喬鐵英 楊海清

（海軍91351部隊(duì) 葫蘆島 125106）

1 引言

對(duì)于布設(shè)在艦船和海洋沿岸的測(cè)量雷達(dá)，其測(cè)量跟蹤的目標(biāo)大多處在海洋背景，海雜波的影響給雷達(dá)捕獲與跟蹤造成極大困難。為克服海雜波對(duì)雷達(dá)捕獲跟蹤的影響，就首先要對(duì)海雜波的性能與特性進(jìn)行分析，通過研究模擬設(shè)計(jì)海雜波產(chǎn)生技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套能夠模擬海雜波背景的雷達(dá)模擬器，為雷達(dá)抗海雜波技術(shù)研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 海雜波特性分析

海雜波是表面分布過程［1～2］，若假設(shè)覆蓋區(qū)是矩形區(qū)域，則由雷達(dá)方程推導(dǎo)出實(shí)際雷達(dá)截面積σc和歸一化雷達(dá)截面積σ0的關(guān)系為

設(shè)雷達(dá)天線波束寬度為B，矩形脈沖寬度為τ，入射余角為θ，觀測(cè)海表面的距離為R，則在波束寬度有限的條件下Af為

而當(dāng)脈沖寬度有限時(shí)Af為

歸一化雜波后向散射截面積即雜波后向散射系數(shù)σ0與海況、極化、波長(zhǎng)、入射角有密切的關(guān)系，海雜波散射系數(shù)近似模型為

式中：ss為海情級(jí)數(shù)（1～5級(jí)）；φ為擦地角或入射余弦角；β＝（2.44（ss＋1）1.08）57.29，單位是rad滿足：

其中：θc＝arcsin（λ／4πhe）；he≈0.025＋0.04ss1.72，單位：m。

圖1為不同海情下模擬仿真海雜波系數(shù)隨入射余弦角變化趨勢(shì)圖。

圖1 模擬仿真海雜波系數(shù)圖

3 雷達(dá)海雜波模擬

常用的雷達(dá)雜波分布模型有Rayleigh分布［3］、Log－normal分布［4］、Weibull分布［5～6］和 K 分布［7～8］。本文采用Weibull分布和相參K分布。

3.1 相參 Weibull分布［5～6］

式中，ρ為形狀參數(shù)，表示分布的傾斜度；γm為尺度參數(shù)，表示分布的中位數(shù)。

3.2 相參 K 分布［7～8］

式中，υ為形狀參數(shù)，υ越小，分布的不對(duì)稱性越明顯，與瑞利分布的偏差越大。υ一般在0.1～10之間變化；當(dāng)υ＝∞時(shí)，為瑞利分布。

α為尺度參數(shù)，僅與雜波的平均值有關(guān)；

W＝x＋jy為一相關(guān)復(fù)高斯序列，將其與平穩(wěn)隨機(jī)序列S（均方根為1）相乘得到復(fù)K分布隨機(jī)變量Z＝u＋jυ，其中S服從歸一化的χ分布，其概率密度函數(shù)為

海上測(cè)量雷達(dá)有寬脈沖和脈沖串兩種工作方式［5］。根據(jù)上述幾種雜波分布模型的特點(diǎn)，對(duì)于高分辨率雷達(dá)小波束入射角情形，采用Weibull分布和K分布。K分布能較好擬合海雜波數(shù)據(jù)的幅度起伏特性，但是由于無(wú)法找到雜波非線性變換前后相關(guān)函數(shù)的非線性關(guān)系，只能采用SIRP法進(jìn)行模擬，但SIRP法計(jì)算量非常大，且不易形成快速算法。因此，對(duì)于海上測(cè)量雷達(dá)，寬脈沖工作方式時(shí)采用基于ZMNL方法的Weibull雜波分布模型模擬方法，脈沖串工作方式時(shí)采用基于SIRP法的K分布模型雜波模擬方法，能夠較好的實(shí)現(xiàn)海上測(cè)量雷達(dá)的雜波模擬要求。

4 雷達(dá)雜波模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

圖2為模擬器總體設(shè)計(jì)框圖，包括控制計(jì)算機(jī)、中頻目標(biāo)信號(hào)支路、視頻目標(biāo)信號(hào)支路、雜波信號(hào)支路等。

圖2 雷達(dá)模擬器總體設(shè)計(jì)框圖

1）控制計(jì)算機(jī)

采用分布式控制結(jié)構(gòu)，嵌入式計(jì)算機(jī)通過三塊控制接口板連接到中視頻信號(hào)產(chǎn)生支路。每塊控制接口板由一片PCI控制器、一片F(xiàn)PGA芯片和一組驅(qū)動(dòng)芯片組組成，每個(gè)信號(hào)支路作為控制接口板的局部總線設(shè)備，均可以被嵌入式計(jì)算機(jī)通過PCI總線控制器直接訪問到。

