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        面向雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真的雜波模擬方法研究

        2020-10-16 01:05:20
        火控雷達(dá)技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域模型

        盧 冀 黃 超 王 蒙

        (西安電子工程研究所 西安 710100)

        0 引言

        仿真雷達(dá)模型同目標(biāo)、雜波、電子干擾等模型的相互作用是雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的核心功能[1-2],面對(duì)雜波模擬這一雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)典問(wèn)題[3], 探索適用于雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的雜波建模方法,面臨著新的問(wèn)題:

        1)如何基于統(tǒng)一的雷達(dá)模型同目標(biāo)、雜波、電子戰(zhàn)模型的接口[2],描述雷達(dá)波形同雜波相互作用后的參數(shù)及其變化,以通過(guò)仿真真實(shí)且高效地反映雷達(dá)與雜波相互作用的結(jié)果;

        2)如何構(gòu)建面雜波和體雜波模型,滿足雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的應(yīng)用需求,即雜波模型具有較好的仿真需求適用性和與數(shù)字化系統(tǒng)的兼容性。

        本文將圍繞上述問(wèn)題,系統(tǒng)性地探索雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真中的雜波模擬技術(shù)和具體實(shí)現(xiàn)方法,為數(shù)字化雷達(dá)雜波模擬的實(shí)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)展起到拋磚引玉的作用。

        1 總體架構(gòu)

        基于雷達(dá)波形與目標(biāo)、雜波、電子戰(zhàn)模型交互的參數(shù)[2],雷達(dá)與雜波相互作用涉及的參數(shù)見表1所列。其中p,f,φ0,t0,δAz和δEL(τ的變化一般可忽略)發(fā)生變化,其余參數(shù)將用于雜波模型中相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。

        表1 雷達(dá)波形參數(shù)

        雙程雜波鏈路的功率變化Δp為

        (1)

        c表示光速,R表示雜波距離,η=σejφ表示雜波RCS。數(shù)字化仿真中,R為

        (2)

        Ru為不模糊距離,即

        (3)

        R取決于雜波類型,面雜波時(shí)R是目標(biāo)距離,體雜波時(shí)根據(jù)雷達(dá)與雜波位置即可計(jì)算。

        雙程頻率偏移Δf為

        (4)

        其中vrel表示雷達(dá)相對(duì)目標(biāo)視線速度。

        雙程相位變化Δφ為

        (5)

        一般情況下,因地形復(fù)雜,面雜波時(shí)φ=0。

        雙程時(shí)延變化Δt為

        (6)

        顯然,回波的俯仰達(dá)到角與入射角度分別為δAZ+π和-δEL。

        p,f,φ0,t0,δAz和δEL的變化根據(jù)表1所列參數(shù),及上述說(shuō)明和式(1)~式(6)即可計(jì)算得到,雜波模擬的η=σejφ,即雜波RCS,將通過(guò)雜波模型計(jì)算。當(dāng)獲得雜波回波參數(shù)后同目標(biāo)回波一樣,即可獲得雜波回波波形[2]。

        2 雜波模型構(gòu)建

        2.1 面雜波模型

        面雜波主要考慮σ值,滿足

        σ=σ0·S

        (7)

        其中σ0為單位后向散射系數(shù),一般由經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型得到或電磁計(jì)算方法得到,S為雜波區(qū)域面積。面雜波模型的處理流程見圖1所示。

        由圖1可知,雜波區(qū)域面積S跟雷達(dá)、目標(biāo)參數(shù)相關(guān)。雷達(dá)大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(RxRyRz),目標(biāo)為(TxTyTz),那么

        判斷1:

        (8)

        vR表示雷達(dá)速度。

        判斷2:

        (9)

        其中vrel和vres分別表示視線速度和速度分辨率,則

        (10)

        (11)

        判斷3:擦地角α的計(jì)算見式(12)。

        (12)

        其中ae為地球半徑。

        圖1 面雜波模型的處理流程

        判斷4:

        (13)

        其中δAz|A和δEl|A表示天線波束方位角和俯仰角,θ和φ表示天線方位和俯仰波束寬度,δAz|C和δEl|C表示雷達(dá)視線方向的雜波方位角和俯仰角,則

        (14)

        (15)

        其中R*表示雷達(dá)到雜波距離,則雜波為主瓣雜波時(shí)

        (16)

        在雜波為旁瓣雜波時(shí),統(tǒng)計(jì)最近不模糊距離的雜波,此時(shí)

        (17)

        判斷5:距離與多普勒單元交匯說(shuō)明見圖2所示,此時(shí)可分為三種情況,見表2說(shuō)明。

        由圖2,相關(guān)參數(shù)計(jì)算為

        RL=R-mod(R,Rres)

        (18)

        其中R滿足公式(19)。

        (19)

