那洪祥

（91913部隊(duì)，遼寧大連116041）

基于DRFM的高分辨雷達(dá)擴(kuò)展目標(biāo)回波仿真技術(shù)

那洪祥

（91913部隊(duì)，遼寧大連116041）

介紹了一種基于DRFM的高分辨雷達(dá)擴(kuò)展目標(biāo)回波信號(hào)仿真方法，該方法將艦船等復(fù)雜目標(biāo)視為擴(kuò)展目標(biāo)，其雷達(dá)回波信號(hào)可以看作擴(kuò)展目標(biāo)各散射中心產(chǎn)生的回波信號(hào)的疊加。應(yīng)用該技術(shù)產(chǎn)生的模擬目標(biāo)回波信號(hào)和假目標(biāo)干擾信號(hào)，由于攜帶雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和照射目標(biāo)特征信息，能順利進(jìn)入末制導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)，仿真效果優(yōu)于一般常規(guī)仿真技術(shù)。

DRFM；高分辨雷達(dá)；擴(kuò)展目標(biāo)；回波仿真

現(xiàn)代高分辨雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別能力強(qiáng)，對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)仿真也提出了更高的要求。由于許多目標(biāo)的尺寸遠(yuǎn)大于雷達(dá)的分辨率，必須將探測(cè)目標(biāo)視為擴(kuò)展目標(biāo)[1]。擴(kuò)展目標(biāo)模型的建立比點(diǎn)目標(biāo)要復(fù)雜的多，一般點(diǎn)目標(biāo)只涉及到自身的雷達(dá)散射截面積（RCS）特性[2]，這一特性只是發(fā)射波長(zhǎng)、發(fā)射波的極化方式和目標(biāo)的姿態(tài)角的函數(shù)；而擴(kuò)展目標(biāo)要被分成多個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)，所以須對(duì)該類(lèi)目標(biāo)的空間特性進(jìn)行描述。這樣就不能以簡(jiǎn)單的函數(shù)方式來(lái)描述整個(gè)目標(biāo)的散射特性，而應(yīng)以散射中心的分布特性來(lái)描述。

本文基于DRFM[3-4]技術(shù)和FPGA[5]特點(diǎn)，提出了一種高分辨雷達(dá)目標(biāo)回波和假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)仿真方法。該方法首先對(duì)脈沖雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行下變頻和采樣存儲(chǔ)；然后，對(duì)所存儲(chǔ)的采樣信號(hào)進(jìn)行卷積運(yùn)算處理，產(chǎn)生攜帶距離信息、速度信息等調(diào)整特征信息的模擬回波和假目標(biāo)干擾信號(hào)。由于模擬回波和假目標(biāo)干擾信號(hào)攜帶有雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和照射目標(biāo)特征信息，能順利進(jìn)入高分辨雷達(dá)接收機(jī)，其仿真效果明顯優(yōu)于常規(guī)仿真方法[6]。

1 基于DRFM的高分辨雷達(dá)擴(kuò)展目標(biāo)模型

根據(jù)局部性原理，處于高頻區(qū)的目標(biāo)的散射特性并不是目標(biāo)全部表面所貢獻(xiàn)的，而可看作是該目標(biāo)的某些局部位置（強(qiáng)散射點(diǎn)）的散射特性的疊加。由于擴(kuò)展目標(biāo)的尺寸大于雷達(dá)的分辨率，所以擴(kuò)展目標(biāo)的散射特性可以近似為該物體上多個(gè)散射中心的散射場(chǎng)的疊加。高分辨雷達(dá)擴(kuò)展目標(biāo)散射特性可以寫(xiě)為：

式（1）中：σ為目標(biāo)總的散射截面積；σi為各個(gè)散射中心的RCS；λ為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)；ri為第i個(gè)散射中心到雷達(dá)的距離；?i為第i個(gè)散射中心初始相位。

式（2）中：0≤t≤lmax/c；M為擴(kuò)展目標(biāo)散射中心的個(gè)數(shù)；ai(θ)是第i個(gè)散射中心的強(qiáng)度；τi(θ)是第i個(gè)散射中心的時(shí)延；θ是擴(kuò)展目標(biāo)的姿態(tài)角；c是信號(hào)的傳播速度；lmax是目標(biāo)的最大尺寸。

由于高頻區(qū)不同散射中心的強(qiáng)度與發(fā)射信號(hào)頻率之間存在不同的關(guān)系，所以式（2）考慮的不夠全面。將這一問(wèn)題考慮其中可得式（2）的推廣：

