雷达模拟器的目标运动数据算法研究*

衣 玮 袁湘辉 左 雷

(1.海军工程大学校务部 武汉 430033)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

雷达模拟器的目标运动数据算法研究*

衣 玮1袁湘辉2左 雷2

(1.海军工程大学校务部 武汉 430033)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

建立了雷达模拟器海战场态势中的本舰与目标相对运动数据算法模型,并按时间流程存储在对应的数据表中,同时还根据相对运动关系解算出各目标信号的强度,从而信号源将产生相应强度的信号注入雷达模拟台。通过模型仿真软件在雷达训练模拟器中的功能测试,实现了雷达模拟器的仿真效果,满足了雷达模拟训练的要求。

雷达模拟器; 运动数据; 信号强度; 算法

Class Number TP311

1 引言

纵观外军训练中复杂电磁环境的构建方法,除了利用真实的武器装备外,还要大量依靠各类信号模拟器、计算机模拟技术、分布式交互仿真技术、以及能够模拟假想敌的部队等[1～3]。作战模拟的功能主要有三点: 1) 直接或通过导调人员给受训者提供逼真的战场态势信息; 2) 接受受训人员对此态势信息的判断和决策; 3) 通过模拟系统运行结果,对受训人员的反应给以评估[4]。

在进行雷达模拟器的海战场态势环境编辑时,需要将态势推进过程中的本舰和目标的相对运动关系解算出来,并按时间流程存储在对应的数据表中,同时还需根据以上相对运动关系解算出各目标信号的强度,以便信号源产生相应强度的信号注入雷达模拟台。

2 目标相对运动要素解算模型的建立

2.1 本舰运动数据的解算模型

当本舰的运动要素确定后,控制计算机根据雷达平台运动拐点的要素的设置,计算出雷达每个时刻的航向、航速、位置(经纬度坐标),并产生本舰运动要素表。初始绝对时间设为T0,后续时刻采用相对于初始时间的相对时间,初始时间为0,然后t1,t2,t3…,每一段路径对应的航行速度为v1,v2,v3…(v小于雷达装载平台的最大航速)。形成本舰运动要素表时,时间间隔为1s,记为dt。软件进行态势设定时,利用图形方式输入初始位置坐标、每段的航速、航向和距离,根据以上参数,控制计算机实时计算每个拐点的坐标、时刻。

图1 本舰(雷达)运动要素表示

如图1所示,以第二段路径为例,下一个拐点的时刻和坐标为

x2=x1+s2cos(θ2)

(1)

y2=y1+s2sin(θ2-90°)

(2)

t2=t1+s2/v2

(3)

其中,s2为第二段路径长度。本舰在每个dt时刻的位置为

x2(i)=x2(i-1)+v2dtcos(θ2)

(4)

y2(i)=y2(i-1)+v2dtsin(θ2-90°)

(5)

根据以上计算结果,建立本舰运动数据表,如表1所示。

表1 本舰(雷达平台)运动数据表

2.2 目标运动数据的解算模型

当目标的运动态势设定后,目标自身的运动参数以及相对于雷达的运动参数也需要及时解算并将结果存储进目标运动参数表中。如图2所示,目标与雷达的相对运动态势情况,目标自身的运动参数解算同上述雷达平台运动。

目标在海面上的投影位置距离雷达平台的距离和方位分别为

(6)

(7)

图2 目标与雷达的相对运动关系

而相对于雷达的真实距离(雷达对目标的测量距离)求解方法如图3所示(考虑到空中为标准大气,因此用等效地球半径代替真实地球半径,即re=8490km)。

图3 空中目标与雷达平台的距离关系

(8)

φ=R/re

(9)

视距的计算公式如式(10)[5]:

(10)

式(10)中的Rv单位为km,天线和目标高度单位为m。为了减少计算量,只有当目标航行到Rd

vR=vrcos(θr-θ)-vtcos(θt-θ)

(11)

目标相对于雷达平台的相对运动方向为:

α=θt-θr

(12)

