基于扩展目标的雷达目标回波模拟及验证

陈 旭,王金锋,朱 平

(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

在雷达研制、调试和试验的各个阶段,都需要对雷达性能进行测试,尤其是雷达的主要战术指标如探测威力、探测精度等。而传统的外场试验成本高,周期长,试验效率低,因此需要采用现代化的便捷测试方法,能够在试验室或近场对雷达研制全周期进行性能考核评估,提高雷达的研制效率。其中以电磁蓝军模拟为核心需求的雷达目标回波模拟器,成为当前目标模拟仿真领域的一个研究热点。

本文以高分辨率雷达探测需求为背景,根据雷达发射信号建立满足要求的高分辨率扩展目标模型,给出一种基于目标布点方式的扩展目标模拟方法,并以数字储频单元(DRFM)为核心模块研制了一套雷达目标回波模拟系统[1],最后采用中频数据采集、逆合成孔径雷达(ISAR)成像处理的方法对模拟的目标数据进行分析测试,测试结果满足高分辨率雷达目标模拟的要求。

1 扩展目标模型

常规的目标模拟方法以点目标为主,仅考虑目标的雷达截面(RCS)特性,这一特性由雷达电磁波波长、极化方式和目标的姿态角等参数决定。而对于高分辨率雷达来说,这种点目标模拟方式不能全面、合理地模拟舰船、飞机等复杂目标。这类目标的散射特性可表现为多个强散射点。本文采用扩展目标模型进行描述并模拟,分别计算各个散射点中心目标特性与雷达发射信号的时域卷积,得到单个散射点的回波信号,再将各散射点的回波信号进行时域叠加,得到扩展目标的回波信号[2-3]。

设雷达发射信号为线性调频信号,其基带信号用s(t)表示为:

(1)

式中:TP为发射脉冲宽度;Kr为调频斜率;t为采样时间。

则其中任一个散射点在ta时刻的回波信号即为该点在雷达发射信号基础上增加时延、幅度调制和多普勒调制,用下式表示为:

(2)

式中:σ为该散射点的幅度值;R(ta)为该散射点与雷达间距离;λ为电磁波波长;c为电磁波传播速度,为一常数。

扩展目标回波可以看成多个散射点的集合,即表示为各散射点的矢量和,所以扩展目标回波模型可用下式表示:

(3)

式中:M为散射点数目;σi为第i个点的幅度值;Ri(ta)为第i个散射点与雷达间距离;其它参数定义同式(2)。

2 扩展目标模拟方法

本文设计并模拟实现的扩展目标包括一维距离像目标、二维面目标和三维体目标。根据上一节所建立的扩展目标模型,以三维体目标为例,详细描述其具体的模拟实现方法。

三维体目标即模拟的扩展目标各散射点坐标值包括x、y、z三维信息,设置雷达坐标为(xr,yr,zr),目标的基准点在雷达坐标系下的位置为(x0,y0,z0),目标的某个散射点P在以基准点为原点的目标坐标系下的位置为(xi,yi,zi)。设目标在(x0-xr,y0-yr,z0-zr)方向上平动的速度为V,与Z轴方向的夹角为θ,与X轴方向的夹角为φ;目标在ta时刻的姿态信息即横滚、俯仰和偏航表示为(γ,ϑ,ψ),如图1所示。

图1 三维体目标运动示意图

(1) 计算t时刻由目标姿态变化引起的位置变化:

(4)

(2) 计算t时刻由目标平动所引起的位置变化:

(5)

式中:(V,θ,φ)根据目标运动态势得到,根据系统需求定时更新。

(3) 计算散射点P与雷达的瞬时斜距为:

(6)

(4) 计算t时刻散射点P的回波信号,即式(2)。

(5) 计算t时刻整个扩展目标的回波信号,即式(3)。

3 基于扩展目标的雷达目标回波模拟系统设计

根据上节建立的扩展目标模型以及目标模拟方法,本文基于数字储频法(数字射频存储器(DRFM)产生法)构建技术方案:采用射频接收机接收雷达信号;利用下变频电路将雷达射频信号变为功率相对恒定的中频信号,然后利用高速模数转换器(ADC)对雷达中频信号进行高速采样、存储,并在数字逻辑电路的控制下,将存储的数字中频基带信号经延迟、多普勒调制、叠加等,利用高速数模转换器(DAC)产生满足要求的扩展目标中频信号;然后经过上变频、功率放大后输出模拟的射频信号[4]。实现原理如图2所示。

图2 基于扩展目标的雷达目标回波模拟系统原理框图

数字储频单元为本系统的核心部分,实现对雷达信号的采集存储,以及对目标回波的重构以产生所需要的扩展目标。该单元基于高速信号数字采样和实时存储技术,采用现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)作为核心处理架构,并由高速AD采样器、DA转换器、大容量存储器及控制接口等组成。硬件组成见图3。