式（3）中：0≤t≤lmax/c；增加的?i為常數(shù)，它表示各個(gè)散射中心的類(lèi)型。

由瞬態(tài)電磁散射理論可得，任意物體的沖激響應(yīng)由2部分組成：一部分是物體的不連續(xù)邊界處的早期響應(yīng)，即沖激分量；另一部分是物體的感應(yīng)電流在自然頻率點(diǎn)附近處的晚期相應(yīng)，即輻射分量[9-12]。物體的早期響應(yīng)與發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻特性有關(guān)，是發(fā)射信號(hào)與物體相互作用的體現(xiàn)，表現(xiàn)為一系列不同散射中心的波峰。晚期響應(yīng)是早期響應(yīng)結(jié)束之后開(kāi)始的，表現(xiàn)為與發(fā)射信號(hào)無(wú)關(guān)的諧振頻率。根據(jù)這一理論分析，目標(biāo)響應(yīng)模型可以表示為：

式（4）中：N是自然諧振頻率數(shù)；bj(θ)是第j個(gè)諧振分量的幅度；Sj是目標(biāo)的復(fù)自然諧振頻率；τj(θ)是自然諧振模延時(shí)；u(t)為單位階躍函數(shù)。

式（4）中的第1項(xiàng)是目標(biāo)鏡面反射，其范圍是[0,lmax/c]，第2項(xiàng)是目標(biāo)自然諧振分量，可以在t≥lmax/c范圍內(nèi)測(cè)得。如果再考慮到信號(hào)在各個(gè)散射中心之間的傳播效應(yīng)，可以得到改進(jìn)的模型：

式（5）中：Akl(θ)是發(fā)射信號(hào)在散射中心之間的多路傳播產(chǎn)生的散射分量；Bkl(θ)是各散射中心單獨(dú)傳播的散射。

式（5）完整地表達(dá)了寬帶雷達(dá)照射下目標(biāo)的散射特性，可將其看作一般的擴(kuò)展目標(biāo)模型。

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為s(t)，則雷達(dá)發(fā)射信號(hào)照射到目標(biāo)時(shí)的回波響應(yīng)可以表示為：

從式（6）可以看出，擴(kuò)展目標(biāo)的回波信號(hào)的模型可以看成是雷達(dá)發(fā)射信號(hào)s(t)經(jīng)過(guò)一個(gè)系統(tǒng)后的輸出，該系統(tǒng)的h(t,θ)取決于目標(biāo)本身的電磁散射特性，它不僅與目標(biāo)自身的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)系，還與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的頻率、信號(hào)特征以及目標(biāo)的姿態(tài)角有關(guān)。

假設(shè)末制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)s(t)為點(diǎn)頻單脈沖信號(hào)，則s(t)可表示為：

式（7）中：TS為點(diǎn)頻單脈沖信號(hào)的周期；τ為矩形波的脈沖寬度；f0為載波的中心頻率。

對(duì)于任何一個(gè)擴(kuò)展目標(biāo)，它的多個(gè)散射中心當(dāng)中必有一個(gè)較強(qiáng)的散射中心，而這個(gè)較強(qiáng)的散射中心的回波可以近似的看成雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的延時(shí)。在對(duì)擴(kuò)展目標(biāo)進(jìn)行建模時(shí)，回波信號(hào)的主要特征是它的能量信息，而大多數(shù)目標(biāo)的能量響應(yīng)主要集中在各個(gè)局部響應(yīng)分量之中。因此，在進(jìn)行建模時(shí)忽略式（5）中的后2項(xiàng)[13-14]。則擴(kuò)展目標(biāo)回波信號(hào)可表示為：

擴(kuò)展目標(biāo)回波r(t,θ)是一系列沖激函數(shù)的疊加，這些沖激函數(shù)具有不同的時(shí)間延遲、相位和幅度，它的作用就是對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)做準(zhǔn)確的延遲，并對(duì)回波信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行響應(yīng)的調(diào)制。

2 擴(kuò)展目標(biāo)回波信號(hào)仿真

由于反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的探測(cè)對(duì)象是艦船等復(fù)雜目標(biāo)，幾何尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。假設(shè)目標(biāo)艦船的長(zhǎng)度為150m，所以各散射點(diǎn)之間的時(shí)間差最大不超過(guò)1μs。圖1給出了高分辨雷達(dá)目標(biāo)回波仿真原理框圖。相參雷達(dá)發(fā)射信號(hào)經(jīng)下變頻和DRFM存儲(chǔ)之后，在FPGA器件中與目標(biāo)特性數(shù)據(jù)和調(diào)制特性進(jìn)行卷積運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過(guò)D/A恢復(fù)和上變頻操作就可以完成對(duì)模擬目標(biāo)回波信號(hào)的產(chǎn)生。

