龍康君 孟路穩(wěn) 周 沫 張潤哲

(1.4801工廠汕頭修船廠監(jiān)修室 汕頭 515011)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)目標(biāo)回波信號模擬方法研究

龍康君1孟路穩(wěn)2周 沫2張潤哲2

(1.4801工廠汕頭修船廠監(jiān)修室 汕頭 515011)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

對光學(xué)區(qū)擴(kuò)展目標(biāo)的散射特性進(jìn)行分析,建立了基于多散射中心及線性調(diào)頻體制寬帶雷達(dá)的目標(biāo)回波模型,同時給出了雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的存儲模型及處理方法。在此基礎(chǔ)上對擴(kuò)展目標(biāo)作徑向和非徑向勻速直線運(yùn)動兩種情況下的回波信號進(jìn)行模擬仿真為驗(yàn)證回波模型的正確性,對仿真的回波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行脈沖壓縮和多普勒處理,得出的目標(biāo)的一維距離像和速度維正確地反映出目標(biāo)特征,表明模型可行有效,為后續(xù)的目標(biāo)特征提取、目標(biāo)識別奠定了基礎(chǔ)。

雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng); 回波模擬; 線性調(diào)頻信號; 多散射中心

Class Number TN955

1 引言

為了使雷達(dá)操作手能夠快速地適應(yīng)和更好地使用裝備,需要對雷達(dá)操作手的雷達(dá)使用技能進(jìn)行培養(yǎng)和訓(xùn)練,然而在訓(xùn)練中若只使用實(shí)際裝備,將會帶來很大的經(jīng)費(fèi)消耗,甚至引起敵方的監(jiān)視;同時外場實(shí)測目標(biāo)回波數(shù)據(jù)代價較高,而且實(shí)測環(huán)境中電磁干擾等各種因素的影響使得每一次的測量結(jié)果都不相同,從而引起每一次的的測量結(jié)果都不具代表性,為雷達(dá)操作手的訓(xùn)練帶來了很大的困難[1]。而雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可有效地解決上述問題,雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)具有安全、可控、經(jīng)濟(jì)、無風(fēng)險、可重復(fù)操作、不受場地、環(huán)境限制等優(yōu)勢。故對雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)目標(biāo)回波信號模擬方法的研究具有重要的價值[2～3]。

鑒于此,本文對雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的目標(biāo)回波模擬方法進(jìn)行分析研究。首先建立了擴(kuò)展目標(biāo)的回波模型,然后給出了回波數(shù)據(jù)的存儲模型及數(shù)據(jù)的處理方法,進(jìn)而對作徑向和非徑向勻速直線運(yùn)動兩種情況下的目標(biāo)回波信號進(jìn)行仿真模擬,并對仿真的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取出了目標(biāo)的一維距離像以及運(yùn)動速度,最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表明所建模型及處理方法的有效性和可行性。

2 擴(kuò)展目標(biāo)回波模型

線性調(diào)頻(LFM)信號是目前寬帶雷達(dá)設(shè)計中被普遍采用的調(diào)制方式,研究LFM的目標(biāo)回波信號模型對LFM雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計非常重要。下面對LFM雷達(dá)的回波信號進(jìn)行分析研究。

雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻信號[4]可表示為

(1)

而對于雷達(dá)目標(biāo)回波信號,若雷達(dá)工作在光學(xué)區(qū),此時目標(biāo)的尺寸遠(yuǎn)大于波長,目標(biāo)不能再被當(dāng)作點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行處理,而是等效為多散射中心進(jìn)行處理[5]。并且由于脈沖寬度多在微妙級,并且目標(biāo)的宏觀運(yùn)動速度相對光速是可以忽略不計的,其在脈沖寬度內(nèi)的狀態(tài)變化基本不變,故可引入準(zhǔn)靜態(tài)技術(shù)[6]的思想,在脈沖寬度內(nèi),把目標(biāo)看作勻速直線運(yùn)動,即認(rèn)為其處于平衡狀態(tài),而整個脈沖串是由一系列接替的平衡狀態(tài)組成。現(xiàn)假設(shè)目標(biāo)有M個散射中心組成,且在第一個脈沖開始時刻的徑向速度為vr?？紤]脈內(nèi)運(yùn)動對回波的影響,則可得第一個脈沖經(jīng)目標(biāo)反射得到的回波信號[7]為

·exp[j2π((f0+fD)(t-τi0)+1/2k(t-τi0)2)]

(2)

