許文忠，張陽陽，王梓斌，王 勇，趙樂至

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

雷達目標(biāo)跟蹤模擬是雷達調(diào)試與跟蹤試驗的一項重要技術(shù)工作。該工作主要完成雷達對固定航路的已知回波起伏目標(biāo)進行跟蹤模擬實驗，并對雷達動態(tài)跟蹤精度進行檢查，是進行任務(wù)動態(tài)試驗的前提條件。傳統(tǒng)的跟蹤模擬是對任務(wù)航段的雷達雜波進行掃描，對目標(biāo)的的回波特性進行理論估算，存在著諸如數(shù)據(jù)處理量大、周期長等缺陷。本文提出一種新的雷達跟蹤模擬方法，實現(xiàn)了雷達目標(biāo)的真實環(huán)境下目標(biāo)的跟蹤模擬。

1 雷達工作原理

雷達系統(tǒng)使用調(diào)制波形和方向性天線來發(fā)射電磁能量到空間的特定區(qū)域搜索目標(biāo)，組成框圖如圖1 所示。雷達發(fā)射機產(chǎn)生所需強度的高頻脈沖信號，并將高頻信號饋送到天線發(fā)射出去，觀測目標(biāo)波散射回波，雷達天線接收到目標(biāo)散射的微弱射頻信號，高頻接收組件將接收到的信號放大后送入微波濾波器，濾波后的信號進入混頻器進行下變頻，將信號變成第一中頻，之后進行二次混頻，形成反射中頻信號，經(jīng)放大和檢波，送入信號處理器與顯示設(shè)備。以上的操作均在雷達主控計算機的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下完成。

圖1 雷達系統(tǒng)組成

2 雷達目標(biāo)模擬器

雷達目標(biāo)模擬器在設(shè)計和調(diào)試雷達系統(tǒng)的過程中，模擬雷達回波信號代替實際的雷達回波信號，處理多普勒模糊和距離模糊等技術(shù)要求，降低系統(tǒng)設(shè)計和維護過程中所需的費用。

模擬器根據(jù)目標(biāo)的軌跡參數(shù)［1］，目標(biāo)的時延，多譜勒頻率及相關(guān)參數(shù)，模擬線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等復(fù)雜雷達信號回波，模擬靜止、勻速、勻加速及變加速等目標(biāo)回波，可以設(shè)置目標(biāo)起始距離、終止距離、速度、加速度、多普勒頻率、目標(biāo)起伏特性、目標(biāo)消隱等。實現(xiàn)任意可能的目標(biāo)航跡。

目標(biāo)模擬器分為4 個部分［2］:①和、差信號形成器;②微波信號源;③和、差信號控制器;④航路產(chǎn)生器。

圖2 雷達模擬器系統(tǒng)

1)距離模擬

雷達控制計算機將目標(biāo)斜距R 值送測距機，測距機按R值生成模擬目標(biāo)距離脈沖，送頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生高頻脈沖，送射頻模擬器。

模擬器目標(biāo)脈沖具有一定時間延遲的目標(biāo)回波。雷達接收到目標(biāo)反射的回波與雷達發(fā)射信號之間的時間延遲，反映了目標(biāo)對雷達天線的徑向距離。在無距離模糊的情況下，目標(biāo)的徑向距離R 與延遲時間t 之間的關(guān)系為

式中:C 為電波在空中的傳播速度約3 ×108m/s;R 為目標(biāo)的徑向距離。

在有距離模糊的情況下目標(biāo)的徑向距離R 與延遲時間t之間的關(guān)系式變?yōu)?/p>

式中:RT為重頻周期對應(yīng)的距離值;N 為模糊周期。

將雷達主控機產(chǎn)生的距離碼R 轉(zhuǎn)換為延遲目標(biāo)脈沖;用R 距離值控制目標(biāo)中頻/射頻脈沖幅度，從而形成距離因子A的模擬。

目標(biāo)回波隨距離的衰減特性可由雷達方程確定，將雷達方程化簡為

式中:C0為由雷達參數(shù)確定的常數(shù);Pr為目標(biāo)回波的功率(W);R 為目標(biāo)到雷達的距離(m)。

雷達接近目標(biāo)回波的功率與目標(biāo)到雷達的距離R4成反比［3］。

圖3 回波脈沖形成功能

距離因子的模擬在射頻實現(xiàn)，用距離數(shù)控衰減器來控制射頻脈沖幅度變化來模擬。由于目標(biāo)距離不同，接收信號強弱變化。

2)目標(biāo)角度模擬

目標(biāo)角度模擬是實時模擬由于天線掃描或目標(biāo)運動，使天線波束相對目標(biāo)位置不斷改變而造成接收雷達回波信號變化。角度模擬主要是對雷達天線方向性圖的模擬。所以角度模擬輸出U(θ)可表示為［4］

