有因量化、存储、变频等产生附加的寄生电平；

5）对于运动目标，要求有相应的多普勒调制；

6）可以基于雷达发射信号形成各种杂波，来逼近实际工作环境。

基于DRFM技术的新一代雷达标校器和基于光纤延迟线的传统雷达标校器性能差异如表1所示：

表1 两类雷达标校器性能对比

2 基于DRFM的雷达标校器实现

2.1 对频率捷变的应对方法

频率捷变体制雷达已广泛应用，基于DRFM技术的雷达标校器必须考虑如何应对频率捷变体制的雷达。

不同的雷达具有不同的捷变带宽，若雷达捷变带宽不是很大，比如小于200 MHz，则可以采用直接采样方法。目前成熟的A/D 瞬时带宽满足要求，但是当捷变带宽大于400 MHz时，就不宜选择直接采样方法，可考虑采用多路接收机方法。

由于雷达捷变频率无法预知，采用多路接收机方法时需要解决的问题是频率选通。借鉴干扰机工作原理，可采用接收机频率侦听思路，配合检测门限来实现对雷达当前发射频率的确认，为后续多普勒频率叠加和幅度起伏等模拟奠定基础。为了保证对信号无损失的采样，需要对接收到的雷达发射信号进行延时处理，给检测电路的确认留有时间，由于与干扰机的应用背景不同，这个延时可以在后续距离模拟延时中扣除，不影响雷达标校器的使用。

2.2 模拟策略的模型设计

雷达信号发射后，经过与雷达环境的相互作用后（如散射体散射、大气衰减、折射和多径效应等）返回到雷达接收天线口面。对雷达回波的模拟，通常等效到接收机输入端建立回波信号模型，并在模型中反映信号受雷达工作环境调制和雷达天线调制的影响，因而目标信号可视为发射波形经过延迟和多普勒频移并且幅度受到RCS 起伏调制后的复现波形，采用DRFM技术可将利用模型构建的信息叠加到模拟回波中，使回波形式具有多样性，实现对雷达更加逼真的检验。

1）目标运动和多普勒频率调制模型。

由于雷达获得的是离散目标信号，即以一定时间间隔T 获得的目标信息，当这个时间间隔足够小时，可用直线段（或弧）去逼近目标的飞行轨迹，同时可以认为在微小时间间隔内目标是匀加速运动的。因此，任意飞行轨迹可视为直线运动和匀速空间圆周运动的组合。

坐标系采用站心地平面直角坐标系，正北方为X轴，正东方为Y轴，Z轴指向天顶，对于直线运动，若已知目标起始位置矢量(x0,y0,z0)、到达位置矢量(x1,y1,z1)、速度v、加速度a，可以建立目标运动轨迹如下：

上两式中：

速度V在空间矢量T方向上的投影是引起目标多普勒频移的目标相对于雷达的径向速度v：

而目标的多普勒频率为：

2）目标RCS 起伏模型。

一部雷达作用距离、定位精度和目标识别功能都与雷达目标的RCS 有密切关系，要正确描述RCS起伏，必须知道它的概率密度函数（与目标类型和典型航路有关）和相关函数。概率密度函数p (σ)给出目标截面积σ在σ和σ+dσ之间的概率，而相关函数则描述RCS在回波脉冲序列间的相关程度，雷达RCS 起伏随机、不规律[2]，很难准确得到各种目标截面积的概率分布和相关函数，通常用一个接近又合理的模型来估计目标起伏影响。最早提出且目前仍然常用的起伏模型是Swerling模型。

Swerling模型具有4种经典起伏模型，随着雷达目标本身的发展，隐身目标、非良导体目标以及高速飞行体等出现，经典Swerling模型已不能精确表述各类目标统计性能。

本文采用χ2统计模型[3]。

一个雷达散射截面的随机变量σ的χ2概率密度函数为：

式(8)属于新一代RCS 起伏统计模型，具有通用性，包含更多的雷达目标类型。其表达式简洁，只有一个变参数，双自由度k值可以不是正整数，拟合曲线精度高[4-5]，包含了经典的4种Swerling模型：

a.当k=1时，式(8)为二自由度χ2分布，即Swerling-1型分布；

b.当k=2时，式(8)为四自由度χ2分布，即Swerling-3型分布；

c.当k=N时，式(8)可以表示Swerling-2型分布；

d.当k=2N时，式(8)则可以表示Swerling-4型分布。

3 基于DRFM的雷达标校器应用

应用DRFM技术已经成功的设计了某雷达标校器并成功应用于某型雷达标校和模拟训练工作中。该系统由接收和发射天线阵、接收外差下变频器、DRFM组件、上变频与功放、频综、信号测量及同步器、综合控制器、系统控制计算机、自检电路和二次电源组成。雷达标校器系统组成如图3所示：

图3 某雷达标校器系统组成框图

雷达标校器的参数设置界面如图4所示。

图4 为雷达标校器参数设置界面

4 结束语

本文提出了基于DRFM技术实现雷达标校器的方法，使雷达标校器具有更强的模拟功能。通过加载合理的模型算法，使得模拟的效果更加逼近真实情况，具有较强的实用性。同时，该方法容易实现传统标校装置的升级改造，具有较强的工程应用推广价值。

[1]斯科尔尼克.雷达系统导论[M].林茂庸,译.北京:国防工业出版社,1992:168-172.

[2]黄培康,殷红成,许小剑.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社,2005:224-236.

[3]SWERLING P.Radar probability of detection for some additional fluctuating target cases[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1997,33(4):698-709.

[4]林刚,许家栋.目标RCS 动态数据的分布特征研究[J].现代雷达,2006,28(2):46-49.

[5]曾勇虎,王国玉,陈永光,等.基于χ2分布的目标RCS 起伏特性分析[J].雷达科学与技术,2007(2):33-36.