周紅峰，王曉楠

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

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單脈沖跟蹤雷達(dá)對掠海飛行目標(biāo)跟蹤仿真

周紅峰，王曉楠

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

介紹了單脈沖跟蹤雷達(dá)對掠海飛行目標(biāo)的閉環(huán)跟蹤仿真方法，建立了比幅單脈沖體制下的雷達(dá)多路徑誤差、雷達(dá)接收處理及雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)等模型，分析了理論計(jì)算和閉環(huán)仿真的結(jié)果。

單脈沖跟蹤雷達(dá)；掠海目標(biāo)；閉環(huán)跟蹤仿真

0 引 言

近年來,隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從理論模型計(jì)算向真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)字仿真、數(shù)字試驗(yàn)方向發(fā)展。原有的主要依靠理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)積累的雷達(dá)設(shè)計(jì)研制過程已經(jīng)向全數(shù)字化真實(shí)作戰(zhàn)背景下的雷達(dá)系統(tǒng)功能、性能仿真設(shè)計(jì)方向發(fā)展。在設(shè)計(jì)時(shí)就能夠仿真獲得裝備在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中的效能。

對于艦載跟蹤雷達(dá)，多路徑效應(yīng)的影響是雷達(dá)在設(shè)計(jì)跟蹤掠海飛行目標(biāo)功能時(shí)需重點(diǎn)解決的問題。多路徑效應(yīng)對跟蹤雷達(dá)的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面多路徑效應(yīng)會引起雷達(dá)回波信號的衰弱，導(dǎo)致信噪比降低，甚至出現(xiàn)盲區(qū)，影響雷達(dá)對目標(biāo)的檢測；另一方面多路徑效應(yīng)會引起雷達(dá)在仰角上的跟蹤誤差，影響對目標(biāo)的跟蹤精度，甚至?xí)?dǎo)致跟蹤目標(biāo)丟失。

本文根據(jù)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展需求，以跟蹤雷達(dá)在多路徑條件下跟蹤掠海飛行目標(biāo)的過程為研究對象，研究并建立跟蹤雷達(dá)接收信號處理、伺服系統(tǒng)等模型組成的跟蹤雷達(dá)模型以及多路徑環(huán)境條件模型，同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)字仿真試驗(yàn)，給出了相關(guān)數(shù)字試驗(yàn)結(jié)果。

1 多路徑效應(yīng)數(shù)字模型

多路徑效應(yīng)是由于在雷達(dá)探測目標(biāo)過程中，電磁波傳播的直射路徑和反射路徑合成引起的目標(biāo)檢測和跟蹤問題。這種反射主要指海面或地面對雷達(dá)波的反射。在海用背景下，雷達(dá)探測低空及掠海飛行目標(biāo)時(shí)多路徑效應(yīng)尤其顯著，也最具代表性。多路徑效應(yīng)與雷達(dá)的架高、目標(biāo)高度、目標(biāo)距離、雷達(dá)的頻率、雷達(dá)波束寬度、海面反射系數(shù)、電磁波極化、雷達(dá)波束指向等因素都有關(guān)系。

在研究多路徑效應(yīng)時(shí)，通常采用幾何光學(xué)的方法以減少復(fù)雜的電磁場計(jì)算。根據(jù)應(yīng)用的精度要求不同可采用平面反射模型和球面反射模型。平面反射模型相對簡單，波程差計(jì)算量小，球面反射模型復(fù)雜，精度較高但計(jì)算量比較大。本文在仿真過程中采用的是精度較高的球面反射模型。2種反射模型如下：

(1) 多路徑平面反射模型[1]

圖1是多路徑平面反射模型，圖中天線高度為hr，目標(biāo)高度為ht，直接路徑為Rd，反射路徑為R1和R2，直接路徑的仰角為θd，反射路徑仰角為θr，入射余角為ψ，在此平面反射模型下直接路徑與反射路徑的波程差為：

(1)

(2) 多路徑球面反射模型[1]

