余貴水，周東瑜，韋有平，陳小清

（1.海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033；2.中國人民解放軍92985部隊 福建 廈門 361100）

本文采用的目標回波仿真信號產(chǎn)生的原理為：在雷達真實回波中包含了目標回波形狀的完整信息，并且不同掃描周期內(nèi)的目標回波中包含了目標RCS起伏特性。因此可以利用數(shù)據(jù)提取軟件，對某個符合一定要求的固定目標多個掃描周期的數(shù)據(jù)進行提取，并對提取出來的數(shù)據(jù)進行歸一化，則歸一化后的數(shù)據(jù)包含了目標回波形狀信息和回波起伏信息。在已知目標RCS大小、運動信息、工作環(huán)境及雷達系統(tǒng)性能參數(shù)的條件下，可由雷達方程計算出目標在不同時刻的回波強度[1]。利用該強度對采集到的歸一化目標回波數(shù)據(jù)進行調(diào)制，就可以實現(xiàn)與真實回波信號非常逼近的目標回波仿真信號。

1 目標回波仿真過程

目標回波仿真信號的生產(chǎn)過程分為生成標準目標數(shù)據(jù)庫、目標回波強度計算、調(diào)制生成仿真信號3個部分，如圖1所示。

1.1 標準目標數(shù)據(jù)庫的生成

目標數(shù)據(jù)庫生成的第一步為目標回波數(shù)據(jù)的提取。為減少雜波對目標的影響，一般選擇在雜波強度較小的區(qū)域采集目標回波，選擇的區(qū)域盡量小但必須包含目標的完整形狀信息[2]（如距離旁瓣、方位副瓣等）。圖2為采集到的該型雷達9個掃描周期內(nèi)海面目標回波正交檢波后輸出的信號，其中 I（t）和 Q（t）分別為正交檢波的同向輸出和正交輸出，而 A（t）為輸出視頻信號的電壓幅度由圖2中明顯可以看出，目標回波在不同掃描周期間存在較大的起伏，這是由于目標RCS的起伏特性造成。

圖1 目標回波仿真信號產(chǎn)生過程Fig.1 The process of the simulation signal of target echo

為了更清楚的觀察目標回波的特點，分別取出一個掃描周期內(nèi)多個脈沖和一個單獨脈沖的回波數(shù)據(jù)，并計算出它們的電壓幅度信息A（t），分別如圖3和圖4所示。由圖3可以看出在一個掃描周期中接收到的目標多個脈沖回波的幅度服從天線方向圖的分布，因此一個掃描周期內(nèi)同一目標反射的多個脈沖回波包含了雷達天線的方向圖信息[3]。通過圖4可以看出目標回波脈沖附近信號較強，這是因為該型雷達采用了脈沖壓縮技術(shù)，使得目標回波脈沖存在距離副瓣。當目標回波強度較大時，副瓣就會非常明顯。

圖2 9個掃描周期內(nèi)的檢波輸出及信號幅度Fig.2 The output and amplitude within 9 scanning cycles

圖3 同一掃描周期內(nèi)回波Fig.3 The echo within the same scanning cycle

圖4 單個發(fā)射脈沖回波Fig.4 The echo of single transmitted pulse

提取出滿足要求的目標回波數(shù)據(jù)以后，下一步工作就是對取出的數(shù)據(jù)進行歸一化處理。在圖2中，每個掃描周期中回波數(shù)據(jù)的峰值對應(yīng)著天線對準目標時目標回波信號的強度，也就是天線主瓣增益時目標的回波強度[3]。而在計算目標回波強度采用的雷達反射截面積σ是目標的平均反射截面積σ，那么歸一化的標準就應(yīng)該是當目標RCS為σ對應(yīng)的回波強度，這可以通過對每個掃描周期回波數(shù)據(jù)的峰值求平均得到。因此對采集數(shù)據(jù)歸一化的過程為：首先在每個掃描周期內(nèi)采集到的回波數(shù)據(jù)中尋找最大值Vipeak，然后求出每個周期采集數(shù)據(jù)最大值的平均值如式（1），并將采集到的所有數(shù)據(jù)都除以最大值如式（2），就可以得到所有數(shù)據(jù)的歸一化數(shù)據(jù)。

圖2中采集到的目標回波回波數(shù)據(jù)按照上述方法處理以后得到的歸一化數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 歸一化后的采集數(shù)據(jù)Fig.5 The data collection after uniformization

1.2 目標信號強度的計算

有了歸一化的目標回波數(shù)據(jù)后，下一步工作就是根據(jù)雷達方程計算不同時刻目標回波強度。距離雷達R處的目標，在雷達天線口徑上目標的信號回波強度[4]如式（3）所示。

其中La為大氣衰減，F(xiàn)為傳播因子，Pr0為理想條件下雷達天線口面的接收功率，其計算過程如式（4）。

其中Pt為雷達發(fā)射的脈沖峰值功率 （W），τ為信號脈沖寬度（s），G為天線增益，λ為雷達電磁波中心工作波長（m），σ為目標平均雷達截面積（m2）?？紤]到目標信號源輸出從雷達接收機的視頻端口進行注入，信號將經(jīng)過前端的各級功率放大增益Gp（由各雷達給出此參數(shù)），同時將發(fā)射支路和接收支路（中頻拄入點之前）的損耗Ls（前述損耗取值）計入，得到注入點的信號功率如式（5）：

系統(tǒng)損耗（Ls）包括以下幾部分：1）傳輸損耗：雙程取值5 dB（含波導、彎頭、轉(zhuǎn)換開關(guān)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等）；2）天線波束形狀損耗：取值 1.6 dB；3）信號處理損耗：取值 7 dB（含 A/D 2 dB，、恒虛警 2 dB、積累器 2 dB、不匹配 1 dB）。

