基于DRFM的高分辨雷达扩展目标回波仿真技术

那洪祥

（91913部队，辽宁大连116041）

基于DRFM的高分辨雷达扩展目标回波仿真技术

那洪祥

（91913部队，辽宁大连116041）

介绍了一种基于DRFM的高分辨雷达扩展目标回波信号仿真方法，该方法将舰船等复杂目标视为扩展目标，其雷达回波信号可以看作扩展目标各散射中心产生的回波信号的叠加。应用该技术产生的模拟目标回波信号和假目标干扰信号，由于携带雷达发射信号和照射目标特征信息，能顺利进入末制导雷达接收机，仿真效果优于一般常规仿真技术。

DRFM；高分辨雷达；扩展目标；回波仿真

现代高分辨雷达目标探测和识别能力强，对雷达回波信号仿真也提出了更高的要求。由于许多目标的尺寸远大于雷达的分辨率，必须将探测目标视为扩展目标[1]。扩展目标模型的建立比点目标要复杂的多，一般点目标只涉及到自身的雷达散射截面积（RCS）特性[2]，这一特性只是发射波长、发射波的极化方式和目标的姿态角的函数；而扩展目标要被分成多个强散射点，所以须对该类目标的空间特性进行描述。这样就不能以简单的函数方式来描述整个目标的散射特性，而应以散射中心的分布特性来描述。

本文基于DRFM[3-4]技术和FPGA[5]特点，提出了一种高分辨雷达目标回波和假目标欺骗干扰信号仿真方法。该方法首先对脉冲雷达发射信号进行下变频和采样存储；然后，对所存储的采样信号进行卷积运算处理，产生携带距离信息、速度信息等调整特征信息的模拟回波和假目标干扰信号。由于模拟回波和假目标干扰信号携带有雷达发射信号和照射目标特征信息，能顺利进入高分辨雷达接收机，其仿真效果明显优于常规仿真方法[6]。

1 基于DRFM的高分辨雷达扩展目标模型

根据局部性原理，处于高频区的目标的散射特性并不是目标全部表面所贡献的，而可看作是该目标的某些局部位置（强散射点）的散射特性的叠加。由于扩展目标的尺寸大于雷达的分辨率，所以扩展目标的散射特性可以近似为该物体上多个散射中心的散射场的叠加。高分辨雷达扩展目标散射特性可以写为：

式（1）中：σ为目标总的散射截面积；σi为各个散射中心的RCS；λ为雷达发射信号波长；ri为第i个散射中心到雷达的距离；ϕi为第i个散射中心初始相位。

式（2）中：0≤t≤lmax/c；M为扩展目标散射中心的个数；ai(θ)是第i个散射中心的强度；τi(θ)是第i个散射中心的时延；θ是扩展目标的姿态角；c是信号的传播速度；lmax是目标的最大尺寸。

由于高频区不同散射中心的强度与发射信号频率之间存在不同的关系，所以式（2）考虑的不够全面。将这一问题考虑其中可得式（2）的推广：

式（3）中：0≤t≤lmax/c；增加的ϕi为常数，它表示各个散射中心的类型。

由瞬态电磁散射理论可得，任意物体的冲激响应由2部分组成：一部分是物体的不连续边界处的早期响应，即冲激分量；另一部分是物体的感应电流在自然频率点附近处的晚期相应，即辐射分量[9-12]。物体的早期响应与发射信号的调频特性有关，是发射信号与物体相互作用的体现，表现为一系列不同散射中心的波峰。晚期响应是早期响应结束之后开始的，表现为与发射信号无关的谐振频率。根据这一理论分析，目标响应模型可以表示为：

式（4）中：N是自然谐振频率数；bj(θ)是第j个谐振分量的幅度；Sj是目标的复自然谐振频率；τj(θ)是自然谐振模延时；u(t)为单位阶跃函数。

式（4）中的第1项是目标镜面反射，其范围是[0,lmax/c]，第2项是目标自然谐振分量，可以在t≥lmax/c范围内测得。如果再考虑到信号在各个散射中心之间的传播效应，可以得到改进的模型：

式（5）中：Akl(θ)是发射信号在散射中心之间的多路传播产生的散射分量；Bkl(θ)是各散射中心单独传播的散射。

式（5）完整地表达了宽带雷达照射下目标的散射特性，可将其看作一般的扩展目标模型。

假设雷达发射信号为s(t)，则雷达发射信号照射到目标时的回波响应可以表示为：

从式（6）可以看出，扩展目标的回波信号的模型可以看成是雷达发射信号s(t)经过一个系统后的输出，该系统的h(t,θ)取决于目标本身的电磁散射特性，它不仅与目标自身的结构特性有关系，还与雷达发射信号的频率、信号特征以及目标的姿态角有关。

