基于目标模拟设备的对空情报雷达检飞方法设计

侯丹丹,石宏图,王剑峰

(1.中国电子信息产业集团有限公司,广东 深圳 518000;2.93147部队,成都 610000;3.成都中电锦江信息产业有限公司,成都 610500)

0 引 言

采用真实飞机检飞是我军检验对空情报雷达探测威力、测量精度、分辨力和抗干扰能力等战术性能的主要手段之一。但随着装备检飞架次急剧增加,试验组织协调工作量巨大,资源耗费多,时间跨度大,综合费效比低[1-4],因此一种新型的基于目标模拟设备的检飞方式应运而生。目标模拟设备是基于半实物模拟手段及设备,模拟目标、背景及干扰信号,以代替真实飞机目标、真实杂波背景及干扰信号,用来检验对空情报雷达主要战术性能的一种试验方法。相比传统检飞试验方法,模拟检飞具有支持目标类型多、试验成本低、保密性高、样本量大、边界明显、可多次重复、利于问题分析等突出优点。

根据公开资料,美国和西欧国家的雷达装备鉴定试验一般采用“内场性能测试与外场标校设备测量”的模拟检飞方式(如RASS系统等),并未采用真实飞机检飞,雷达用户通过实际使用装备,高度认可采用目标模拟设备检飞的可信性。俄罗斯的部分新研装备也未采用真实飞机检飞,而是通过探测标校球的方式进行性能鉴定[5-7]。采用目标模拟设备完成雷达装备性能鉴定和确认,已成为国外雷达装备发展的必然趋势[8-10],也是适应未来我军装备试验鉴定工作需求的重要技术支撑手段。本文提出一种基于目标模拟设备的对空情报雷达检飞方法,此方法已实际应用于某型雷达的检飞工作。

1 技术原理

在真实飞机检飞试验场景中,飞机按照规定的航迹飞行,其航迹信息包括目标的航线距离段、航向方位、仰角变化量、飞行速度范围等;而目标模拟设备检飞试验场景(如图1所示)主要是将飞机等效替换成目标模拟系统与升降平台。

图1 目标模拟设备试验场景示意图

升降平台(系留无人机或高塔)搭载电子载荷设备(包括收发天线、功放和光传主机等)升空,在空中接收雷达辐射信号,并通过延时转发接收的雷达辐射信号模拟目标回波。此时模拟的场景目标,其俯仰角取决于升降平台高度(可通过装置测量),距离变化可通过目标模拟系统的延迟调整实现,速度变化可通过调整目标模拟系统的频率偏差实现,雷达目标反射截面积(RCS)及距离引起的能量变化可通过调整目标模拟系统的功率实现。目标模拟系统在距离雷达r、仰角β处,通过调整辐射功率、延迟时间和频率偏移,来模拟距离R、仰角β、速度V的飞行目标;通过调整升降平台的高度改变模拟目标的仰角。根据此试验场景,可总结出目标模拟设备需准确模拟出的真实飞机的RCS、距离、速度、方位和俯仰。

1.1 RCS模拟原理

典型的雷达目标起伏分为5类:

(1)Swerling 0类,不起伏;

(2)Swerling I类,慢起伏、瑞利分布,适用于复杂目标由大量近似相等单元散射体组成的情况;

(3)Swerling II类,快起伏、瑞利分布,适用于复杂目标由大量近似相等单元散射体组成的情况;

(4)Swerling III类,慢起伏,适用于目标具有一个较大反射体和许多小反射体合成,或者一个大的反射体在方位上有小变化的情况;

(5)Swerling IV类,快起伏,适用于目标具有一个较大反射体和许多小反射体合成,或者一个大的反射体在方位上有小变化的情况。

通过功率模拟实现目标RCS模拟,根据已知的架设距离、雷达辐射功率、天线增益、模拟距离、模拟系统天线增益、被模拟目标RCS,通过公式推导,使目标模拟系统的输出信号与被模拟目标回波信号到达雷达口面的功率相等,如图2所示。

图2 目标RCS模拟原理

依据雷达方程,雷达照射真实目标得到的回波功率可表示为

(1)

模拟雷达主瓣范围内的目标,用等效调制目标反射的回波信号功率,雷达接收RCS为σ的目标反射功率可表示为

(2)