目标的运动要素数据表如表2所示。

表2 目标运动要素表(视距标志:0-视距外,1-视距内)

3 目标信号强度的算法分析

目标虽然进入了视距范围,但反映在雷达上的回波信号不一定能被检测出来,因此,对每个目标,还需计算雷达对其最大发现距离和目标在每个时刻时的回波信号强度,并将这些数据标注在数据表中。

3.1 目标最大发现距离的计算

在后续关于雷达最大探测距离的论证中,一律是在发现概率90%、虚警概率10-6的条件下进行的[6]。

(13)

其中,R0为自由空间中雷达的最大发现距离,La为大气衰减,F为传播因子。

1)R0的确定[7](m)

(14)

其中Pt为雷达发射的脉冲峰值功率(W),τ为信号脉冲宽度(s),G为天线最大增益,λ为雷达中心工作波长(m),σ为目标平均雷达截面积(m2),kT0为4×10-21W/HZ,Fn为接收机噪声系数,D0为检测因子,CB为接收机带宽校正因子,Ls为系统各项损耗之和。

表示成分贝形式:

R0=(Pt+τ+2G+2λ+σ-Fn-D0-CB-Ls-171)/4

(15)

由于这里计算的雷达最大探测距离的目的是用于在态势中表明目标是否已经进入了雷达的可探测范围,同时也用于在考核时确定操作手是否能及时发现目标,因此这里的τ取雷达发射各种脉宽信号中的最大的一种[8]。

(16)

其中τc为脉冲压缩后的脉冲宽度,B为接收机中频带宽。

D0用经验公式确定[9](dB):

(17)

1.314对应的时虚警概率为10-6、检测概率为0.9时的单脉冲信噪比。n为最大脉冲积累数。9是目标的施威林起伏模型在检测概率为0.9时附加的信噪比需求。

目标与雷达相对航向不同,表现出的RCS(σ)大小也不同,不管是空中还是海上目标,将相对航向取成8个45°范围,如图4所示,其中相对航向落在1、5区时,目标的RCS值为其平均值(dB)的3/4,落在3、7区时,目标的RCS值为其平均值(dB)的5/4,落在其他区域时的RCS为均值。

图4 相对航向与目标RCS取值区域示意图

在计算最大探测距离时,程序从雷达目标类型表中取出该类目标的平均RCS值,再根据表2中的各时刻的相对航向,计算对应的RCS值,带入距离计算公式进行计算。系统损耗(Ls)包括以下几部分:传输损耗:双程取值5dB;天线波束形状损耗:取值1.6dB;信号处理损耗:取值7dB。

2)F的确定

对于视距外的目标,不计算F的结果,直接置为0。当选择大气波导环境时,需根据波导剖面和PE方程计算F;当选择正常大气条件时,为了加快计算速度,不选用PE方法计算F,而采用以下方法计算[10]:

(18)

其中f(θd)为天线方向图在目标仰角方向的大小,ρ为海面反射系数的模,α为反射系数引入的相位与直反射波间路程差引入的相位差之和。

反射系数是三部分的乘积,即理想海面反射系数、球面散射因子和海水粗糙度因子。水平极化时,理想海面反射系数为[11]

(19)

ε=ε′-jε″

(20)

其中,ε′、ε″取值与波段和海水温度有关。由于水面舰艇对海搜索雷达架设高度较低,且都是水平极化,因此取反射系数引入的相位为180°,模值为1。

海面粗糙度因子为[12]

(21)其中,hrms(m)为浪高的标准偏差[13](为0.25H1/3):

(22)

海态由风速决定,具体可查看风速海态表3。

球面散射因子为[14]

(23)

各符号的定义如图5所示。

图5 球面条件下空中目标与雷达的几何关系

直达波与海面反射波之间波程差为[15]

(24)

其中:

(25)

(26)

(27)

而[16]:

φ1=r1/re

(28)

φ2=r2/re

(29)

(30)

(31)

(32)

至此,传播因子F中的反射系数的模和相位分别为[17]

ρ=srD

(33)

