宋思盛 姜 洋 張 興

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

武器定位雷達(dá)是確定敵方火力支援系統(tǒng)方位的首選武器裝備，已在伊拉克、阿富汗等多場局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，隨著電子對抗、反輻射導(dǎo)彈等技術(shù)的發(fā)展，給常規(guī)雷達(dá)的正常工作和戰(zhàn)場生存帶來嚴(yán)重威脅，雙基地體制武器定位雷達(dá)因接收站靜默而獲得優(yōu)良的抗有源干擾和戰(zhàn)場生存能力，成為各國炮兵偵察裝備的研究方向之一。

武器定位雷達(dá)因其探測目標(biāo)的特殊性，場地專用而且試驗成本高，通常配備系統(tǒng)目標(biāo)模擬設(shè)備，如歐洲Cobra雷達(dá)配備了Smart Repeater[1]，美國LCMR配備了LFS，完成對系統(tǒng)功能任務(wù)的驗證，達(dá)到減少調(diào)試試驗成本、縮短生產(chǎn)調(diào)試周期的目的。雙基地武器定位雷達(dá)收發(fā)分置，作戰(zhàn)配置和威力性能密切相關(guān)，目標(biāo)模擬設(shè)備需要完成的功能任務(wù)比單基地雷達(dá)要復(fù)雜和困難得多。

1 雙基地武器定位雷達(dá)實現(xiàn)目標(biāo)模擬的難點

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)的廣泛應(yīng)用，基于DRFM[2]技術(shù)的近場射頻目標(biāo)模擬設(shè)備在國內(nèi)外得到了應(yīng)用，這些設(shè)備由控制計算機、DRFM單元、矩陣開關(guān)和高低一維天線陣列組成，通過截獲雷達(dá)發(fā)射信號增加距離延遲和多普勒信息模擬產(chǎn)生彈丸的回波信號，通過矩陣開關(guān)切換模擬彈丸飛行軌跡的高度信息，從而與雷達(dá)站配合完成系統(tǒng)的動態(tài)測試。

雙基地雷達(dá)收發(fā)兩站分開放置存在“三同”問題，同時目標(biāo)回波信號參數(shù)和發(fā)射接收站的作戰(zhàn)配置息息相關(guān)，系統(tǒng)功能的調(diào)試驗證相對于單基地雷達(dá)來說更加復(fù)雜，近場射頻目標(biāo)模擬設(shè)備用于雙基地雷達(dá)的模擬需要考慮通信同步、時間同步、回波參數(shù)實時計算、動態(tài)交匯判斷和動態(tài)位置坐標(biāo)模擬等難題，實現(xiàn)技術(shù)難度大，成本高，而且架設(shè)時間長，操作使用不方便。采用自主式的模擬裝置具有使用簡單不需架設(shè)輔助設(shè)備的優(yōu)點適合在雙基地雷達(dá)中應(yīng)用，但是雙基地雷達(dá)接收陣面大多采用DBF接收體制，通道數(shù)可達(dá)數(shù)千個，采用中頻模擬信號注入方式需要增加上千個DAC或者DDS設(shè)備，控制復(fù)雜而且成本很高；采用內(nèi)置耦合器將射頻信號耦合注入每個天線單元的方式更加復(fù)雜難以實現(xiàn)；采用將射頻信號通過空間輻射方式經(jīng)由接收天線輸入到每個接收通道的方式，雖然可以在數(shù)字基帶信號上修正輻射天線到各接收通道間的幅相差和預(yù)疊加目標(biāo)的角度相位信息的方式來實現(xiàn)對目標(biāo)的模擬，但是嚴(yán)重破壞了地物、氣象雜波的相位特性，此時只能做到對理想目標(biāo)檢測的功能驗證，無法做到理想目標(biāo)回波信號在真實地理、氣象雜波等背景環(huán)境回波下的檢測驗證，在雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試試驗中的作用有限。