(3)

式中,r为模拟系统到雷达的距离;R为模拟目标到雷达距离;Pt为雷达发射功率;Gt为主瓣天线增益;Ptsim为目标模拟器发射功率;Gtsim为目标模拟设备天线增益;L1为目标到雷达的距离相关的衰减;L2为模拟设备到雷达的距离相关的衰减。

雷达检飞试验目标RCS以Swerling I类目标为主,目标RCS为起伏序列。Swerling I类目标的模拟是在Swerling 0类目标的基础上增加功率起伏调制,调制序列的产生采用理论模型仿真计算方式。Swerling I类目标概率密度函数为

(4)

根据理论模型,Swerling I类目标RCS为2 m2的仿真结果如图3所示。

(a) RCS值

1.2 距离模拟原理

通过延时变化等效模拟距离变化,目标距离模拟原理如图4所示。

图4 目标距离模拟原理

对于距离为R的飞机目标,雷达发射信号与接收回波信号的时间间隔为

Δt目标=2R/c

(5)

对于目标模拟系统,若不进行时间延迟处理,则回波信号与雷达发射信号时间间隔为

Δt模拟=2r/c+tm

(6)

式中,tm为目标模拟系统接收雷达信号后的处理转发时间。

可见,为了能真实模拟目标信号,目标模拟系统模拟回波与飞机目标回波相对于雷达发射信号的时间间隔应当一致,因此目标模拟系统在转发雷达接收信号时须进行时间延迟处理,时延时间为

Δt=Δt目标-Δt模拟=2R/c-(2r/c+tm)

(7)

1.3 速度模拟原理

由于飞机运动会导致出现多普勒频移,因此采用频率偏移量值模拟目标速度。

多普勒频移计算公式为

(8)

式中,V为模拟飞机目标运动速度;λ为雷达信号波长;β为模拟目标运动方向相对于目标与雷达径向方向的夹角。

1.4 方位和俯仰模拟原理

测量目标模拟系统挂载平台相对雷达的方位和俯仰角,作为模拟目标的方位和俯仰。

2 设备标定

每次试验前标定目标模拟系统模拟Swerling I类目标的准确性。在标定时,目标模拟系统与定标球处于同一个方位,标定场景如图5所示。

图5 目标模拟器标定场景示意图

标定步骤如下:

(1)按图5所示搭建试验场景;

(2)启动雷达,设置雷达波束指向目标模拟系统;

(3)目标模拟系统接收雷达辐射信号,通过理论计算并进行调制,输出RCS为2 m2、距离2 km处的Swerling I类目标模拟等效回波;

(4)雷达接收目标模拟系统模拟回波信号,自动录取1 000个回波功率,统计这些回波功率数据的起伏趋势;

(5)观察分布趋势是否一致,对比采集的分布趋势和经验模型仿真分布趋势是否服从瑞利分布;

(6)计算统计的雷达采集数据均值是否为2 m2。

3 模拟检飞与真实检飞差异

模拟检飞方法与真实飞机检飞在航线设计与样本采样方面主要的差异,如表1所示。

表1 模拟检飞方法与真实飞机检飞方法比较

4 雷达联试

雷达与目标模拟设备的联试情况如图6所示,证明模拟检飞方法正确可行。目前,空军机关已将模拟检飞方法作为检验该雷达战术性能的主要试验方法之一,列入了雷达设计鉴定检飞试验大纲。后续还将根据试验情况,在其他新研对空情报雷达装备鉴定试验中推广模拟检飞方法。

图6 目标模拟设备与雷达联试效果

5 结束语

本文采用功率起伏调制、时间延迟调制、多普勒频率偏移和升降平台搭建等方法,研制目标模拟设备,实现飞机目标向背站飞行时的主要特征模拟。结合雷达检飞项目需求,研究雷达模拟检飞试验方法用于验证雷达主要战术性能的科学性、可行性和有效性。

基于目标模拟器的检飞目前仍存在样本容量较小、与真实飞机起伏的一致性有待验证等问题,不过基于目标模拟系统的雷达检飞已是大势所趋。本文为空军后续对空情报雷达装备广泛开展模拟检飞鉴定试验奠定了技术基础,有较大的参考价值。