圖2是多路徑球面反射模型。當(dāng)反射點(diǎn)距離雷達(dá)較遠(yuǎn)時(shí)，雷達(dá)所在水平面與反射點(diǎn)所在的水平面角度相差比較大，平面反射模型將會帶來比較大的誤差。球面反射比平面反射復(fù)雜，要獲得直接路徑和反射路徑的波程差，可以先采用中間變量法，解相關(guān)方程，獲取反射點(diǎn)的位置后，再通過相關(guān)幾何關(guān)系計(jì)算出直接路徑和反射路徑的波程差。波程差計(jì)算公式如下：

(2)

2 雷達(dá)接收處理模型

雷達(dá)接收處理模型主要完成雷達(dá)目標(biāo)回波的產(chǎn)生。此部分按照比幅單脈沖天線接收原理，模擬雷達(dá)接收機(jī)功能，并對目標(biāo)和差回波進(jìn)行信號處理和數(shù)據(jù)處理。為了簡化仿真模型，本文采用中頻信號仿真。

2.1 雷達(dá)接收機(jī)

雷達(dá)接收機(jī)模型主要實(shí)現(xiàn)單脈沖雷達(dá)不同通道的中頻回波信號的產(chǎn)生，并經(jīng)過適當(dāng)調(diào)理提供給信號處理模型。

雷達(dá)中頻回波模型要根據(jù)雷達(dá)方程，確定電磁波傳播衰減、雷達(dá)天線增益、雷達(dá)發(fā)射功率、目標(biāo)雷達(dá)截面(RCS)、目標(biāo)距離等條件計(jì)算雷達(dá)回波功率。根據(jù)多路徑條件下比幅單脈沖雷達(dá)的特點(diǎn)，在計(jì)算過程中增加多路徑因素引起的回波功率變化模型以及雷達(dá)差路信號產(chǎn)生模型。下面主要介紹與多路徑相關(guān)的回波模擬。

當(dāng)目標(biāo)距離雷達(dá)足夠遠(yuǎn)，直達(dá)路徑與反射路徑夾角比較小的時(shí)候，可以認(rèn)為在雷達(dá)處不同路徑回波平行，合成的電磁波場強(qiáng)可寫為：

(3)

式中：E0為合成的信號場強(qiáng)；E1為直射路徑的場強(qiáng)；E2為反射路徑的場強(qiáng)；θ為反射引起的附加相位角。

雷達(dá)俯仰差路回波信號要符合比幅單脈沖雷達(dá)的測角原理，即產(chǎn)生的和路及差路信號的大小以及相位與目標(biāo)偏離天線法線方向相關(guān)。具體可以采用真實(shí)的實(shí)測雷達(dá)天線方向圖或者自定義的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)曲線來模擬單脈沖雷達(dá)信號的幅度和相位關(guān)系，即根據(jù)差方向圖與和方向圖的關(guān)系調(diào)制信號的幅度，根據(jù)誤差方向確定差信號與和信號為同相或反相。圖3為典型的單脈沖雷達(dá)和路及差路方向圖[2]。

雷達(dá)回波要反映目標(biāo)的位置信息以及帶來的回波多普勒頻率變化。目標(biāo)的位置變化通過調(diào)整雷達(dá)回波模擬的時(shí)延實(shí)現(xiàn)。和路和差路多普勒信息可以調(diào)制在中頻雷達(dá)回波信號上。這里要注意時(shí)延和多普勒頻率的相關(guān)性。相關(guān)公式如下：

t=2R/c

(4)

fd=2V/λ

(5)

Fr=Ft+fd

(6)

式中:t為目標(biāo)回波相對于雷達(dá)發(fā)射脈沖的延時(shí);R為目標(biāo)與雷達(dá)之間的斜距;c為光速;fd為目標(biāo)的多普勒頻率;V為目標(biāo)的徑向速度；λ為雷達(dá)發(fā)射的載頻；Fr為雷達(dá)回波頻率；Ft為雷達(dá)發(fā)射頻率。