        圖2 距離與多普勒單元交匯說(shuō)明

        表2 距離與多普勒單元交匯情況

        RU=RL+Rres

        (20)

        Rres表示距離分辨率,則

        (21)

        RU|G=RUcosαc

        (22)

        其中Ru|G表示Ru在地面的投影,αc表示雜波區(qū)域的擦地角,則

        (23)

        另有

        (24)

        其中

        (25)

        其中fu(fDop_U)表示多普勒分辨率上界,fu可由fl(fDop_L)計(jì)算

        (26)

        fres表示多普勒分辨率,則

        (27)

        fu=fl+fres

        (28)

        另有

        (29)

        其中

        (30)

        由式(22),式(24)和式(29)的結(jié)果,xu和xl可以計(jì)算為

        (31)

        yu和yl為

        (32)

        由式(31)可得xu,xl。

        A區(qū)域?qū)挾萕是雜波距離經(jīng)方位角在雜波區(qū)域的投影,則

        (33)

        雜波區(qū)域長(zhǎng)度L是距離分辨率經(jīng)擦地角放大后的長(zhǎng)度,則

        (34)

        雜波區(qū)域面積S=WL,即

        (35)

        B區(qū)域是3 dB波束形成的橢圓經(jīng)擦地角在雜波平面的散布,即

        (36)

        a和b分別是雜波距離在方位和俯仰上投影的距離,則

        (37)

        C區(qū)域近似為S=WL,W由式(33)計(jì)算,L為連續(xù)環(huán)形區(qū)域的弧長(zhǎng),可由xl和yl對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)表示,則

        (38)

        (39)

        D區(qū)域近似為S=WL,W由式(33)計(jì)算,L為獨(dú)立對(duì)稱環(huán)形區(qū)域的弧長(zhǎng),可由xl和yl對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)減去xu和yu對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)來(lái)表示,則

        (40)

        (41)

        σ0計(jì)算是雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域研究的經(jīng)典問(wèn)題,即用更精確的數(shù)學(xué)模型逼近真實(shí)的不同地表的散射系數(shù),在數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)中,計(jì)算σ0方法的構(gòu)建應(yīng)遵循以下幾個(gè)條件:

        1)系統(tǒng)性:頻率支持范圍寬,地形類型多樣化,考慮動(dòng)態(tài)變化和相關(guān)性,數(shù)據(jù)真實(shí)度高;

        2)兼容性:地表類型能與數(shù)字地圖匹配,接口與功能實(shí)現(xiàn)易于數(shù)字建模與仿真。

        在已有研究成果中,WMOC模型[4]支持L到W頻段,通過(guò)經(jīng)典的GTI海雜波模型[6]滿足高擦地角計(jì)算需求,采用威布爾分布匹配不同地形的實(shí)際雜波,且通過(guò)大量試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證了模型的有效性,并能有數(shù)字地圖進(jìn)行良好的匹配[5],易于編程實(shí)現(xiàn),適用于雷達(dá)設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng),其偽代碼見圖3所示。

        圖3 WMOC模型偽代碼

        由圖3可知,WMOC模型計(jì)算σ0時(shí),需要知道地形,即進(jìn)行數(shù)字地圖與地表類型的匹配,根據(jù)雷達(dá)波形參數(shù)和數(shù)字地圖信息,易得波束在地圖中的位置,那么可根據(jù)該位置的地圖信息解算地表類型。

        數(shù)字地圖由像素點(diǎn)構(gòu)成,設(shè)某一個(gè)區(qū)域M×N點(diǎn)陣組成,其中任一點(diǎn)的顏色可以表示成[r,g,b])mn,r,g,b表示紅綠藍(lán)顏色分量,m=1,…,M;n=1,…,N。需要識(shí)別的地形可以用不同顏色來(lái)描述,那么第i種被識(shí)別的地形可以描述為(Ri,Gi,Bi),i=1,…,I,識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)可以為

        (42)

        以某小區(qū)數(shù)字地圖為例,論文方法識(shí)別結(jié)果見圖4所示,在城市區(qū)域,當(dāng)識(shí)別采用分辨率較小時(shí),可以識(shí)別植被、草地、灌木、巖土等類型,隨著分辨率的增加,該區(qū)域都被識(shí)別為城市,與實(shí)際情況基本相符。

        獲得地形后,再根據(jù)雷達(dá)工作頻率,擦地角、天線極化,即可由圖3方法獲得σ0,根據(jù)計(jì)算得到的S和式(7)獲得雜波RCS值σ0。

        2.2 體雜波模型

        在數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)中,體雜波與目標(biāo)建模的方法基本一致,具體見雷達(dá)與目標(biāo)建模方法研究[2],然而,體雜波作為非感興趣目標(biāo)大都受自然條件影響而變化,以典型箔條雜波為例,其空間信息和RCS受風(fēng)速和自身形態(tài)參數(shù)的變化而變化[8],具體見表3所列。