假设末制导雷达发射的信号s(t)为点频单脉冲信号，则s(t)可表示为：

式（7）中：TS为点频单脉冲信号的周期；τ为矩形波的脉冲宽度；f0为载波的中心频率。

对于任何一个扩展目标，它的多个散射中心当中必有一个较强的散射中心，而这个较强的散射中心的回波可以近似的看成雷达发射信号的延时。在对扩展目标进行建模时，回波信号的主要特征是它的能量信息，而大多数目标的能量响应主要集中在各个局部响应分量之中。因此，在进行建模时忽略式（5）中的后2项[13-14]。则扩展目标回波信号可表示为：

扩展目标回波r(t,θ)是一系列冲激函数的叠加，这些冲激函数具有不同的时间延迟、相位和幅度，它的作用就是对雷达发射信号做准确的延迟，并对回波信号的幅度和相位进行响应的调制。

2 扩展目标回波信号仿真

由于反舰导弹末制导雷达的探测对象是舰船等复杂目标，几何尺寸大，结构复杂。假设目标舰船的长度为150m，所以各散射点之间的时间差最大不超过1μs。图1给出了高分辨雷达目标回波仿真原理框图。相参雷达发射信号经下变频和DRFM存储之后，在FPGA器件中与目标特性数据和调制特性进行卷积运算，运算结果经过D/A恢复和上变频操作就可以完成对模拟目标回波信号的产生。

雷达回波的目标信息包括目标的RCS、强散射点分布、姿态角、运动速度等，通过对舰船目标的特征数据分析可以得到它的冲击响应序列[15]h(t,θ)。

上面讨论的h(t,θ)是简化的模型。实际工作中，测量舰船目标某个固定角度的回波信息时，末制导雷达和舰船目标之间的姿态角不发生变化，即认为ai(θ)、τi(θ)均为与θ无关的常数。假设舰船目标上各个散射中心是统一类型，即不考虑散射中心类型差别的影响（不考虑ϕi）。此时，目标回波可以简化为[16]：

回波模型即舰船目标的各个散射中心对雷达发射信号的延时、幅度调制和相位调制的叠加。

下面对舰船目标的雷达照射回波信号的波形和频谱进行仿真分析。

设单脉冲信号的周期TS=1000 μs，脉冲宽度τ=0.5μs，基波频率f0=200MHz，采样频率fc=600MHz。图2是发射单脉冲信号的波形，图3是单脉冲信号的频谱。

假设舰船目标有N个散射中心，则雷达发射信号的回波由N个散射中心的延时和幅度调制特性叠加而成。当M=1时，将舰船目标看作一个点目标；当M=2时，将舰船目标看作2个强散射点组合的扩展目标，若2个散射中心距离15m（对应延时τ2=0.1μs），对应雷达回波信号的波形和频谱的仿真结果如图4所示；当M=3时，回波信号由3个散射中心的回波叠加而成，假设第2、第3个散射中心的延时为τ2=0.1μs、τ3=0.3μs，回波信号的波形和频谱的仿真结果如图5所示。

同理，可得M=4、M=5等多个散射中心叠加的回波信号的时域和频域特征。在时域方面，随着叠加散射中心回波数目的增多和相对延时的增大，舰船目标回波的波形被明显展宽了，展宽宽度等于几个叠加延时信号中的最大延时量，回波信号的幅度也随着叠加次数的增多而改变，具体的幅度由叠加信号的幅度决定。在频域方面，回波信号r(t)的频谱整体变窄了。

3 结论

扩展目标回波信号和假目标干扰信号仿真中，将舰船目标的散射特性简化为多个散射中心回波信号的叠加。通过建模仿真分析可以看出，叠加延时信号后，回波信号的波形被展宽，整体频谱变窄，但是回波信号的离散谱被展宽。这一点与外场实测数据中末制导雷达发射信号照射到舰船目标的回波信号的时域特性相符，充分验证了该技术对高分辨雷达扩展目标回波信号和假目标干扰信号仿真的有效性。

[1]于冰.相参雷达目标模拟系统的设计与实现[D].南京：南京航空航天大学，2010.YU BING.The design and implementation for simulation system of coherent radar target[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.（in Chinese）

[2]黎海涛，徐继麟.超宽带线性调频雷达目标回波模型[J].电波科学学报，1999，14（4）：440-444.LI HAITAO.XU JILIN.Modeling of ultra-wide band linear frequency modulated radar[J].Chinese Journal of Radio Science，1999，14（4）：440-444.（in Chinese）

[3]张玉芳.基于DRFM的雷达干扰技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2005.ZHANG YUFANG.Research on radar jamming based on DRFM[D].Xi’an：Xidian University，2005.（in Chinese）

[4]牛刚，陈国顺，曹文斌.短波通信装备抗干扰性能测试平台研究[J].电子技术应用，2013，39（3）：84-87.NIU GANG，CHEN GUOSHUN，CAO WENBI.The test platform of HF communication equipment anti-jamming capabilities[J].Application of ElectronicTechnique，2013，39（3）：84-87.（in Chinese）

[5]褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002：3-10.CHU ZHENYONG，WENG MUYUN.FPGA design and application[M].Xi’an：Xidian University Press，2002：3-10.（in Chinese）

[6]LORA G WEISS.Wavelet and wideband correlation processing[J].IEEE signal Processing Magazine，1994（1）：13-32.