回波多普勒頻率可以通過回波載頻的頻偏模擬。

2.2 信號處理

雷達(dá)采用超外差接收機(jī)形式，將射頻信號變?yōu)檎瓗е蓄l信號。信號處理采用中頻采樣數(shù)字下變頻技術(shù)，獲得數(shù)字IQ視頻信號；然后進(jìn)入到動目標(biāo)檢測器(MTD)進(jìn)行動目標(biāo)處理，經(jīng)恒虛警率(CFAR)處理后檢測出目標(biāo)；對目標(biāo)進(jìn)行距離跟蹤以及進(jìn)行不同通道間的角誤差計(jì)算處理，得到目標(biāo)偏離天線法線方向的角誤差信號。

3 雷達(dá)伺服系統(tǒng)模型

常規(guī)體制跟蹤雷達(dá)一般采用方位俯仰兩軸叉架形式。在方位及俯仰上分別具有一套伺服控制系統(tǒng)，控制方位及俯仰運(yùn)動。

對于高精度的跟蹤雷達(dá)，為了解決穩(wěn)定、高精度、動態(tài)精度等問題，通常采用準(zhǔn)二型伺服系統(tǒng)[3]。也就是采用了速度順饋形式的一型系統(tǒng)，減少在速度跟蹤條件下的雷達(dá)誤差。典型跟蹤雷達(dá)伺服系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

4 仿真總體框架

單脈沖跟蹤雷達(dá)對掠海目標(biāo)仿真的總體框架要實(shí)現(xiàn)模擬掠海飛行航路上目標(biāo)的軌跡和回波，模擬海面多路徑效應(yīng)作用在比幅單脈沖跟蹤雷達(dá)時(shí)對信號衰減、仰角角度偏差現(xiàn)象，模擬雷達(dá)信號處理、角度偏差提取過程，模擬多路徑條件下誤差信號對閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)的作用。

本仿真系統(tǒng)建立在Matlab Simulink環(huán)境下，仿真框架如圖5所示。其中Pulse模塊產(chǎn)生雷達(dá)的調(diào)制脈沖，Target Position模塊產(chǎn)生目標(biāo)的航跡，Multipath模塊完成多路徑效應(yīng)計(jì)算，并根據(jù)比幅單脈沖雷達(dá)天線模型產(chǎn)生角誤差，模塊產(chǎn)生中頻雷達(dá)和差信號，Radar Reciver模擬雷達(dá)中頻接收機(jī)，Radar Processor模擬雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理，Radar Survo模塊模擬雷達(dá)伺服系統(tǒng)。

在雷達(dá)發(fā)射調(diào)制脈沖模塊產(chǎn)生的脈沖驅(qū)動下，Target Position模塊產(chǎn)生目標(biāo)位置信息，目標(biāo)位置信息發(fā)送給多路徑模型,計(jì)算多路徑條件下的雷達(dá)和路及差路信號幅度及相位，該信號激勵(lì)雷達(dá)回波產(chǎn)生模塊Radar Echo產(chǎn)生雷達(dá)中頻信號，送到Radar Reciver模塊經(jīng)過濾波、放大等處理后，將信號送入雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，得到目標(biāo)的角度誤差信息后送入Radar Survo雷達(dá)伺服系統(tǒng)模擬模塊，伺服系統(tǒng)輸出雷達(dá)天線指向信息到Multipath模塊完成閉環(huán)，通過該模擬回路模擬雷達(dá)在多路徑條件下對掠海目標(biāo)的閉環(huán)跟蹤。

由于雷達(dá)重頻與伺服系統(tǒng)的數(shù)字頻率之間不同，同時(shí)考慮處理延時(shí)問題，在仿真中采用采樣保持異步對齊的方法，使信號處理送給伺服系統(tǒng)的誤差時(shí)間滿足伺服系統(tǒng)仿真的要求。

5 綜合仿真結(jié)果

為了進(jìn)行對比，在Matlab環(huán)境下進(jìn)行了理論計(jì)算和閉環(huán)仿真試驗(yàn)。

理論計(jì)算模型中，假設(shè)雷達(dá)天線法線指向目標(biāo)，在球面反射模型下，計(jì)算雷達(dá)回波的信噪比和雷達(dá)測量的仰角誤差曲線。其中仰角誤差為設(shè)定雷達(dá)天線法線始終指向目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)和差比較器模型輸出的雷達(dá)仰角探測理論誤差。