2 雙基地武器定位雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)研究

為了有效地解決雙基地雷達(dá)在目標(biāo)模擬上遇到的問題，后文從目標(biāo)的彈道模型、空間三維模型、回波信號特點方面進(jìn)行分析，提出在有源陣列數(shù)字接收機中模擬每個陣元接收到的目標(biāo)信號特征與系統(tǒng)組成設(shè)備配合實現(xiàn)目標(biāo)模擬方案，并給出了系統(tǒng)控制流程。

2.1 彈丸目標(biāo)空氣中飛行的仿真

彈丸在空氣中飛行除受到重力影響外還受到空氣阻力，彈丸質(zhì)心在空氣中運動的軌跡稱為彈道；根據(jù)彈道方程組，在直角坐標(biāo)系下采用數(shù)值求解微分方程，對給定彈道系數(shù)、初速和射角的彈丸飛行彈道進(jìn)行了仿真，初速300m/s射角60°的迫擊炮、初速700m/s射角40°的榴彈炮和初速900m/s射角20°的榴彈炮彈道仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 彈丸飛行彈道仿真結(jié)果

2.2 收發(fā)兩站空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

假定收發(fā)兩站在北-東-天坐標(biāo)系下的原點分別為R(x1,y1,z1)和T(x2,y2,z2)，發(fā)站坐標(biāo)系下的某個點坐標(biāo)(x,y,z)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后可以獲得在收站坐標(biāo)下的新坐標(biāo)(x′,y′,z′)，轉(zhuǎn)換步驟包括坐標(biāo)原點平移(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，水平方向旋轉(zhuǎn)θ角和垂直方向上旋轉(zhuǎn)β角得到的(假定逆時針為正)，具體的轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

2.3 發(fā)射站、接收站和彈丸目標(biāo)的三維空間模型

雙基地武器定位雷達(dá)有發(fā)射站和接收站組成，通過發(fā)射波束和接收波束在空間交匯掃描，探測、跟蹤測量彈丸上升段和下降段飛行軌跡，進(jìn)而外推敵炮位坐標(biāo)和我方彈丸落點；以上升段彈丸飛行軌跡為例，發(fā)射站、接收站和彈丸目標(biāo)的空間幾何模型如圖2所示。

在火炮彈丸初始參數(shù)已知的情況下根據(jù)彈道方程可以計算出任一時刻目標(biāo)的彈道諸元如坐標(biāo)、速度、飛行角度等，在發(fā)射站、接收站和炮位坐標(biāo)已知，目標(biāo)飛行點跡通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式可以轉(zhuǎn)換到以發(fā)射站為原點的平面直角坐標(biāo)系中，進(jìn)而轉(zhuǎn)化到發(fā)射站陣面直角坐標(biāo)系中，通過解三角形容易計算出目標(biāo)到發(fā)射站的距離、方位角、俯仰角和在發(fā)射站方向上的速度分量，判斷目標(biāo)所在的方向是否在發(fā)射波束指向的波束寬度內(nèi)，若在說明目標(biāo)被發(fā)射波束照射上，目標(biāo)會向各個方向上反射、散射電磁能量；在發(fā)射波束能照射上目標(biāo)的前提下，將目標(biāo)的飛行參數(shù)轉(zhuǎn)化到以接收站為原點的平面直角坐標(biāo)系中，進(jìn)而轉(zhuǎn)換到接收陣面的直角坐標(biāo)系中，根據(jù)計算出來的距離、方位、俯仰角度信息，在方位和俯仰兩維判斷接收陣面能否收到目標(biāo)的回波信號，若能收到則計算出回波信號相對于接收陣面的方位、俯仰角度信息以及在接收站方向上的速度分量信息，若判斷不能收到回波信號，說明此時收發(fā)兩站無法在此刻檢測到目標(biāo)。