2）中頻目標(biāo)信號(hào)支路和中頻多路徑反射信號(hào)支路

中頻目標(biāo)信號(hào)支路和中頻多路徑反射信號(hào)支路硬件結(jié)構(gòu)相同，包括八個(gè)信號(hào)產(chǎn)生單元，每個(gè)信號(hào)產(chǎn)生單元具有相同的結(jié)構(gòu)如圖3所示。中頻目標(biāo)信號(hào)支路產(chǎn)生嵌入式計(jì)算機(jī)調(diào)度分配給本支路的多個(gè)中頻信號(hào)。中頻多路徑反射信號(hào)支路模擬產(chǎn)生二次多路徑反射的中頻信號(hào)。

圖3 中頻信號(hào)產(chǎn)生單元實(shí)現(xiàn)框圖

3）視頻目標(biāo)信號(hào)支路和視頻目標(biāo)多路徑反射信號(hào)支路

視頻目標(biāo)信號(hào)支路和視頻目標(biāo)多路徑反射信號(hào)支路共六個(gè)信號(hào)產(chǎn)生單元（圖4），具有完全相同的硬件結(jié)構(gòu)。信號(hào)產(chǎn)生單元采用“雙DSP＋FIFO＋雙口RAM的結(jié)構(gòu)方式，DSP是整個(gè)模塊單元的處理和控制中心，DSP通過雙口RAM接收控制計(jì)算機(jī)發(fā)送過來的控制命令和相應(yīng)的參數(shù)，提前一個(gè)雷達(dá)脈沖重復(fù)周期來計(jì)算包絡(luò)波形，輸出結(jié)果存于FIFO中，在時(shí)延脈沖到來時(shí)讀取至DAC，最終生成視頻雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)。

圖4 視頻信號(hào)產(chǎn)生單元實(shí)現(xiàn)框圖

4）雜波信號(hào)支路

雜波信號(hào)支路設(shè)計(jì)采用預(yù)處理和實(shí)時(shí)處理相結(jié)合的辦法。主要工作是：

（1）根據(jù)設(shè)置的雜波形式和雜波參數(shù)，由支路DSP產(chǎn)生視頻雜波，并完成幅度調(diào)整和相位調(diào)整量的計(jì)算；

（2）由支路DSP完成對(duì)DDS、幅度衰減器的控制，產(chǎn)生頻率、幅度、相位滿足要求的連續(xù)中頻信號(hào)；

（3）用視頻雜波調(diào)制連續(xù)中頻信號(hào)，產(chǎn)生一定距離段上的中頻雜波信號(hào)；

（4）將視頻雜波輸出，用以和視頻目標(biāo)信號(hào)合成。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)模擬器軟件設(shè)計(jì)主要完成雜波信號(hào)模擬，包括控制計(jì)算機(jī)完成的雜波參數(shù)設(shè)置軟件和DSP完成的雜波實(shí)時(shí)調(diào)度輸出軟件。

1）控制計(jì)算機(jī)雜波參數(shù)設(shè)置軟件

雜波參數(shù)設(shè)置軟件采用面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)，雜波參數(shù)設(shè)置包括雜波類型、雜波頻譜、雜波區(qū)域、雜波分布等雜波相關(guān)參數(shù)以及雷達(dá)平臺(tái)、雷達(dá)發(fā)射頻率、雷達(dá)發(fā)射波形等雷達(dá)相關(guān)參數(shù)。其示意圖如圖5所示。

圖5 雜波主要參數(shù)設(shè)置

2）數(shù)字信號(hào)處理（DSP）軟件

DSP軟件擔(dān)負(fù)著與嵌入式計(jì)算機(jī)通信、計(jì)算目標(biāo)回波信號(hào)的參數(shù)、生成配置DDS的數(shù)據(jù)、以及計(jì)算信號(hào)衰減等任務(wù)。

圖6 波形計(jì)算子函數(shù)的程序流程

中頻支路DSP的主程序主要完成的任務(wù)是：數(shù)據(jù)初始化、目標(biāo)數(shù)據(jù)接收、判斷條件以調(diào)用不同程序模塊、判斷是否有中斷請(qǐng)求。針對(duì)不同的信號(hào)波形，編寫相應(yīng)的子函數(shù)，在信號(hào)生成時(shí)，調(diào)用符合條件的子函數(shù)，以計(jì)算信號(hào)的各種參數(shù)。要描述一個(gè)回波信號(hào)，需要確定的因素有：信號(hào)幅度、角頻率以及相位。從這個(gè)原理出發(fā)，各波形子函數(shù)編寫的總體思路都是一樣的。圖6為波形計(jì)算子函數(shù)的程序流程。

5 結(jié)語(yǔ)

通過雷達(dá)海雜波特性分析和海雜波模擬技術(shù)研究，根據(jù)海上測(cè)量雷達(dá)工作方式以及低入射角和2～3級(jí)海情等使用特點(diǎn)，寬脈沖采用Weibull分布，脈沖串采用相參K分布，建立海雜波模擬數(shù)學(xué)模型，能夠較好的模擬真實(shí)背景下的海雜波。應(yīng)用此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)，滿足了海上測(cè)量雷達(dá)的相關(guān)需求，這在實(shí)踐中已得到成功應(yīng)用。

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