查麗萍，王 鑫，梁 斌

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所， 江蘇 南京 210007)

0 引言

雷達(dá)回波信號(hào)模擬是指對(duì)雷達(dá)觀測(cè)范圍內(nèi)的所有電磁環(huán)境進(jìn)行模擬，包括目標(biāo)、雜波、有源、無(wú)源干擾等，廣泛用于雷達(dá)系統(tǒng)的分析調(diào)試和對(duì)雷達(dá)整機(jī)性能和指標(biāo)的檢驗(yàn)、評(píng)估，可為雷達(dá)系統(tǒng)提供數(shù)字、注入、輻射式的模擬信號(hào)環(huán)境，同時(shí)也可為雷達(dá)、導(dǎo)引頭等裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)估提供試驗(yàn)電磁環(huán)境。

國(guó)外針對(duì)雷達(dá)回波模擬投入了大量的資源開展了深入研究。例如法國(guó)IE公司的雷達(dá)環(huán)境模擬器(RES)可以模擬包括最多2000個(gè)模擬目標(biāo)、反射和天線射頻性能的雷達(dá)環(huán)境，模擬環(huán)境可以針對(duì)單雷達(dá)或多雷達(dá)生成；美國(guó)SRC公司開發(fā)的可適應(yīng)雷達(dá)環(huán)境模擬器(ARES)生成的射頻信號(hào)在實(shí)驗(yàn)室模擬自由空間輻射，或直接注入式射頻單脈沖信號(hào)，可模擬包含簡(jiǎn)單和復(fù)雜的目標(biāo)、海雜波、地雜波、氣象雜波、箔條和其它的電子對(duì)抗技術(shù)；美國(guó)TCS公司為美國(guó)海軍SPS-49雷達(dá)開發(fā)的包括RES-2000在內(nèi)的雷達(dá)評(píng)估工具可以檢測(cè)和定位雷達(dá)運(yùn)行故障，模擬雜波和目標(biāo)信號(hào)，并以射頻信號(hào)的方式提供給雷達(dá)。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)也在日新月異地發(fā)展，近年來(lái)，包括高校、公司、研究所在內(nèi)的各研究單位利用計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP、FPGA)相結(jié)合產(chǎn)生的用于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、聯(lián)試、檢測(cè)和維護(hù)的目標(biāo)回波信號(hào)模擬器，在各種類型的雷達(dá)測(cè)試中普遍采用，如南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研究的合成孔徑雷達(dá)回波模擬技術(shù)[1-2]成功應(yīng)用于某飛行器系統(tǒng)雷達(dá)分系統(tǒng)測(cè)試，海軍工程大學(xué)研制的高分辨雷達(dá)目標(biāo)回波模擬器[3-4]成功應(yīng)用于艦載雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試等?？偨Y(jié)已有的目標(biāo)回波模擬方法，按照模擬目標(biāo)類型來(lái)分有點(diǎn)目標(biāo)、擴(kuò)展目標(biāo)回波模擬，點(diǎn)目標(biāo)回波模擬主要應(yīng)用于窄脈沖雷達(dá)，對(duì)于具有寬帶、高分辨特征的雷達(dá)則需要進(jìn)行擴(kuò)展目標(biāo)回波模擬。針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)回波模擬，一般采用的是雷達(dá)目標(biāo)斯韋林統(tǒng)計(jì)模型模擬目標(biāo)的散射幅度起伏信息，該方法具有實(shí)時(shí)性高、精度低的特點(diǎn)；針對(duì)擴(kuò)展目標(biāo)的高分辨特性(一維距離像、SAR回波)模擬，目前主要有2種方法，一種是基于目標(biāo)散射中心模型的擴(kuò)展目標(biāo)回波模擬，另一種是利用真實(shí)圖像提取SAR回波的目標(biāo)回波模擬方式；前者需要離線計(jì)算有限頻率和角度范圍的散射數(shù)據(jù)并進(jìn)行散射中心提取，該方法回波生成效率高，但利用散射中心擬合出道目標(biāo)回波精度低，后者由于真實(shí)圖像包含的信息有限，因此在實(shí)際使用中有較大的局限性。本文針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)及擴(kuò)展目標(biāo)回波模擬存在的問題，提出一種基于目標(biāo)電磁散射模型的雷達(dá)目標(biāo)回波模擬方法，該方法同時(shí)適用于窄帶、寬帶雷達(dá)信號(hào)回波模擬，并能模擬目標(biāo)的一維距離像、SAR回波等目標(biāo)雷達(dá)高分辨特征，具有通用性強(qiáng)、模擬精度高的特點(diǎn)，對(duì)于新體制雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試、性能評(píng)估具有重要意義。