圖2 發(fā)射站、接收站和彈丸的空間幾何三維圖

雙基地武器定位雷達(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波信號進(jìn)行高精度測距和測速，目標(biāo)回波信號附加距離延遲、速度和幅度信息。

發(fā)射信號為：

(2)

回波信號為：

(3)

2.4 大型DBF接收陣列中目標(biāo)數(shù)字中頻模擬方案

雙基地雷達(dá)接收站通常采用大型DBF接收陣列，陣面由上千個通道接收機(包括模擬和數(shù)字兩部分)組成，數(shù)字接收機由ADC和FPGA等硬件電路實現(xiàn)中頻帶通采樣和DDC功能；針對前面所述采用中頻和射頻模擬信號進(jìn)行動態(tài)目標(biāo)模擬的缺點和不足，結(jié)合大規(guī)模FPGA資源豐富、成本低的特點，本文提出在分布式數(shù)字接收機中采用數(shù)字中頻信號形式模擬每個陣元接收到的目標(biāo)回波信號，并將目標(biāo)相對于接收陣面的方位和俯仰角所對應(yīng)的相位信息附加到回波信號上，形成每個接收支路的中頻數(shù)字回波信號的目標(biāo)模擬方案。

數(shù)字中頻模擬設(shè)備采用類似DDS的工作原理，通過幅度控制字、頻率控制字和相位控制字分別模擬控制目標(biāo)回波信號幅度大小、距離延遲和多普勒速度以及目標(biāo)方位、俯仰角對應(yīng)的相位信息，工作模擬標(biāo)志位用來選通模擬數(shù)據(jù)輸出，工作狀態(tài)下輸出零值；目標(biāo)模擬數(shù)據(jù)與模擬接收機中頻輸出的采樣數(shù)據(jù)相加后送給后續(xù)的DDC等模塊進(jìn)行處理，經(jīng)光纖傳輸給DBF及信號處理器完成DBF波束形成和對天電噪聲、熱噪聲、氣象和地物雜波背景下模擬目標(biāo)的檢測處理。傳統(tǒng)目標(biāo)模擬設(shè)備通過建立噪聲、地物雜波、氣象雜波的數(shù)學(xué)模型來產(chǎn)生這些雜波來模擬真實環(huán)境進(jìn)行實驗室調(diào)試，在雙基地體制下噪聲和雜波的數(shù)學(xué)模型更加特殊，而且作為系統(tǒng)級的目標(biāo)模擬設(shè)備，噪聲和雜波完全有必有采用真實地理和氣象條件下的實際數(shù)據(jù)，只需要模擬目標(biāo)即可，模擬產(chǎn)生的目標(biāo)特性和真實目標(biāo)特性雖仍有差異，相對于雜波模擬來說要“真實”得多了，這樣雙基地雷達(dá)可以在實戰(zhàn)環(huán)境下方便地對系統(tǒng)狀態(tài)是否正常進(jìn)行確認(rèn)、對弱小目標(biāo)的檢測能力和多目標(biāo)處理能力進(jìn)行有效地驗證。

圖3 數(shù)字中頻模擬原理框圖

(4)

數(shù)字中頻模擬設(shè)備通過為模擬回波信號增加角度相位項來模擬目標(biāo)的回波方向信息，在DBF處理時如果期望方向和目標(biāo)所在方向一致，則輸出回波信號，不一致則無目標(biāo)回波輸出，這相對于單基地雷達(dá)目標(biāo)模擬器依賴波束是否交匯來決定是否產(chǎn)生回波來說有很大不同，因為此時不管DBF波束指向是否對準(zhǔn)目標(biāo)方向，每個接收天線都是會收到回波信息，正是這種處理方式能夠較好的驗證雙基地雷達(dá)空間同步處理的正確和有效性。

