湯永浩，干 鵬，張 斌，顧陽陽，馬益路

（中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

近年來的幾場局部戰(zhàn)爭中，外軍普遍投入使用了空射誘餌對敵方防空系統(tǒng)實行誘騙，作戰(zhàn)效果顯著。該型電子對抗武器功能實現(xiàn)的關鍵技術之一便是雷達目標回波模擬技術。雷達目標回波模擬技術是通過軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)模擬目標回波信號替代真實雷達目標回波，達到復現(xiàn)雷達原始信號、傳遞、反射、起伏、調(diào)整等過程的目的，完成對雷達目標的逼真模擬任務[1]。

當前，雷達目標回波模擬技術在雷達方和電子對抗方2 方面都發(fā)揮著重要作用。對雷達方而言，雷達目標回波模擬技術主要用于雷達系統(tǒng)的研究、開發(fā)、調(diào)試及驗證，大大節(jié)約研制成本，縮短研發(fā)周期；同時可用于為雷達操作手訓練提供目標信息和環(huán)境信息，使操作手積累各種環(huán)境下的操作經(jīng)驗[2]。對電子對抗方而言，雷達目標回波模擬技術主要用于逼真模擬真實目標的各種特性，生成逼真假目標或假目標集群，欺騙迷惑敵方雷達探測、跟蹤，起到攻擊時掩護作戰(zhàn)目標突防、提高戰(zhàn)場生存率，防守時有效保護重要軍事設施、防止敵方火力打擊的目的[3]。本文主要針對雷達目標回波模擬技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行介紹，并對未來發(fā)展趨勢進行展望。

1 技術發(fā)展及特點

第二次世界大戰(zhàn)中，英軍部署大量的角反射器用以保護高價值目標，可以認為是雷達目標回波模擬技術的開端[4]。20 世紀50 年代，堪薩斯大學利用水箱和壓電傳感器完成了雷達回波模擬[5]。隨后隨著彈道導彈技術的發(fā)展，各類突防輔助誘餌技術也日趨成熟。20 世紀70 年代，數(shù)字射頻存儲技術(DRFM)的出現(xiàn)進一步將干擾與回波模擬技術推向高潮[6]。到20 世紀80年代后，美軍開始研制和裝備各型空射誘餌，利用雷達目標回波模擬技術在幾次局部戰(zhàn)爭中占得了作戰(zhàn)先機。隨著工藝和新材料日趨完善，龍伯透鏡在西方國家的各型作戰(zhàn)飛機中出現(xiàn)[7]。2000 年左右，美國TCS 公司推出RES-2000 雷達信號模擬器，代表了雷達目標模擬技術的模塊化、系統(tǒng)化、功能多樣化發(fā)展趨勢[8]。雷達目標回波模擬技術發(fā)展至今，已從最初的單一的電磁波反射器件發(fā)展為有源無源體制齊頭并進、應用范圍不斷擴大的學科技術。雷達目標回波模擬技術大致的發(fā)展歷程如圖1 所示。

圖1 雷達目標回波模擬技術發(fā)展路線圖

總體上來看，雷達目標回波模擬技術主要有無源和有源2 種實現(xiàn)體制，其主要技術分類如圖2 所示。

圖2 雷達目標回波模擬技術體制分類

無源目標模擬技術本身并不輻射電磁信號，通過精心設計的材料、構(gòu)型等特性實現(xiàn)對特定電磁信號的模擬功能，常見的種類有無源回波增強器件和仿形誘餌等。其中，角反射器是應用最為廣泛的無源回波增強器件，它通過金屬角折射放大效應產(chǎn)生很強的回波信號，具有造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單、反射回波特性強烈等優(yōu)點，廣泛應用于軍事、船舶救生等領域[9]。龍伯透鏡常常加掛在隱身飛機等航空飛行器件上，通常由若干層介電常數(shù)不同的材料制成，可通過透鏡將電磁波聚焦在金屬反射面上，并將入射電磁波反射回入射源方向，具有體積小、雷達截面積大、方向性好等優(yōu)勢[6]。仿形誘餌通常采用氣囊式外形加鍍金屬薄層和涂覆高能誘餌劑的方式實現(xiàn)紅外/微波復合誘騙的功能，布設撤守簡便，成本較低，但存在體積、質(zhì)量較大等缺點[10]。

