基于特性数据的雷达目标回波仿真

游 俊 肖开健 肖 秋

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

任何雷达，无论是什么型号，无论先进与否，不经过有效的战场环境下的性能测试和试验鉴定，就难以满足作战需求，就不知道是否可用，是否具备作战能力。早期的性能鉴定和整机测试均采用外场试验的方法，利用真实环境下的目标来给雷达提供测试信号。传统的外场试验测试方法不仅需要耗费大量的人力、物力、财力，而且随着战场环境的日益复杂，仅仅依靠外场试验的测试方法已经不能满足需求。特别是在算法研究、杂波抑制、抗干扰等方面，往往需要有符合特定条件的回波信号对雷达进行测试，如果这些信号全部都通过外场试验来获得是不太现实的，因为利用真实目标来产生信号会受到技术条件、环境条件以及物质条件等因素的限制。同时外场试验的控制比较复杂而且可重复性差，因此试验测试得到的回波信号具有很大的随机性，在一些需要回波信号中包含某些特定参数的情况下，外场试验往往无法重现。因此，通过仿真的方法来模拟原始回波信号是一个非常重要的研究方向和解决手段[1-3]。

随着计算机建模与仿真技术和数字电子技术的快速发展，雷达半实物仿真成为了雷达系统算法研究和性能验证必不可少的辅助手段。雷达半实物仿真包含目标回波仿真、杂波仿真以及干扰仿真，其最大的优点就是经济、灵活、复用性强。利用数学建模的方法和数字电子设备来模拟回波信号(包括目标回波信号、杂波信号和干扰信号)可以节省大量的人力、物力和财力并缩短系统研制周期。回波数学模型的可控性(即回波信号参数几乎可以不受条件限制任意给定)使得模拟的回波信号具有很大的灵活性。利用各种统计模型模拟回波信号，可以在时间上实现任意次重复试验同时保持回波信号统计特性的一致性，从而实现信号的复现。因此，雷达半实物仿真模拟的信号能够有效地弥补外场环境真实回波信号所存在的不足，可用于测试和评价处理算法的性能，并分析不同算法的有效性[4-7]。

1 目标回波仿真

雷达通过提取目标回波信号的距离、方向、多普勒速度、幅度等特征信息，完成探测目标的功能；而目标回波仿真则需要模拟具备相应特征信息的目标回波信号，才能达到验证雷达性能的目的。下面介绍一种存储转发式的半实物雷达目标回波仿真系统。

雷达目标回波仿真系统由屏蔽暗室、转台分系统、阵列馈电分系统、目标信号模拟分系统和综合控制分系统组成。其中，屏蔽暗室用于屏蔽外部的电磁信号并吸收内部的电磁信号，实现暗室内电磁信号传输的静区特性，模拟相对干净的自由空间环境；转台分系统用于承载雷达设备并模拟姿态运动，完成机载雷达、弹载雷达等运动平台雷达的姿态角(包括俯仰角、方位角和横滚角)运动仿真功能；阵列馈电分系统用于接收雷达发射信号并辐射目标回波信号，采用球面阵形式，通过对阵列天线辐射信号的幅相控制，实现在指定方向上辐射目标回波信号的模拟，完成目标回波信号的方向(包括方位和俯仰)仿真功能；目标信号模拟分系统用于对雷达发射信号的调制转发，通过对接收雷达信号的距离延时调制、多普勒频率调制以及幅度相位调制，实现目标回波信号的距离、多普勒速度和幅度仿真功能；综合控制分系统用于仿真参数设定，在仿真过程中进行实时参数解算，控制参与仿真的各分系统按照仿真参数工作，实现对仿真系统的综合控制功能。

雷达目标回波仿真的一种简单做法是假定仿真目标为单散射点目标，目标的雷达散射截面积(即RCS)为常数，目标按照特定轨迹运动，目标回波仿真示意图如图2所示。假设t时刻，目标相对雷达的距离为R，方位角为Φ，俯仰角为Θ，多普勒速度为Vd，目标RCS为σ。

图1 雷达目标回波仿真系统

图2 目标回波仿真示意图

目标的距离、多普勒速度以及RCS的仿真是通过目标信号模拟分系统实现的。目标回波相对雷达发射信号的距离延时为

(1)

其中c为电磁波传播速度。由于雷达天线到球面阵天线之间的距离(等于球面阵半径r)会引起传播延时、球面阵天线到目标信号模拟分系统之间存在传输延时等因素，导致仿真系统存在固有延时Δτ0，因此目标信号模拟分系统需要调制Δτ-Δτ0的距离延时，以实现目标距离的仿真。

目标回波的多普勒频率为

(2)

其中fc为雷达工作频率。此时，目标信号模拟分系统需要调制fd的多普勒频率，以实现目标多普勒速度的仿真。

根据雷达方程，雷达接收到的目标回波信号的功率为

(3)

其中，Pt为雷达发射功率；Gt和Gr分别为雷达发射天线和接收天线的增益；Ft(Φ,Θ)和Fr(Φ,Θ)分别为雷达发射天线和接收天线在仿真目标方向上的方向图；λ为雷达工作波长。如果仿真系统的发射功率为Pst，天线增益为Gst，那么雷达接收到的仿真信号的功率为

(4)

为了保证仿真信号的功率与目标回波信号的功率一致，即Psr=Pr，那么仿真系统的发射信号功率应为

(5)