圖6是雷達(dá)架高10 m條件下對不同高度掠海目標(biāo)跟蹤的信噪比變化曲線。

圖7是雷達(dá)架高10 m條件下對不同高度掠海目標(biāo)跟蹤的角誤差變化曲線。

從圖6和圖7中可以看出，雷達(dá)信噪比、誤差都具有距離維逐漸拉長、周期性變化的特點(diǎn)。

為了有對比性，閉環(huán)模擬仿真延續(xù)上述2種條件。多路徑效應(yīng)主要影響仰角精度，為了簡化，系統(tǒng)模型僅仿真和路與仰角差路信號，同時(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)航路為徑向靠近雷達(dá)，伺服系統(tǒng)只模擬仰角部分。

在這種條件下，雷達(dá)的法線方向會在伺服系統(tǒng)模型控制下隨多路徑誤差信號進(jìn)行上下擺動，雷達(dá)的仰角偏差為目標(biāo)真實(shí)位置與雷達(dá)法線之間的角度差，具體偏差定義如下：

E=Ea-Et

(7)

式中：Ea為雷達(dá)天線法線仰角；Et為目標(biāo)真實(shí)仰角。

不同高度目標(biāo)閉環(huán)仿真誤差曲線如圖8所示。

從數(shù)字動態(tài)仿真模型結(jié)果可以看出，閉環(huán)動態(tài)的跟蹤偏差曲線與靜態(tài)的理論誤差計(jì)算曲線形狀相似，在誤差變化距離位置變化方向主體相同，但誤差曲線細(xì)節(jié)有所不同。遠(yuǎn)距離時(shí)，動態(tài)誤差曲線與理論模型差別大，主要原因是在遠(yuǎn)距離目標(biāo)信噪比低同時(shí)有距離盲區(qū)的影響。在動態(tài)誤差曲線下部有向下的尖峰出現(xiàn)，理論計(jì)算誤差圖則沒有該情況，這主要是伺服系統(tǒng)響應(yīng)帶來的影響。

6 結(jié)束語

本文給出了多路徑條件下單脈沖火控雷達(dá)對掠海飛行目標(biāo)閉環(huán)跟蹤仿真的方法和實(shí)例，該方法能夠有效地支持跟蹤雷達(dá)對掠海飛行目標(biāo)探測跟蹤的研究，反映真實(shí)的多路徑條件下目標(biāo)跟蹤的基本特點(diǎn)，支持在缺少真實(shí)飛行試驗(yàn)條件下進(jìn)行雷達(dá)抗多路徑效應(yīng)研究。由于不同跟蹤雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)不同，信號數(shù)據(jù)處理、伺服系統(tǒng)也有差別，需要針對具體的雷達(dá)進(jìn)行針對性的建模。雷達(dá)采用頻率捷變模式可以改善多路徑條件下的角跟蹤性能，本系統(tǒng)可以在仿真時(shí)利用捷變頻下的頻率點(diǎn)、目標(biāo)位置等輸入?yún)?shù)，動態(tài)產(chǎn)生理論誤差值，代入到仿真框架中， 可以仿真捷變頻條件下的雷達(dá)多路徑跟蹤過程。另外多路徑影響比較嚴(yán)重的是低海情條件下，所以模型中沒有考慮海雜波的影響。

后續(xù)可以通過在雷達(dá)回波產(chǎn)生模塊中增加相對應(yīng)海情的雜波模擬功能，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)仿真模型。

[1] SKOLNIK M I.雷達(dá)手冊[M].王軍譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2] 丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3] 李連升.雷達(dá)伺服系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1983.

TrackingSimulationofMono-pulseTrackingRadartoSkimmingTarget

ZHOU Hong-feng，WANG Xiao-nan
(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces the colsed-loop tracking simulation method of mono-pulse tracking radar to skimming target,sets up the models of radar multi-path error,radar receiving and processing,radar servo tracking system,etc.under the condition of amplitude comparison mono-pulse system,analyzes the results of theory calculation and colsed-loop simulation.

mono-pulse tracking radar;skimming target;closed-loop tracking simulation

2017-03-16

TN959.6

：A

：CN32-1413(2017)03-0017-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.004