有源目標模擬技術通過輻射經(jīng)過調(diào)制的電磁信號，精確模擬目標的電磁散射特性，實現(xiàn)對特定目標模擬回波的生成。有源雷達目標模擬主要有直接數(shù)字頻率合成(DDS)、數(shù)字射頻存儲(DRFM)和光纖延遲線(FODL)等技術實現(xiàn)體制[3]。DDS 是根據(jù)提前預知的模擬回波參數(shù)，直接產(chǎn)生相應的數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出，其基本組成如圖3所示；DRFM 則采用存儲陣列將接收到的雷達射頻信號的波形實時存儲起來，然后根據(jù)相應的模擬參數(shù)對接收信號進行調(diào)制，經(jīng)射頻鏈路放大后進行轉(zhuǎn)發(fā)，如圖4 所示；FODL 是將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖等光學器件對光信號進行延遲和調(diào)制，再重新將光信號轉(zhuǎn)換為射頻信號經(jīng)射頻鏈路放大后輸出，如圖5 所示。3 種典型有源目標模擬技術體制特性總結(jié)如表1所示。

圖3 DDS 的基本組成

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外技術與裝備發(fā)展情況

國外對雷達目標模擬技術的研究遠遠早于國內(nèi)，不少國家都投入了大量的人力、物力用于發(fā)展雷達目標模擬技術。雷達目標模擬技術在雷達方的應用主要是各種雷達目標模擬器，在電子對抗方的應用主要是誘餌類裝備，其典型代表產(chǎn)品及性能特點如表2所示。

美國Sensis 公司研制的雷達環(huán)境模擬器（RES），是為了實現(xiàn)對美軍AN/TPS-59 遠距離警戒雷達的測試與驗證。RES 能夠根據(jù)用戶預先設置的雷達環(huán)境實時地為雷達AN/TPS-59 提供包括目標、雜波和干擾在內(nèi)的模擬信號，從而滿足其雷達工程設計的調(diào)試、測試與驗證的工作[11-12]。

圖4 數(shù)字射頻存儲方式部件基本組成

圖5 光纖延時儲頻光延時傳輸處理組件示意圖

數(shù)字化雷達環(huán)境模擬器（Digital Radar Environment Simulator-D-RES）是美國KOR 電子公司生產(chǎn)的一款性能極好、靈活性非常高的模擬器。工作人員可通過直觀的面板定義所需要模擬的目標回波的參數(shù)、雷達環(huán)境等。其通過模塊化的分系統(tǒng)設計，能模擬出各種噪聲信號及目標回波信號，采用VME 總線結(jié)構(gòu)，能滿足雷達系統(tǒng)實時性的要求[11，15]。

美國Malibu Research 公司研發(fā)的一款雷達信號模擬器功能全面，不僅能模擬目標的回波信號，還能模擬雜波信號和敵方發(fā)送的欺騙干擾信號等。該模擬器主要用于AN/TPQ-36 和AN/TPQ-37 迫擊炮火控相控陣雷達的性能測試與驗證[15]。

法國Synopsis 公司采用數(shù)字射頻存儲技術和PCI 總線標準研制出一種雷達目標模擬器RTS-800NG，該模擬器屬于通用模擬器，除了能夠進行雷達射頻信號模擬外，還能夠產(chǎn)生雷達動目標回波和欺騙干擾[12]。

RCS 信號增強模擬系統(tǒng)是微型空射誘餌（MALD）的核心搭載載荷。MALD 通過搭載該載荷，可通過復制己方及友方飛機的作戰(zhàn)飛行剖面和信號特征對敵方防空系統(tǒng)中雷達探測系統(tǒng)實施欺騙，從而實現(xiàn)保護作戰(zhàn)飛機執(zhí)行任務，提高戰(zhàn)場生存率的目的[16-17]。