式(2)為第一個脈沖的反射回波,而對于整個脈沖串,只需求出每個脈沖開始時刻對應(yīng)的徑向距離和多普勒頻率,與式(2)類似,則可得到整個脈沖串的回波信號。

3 回波數(shù)據(jù)的存儲和處理

雷達(dá)接收機(jī)對接收到的回波信號高速采樣,隨后將采樣后的數(shù)據(jù)儲存起來,存儲的數(shù)據(jù)可以表示成數(shù)據(jù)矩陣y[l,m]的形式。圖1給出了脈沖雷達(dá)對采集數(shù)據(jù)存儲模型。如圖1所示,給定行中所存儲的采樣數(shù)據(jù)之間的間隔是脈沖重復(fù)間隔T,給定列中所存儲的采樣數(shù)據(jù)之間的間隔是距離采樣單元l,而每一單元格中所存儲的雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)即是回波的同相(I)和正交(Q)分量。因?yàn)榻o定行中連續(xù)列的數(shù)據(jù)采樣間隔與給定列中連續(xù)行的數(shù)據(jù)采樣間隔往往相差很大,故通常將y[l,m]的l維(圖1中的豎直方向)稱為快時間,而將水平方向的m維稱為慢時間。雷達(dá)接收機(jī)對回波信號的處理的過程就是在多種數(shù)據(jù)維上對數(shù)據(jù)塊中的一維子向量或二維子矩陣進(jìn)行處理運(yùn)算的過程[8]。對快時間域(即距離維)的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行脈沖壓縮處理即可得到探測目標(biāo)的一維距離像,并且脈沖壓縮可以對每個脈沖或接收信道的各個距離向量獨(dú)立地進(jìn)行。脈沖多普勒處理是對每一個距離單元內(nèi)的慢時間數(shù)據(jù)序列的一個譜分析,而離散傅里葉變換是最常用的譜分析方法。對慢時間域(即脈沖數(shù)維)的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行離散傅里葉變換則能得到多普勒維,從而經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到探測目標(biāo)的運(yùn)動速度。

圖1 數(shù)據(jù)的存儲模型

4 仿真結(jié)果與分析

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射信號為寬帶信號時,其分辨單元比較小,像飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船等目標(biāo)的尺寸往往大于雷達(dá)的分辨單元,此時就不能把目標(biāo)當(dāng)作點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行處理,此時可以將目標(biāo)的散射特性由其等效多散射中心近似表示,文獻(xiàn)[9～11]中已經(jīng)給出了提取目標(biāo)散射中心的相關(guān)理論和技術(shù),由于此內(nèi)容不是本文的研究重點(diǎn),所以本文在用到目標(biāo)的多散射中心點(diǎn)時,只是根據(jù)多散射中心理論做相應(yīng)的假設(shè),并且每一個散射中心點(diǎn)與其他散射中心點(diǎn)無關(guān)而相互獨(dú)立不存在相互間的多次反射。由于LFM雷達(dá)脈沖寬度多在微妙級,其它大多數(shù)的宏觀運(yùn)動形式都可以在脈沖寬度內(nèi)等效為勻速直線運(yùn)動,所以下面只對目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動進(jìn)行分析討論,并將勻速直線運(yùn)動分為徑向運(yùn)動和非徑向運(yùn)動兩種情況。

情景1:擴(kuò)展目標(biāo)作徑向勻速直線運(yùn)動

假設(shè)探測目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動向雷達(dá)靠近,其徑向速度v=800m/s,目標(biāo)的幾何形體為一細(xì)長體,從目標(biāo)中提取的多散射點(diǎn)呈線性分布。其散射中心數(shù)為7,各散射中心的空間分布如圖2所示。其中第一個散射點(diǎn)與雷達(dá)的距離為50.8km。并且以此散射點(diǎn)作為目標(biāo)的相位參考點(diǎn)。

圖2 散射中心的空間分布

如圖2所示,各散射中心的散射強(qiáng)度由左至右分別為0.3、0.5、0.8、0.6、1、0.85、0.75,線性調(diào)頻雷達(dá)的參數(shù)設(shè)置為f0=1GHz,τp=60μs,T=1ms,B=60MHz。

結(jié)合推導(dǎo)的理論公式以及設(shè)置的參數(shù),可得發(fā)射信號的波形圖、目標(biāo)的回波信號波形如圖3所示。

圖3 發(fā)射信號及目標(biāo)的回波信號波形圖

從圖3中可以看出發(fā)射信號經(jīng)過擴(kuò)展目標(biāo)的調(diào)制,其波形發(fā)生了很大的畸變。各個散射中心的回波相互重疊,互相影響,在時間上的間隔不能分辨出目標(biāo)的各個散射中心。下面再對仿真得到的擴(kuò)展目標(biāo)回波數(shù)據(jù)分別在快時間維和慢時間維作脈沖壓縮和離散傅里葉變換處理,得到的效果圖如圖4所示。

從圖4可以看出,經(jīng)過脈壓處理后,目標(biāo)的各個散射中心點(diǎn)能被分辨出來,效果圖中出現(xiàn)了與之?dāng)?shù)目相等的峰值點(diǎn)。圖5是放大后的目標(biāo)一維距離像,從圖中可以看出各個峰值點(diǎn)所對應(yīng)的徑向距離分別為50.01km、50.11km、50.20km、50.27km、50.30km、50.33km、50.40km,與圖2的目標(biāo)散射中心分布情況基本一致,表明了仿真的目標(biāo)回波包含著目標(biāo)準(zhǔn)確的徑向距離信息,并且峰值點(diǎn)的幅度信息也能很好地反應(yīng)目標(biāo)散射中心的散射強(qiáng)度。同時還可以看出,經(jīng)過多普勒處理后得到的目標(biāo)運(yùn)動速度為800m/s,與設(shè)置的目標(biāo)運(yùn)動速度一致,從仿真的回波信號中能較好地提取出目標(biāo)的速度信息。這在一定程度上驗(yàn)證了仿真回波的準(zhǔn)確性。