圖1 SBR射線跟蹤示意圖

1 雷達(dá)目標(biāo)電磁散射模型仿真計(jì)算

為了獲得目標(biāo)寬帶電磁散射特性，本文采用基于高頻近似理論的計(jì)彈跳射線法(SBR)[5-6]計(jì)算雷達(dá)目標(biāo)寬頻寬角雷達(dá)后向散射截面。在彈跳射線法中，首先用一系列的光學(xué)射線管模擬電磁波入射到目標(biāo)表面，然后應(yīng)用幾何光學(xué)原理模擬射線管在目標(biāo)表面發(fā)生的多次反射過程，最后在射線管離開物體表面射向無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)應(yīng)用物理光學(xué)求解散射場(chǎng)。因此，彈跳射線法在計(jì)算目標(biāo)電磁散射時(shí)主要分為射線路徑追蹤、射線場(chǎng)強(qiáng)追蹤和遠(yuǎn)場(chǎng)積分3個(gè)步驟。第一步，根據(jù)電磁波入射方向確定一個(gè)虛擬口徑面，然后，一簇相互平行的入射射線由這個(gè)虛擬口徑面射向目標(biāo)，射線間的間隔一般取入射波波長(zhǎng)的十分之一，并且保證這些射線完全覆蓋目標(biāo)。確定入射射線后，再對(duì)每條射線按照光學(xué)反射定律進(jìn)行射線跟蹤。射線跟蹤示意圖如圖1(a)所示。第二步，射線跟蹤結(jié)束后即對(duì)射線管進(jìn)行有效性檢查。射線管有效性檢查一般可以采用如下準(zhǔn)則：首先檢查圍成管道的四條射線的反射次數(shù)是否相同。如果反射次數(shù)不同，說(shuō)明這四條射線存在和目標(biāo)部分相交的情況，此時(shí)判斷該射線管無(wú)效(如果四條射線管和目標(biāo)均不相交，也判斷為無(wú)效)；如果四條射線反射次數(shù)相同，則進(jìn)一步檢查四條射線是否始終平行，或其方向差異不超過一定范圍。如果該條件不能滿足，說(shuō)明射線管存在分裂現(xiàn)象，此時(shí)判斷該射線管無(wú)效。事實(shí)上，更為嚴(yán)格的限制條件還須要求四條射線必須相交于目標(biāo)同一個(gè)平面上。圖1(b)給出了一些無(wú)效射線管示例，圖中射線入射方向垂直于紙面向內(nèi)。第三步，射線管有效性檢查結(jié)束后，去除掉無(wú)效的射線管，就可以利用幾何光學(xué)(GO)沿射線管進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)跟蹤，主要分為2個(gè)部分，第一是電磁波沿射線管傳播時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)跟蹤，第二是電磁波遇物體反射時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)跟蹤。最后，在射線管與目標(biāo)相交的出射面處采用物理光學(xué)法計(jì)算散射場(chǎng)，在高頻、遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的近條件下，根據(jù)Stratton-Chu積分方程，物體表面遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)的一般計(jì)算公式為：

(1)

圖2 目標(biāo)回波模擬原理圖

圖3 雷達(dá)目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)組成

2 基于電磁散射模型的目標(biāo)回波模擬實(shí)現(xiàn)

基于電磁散射模型的目標(biāo)回波模擬原理如圖2所示，通過上述電磁仿真計(jì)算得到與雷達(dá)入射信號(hào)無(wú)關(guān)的目標(biāo)散射頻域響應(yīng)Hω，將雷達(dá)入射信號(hào)st進(jìn)行傅里葉變換得到入射信號(hào)頻率響應(yīng)Sω，將Hω和Sω在頻域上進(jìn)行相乘，得到目標(biāo)雷達(dá)散射回波的頻域響應(yīng)Yω，最后對(duì)Yω進(jìn)行逆傅里葉變換獲得雷達(dá)目標(biāo)時(shí)域回波?；陔姶派⑸淠Ｐ偷睦走_(dá)目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)組成與模擬流程分別如圖3和圖4所示。通過雷達(dá)目標(biāo)電磁散射模型仿真計(jì)算，獲得目標(biāo)在不同頻率和不同空間角度下的目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)，并形成散射特性模型數(shù)據(jù)庫(kù)；雷達(dá)目標(biāo)回波模擬仿真時(shí)，根據(jù)雷達(dá)測(cè)試的頻率和軌道信息預(yù)先從散射特性模型數(shù)據(jù)庫(kù)中加載目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)至模擬器數(shù)字儲(chǔ)頻單元；數(shù)字儲(chǔ)頻組件通過查表方式將仿真頻率及當(dāng)前仿真姿態(tài)下的目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至信號(hào)處理單元；信號(hào)處理單元完成雷達(dá)發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)頻域卷積；對(duì)上述卷積結(jié)果進(jìn)行逆傅里葉變換處理得到目標(biāo)時(shí)域回波，通過上變頻單元及射頻發(fā)射前端實(shí)現(xiàn)射頻回波信號(hào)的空間輻射。

圖4 雷達(dá)目標(biāo)回波模擬流程

圖5 目標(biāo)電磁散射模型

3 仿真算例

假定入射雷達(dá)信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，中心頻率3 GHz，帶寬150 MHz，脈寬10 μs。如圖5(a)所示，利用CAD軟件建立艦船目標(biāo)的幾何網(wǎng)格模型，利用電磁場(chǎng)高頻計(jì)算方法仿真獲得航母目標(biāo)的電磁散射特性,圖5(b)給出了固定入射方向下的艦船目標(biāo)散射遠(yuǎn)場(chǎng)分布情況。采用本文所述的方法，通過研制基于電磁散射模型的目標(biāo)模擬器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號(hào)模擬，并利用示波器采集模擬器輸出的目標(biāo)回波信號(hào)，如圖6(a)所示。對(duì)采集的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理及回波包絡(luò)及相位提取，得到目標(biāo)二維圖像，如圖6(b)所示，雷達(dá)的成像結(jié)果反映了艦船目標(biāo)模型的幾何外形，從而驗(yàn)證了本文方法的正確性。

圖6 艦船目標(biāo)模擬回波及成像結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的寬帶雷達(dá)目標(biāo)回波模擬方法可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展目標(biāo)高分辨特征的逼真模擬，目標(biāo)散射模型的精確性保證了雷達(dá)真實(shí)場(chǎng)景的逼真復(fù)現(xiàn)。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的雷達(dá)目標(biāo)回波模擬方法具有模擬精度高、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文提出的方法還可用于雷達(dá)SAR回波模擬、目標(biāo)與環(huán)境動(dòng)態(tài)耦合回波模擬，這也是本文后期考慮的研究方向?！?/p>