雷達(dá)回波的目標(biāo)信息包括目標(biāo)的RCS、強(qiáng)散射點(diǎn)分布、姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)速度等，通過(guò)對(duì)艦船目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)分析可以得到它的沖擊響應(yīng)序列[15]h(t,θ)。

上面討論的h(t,θ)是簡(jiǎn)化的模型。實(shí)際工作中，測(cè)量艦船目標(biāo)某個(gè)固定角度的回波信息時(shí)，末制導(dǎo)雷達(dá)和艦船目標(biāo)之間的姿態(tài)角不發(fā)生變化，即認(rèn)為ai(θ)、τi(θ)均為與θ無(wú)關(guān)的常數(shù)。假設(shè)艦船目標(biāo)上各個(gè)散射中心是統(tǒng)一類(lèi)型，即不考慮散射中心類(lèi)型差別的影響（不考慮?i）。此時(shí)，目標(biāo)回波可以簡(jiǎn)化為[16]：

回波模型即艦船目標(biāo)的各個(gè)散射中心對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的延時(shí)、幅度調(diào)制和相位調(diào)制的疊加。

下面對(duì)艦船目標(biāo)的雷達(dá)照射回波信號(hào)的波形和頻譜進(jìn)行仿真分析。

設(shè)單脈沖信號(hào)的周期TS=1000 μs，脈沖寬度τ=0.5μs，基波頻率f0=200MHz，采樣頻率fc=600MHz。圖2是發(fā)射單脈沖信號(hào)的波形，圖3是單脈沖信號(hào)的頻譜。

假設(shè)艦船目標(biāo)有N個(gè)散射中心，則雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的回波由N個(gè)散射中心的延時(shí)和幅度調(diào)制特性疊加而成。當(dāng)M=1時(shí)，將艦船目標(biāo)看作一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)；當(dāng)M=2時(shí)，將艦船目標(biāo)看作2個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)組合的擴(kuò)展目標(biāo)，若2個(gè)散射中心距離15m（對(duì)應(yīng)延時(shí)τ2=0.1μs），對(duì)應(yīng)雷達(dá)回波信號(hào)的波形和頻譜的仿真結(jié)果如圖4所示；當(dāng)M=3時(shí)，回波信號(hào)由3個(gè)散射中心的回波疊加而成，假設(shè)第2、第3個(gè)散射中心的延時(shí)為τ2=0.1μs、τ3=0.3μs，回波信號(hào)的波形和頻譜的仿真結(jié)果如圖5所示。

同理，可得M=4、M=5等多個(gè)散射中心疊加的回波信號(hào)的時(shí)域和頻域特征。在時(shí)域方面，隨著疊加散射中心回波數(shù)目的增多和相對(duì)延時(shí)的增大，艦船目標(biāo)回波的波形被明顯展寬了，展寬寬度等于幾個(gè)疊加延時(shí)信號(hào)中的最大延時(shí)量，回波信號(hào)的幅度也隨著疊加次數(shù)的增多而改變，具體的幅度由疊加信號(hào)的幅度決定。在頻域方面，回波信號(hào)r(t)的頻譜整體變窄了。

3 結(jié)論

擴(kuò)展目標(biāo)回波信號(hào)和假目標(biāo)干擾信號(hào)仿真中，將艦船目標(biāo)的散射特性簡(jiǎn)化為多個(gè)散射中心回波信號(hào)的疊加。通過(guò)建模仿真分析可以看出，疊加延時(shí)信號(hào)后，回波信號(hào)的波形被展寬，整體頻譜變窄，但是回波信號(hào)的離散譜被展寬。這一點(diǎn)與外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中末制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)照射到艦船目標(biāo)的回波信號(hào)的時(shí)域特性相符，充分驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)高分辨雷達(dá)擴(kuò)展目標(biāo)回波信號(hào)和假目標(biāo)干擾信號(hào)仿真的有效性。

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Extended Target Echo Simulation of High-Resolution Radar Based on DRFM

NA Hongxiang
（The 91913rdUnit of PLA,Dalian Liaoning 116001,China）

In this paper,article proposed a simulation method of high-resolution radar extended target echo signal simula?tion was proposed based on DRFM.If ships and warships were regarded as extended targets,the radar echo signal would be the superposition of each scattered center echo signal.Analog target echo signal and false target jamming signal generat?ed by this method carried the radar emission signal and irradiation target characteristic information effectively,and could pass the threshold voltage of terminal guidance radar.Therefore the method was better than general conventional simula?tion techniques.

DRFM;high-resolution radar;extended target;echo simulation

TN958

A

1673-1522（2017）04-0347-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.04.002

2017-06-12；

2017-07-12

那洪祥（1978-），男，工程師，大學(xué)。