[7]杨陈.末制导雷达及其干扰技术的研究[D].成都：电子科技大学，2007.YANG CHEN.Research on terminal guidance radar and jamming technology[D].Chendu：University of Electronic Science and technology of China，2007.（in Chinese）

[8]梁志恒，潘海明.毫米波导引头目标回波和杂波模拟方法研究[J].系统仿真学报，2007，19（12）：2723-2726.LIANG ZHIHENG，PANG HAIMING.Method of target and clutter signal signal simulation for MMW seeker[J].Journal of System Simulation，2007，19（12）：2723-2726.（in Chinese）

[9]潘金波.相参雷达目标杂波与欺骗干扰模拟系统的研究与实验[D].南京：南京航空航天大学，2010.PAN JINBO.Research and experiment for simulation system of coherent radar target，clutter and deceptive jamming[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.（in Chinese）

[10]徐晓阳.相参雷达射频仿真技术研究[D].南京：南京理工大学，2005.XU XIAOYANG.Research on radio frequency simulation of coherent radar[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2005.（in Chinese）

[11]宋兵兵，潘明海，梁志恒，等.高精度干涉测高雷达回波快速实现方法[J].哈尔滨工程大学学报，2015，33（11）：1494-1498.SONG BINGBING，PAN MINGHAI，LIANG ZHIHENG，et al.Fast implementation method of high-precision interferometric radar echo simulation[J].Journal of Harbin Engineering University，2015，33（11）：1494-1498.（in Chinese）

[12]王磊，于超鹏，刘平.机载相控阵天气雷达回波仿真与分析[J].系统仿真学报，2016，28（8）：1869-1877.WANG LEI，YU CHAOPENG，LIU PING.Simulation and analysis of airborne phase array weather radar reflectivity[J].Journal of System Simulation，2016，28（8）：1869-1877.（in Chinese）

[13]肖汉波，张长青.基于宽带DRFM的雷达面目标回波模拟技术[J].电讯技术，2015，55（12）：1378-1383.XIAO HANBO，ZHANG CHANGQING.Radar surface target echo simulation technology based on wideband DRFM[J].Telecommunication Engineering，2015，55（12）：1378-1383.（in Chinese）

[14]李尚生，张军，陈佳林.基于DRFM的通用无线电高度模拟装置的设计[J].海军航空工程学院学报，2013，28（2）：107-110.LI SHANGSHENG，ZHANG JUN，CHEN JIALIN.Design of universal radio altitude simulator based on DRFM[J].Journal of Naval Aeronautical Engineering Institute，2013，28（2）：107-110.（in Chinese）

[15]李尚生，付哲泉，莫禄.高分辨雷达目标回波信号产生技术研究[J].宇航计测技术，2015，35（3）：5-9.LI SHANGSHENG，FU ZHEQUAN，MO LU.Research on the technology of generating the echo signal for highresolution radar[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2015，35（3）：5-9.（in Chinese）

[16]李尚生，张军，陈佳林.DRFM在高度信号模拟中的应用及关键技术研究[J].宇航计测技术，2013，33（5）：9-11.LI SHANGSHENG，ZHANG JUN，CHEN JIALIN.Research on the key technologies for applications of DRFM in simulating altitude signal[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2013，33（5）：9-11.（in Chinese）

Extended Target Echo Simulation of High-Resolution Radar Based on DRFM

NA Hongxiang
（The 91913rdUnit of PLA,Dalian Liaoning 116001,China）

In this paper,article proposed a simulation method of high-resolution radar extended target echo signal simula⁃tion was proposed based on DRFM.If ships and warships were regarded as extended targets,the radar echo signal would be the superposition of each scattered center echo signal.Analog target echo signal and false target jamming signal generat⁃ed by this method carried the radar emission signal and irradiation target characteristic information effectively,and could pass the threshold voltage of terminal guidance radar.Therefore the method was better than general conventional simula⁃tion techniques.

DRFM;high-resolution radar;extended target;echo simulation

TN958

A

1673-1522（2017）04-0347-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.04.002

2017-06-12；

2017-07-12

那洪祥（1978-），男，工程师，大学。