式中:Eθ為波束對準(zhǔn)目標(biāo)時接收信號歸一化值;F(θ)為雷達天線方向性圖函數(shù)。

目標(biāo)角度模擬是按目標(biāo)角度特性對回波信號進行方向幅度加權(quán)及相位變化來逼真地模擬目標(biāo)角度信息。目標(biāo)角度特性包括目標(biāo)的方位角、俯仰角。

角度模擬原理框圖見圖4。

圖4 角度模擬原理

3)多普勒模擬

當(dāng)目標(biāo)相對雷達作徑向運動時，目標(biāo)回波產(chǎn)生多普勒的頻移，雷達用測量多普勒頻率或目標(biāo)回波距離上的時間變化率的方法進行測速，所以目標(biāo)速度的物理特性模擬就是多普勒頻率的模擬。

當(dāng)雷達發(fā)射機和接收機在同一位置時，多普勒頻率可表示為

式中:λ 為發(fā)射波長;ur為目標(biāo)徑向速度。

雷達運動目標(biāo)多普勒特性的模擬是提供一個同目標(biāo)距離相關(guān)的多普勒頻率，為了保證測速系統(tǒng)頻率穩(wěn)定跟蹤的要求，模擬的多普勒頻率在變化時其相位必須連續(xù)，否則將形成視頻干擾，破壞測速系統(tǒng)工作。

4)Swerling 2 型目標(biāo)RCS 模擬

RCS 是個起伏量，要正確地描述它的起伏，必須知道其概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)。概率密度函數(shù)p(σ)給出目標(biāo)截面積在σ 和σ +dσ 之間的概率，而相關(guān)函數(shù)則描述了雷達截面積在回波脈沖序列間的相關(guān)程度。Swerling 模型把典型的目標(biāo)模型起伏分為4 種類型:有2 種不同的概率密度函數(shù)，2 種不同的相關(guān)函數(shù)，一種是在天線一次掃描間回波起伏是完全相關(guān)的，而掃描至掃描間完全不相關(guān)，稱為慢起伏目標(biāo);另一種是快起伏目標(biāo)，它的回波脈沖在脈沖至脈沖間是完全不相關(guān)的。

模擬Swerling-2 型目標(biāo)RCS，根據(jù)雷達原理，該類型目標(biāo)的概率密度函數(shù)為

它描述的目標(biāo)的起伏特性為快起伏，脈沖間完全不相關(guān)?？梢酝ㄟ^反函數(shù)法利用(0，1)均勻分布的隨機變量λ 產(chǎn)生負指數(shù)分布的隨機變量σ，對上式指數(shù)函數(shù)作積分

因此可得隨機變量數(shù)

可以證明λ 在(0，1)區(qū)間上服從均勻分布，σ 為均值為的指數(shù)分布隨機變量。利用產(chǎn)生的隨機數(shù)σ 來對目標(biāo)回波進行調(diào)制，即可完成模擬功能。

5)航跡模擬

雷達工作在模擬狀態(tài)下，首先由雷達控制計算機按照空中點目標(biāo)特性，運算飛行軌跡實時生成目標(biāo)斜距R、方位角A、俯仰角E 等坐標(biāo)［5］。

距離的模擬方式:雷達控制計算機將目標(biāo)斜距R 值送測距機，測距機按R 值生成模擬目標(biāo)距離脈沖，送頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生高頻脈沖，送射頻模擬器。

回波幅度的控制:射頻模擬器通過一個衰減器控制模擬信號的強弱，來模擬目標(biāo)回波的大小。

角度的模擬方式:射頻模擬器通過3 路分配器，將模擬信號一分為3 路，產(chǎn)生單脈沖和、差、差3 通道高頻模擬目標(biāo)信號。2 路差通道分別設(shè)一個數(shù)控衰減器和0/π 調(diào)相器。角度模擬是按天線差波束方向圖進行的，按照模擬目標(biāo)方位、俯仰值與雷達天線方位、俯仰碼盤值的差值(E，A)分別去控制方位和俯仰2 個差信號的大小，根據(jù)差信號的符號進行0/π 控制。