“亮云”（BriteCloud）誘餌可以由載機投放出去并具有一定的機動性能，其雷達特性更接近于真實目標，可以最大限度地將來襲導彈威脅從載機平臺上誘離。該系統(tǒng)采用直接射頻存儲技術（DRFM），可以對雷達信號進行接收并快速地復制發(fā)射出去，降低了系統(tǒng)的延遲，可最大限度地與目標回波信號重合在一起，增強了誘騙效果。

2.2 國內(nèi)技術與裝備發(fā)展情況

相較于國外雷達目標模擬技術的研究，國內(nèi)起步較晚。我國第一部雷達信號模擬器是20 世紀70 年代研制出來的，直到20 世紀90 年代才開始出現(xiàn)一些比較成熟的關于雷達目標模擬技術的研究，各科研院所先后研制出各種用途的雷達目標模擬器，并逐漸應用在相關雷達調(diào)試與試驗中[12]。例如：1994 年北京航空航天大學與航空部601 所共同研制出了通用型PD 雷達目標模擬器[12-13]；1998 年西安電子科技大學電子工程學院研制出基于DDS 技術的雷達信號模擬器[13]；2000 年中國科學技術大學電子工程系研制出國內(nèi)第一臺毫米波雷達目標模擬器[12-13]；2002 年電子科技大學研制出X 波段機載火控相控陣雷達模擬器等[13]。各典型產(chǎn)品用途及其性能特點簡介如表3 所示[14]。

表1 典型有源目標模擬技術體制及特點

表2 國外雷達目標模擬技術裝備發(fā)展情況

表3 國內(nèi)雷達目標模擬技術裝備發(fā)展情況

3 涉及的關鍵技術

隨著雷達工作帶寬、分辨力等能力的不斷提升和雷達成像技術的不斷發(fā)展，以往簡單的目標模擬技術難以滿足精細化、實時性、自適應性等新的應用要求。為滿足新一代的雷達系統(tǒng)性能驗證與雷達對抗裝備研制應用需求，雷達目標回波模擬技術需要在以下幾項關鍵技術方面開展進一步重點攻關研究。

3.1 模擬目標RCS 特性獲取技術

目標的雷達散射截面是雷達目標電磁特征信息中基本且重要的一個物理參數(shù)，其表征了雷達目標對照射電磁波的散射能力。雷達目標模擬中最核心的是目標特性的回波模擬，而獲取目標的RCS 特性，是目標特性回波模擬的前提條件?，F(xiàn)有獲取目標RCS的基本手段有3 種：實物測量、縮比模型測量以及建模計算仿真[18]。

實物測量方法在微波暗室內(nèi)對目標進行實地測量，能夠獲得大量豐富的實測數(shù)據(jù)，不存在建模誤差和變換損失等因素。但是，實物測量法應用通常受限于目標的尺寸、測量成本、測量時長等因素，同時測量結(jié)果受雷達帶寬、內(nèi)部噪聲等因素的影響，所得的數(shù)據(jù)的分辨率、信噪比等均會收到影響[19]。

縮比模型測量方法使用具有相似幾何構(gòu)型、相同材料構(gòu)成的小型縮比模型，對其RCS 暗室測量的結(jié)果進行變換，能夠得到目標的RCS 特性分布數(shù)據(jù)，可以一定程度上彌補實物測量帶來的目標尺寸、測量成本和測量時長等限制因素。但是，縮比模型法也會引入模型縮比誤差和變換誤差等因素，且當雷達波頻率處于目標諧振區(qū)時，測量誤差較大[20]。

隨著電子計算機的高速發(fā)展和建模技術的日漸成熟，仿真計算方法憑借其靈活高效、效費比高、實時性好等優(yōu)勢越來越成為目前進行目標電磁特征獲取的重要手段。但是，目前仿真計算也只能解決一些簡單目標的電磁散射問題，對具有復雜結(jié)構(gòu)目標的散射特性仿真計算結(jié)果很難取得滿意的精度[21]。