        圖4 數(shù)字地圖地表類型識(shí)別

        表3 箔條空間信息及RCS信息

        箔條雜波Cx,Cy的變化主要受風(fēng)速和風(fēng)向的影響,假設(shè)箔條拋灑時(shí)刻t0的速度為(vx|t0,vy|t0, 0),位置為(Cx|t0,Cy|t0,Cz|t0)那么,箔條在t時(shí)刻的x向和y向速度vx|t和vy|t分別為

        (43)

        (44)

        其中Ca是降速系數(shù),vwx|t和vwy|t分別是風(fēng)的x向和y向速度,易從風(fēng)速和風(fēng)向計(jì)算,那么箔條在t時(shí)刻位置Cx|t和Cy|t的計(jì)算方法是

        (45)

        (46)

        箔條在t時(shí)刻的高度Cz|t的計(jì)算方法是

        (47)

        其中vz表示箔條下降速度。

        箔條RCS的靜態(tài)值一般由電磁計(jì)算獲得(此處考慮雜波半徑,即體積),并通過(guò)文件導(dǎo)入數(shù)字化系統(tǒng),其動(dòng)態(tài)起伏和角閃爍與其他目標(biāo)計(jì)算及生成方法一致[2],但箔條RCS的幅度變化還需考慮另外兩個(gè)因素:

        1)自身的膨脹和稀疏,由此產(chǎn)生的RCS幅度衰減Δσ,其計(jì)算方法一般為

        (48)

        其中Cb和Cs分別為膨脹系數(shù)和稀疏系數(shù)。

        2)雜波起伏具有時(shí)空相關(guān)性,即起伏變化概率模型生成的隨機(jī)數(shù)具有時(shí)間和空間相關(guān)性,在數(shù)學(xué)模型中要考慮時(shí)間和空間的相關(guān)性系數(shù)。例如圖5,在Matlab/Simulink中考慮高斯分布的隨機(jī)數(shù)參數(shù)Sampletime以設(shè)置相關(guān)性。

        圖5 相關(guān)性設(shè)置

        3 仿真結(jié)果

        雜波σ0的仿真驗(yàn)證了WMOC模型在數(shù)字化雷達(dá)設(shè)計(jì)與仿真的可用性和有效性,天線水平極化,風(fēng)向45°,風(fēng)速10 m/s,頻率分別設(shè)為2 GHz(L頻段)和12 GHz(X頻段),基于圖3所示W(wǎng)NOC模型進(jìn)行了建模與仿真,表4列出了不同擦地角和地形時(shí),單次仿真得到的σ0值模型中采用隨機(jī)數(shù)來(lái)描述威布爾分布的參數(shù),因此單次仿真的σ0跟擦地角并無(wú)較好的線性關(guān)系,但表4結(jié)果與WMOC模型結(jié)果[5]變化趨勢(shì)基本一致。

        表4 雜波σ0仿真結(jié)果(dB)

        箔條仿真參數(shù),箔條拋灑時(shí)刻第1 s,拋灑平臺(tái)的坐標(biāo)(100,100,200),單位m,風(fēng)向?yàn)?5°(東北風(fēng)),風(fēng)速為10 m/s,箔條RCS幅度為固定值30,相位為0,下降速度2 m/s,降速系數(shù)為10-5,膨脹系數(shù)10,稀疏系數(shù)10,相關(guān)系數(shù)0.1s,圖6顯示了0~120 s內(nèi)箔條位置和0~2 s內(nèi)姿態(tài)的變化,風(fēng)速和風(fēng)向產(chǎn)生X和Y值的變化,并在拋灑時(shí)刻產(chǎn)生方位和俯仰角度,降速系數(shù)和下降速度產(chǎn)生Z值的變化。圖7顯示了0~120 s內(nèi)隨著箔條運(yùn)動(dòng)RCS幅度的變化,結(jié)果均與實(shí)際情況相符[8]。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng),從雜波仿真功能入手,基于統(tǒng)一的雷達(dá)與目標(biāo)、雜波、電子干擾等模型的參數(shù)化接口給出了雷達(dá)模型同雜波模型的接口參數(shù),并詳細(xì)給出了陸、海面雜波及箔條體雜波模型的構(gòu)建方法。本文較為系統(tǒng)地闡述了數(shù)字化系統(tǒng)中雷達(dá)雜波生成的理論原理和計(jì)算方法,為雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)雜波模擬提供了理論參考和方法依據(jù),并可借鑒于雷達(dá)雜波的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作。

        圖6 箔條雜波模型位置和姿態(tài)變化

        圖7 箔條模型RCS幅度變化

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