E，A 符號位表示偏離方向，在輸出信號中表示和信號與差信號的0/π 相位關(guān)系

假設(shè)K=1，Δθ=0.05 mrad，θ0=1/2 波束寬度，可得Δ/Σ=-43 dB，所以數(shù)控衰減63 dB。

3 路各安置隔離器，保證3 路間隔離度，和差支路都設(shè)放大器，補償0/π 調(diào)相器及數(shù)控電調(diào)衰減器的起始衰減，保證高頻接收機的需要。

3 雷達目標(biāo)跟蹤模擬設(shè)計

雷達目標(biāo)跟蹤模擬的主要設(shè)計思路是雷達在發(fā)射機開機狀態(tài)下，將環(huán)境反射信號與模擬器模擬的目標(biāo)信號進行功率合成。組成示意圖如圖5 所示。

圖5 雷達目標(biāo)跟蹤模擬組成示意圖

模擬器產(chǎn)生的目標(biāo)信號通過定向耦合器加到主訊道和、方位差、仰角差功率的合成信道上［2］。當(dāng)航路產(chǎn)生器輸出一個已知目標(biāo)軌跡，設(shè)目標(biāo)角度的參數(shù)為θm，而雷達實際所處位置的角度為θR。令θm-θR=Δθ，當(dāng)Δθ 越大，則產(chǎn)生的角誤差越大，這個角誤差信號通過接收機處理后送入伺服，使天線向θm方向轉(zhuǎn)動，θm變化時，θR也隨著變化，并始終使Δθ趨向最小或0，這就是角度模擬。距離模擬是按照反射式雷達方程來計算的，通過距離延時器改變模擬信號源輸出模擬脈沖信號的時間，產(chǎn)生距離上的時間模擬。發(fā)射機產(chǎn)生的微波信號經(jīng)天線發(fā)射出去，由環(huán)境反射的回波信號由天線接收，經(jīng)高頻接收機、中頻接收機，將和、方位差、仰角差信號通過定向耦合器加到功率合成信道上。由此實現(xiàn)了在天線掃描到某一方位，對于此方位上每一個距離單元，模擬的目標(biāo)回波與實際環(huán)境的雜波回波疊加起來。

為保證模擬器與雷達同步工作，雷達使用頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生第一本振信號、第二本振信號、中頻接收機控制時鐘信號、連續(xù)波基準(zhǔn)信號、中頻采樣時鐘信號、發(fā)射微波激勵信號以及模擬器需要的中頻信號。頻率綜合器分為2部分:發(fā)射頻綜;接收頻綜。發(fā)射頻綜輸出包括:發(fā)射激勵信號、中頻信號、中頻采樣時鐘和中頻控制時鐘、模擬器需要的連續(xù)波信號、同步器時鐘基準(zhǔn)連續(xù)波信號。接收頻綜包括:第一本振信號、第二本振信號。

4 結(jié)束語

目前實驗對航路規(guī)劃的要求越來越高，雷達目標(biāo)跟蹤模擬是航路規(guī)劃中一個關(guān)鍵問題。在實際工程中，通過上述方法研制了某型相控陣雷達視頻回波模擬器，并進行了安裝調(diào)試，在發(fā)射機開機狀態(tài)下，由雷達信號模擬器模擬目標(biāo)回波起伏，信號貫入雷達接收機，與雷達環(huán)境回波進行疊加，該模擬器所模擬的視頻回波各項性能指標(biāo)滿足實驗要求，達到較高的準(zhǔn)確度，獲得滿意的試驗訓(xùn)練效果。

［1］劉朝暉.實時雷達視頻信號模擬器的研制［D］.北京:北京理工大學(xué)，1994.

［2］衛(wèi)健，陳定階. 雷達目標(biāo)模擬器［J］. 現(xiàn)代雷達，2002，2（1）:55-57.

［3］（美） M.I.斯科爾尼克.雷達手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1978.

［4］（美）伊利.布魯克納.雷達技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［5］胡小川.機載相控陣雷達模擬器系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2003.

［6］程春華，吳進華，周大旺.一種基于SVM 的航路規(guī)劃研究［J］. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2010（1）:61-64.

［7］孫世巖，張國棟.艦艇搖擺對雷達目標(biāo)跟蹤精度的影響分析［J］.火力與指揮控制，2011（5）:75-78.

［8］丁吉，樊瓊劍，任博.未知環(huán)境中的無人偵察機動態(tài)航路規(guī)劃［J］.四川兵工學(xué)報，2012（5）:28-31.