由于目标信号模拟分系统到球面阵天线之间存在功率放大器件，并考虑传输损耗等因素，假设目标信号模拟分系统到球面阵天线前端的系统增益为GS，因此目标信号模拟分系统的仿真信号输出功率应为Pst-GS，据此进行幅度调制实现目标回波信号幅度的仿真。

目标的方位角和俯仰角的仿真是通过阵列馈电分系统实现的。采用阵列辐射方式的目标回波仿真系统，主要利用球面阵上多个天线同时辐射信号，在保证各天线信号相位一致的条件下，通过控制各个天线信号的幅度，使得到达雷达处的合成信号矢量方向为仿真目标方向。这里以三元组为例介绍，假设三元组三个天线的方位角和俯仰角分别为(Φ1,Θ1)、(Φ2,Θ2)、(Φ3,Θ3)，如图3所示。

图3 三元组合成示意图

如果三元组天线辐射的三个信号到达雷达天线中心处的场强分别为E1、E2、E3，在三个信号相位一致的前提下，根据矢量合成原理，三个信号的合成信号场强方向为：

(6)

(7)

按照E1+E2+E3=1进行归一化，有

(8)

(9)

(10)

通过校准使球面阵各天线到达雷达中心天线处的路径基本一致(即幅度相位变化一致)后，阵列馈电分系统根据目标的方位角和俯仰角位置，寻找距离最近的三元组天线，按照(8)～(10)式控制三元组各天线幅度，即可实现目标方位角和俯仰角的仿真。

雷达平台姿态角的仿真是通过转台分系统实现的。根据每个时刻雷达平台姿态角信息，转台分系统运动到对应的方位角、俯仰角和横滚角位置，固定转台上的雷达设备做相应的姿态运动。

2 特性数据的仿真解算

特性数据指的是雷达特性数据和目标特性数据。雷达特性数据包括雷达平台运动特性数据和雷达电磁特性参数。其中，雷达平台运动特性数据包含平台位置、速度和姿态角的时间序列；雷达电磁特性参数包含发射功率、发射天线增益、发射天线方向图等参数。目标特性数据包括目标运动特性数据和目标电磁散射特性数据。其中，目标运动特性数据包含目标的位置、速度和姿态角的时间序列；目标电磁散射特性数据包含目标在不同入射姿态角的RCS。

基于特性数据的雷达目标回波仿真是在仿真过程中，由综合控制分系统根据特性数据解算在每个仿真时刻目标的距离、方向、多普勒速度、信号幅度等特征信息，控制其它各分系统实现目标回波信号仿真。其中，雷达运动平台的姿态角数据不需要进行解算，可以直接下发给转台分系统，这里不做赘述。

以大地直角坐标系(如图4所示)为例，假设在t时刻的雷达平台的位置(XR,YR,ZR)，速度(VRX,VRY,VRZ)，目标平台的位置(XT,YT,ZT)，速度(VTX,VTY,VTZ)，姿态角(φT,θT,αT)。

图4 仿真坐标系示意图

1)距离信息解算：

目标相对雷达位置为ΔX=XT-XR，ΔY=YT-YR，ΔZ=ZT-ZR，目标距离为

(11)

2)方向信息解算：

目标相对雷达方位角为

(12)

目标相对雷达俯仰角为

(13)

3)多普勒速度信息解算：

目标相对雷达速度ΔVX=VTX-VRX，ΔVY=VTY-VRY，ΔVZ=VTZ-VRZ，目标多普勒速度为

(14)

4)信号幅度解算：

图5 姿态角引起的目标坐标系变换示意图

首先，根据目标姿态角(φT,θT,αT)以及雷达相对目标的方向(-Φ,-Θ)，解算雷达波照射目标的姿态角(φI,θI)。姿态角引起的目标坐标系变换如图5所示，将仿真直角坐标系转换到目标直角坐标系的转换矩阵为

(15)

在仿真坐标系下，雷达相对目标的方向坐标为P0=[-cosΘcosΦ,-sinΘ,-cosΘsinΦ]。在目标直角坐标系下，雷达相对目标的方向坐标为PT=P0·HT。

利用下式关系

[cosθIcosφI,sinθI,cosθIsinφI]=PT

(16)

解算入射姿态角(θI,φI)，得到

θI=arcsin[sinθTcosαTcos(φT-Φ)cosΘ+sinαTsin(φT-Φ)cosΘ-cosθTcosαTsinΘ]

按照目标电磁散射特性数据，查找在当前入射姿态角条件下的目标RCS，记为Σ(φI,θI)。

根据雷达电磁特性参数(发射功率Pt、发射天线增益Gt、发射天线方向图Ft(·))，以及仿真系统辐射天线增益Gst、球面阵半径r，按照式(5)解算仿真回波信号功率，

(17)

以上就是在基于特性数据的雷达目标回波仿真中，目标的距离、方向、多普勒速度和信号幅度特征信息的解算过程。

3 结束语

本文介绍了一种存储转发式的半实物雷达目标回波仿真系统，对其组成和仿真工作原理进行了简要描述，在此基础上介绍了基于特性数据的雷达目标回波仿真，并阐述了目标的距离、方向、多普勒速度和信号幅度特征信息的解算过程。

参考文献:

[1] 丁鹭飞等.雷达原理(第四版)[M].北京：电子工业出版社，2014: 1-24.

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[6] 许正荣.运动目标的模拟[D].合肥：合肥工业大学，2004.

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