图3 数字储频单元硬件总体框图

如图3所示,数字储频单元以1片Virtex-6系列 FPGA芯片 XC6VSX315T和1片DSP芯片TMS320C6455作为核心处理架构。其中DSP芯片实现对外部数据包括系统配置参数、雷达参数等的解析,生成扩展目标调制参数,包括本振参数、速度、距离、功率等,并发送给FPGA芯片;FPGA芯片对采样后的雷达中频数据进行抽取,然后根据DSP发送过来的参数完成回波信号的延时、扩展点卷积、多普勒调制、功率调制、多个散射点目标叠加、插值、上混频、幅度补偿后输出。此外,数字储频单元其它主要电路还包括1片高速ADC,分辨率10 bit,最高采样率可达3 GSPS,用于对输入的雷达信号进行数字采样;1片DAC转换器,最高频率2.5 GSPS,用于将产生的扩展目标信号转换成模拟信号输出;1片Virtex-5系列 FPGA芯片 XC5VLX30T用于外部接口控制、板内数据传输等。数字储频单元信号处理流程如图4所示。

图4 数字储频单元信号处理流程

4 应用举例及验证

本节举例说明对研制的扩展目标模拟系统的测试方法和测试结果。测试框图见图5。

图5 系统测试框图

如图5所示,由雷达信号模拟器产生宽带雷达线性调频信号;控制计算机产生需要模拟的扩展目标的各种参数,包括所有散射点位置、散射点功率、目标运动速度、目标转动速度等;目标数据采集系统则实现对扩展目标中频数据的采集,以进行后续数据分析。

本文采用基于扩展目标布点的方法模拟目标,然后对录取的数据进行逆合成孔径雷达(ISAR)成像处理及检验。因此首先由控制计算机产生扩展目标的参数,包括质心位置、各散射点位置、扩展目标的运动速度、目标转速等。图6为产生的一个三维扩展目标0°时的散射点布置模型。

图6 扩展目标布点设计示意图

扩展目标模拟系统工作参数设置:

(1) 扩展目标参数设置:散射点数量21个,散射点位置相对基准点坐标为(-9,-18,1.5)、(-6,-18,1.5)、(-3,-18,1.2)、(0,-18,1.2)、(3,-18,1.2)、(6,-18,1.0)、(9,-18,1.0)、(0,-15,1.0)、(0,-12,0.6)、(0,-9,0.6)、(0,-6,0.6)、(0,-3,0.3)、(0,0,0)、(-6,1.5,-0.3)、(6,1.5,-0.3)、(-3,3,-0.6)、(0,3,-1)、(3,3,-1)、(0,6,-1)、(0,9,-1.2)、(0,12,-1.2),目标运动速度V=20 m/s,目标转动速度A=30°/s。

(2) 雷达信号参数:采用线性调频信号,信号带宽Br=400 MHz,脉宽Tp=100 μs,重频fPRF=5 kHz;

(3) 目标模拟系统AD采样率fs=1 200 MHz。

对扩展目标模拟系统产生的目标数据,录取后进行ISAR成像处理[5]。处理流程如图7所示。

图7 录取数据ISAR成像处理流程

(1) 去斜处理

对录取的扩展目标回波数据首先进行去斜处理,针对上节所建立的目标回波模型,设置去斜参考信号为:

(7)

式中:Rref为参考距离,即为雷达到目标质心的距离,其它参数定义同式(3)。

将回波信号与参考信号的共轭相乘,并进行傅里叶变换,得到下式:

(8)

(2) 一维距离成像

对去斜后的回波信号进行快速傅里叶变换可得到一维距离像,如图8所示。

(3) 包络对齐

包络对齐的目的是消除由于目标运动相对于雷达的平动造成的相邻回波在距离向上的错位,通过对齐调整,把积累时间内的回波信号在距离向上调整为一致,作为后面初相校正和方位压缩的基础。本文采用相邻相关法实现包络对齐。

(4) 相位补偿

在进行包络对齐后,各次回波中还存在由于目标平动所造成的相位变化,因此需要通过相位补偿来进一步校正。常用的相位补偿法包括特显点相位补偿法、参数估计相位补偿法和基于图像准则的相位补偿法等。本文采用计算量相对小、易于工程实现的特显点法。

(5) 成像处理

在完成包络对齐和相位补偿后,可进行成像处理。本次录取数据方位向取256个脉冲,成像处理结果如图9所示。

对比图6设计模型、目标转动角度和图9成像结果,本文所设计的雷达目标回波模拟系统满足要求,能够模拟典型复杂扩展目标。

5 结束语

本文以三维体目标为例,详细介绍了基于目标布点方式的扩展目标模拟方法,即将扩展目标分解为多个强散射点,分别计算各散射点的回波信号,再将各散射点的回波信号进行时域叠加,得到扩展目标的回波信号。通过推导得到了具体的计算公式,然后基于数字储频原理研制了雷达目标回波模拟系统,并对模拟的目标采用ISAR成像处理进行测试验证。测试结果表明:研制的雷达目标回波模拟系统能够有效模拟复杂扩展目标,为高分辨率雷达调试、试验提供了一种行之有效的手段。