基于实采数据的雷达目标回波模拟

余贵水，周东瑜，韦有平，陈小清

（1.海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033；2.中国人民解放军92985部队 福建 厦门 361100）

本文采用的目标回波仿真信号产生的原理为：在雷达真实回波中包含了目标回波形状的完整信息，并且不同扫描周期内的目标回波中包含了目标RCS起伏特性。因此可以利用数据提取软件，对某个符合一定要求的固定目标多个扫描周期的数据进行提取，并对提取出来的数据进行归一化，则归一化后的数据包含了目标回波形状信息和回波起伏信息。在已知目标RCS大小、运动信息、工作环境及雷达系统性能参数的条件下，可由雷达方程计算出目标在不同时刻的回波强度[1]。利用该强度对采集到的归一化目标回波数据进行调制，就可以实现与真实回波信号非常逼近的目标回波仿真信号。

1 目标回波仿真过程

目标回波仿真信号的生产过程分为生成标准目标数据库、目标回波强度计算、调制生成仿真信号3个部分，如图1所示。

1.1 标准目标数据库的生成

目标数据库生成的第一步为目标回波数据的提取。为减少杂波对目标的影响，一般选择在杂波强度较小的区域采集目标回波，选择的区域尽量小但必须包含目标的完整形状信息[2]（如距离旁瓣、方位副瓣等）。图2为采集到的该型雷达9个扫描周期内海面目标回波正交检波后输出的信号，其中 I（t）和 Q（t）分别为正交检波的同向输出和正交输出，而 A（t）为输出视频信号的电压幅度由图2中明显可以看出，目标回波在不同扫描周期间存在较大的起伏，这是由于目标RCS的起伏特性造成。

图1 目标回波仿真信号产生过程Fig.1 The process of the simulation signal of target echo

为了更清楚的观察目标回波的特点，分别取出一个扫描周期内多个脉冲和一个单独脉冲的回波数据，并计算出它们的电压幅度信息A（t），分别如图3和图4所示。由图3可以看出在一个扫描周期中接收到的目标多个脉冲回波的幅度服从天线方向图的分布，因此一个扫描周期内同一目标反射的多个脉冲回波包含了雷达天线的方向图信息[3]。通过图4可以看出目标回波脉冲附近信号较强，这是因为该型雷达采用了脉冲压缩技术，使得目标回波脉冲存在距离副瓣。当目标回波强度较大时，副瓣就会非常明显。

图2 9个扫描周期内的检波输出及信号幅度Fig.2 The output and amplitude within 9 scanning cycles

图3 同一扫描周期内回波Fig.3 The echo within the same scanning cycle

图4 单个发射脉冲回波Fig.4 The echo of single transmitted pulse

提取出满足要求的目标回波数据以后，下一步工作就是对取出的数据进行归一化处理。在图2中，每个扫描周期中回波数据的峰值对应着天线对准目标时目标回波信号的强度，也就是天线主瓣增益时目标的回波强度[3]。而在计算目标回波强度采用的雷达反射截面积σ是目标的平均反射截面积σ，那么归一化的标准就应该是当目标RCS为σ对应的回波强度，这可以通过对每个扫描周期回波数据的峰值求平均得到。因此对采集数据归一化的过程为：首先在每个扫描周期内采集到的回波数据中寻找最大值Vipeak，然后求出每个周期采集数据最大值的平均值如式（1），并将采集到的所有数据都除以最大值如式（2），就可以得到所有数据的归一化数据。

图2中采集到的目标回波回波数据按照上述方法处理以后得到的归一化数据如图5所示。

图5 归一化后的采集数据Fig.5 The data collection after uniformization

1.2 目标信号强度的计算

有了归一化的目标回波数据后，下一步工作就是根据雷达方程计算不同时刻目标回波强度。距离雷达R处的目标，在雷达天线口径上目标的信号回波强度[4]如式（3）所示。

其中La为大气衰减，F为传播因子，Pr0为理想条件下雷达天线口面的接收功率，其计算过程如式（4）。

其中Pt为雷达发射的脉冲峰值功率 （W），τ为信号脉冲宽度（s），G为天线增益，λ为雷达电磁波中心工作波长（m），σ为目标平均雷达截面积（m2）。考虑到目标信号源输出从雷达接收机的视频端口进行注入，信号将经过前端的各级功率放大增益Gp（由各雷达给出此参数），同时将发射支路和接收支路（中频拄入点之前）的损耗Ls（前述损耗取值）计入，得到注入点的信号功率如式（5）：

系统损耗（Ls）包括以下几部分：1）传输损耗：双程取值5 dB（含波导、弯头、转换开关、旋转关节等）；2）天线波束形状损耗：取值 1.6 dB；3）信号处理损耗：取值 7 dB（含 A/D 2 dB，、恒虚警 2 dB、积累器 2 dB、不匹配 1 dB）。