1）RCS 的確定

目標與雷達相對航向不同，表現(xiàn)出的RCS（σ）大小也不同。不管是空中還是海上目標，將相對航向取成8個45°范圍，如圖所示，其中相對航向落在1、5區(qū)時，目標的RCS值為其平均值（dB）的3/4，落在3、7區(qū)時，目標的RCS值為其平均值（dB）的5/4，落在其他區(qū)域時的RCS為均值。

圖6 相對航向與目標RCS取值區(qū)域示意圖Fig.6 Relatively course and target RCS selection zone

2）F 值的確定

對于空中目標，當處于視距以外時，F(xiàn)設(shè)為0，當存在大氣波導時，不再計算視距。海面目標的hmin設(shè)為0，各個高度上的F值由PE算法的結(jié)果決定，對于視距外的目標，不計算F的結(jié)果，直接置為0。當選擇大氣波導環(huán)境時，需根據(jù)波導剖面和PE方程[5]計算F；當選擇正常大氣條件時，為了加快計算速度，不選用PE方法計算F，而采用式（6）的方法計算。

其中f（θd）為天線方向圖在目標仰角方向的大小，ρ為海面反射系數(shù)的模值，α為反射系數(shù)引入的相位與直反射波間路程差引入的相位差之和。

反射系數(shù)是三部分的乘積，即理想海面反射系數(shù)、球面散射因子和海水粗糙度因子[6]。

水平極化時，理想海面反射系數(shù)為

其中，ε′、ε″取值與雷達工作波段和海水溫度有關(guān)。由于水面艦艇對海搜索雷達架設(shè)高度較低，且多是水平極化，因此取反射系數(shù)引入的相位為180°，模值為1。

海面粗糙度因子為

其中，hrms（米）為浪高的標準偏差（為 0.25H1/3）：

球面散射因子為：

式（11）中各符號的定義如圖7所示。

直達波與海面反射波之間的波程差為：

圖7 球面條件下空中目標與雷達的幾何關(guān)系Fig.7 Geometric relationship between target and radar

至此，傳播因子F中的反射系數(shù)的模和相位分別為：

為了確定天線方向圖在目標仰角方向的大小（f（θd）的形狀由雷達參數(shù)給出），需要求解θd：

3）La的確定

La的取值采用曲線量化的方式[8]，并按比例取值的方式取值，如表1所示。

當目標相對于雷達的仰角小于0°時，按0°對待。當目標位于相對于S波段雷達仰角7°、距離33 km處時，首先分別從表中取出S波段5°和10°時的0 km和50 km處的衰減值，分別求出5°和10°曲線在0～50公里段上的斜率，分別計算出33 km處的衰減結(jié)果，在利用這兩個結(jié)果計算出33 km處5°和10°范圍的斜率，然后計算出最后的雙程衰減結(jié)果。信號源輸出的是電壓信號，考慮信號源輸出端為50 Ω負載，因此輸出的目標回波信號強度為

2 結(jié)果分析

為了對模擬的效果進行對比分析，我們把基于實采數(shù)據(jù)的模擬效果與基于數(shù)學模型的模擬效果進行對比。圖8是根據(jù)文獻7基于Swerling模型得到的單個周期的回波模擬效果，圖9是基于實采數(shù)據(jù)的單個周期的回波模擬效果。從信號波形上可以明顯看出兩組信號存在如下差別。

表1 各波段大氣雙程傳播衰減（dB）簡表Tab.1 The round-trip attention （db）of all wave band transmitted in the atmosphere

圖8 基于模型的單個周期回波模擬Fig.8 The echo simulation based on the model

1）對于回波中的噪聲信號來講，圖8中噪聲在時間上具有很強的隨機性，相鄰時間內(nèi)噪聲信號關(guān)聯(lián)性弱，而圖9中噪聲具有一定的時間關(guān)聯(lián)性。由于圖9中的噪聲來源于實際的雷達接收機，因此它更接近于真實情況。

2）首先目標RCS是一個隨機起伏變量，同一次掃描中的不同回波脈沖中也可能存在起伏，而Swerling模型并不是很準確的符合真實目標RCS的起伏特性。而圖9中的真實目標回波數(shù)據(jù)包含了目標RCS的起伏特性。

3）同一掃描周期天線掃過目標的多個脈沖重復周期過程中，由于目標相對于天線中軸線的方位是變化的，所以天線對目標回波的增益也是變化的，這需要通過天線方向圖來反映。基于數(shù)學模型的模擬只在幾個峰值上跟真實天線方向圖符合，其它的值與真實值存在一定的差異。而基于實采數(shù)據(jù)的模擬中同一個掃描周期內(nèi)真實脈沖回波數(shù)據(jù)是嚴格符合雷達天線方向圖的。

圖9 基于實采數(shù)據(jù)單個周期回波模擬Fig.9 The simulation of single-cycle echo based on collection in practice

4）利用真實回波數(shù)據(jù)模擬回波不需要計算信號的波形和仿真噪聲信號，能夠得到更高效的運算速度。

3 結(jié) 論

在信號源模塊的回波和雜波模擬中采用基于實采數(shù)據(jù)的回波和雜波模擬方法，產(chǎn)生的噪聲特性、RCS起伏、天線方向圖調(diào)制等方面更接近真實目標回波的特性，海雜波和氣象雜波基本與真實環(huán)境回波一致。采用該方法研制成功的模擬器具有很高的逼真度，能夠滿足雷達操手在復雜雜波背景下的各種訓練需求。

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