在針對具體目標的RCS 特性獲取過程中，3 種RCS 特性獲取方法各有優(yōu)勢，適用范圍也有所不同，需對具體問題具體分析。理論仿真與測量是相輔相成的，理論仿真能夠預測和解釋測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)也能驗證理論模型的正確性。

3.2 模擬目標回波建模技術

要較準確地模擬雷達散射截面積的動態(tài)變化，還需要考慮對RCS 起伏特性進行建模。一個合理精確的起伏模型才能夠準確表征目標的RCS 動態(tài)變化特性。依據(jù)雷達系統(tǒng)的分辨率與目標尺寸關系，可以將目標模型分為“點目標”以及“擴展目標”2 種[13]。不同的目標模型在雷達信號的照射下，其回波表現(xiàn)有所區(qū)別。

對于窄帶雷達發(fā)射的信號，由于其帶寬較小，因此距離分辨率常常大于目標尺寸，不能將目標的散射點分辨出來，此時這些散射點回波在時域疊加后形成的整體回波與“點目標”回波相似，其波形參數(shù)與發(fā)射信號類似，僅在幅度與相位上有所不同。幅度的變化主要來源于信號傳輸過程衰減以及目標RCS 特性對回波信號的調(diào)制；相位的變來源于信號在空間傳輸導致的時延、目標運動造成的多普勒頻移以及目標散射特性。RCS 的起伏會顯著影響雷達對目標檢測性能，為衡量起伏對檢測概率的影響，需要采用一種接近而又合理的分布模型對目標RCS 起伏特性進行描述。迄今為止，RCS 模型已經(jīng)發(fā)展出2 代分布模型，其主要特點和適用的描述對象如表4 所示[21]。

表4 RCS 起伏模型

隨著雷達技術的發(fā)展，雷達分辨率也有了很大的提高，此時雷達的分辨單元已經(jīng)遠小于目標的尺寸，已經(jīng)不能將其視作簡單的點目標，而是將目標作為擴展目標進行分析。擴展目標模型的建立又比點目標復雜，原因在于對點目標模擬時，只涉及對RCS 特性的分析，其特性是雷達波長、姿態(tài)和極化的函數(shù)。但是，對于擴展目標而言，其建模的復雜性主要由以下2方面造成：一方面需要考慮目標的空間特性；另一方面需要分析其占據(jù)了多個雷達分辨單元，增加了問題復雜性。常用的擴展目標電磁特性主要有高分辨一維距離像(HRRP)和雷達二維成像等。

3.3 模擬目標回波實時重構(gòu)技術

模擬目標回波實時重構(gòu)是雷達目標模擬的關鍵技術之一，其作用是根據(jù)雷達發(fā)射信號進行調(diào)制計算，快速高效地生成具有目標散射特性的雷達回波信號。隨著電磁環(huán)境的日益復雜化和捷變抗干擾等技術在雷達系統(tǒng)中的普遍應用，在高強度對抗場景下實時生成各種模擬目標回波，是對雷達目標回波模擬技術的新要求[22]。

點目標的回波實時重構(gòu)主要考慮目標的雷達截面積隨著姿態(tài)、時間、頻率、目標形狀、飛行速度等變化造成動態(tài)RCS 的變化。在進行雷達目標模擬時，RCS 值的精確計算非常困難。目前現(xiàn)有方法大多采用符合統(tǒng)計分布規(guī)律的隨機數(shù)進行代替，根據(jù)目標類型選擇合適的RCS 平均值及起伏分布類型[23]。但這種方式得到的RCS 隨航跡改變引起的起伏特征與真實的回波會有偏差，不能精確反映由于目標的姿態(tài)或飛行參數(shù)改變引起的RCS 起伏，從而導致回波起伏不夠真實。另一種可行的方法是采用RCS 起伏時間譜函數(shù)。該方法依據(jù)目標航跡，經(jīng)過坐標系轉(zhuǎn)換，實時加載事先存儲的目標在不同角度、頻率、速度等參數(shù)下RCS 隨時間起伏的模型，具有計算量較小、實時性好且具有較高可信度等優(yōu)勢[23]。