1）RCS 的确定

目标与雷达相对航向不同，表现出的RCS（σ）大小也不同。不管是空中还是海上目标，将相对航向取成8个45°范围，如图所示，其中相对航向落在1、5区时，目标的RCS值为其平均值（dB）的3/4，落在3、7区时，目标的RCS值为其平均值（dB）的5/4，落在其他区域时的RCS为均值。

图6 相对航向与目标RCS取值区域示意图Fig.6 Relatively course and target RCS selection zone

2）F 值的确定

对于空中目标，当处于视距以外时，F设为0，当存在大气波导时，不再计算视距。海面目标的hmin设为0，各个高度上的F值由PE算法的结果决定，对于视距外的目标，不计算F的结果，直接置为0。当选择大气波导环境时，需根据波导剖面和PE方程[5]计算F；当选择正常大气条件时，为了加快计算速度，不选用PE方法计算F，而采用式（6）的方法计算。

其中f（θd）为天线方向图在目标仰角方向的大小，ρ为海面反射系数的模值，α为反射系数引入的相位与直反射波间路程差引入的相位差之和。

反射系数是三部分的乘积，即理想海面反射系数、球面散射因子和海水粗糙度因子[6]。

水平极化时，理想海面反射系数为

其中，ε′、ε″取值与雷达工作波段和海水温度有关。由于水面舰艇对海搜索雷达架设高度较低，且多是水平极化，因此取反射系数引入的相位为180°，模值为1。

海面粗糙度因子为

其中，hrms（米）为浪高的标准偏差（为 0.25H1/3）：

球面散射因子为：

式（11）中各符号的定义如图7所示。

直达波与海面反射波之间的波程差为：

图7 球面条件下空中目标与雷达的几何关系Fig.7 Geometric relationship between target and radar

至此，传播因子F中的反射系数的模和相位分别为：

为了确定天线方向图在目标仰角方向的大小（f（θd）的形状由雷达参数给出），需要求解θd：

3）La的确定

La的取值采用曲线量化的方式[8]，并按比例取值的方式取值，如表1所示。

当目标相对于雷达的仰角小于0°时，按0°对待。当目标位于相对于S波段雷达仰角7°、距离33 km处时，首先分别从表中取出S波段5°和10°时的0 km和50 km处的衰减值，分别求出5°和10°曲线在0～50公里段上的斜率，分别计算出33 km处的衰减结果，在利用这两个结果计算出33 km处5°和10°范围的斜率，然后计算出最后的双程衰减结果。信号源输出的是电压信号，考虑信号源输出端为50 Ω负载，因此输出的目标回波信号强度为

2 结果分析

为了对模拟的效果进行对比分析，我们把基于实采数据的模拟效果与基于数学模型的模拟效果进行对比。图8是根据文献7基于Swerling模型得到的单个周期的回波模拟效果，图9是基于实采数据的单个周期的回波模拟效果。从信号波形上可以明显看出两组信号存在如下差别。

表1 各波段大气双程传播衰减（dB）简表Tab.1 The round-trip attention （db）of all wave band transmitted in the atmosphere

图8 基于模型的单个周期回波模拟Fig.8 The echo simulation based on the model

1）对于回波中的噪声信号来讲，图8中噪声在时间上具有很强的随机性，相邻时间内噪声信号关联性弱，而图9中噪声具有一定的时间关联性。由于图9中的噪声来源于实际的雷达接收机，因此它更接近于真实情况。

2）首先目标RCS是一个随机起伏变量，同一次扫描中的不同回波脉冲中也可能存在起伏，而Swerling模型并不是很准确的符合真实目标RCS的起伏特性。而图9中的真实目标回波数据包含了目标RCS的起伏特性。

3）同一扫描周期天线扫过目标的多个脉冲重复周期过程中，由于目标相对于天线中轴线的方位是变化的，所以天线对目标回波的增益也是变化的，这需要通过天线方向图来反映。基于数学模型的模拟只在几个峰值上跟真实天线方向图符合，其它的值与真实值存在一定的差异。而基于实采数据的模拟中同一个扫描周期内真实脉冲回波数据是严格符合雷达天线方向图的。

图9 基于实采数据单个周期回波模拟Fig.9 The simulation of single-cycle echo based on collection in practice

4）利用真实回波数据模拟回波不需要计算信号的波形和仿真噪声信号，能够得到更高效的运算速度。

3 结 论

在信号源模块的回波和杂波模拟中采用基于实采数据的回波和杂波模拟方法，产生的噪声特性、RCS起伏、天线方向图调制等方面更接近真实目标回波的特性，海杂波和气象杂波基本与真实环境回波一致。采用该方法研制成功的模拟器具有很高的逼真度，能够满足雷达操手在复杂杂波背景下的各种训练需求。

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