2.5 雙基地武器定位雷達(dá)目標(biāo)模擬的系統(tǒng)控制

雙基地武器定位雷達(dá)采用相相掃技術(shù)，可以實現(xiàn)在對給定區(qū)域搜索掃描的同時實現(xiàn)對多個目標(biāo)的離散定時跟蹤。操控終端、實控機和DBF及信號處理器是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的控制核心，它們之間通信接口和工作程序是雷達(dá)系統(tǒng)功能調(diào)試的重點，此時分布在數(shù)字接收機中的數(shù)字中頻模擬設(shè)備將發(fā)揮重要的作用，只需要接收站就可以完成對雙基地功能的驗證和調(diào)試，而雙基地雷達(dá)發(fā)射和接收站配合工作，更能對雙基地雷達(dá)實際工作環(huán)境下的任務(wù)完成能力進(jìn)行有效的驗證。

終端計算機首先要設(shè)定系統(tǒng)工作和模擬炮位的參數(shù)；然后由實控機作為系統(tǒng)控制和目標(biāo)模擬計算的核心，一方面控制系統(tǒng)的搜索掃描和跟蹤任務(wù)，還負(fù)責(zé)目標(biāo)彈道數(shù)據(jù)的計算、波束交匯判斷以及回波數(shù)據(jù)參數(shù)的計算，并將目標(biāo)的距離延遲、多普勒、幅度、方位和俯仰角度信息告知DBF及信號處理器，DBF及信號處理器通過光纖接口控制分布在陣面的數(shù)字接收機產(chǎn)生規(guī)定參數(shù)的目標(biāo)在每個陣元的回波信號，每個通道的回波信號經(jīng)過DDC、DBF和檢測處理整個流程后上報；實控機然后根據(jù)信處處理結(jié)果完成對模擬目標(biāo)的搜索、確認(rèn)和跟蹤測量，直至目標(biāo)超出雷達(dá)探測范圍或者落到地面；最后終端對目標(biāo)跟蹤測量數(shù)據(jù)進(jìn)行外推獲取炮位坐標(biāo)，通過與設(shè)定的炮位坐標(biāo)進(jìn)行比較，判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，確定故障位置，對整個系統(tǒng)模擬過程進(jìn)行閉環(huán)。

雙基地武器定位雷達(dá)目標(biāo)模擬方案不需要輔助設(shè)備，不增加硬件成本，利用系統(tǒng)內(nèi)部已有硬件，設(shè)計通用可配置FPGA模塊實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)模擬功能，它不僅能在系統(tǒng)前期調(diào)試中發(fā)揮重要的作用，而且能在外場試驗中方便的確認(rèn)雷達(dá)在復(fù)雜地理、氣象環(huán)境下的工作狀態(tài)和性能；還能在實彈試驗和模擬方式下進(jìn)行切換測試，很好的復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，用較低的成本、很快的速度排除故障，保障試驗的順利進(jìn)行；在裝備期間還能作為在線操作培訓(xùn)平臺，培養(yǎng)和訓(xùn)練操作手對雙基地武器定位雷達(dá)作戰(zhàn)配置、使用和操作的技能。

3 結(jié)束語

本文針對雙基地武器定位雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)實現(xiàn)中遇到的困難，從目標(biāo)飛行特性，空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，發(fā)射站、接收站和目標(biāo)的空間模型，回波信號參數(shù)著手進(jìn)行分析，提出在全DBF接收陣列的分布式數(shù)字接收機中采用數(shù)字中頻模擬每個陣元接收到的目標(biāo)信號從而實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)模擬的方案，并對目標(biāo)模擬關(guān)鍵的系統(tǒng)控制流程進(jìn)行了說明，該目標(biāo)模擬方案可以解決雙基地武器定位雷達(dá)調(diào)試和功能驗證的一大難題，具有不需要輔助設(shè)備、可以同時對多批、多方位目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)模擬和便于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點，具備工程可行性，目前該目標(biāo)模擬技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到某型有源相控陣體制雷達(dá)項目中。