擴展目標的回波實時重構(gòu)遵循多散射中心重構(gòu)模型，在高頻區(qū)目標總的電磁散射可認為是各散射中心電磁散射的矢量合成。因此擴展目標回波重構(gòu)的關鍵是準確獲取多散射中心的空間分布。獲取擴展目標散射中心的空間分布常用方法有位置重構(gòu)法與雷達三維成像法，2 種方法都是基于多個視角下的寬帶測量方式，其中位置重構(gòu)法近年來備受關注[3]。重構(gòu)法對視角分布沒有嚴格限制，大大提高了整個系統(tǒng)的可操作性和靈活性，但是對視角的分散度有一定要求，不能得到單一的幅度估計值；成像法由于成像孔徑集中在成像中心角附近的一個小范圍內(nèi)，因而得到的是目標在特定姿態(tài)下散射中心的位置和幅度特性，但是要求各個視角下的測量過程完全相參，這就對系統(tǒng)造成了一定的限制。

3.4 模擬逼真度評價體系技術

逼真度是衡量模擬仿真模型與真實目標之間的相似程度，是評價模擬系統(tǒng)性能優(yōu)劣的頂層指標[24]?，F(xiàn)有的評價系統(tǒng)大多是對雷達的具體性能進行評估，而針對雷達目標模擬系統(tǒng)的評價體系尚未開展充分研究,這也是當前雷達目標模擬技術面臨的一大研究熱點和難題[25]。

雷達目標模擬技術的模擬對象主要是雷達信號和被模擬的真實目標，因此模擬逼真度評價體系也應該從雷達參數(shù)和目標的固有特征2 個方面進行相似度評估。參照雷達系統(tǒng)的評價指標和目標散射特性指標，模擬逼真度評價體系可從模擬的雷達信號特性、目標的運動特性及電磁散射特性3 個維度進行指標細化比較。初步考慮的模擬逼真度評價體系如圖6所示。

圖6 模擬逼真度評價體系

目前，已有不少研究學者對模擬仿真系統(tǒng)的逼真度開展了評價方法研究，如AHP 層次分析法、基于余弦定理的相似度評估法、基于多屬性決策的有效性評估法等[26-27]。然而，基于上述各個維度參數(shù)細節(jié)的評價，開發(fā)一套簡潔有效的逼真度評價體系，仍然需要進一步深入研究。

4 發(fā)展趨勢

近年來，雷達目標模擬技術在雷達系統(tǒng)研制試驗測試和電子對抗裝備2 個領域均表現(xiàn)出了十分重要的應用價值，因而逐漸受到了越來越多的重視和研發(fā)投入。根據(jù)雷達技術的發(fā)展特點和雷達對抗技術的應用需求，雷達目標模擬技術的發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)出以下幾個方面的特點：

一是隨著現(xiàn)代雷達技術呈現(xiàn)出多頻段、多體制融合、智能化的技術發(fā)展特征，雷達目標模擬技術正由單一頻段、單一手段向著更寬的工作帶寬、多樣化的技術體制方向發(fā)展，以往僅模擬簡單目標模型的方式也將轉(zhuǎn)變?yōu)楦泳毜哪繕松⑸涮卣髂M，具備寬帶化、精細化、智能化的目標模擬能力。

二是隨著雷達目標模擬技術在雷達系統(tǒng)研制過程中的成熟應用，其成功經(jīng)驗將加快該技術在電子戰(zhàn)裝備上的廣泛應用，促使其由雷達配試設備完成向電子作戰(zhàn)裝備的屬性轉(zhuǎn)變。

三是為了適應復雜電磁環(huán)境下的雷達系統(tǒng)性能驗證與電子對抗作戰(zhàn)的雙重應用需求，雷達目標模擬設備的必然需要朝著硬件設計通用化、技術規(guī)范標準化、裝備體系序列化的思路發(fā)展，加快技術發(fā)展進程和裝備能力快速生成。

5 結(jié)束語

關注雷達目標回波模擬技術，加快該技術的發(fā)展，加大對該技術的研究投入，有利于促進雷達與電子對抗2 大領域的進一步發(fā)展?！?/p>