圖4 目標(biāo)回波信號的距離維和速度維

圖5 放大后的目標(biāo)一維距離像

情景2:擴(kuò)展目標(biāo)作非徑向勻速直線運(yùn)動

若此目標(biāo)做非徑向的勻速直線運(yùn)動,則其相對雷達(dá)的徑向速度不再是恒定不變,而是時刻在變化。假設(shè)雷達(dá)位于坐標(biāo)原點(diǎn),其參數(shù)與上述此目標(biāo)作徑向直線運(yùn)動時一樣。目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)數(shù)值表

根據(jù)第2節(jié)給出的目標(biāo)回波模型,結(jié)合上述設(shè)定的雷達(dá)參數(shù)和目標(biāo)運(yùn)動參數(shù),圖6給出了目標(biāo)回波仿真圖以及回波數(shù)據(jù)經(jīng)過脈沖壓縮后的目標(biāo)一維距離像。由圖6中可以看出目標(biāo)一維距離像的輪廓沒有發(fā)生變化,與徑向運(yùn)動時(圖6所示)一致;但圖6中各個峰值點(diǎn)的相對距離發(fā)生了同等比例的縮短,并且從圖中可以看出峰值點(diǎn)的相對距離大致縮短了0.5。這不難給出解釋:由于目標(biāo)作非徑向的直線運(yùn)動,根據(jù)運(yùn)動參數(shù)容易求得初始時刻目標(biāo)縱對稱軸與雷達(dá)照射目標(biāo)視線之間的夾角余弦為0.5077,并且目標(biāo)的一維距離像是目標(biāo)多散射中心在徑向上的投影,所以與徑向運(yùn)動相比仿真圖6中出現(xiàn)了各峰值點(diǎn)之間的相對距離縮短了0.5077的情況。此外初始時刻目標(biāo)相對雷達(dá)的距離為49.244km,與設(shè)置參數(shù)吻合得很好。

圖6 目標(biāo)回波信號與一維距離像

圖7 回波幅度的變化圖

為了顯示目標(biāo)徑向運(yùn)動和非徑向運(yùn)動對雷達(dá)回波的影響,圖7給出了目標(biāo)在徑向運(yùn)動和非徑向運(yùn)動兩種情況下目標(biāo)整體的回波信號在每個脈沖周期內(nèi)幅度信息。對于非徑向運(yùn)動,由于目標(biāo)的非徑向運(yùn)動,則隨著脈沖周期數(shù)的增加,雷達(dá)照射目標(biāo)的視線角一直在變化,從而造成目標(biāo)各散射中心之間的電間距時刻變化,以至于目標(biāo)整體的回波信號幅度隨著變化。而對于徑向運(yùn)動的情況,雷達(dá)照射目標(biāo)的視線角始終不變,目標(biāo)各散射中心之間的電間距同樣不變,則目標(biāo)整體的回波信號幅度也不會變化。上述理論分析與仿真圖7中的效果一致,說明了仿真的有效性和可行性。

5 結(jié)語

本文基于多散射中心對LFM體制雷達(dá)的擴(kuò)展目標(biāo)回波信號進(jìn)行建模、仿真,并對仿真回波數(shù)據(jù)的存儲和處理進(jìn)行分析,回波數(shù)據(jù)的處理結(jié)果成功復(fù)現(xiàn)了目標(biāo)的距離像和速度維,驗(yàn)證了文中模型與處理方式的正確性和有效性,為雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)目標(biāo)回波信號模擬模塊提供了理論基礎(chǔ)。

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Target Echo Signal Simulation Method of Radar Training System

LONG Kangjun1MENG Luwen2ZHOU Mo2ZHANG Runzhe2

(1. Shantou Shipyard of 4801 Factory, Shantou 515011) (2. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In the paper, the scattering properties of extended targets of Optical zone were analyzed, the LFM radar echo model based on multi-scattering centers was established and the storage model and approach of echo data was also given. On the basis, extended target echo signal for radial and non-radial uniform linear motion in both cases was generated. The simulated echo data was processed by pulse-compression and Doppler processing to verify the validity of echo models. The result finally reflected the characteristics of targets and thus the model was feasible and effective and laid the foundation for future target feature extraction and object recognition.

radar training system, echo simulation, LFM, multi-scattering centers

2015年1月20日,

2015年2月25日 作者簡介:龍康君,男,工程師,研究方向:雷達(dá)工程。孟路穩(wěn),男,碩士研究生,研究方向:雷達(dá)信號與信息處理。周沫,男,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:雷達(dá)信號處理和雷達(dá)工程。張潤哲,男,碩士研究生,研究方向:雷達(dá)干擾仿真。

TN955

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.028