(34)

为了确定天线方向图在目标仰角方向的大小(f(θd)的形状由雷达参数给出),需要求解θd[18]:

(35)

3)La的确定(双程,分贝)

La的取值采用曲线量化的方式,并按比例取值的方式查表可得。当R0、F、La都确定后,可以计算出目标的Rmax[19]。

Rmax=R0+F+La/4

(36)

该计算结果的单位为分贝。这里,由于F和La都与R有关,因此该计算过程是个迭代计算。

3.2 目标回波信号强度的算法

计算目标最大探测距离的目的是为了在控制台的态势快演和态势运行过程中,实时标志出每个目标是否已经进入到雷达的发现范围内。计算目标信号的回波强度,是为了控制目标信号源产生目标信号的大小,以便后端的雷达模拟台能在雷达威力覆盖范围内准确地检测每个目标。

距离雷达R处的目标,在雷达天线口径上目标的信号回波强度为[20]

Pr=Pr0F4La

(37)

其中Pr0在理想条件下雷达天线口面的接收功率。

Ps=Pr0F4LaGp/Ls

(38)

图6 舰船目标的RCS取值方法

σ的取值取决于雷达与目标的相对运动方向,但对于海面舰船目标,需将σ假设成为一个沿高度均匀分布的模型。这里规定,将舰船高度划分成五段,从目标类型表中取出的σ值均匀分布在这五段上,当无大气波导时,需要根据目标每个时刻与雷达之间的距离,计算出雷达视距对应的最小发现高度hmin,代入上式的σ取值应为hmin到舰船最大高度上各段RCS的积分。如图6所示。对于空中目标,当处于视距以外时,F设为0。当存在大气波导时,不再计算视距,海面目标的hmin设为0,各个高度上的F值由PE算法的结果决定。

即式中的σ用下式替代。

(39)

(40)

其中hmax由目标类型表给出(此式高度单位为m,距离单位为km)。上述PS为天线波束中轴对准目标时,回波信号在中频放大器输入端处的功率。

4 仿真结果分析

本舰设置包括设置雷达型号、装载平台和编辑平台航迹,其控件操作设置如图7所示。系统中航向、风向均指正北顺时针到该方向的夹角,正北为0°。

图7 平台航迹设置操作图

图8 目标航迹设置操作图

图9 本舰和目标的运行态势图

目标设置包括目标类型、批次、参数、航迹等信息。其控件操作设置如图8所示。

其本舰和目标的运行态势结果如图9所示,右键点击本舰和目标可显示运行的参数。

5 结语

本文将建立的目标运动数据算法模型通过软件编程,实现了雷达训练模拟器的本舰和目标航迹设置和目标强度计算,再将仿真软件应用于雷达训练模拟器中进行功能测试,测试结果表明,该解算模型能够准确的计算出本舰、目标的相对运动关系,并按时间流程存储在对应的数据表中,同时根据相对运动关系解算出各目标信号的强度,从而信号源将产生相应强度的信号注入雷达模拟台,实现了雷达模拟器的仿真效果,满足了雷达模拟训练的要求。

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Research of Target Motion Data Algorithm of Radar Simulator

YI Wei1YUAN Xianghui2ZUO Lei2

(1. Department of Administrative Affairs, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The paper established the data algorithm model of ship and target relative motion in a radar simulator under sea battlefield situation. The model was stored in the corresponding table chronologically, and the signal intensity of each target was also calculated through the relative motion, thus the signal source would generate signals of corresponding intensity to input the radar simulation platform. By using function tests of model simulation software in radar training simulator, the paper finally achieved the expected results of radar simulator and met the requirements of radar simulation training.

radar simulator, motion data, signal intensity, algorithm

2014年6月4日,

2014年7月24日 基金项目:国防专项基金资助。

衣玮,男,硕士研究生,研究方向:海军电子装备建设与发展。袁湘辉,男,高级工程师,研究方向:雷达信号处理。左雷,男,讲师,研究方向:超视距雷达探测规律。

TP311

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.014