雷达训练系统目标回波信号模拟方法研究

龙康君 孟路稳 周 沫 张润哲

(1.4801工厂汕头修船厂监修室 汕头 515011)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



雷达训练系统目标回波信号模拟方法研究

龙康君1孟路稳2周 沫2张润哲2

(1.4801工厂汕头修船厂监修室 汕头 515011)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

对光学区扩展目标的散射特性进行分析,建立了基于多散射中心及线性调频体制宽带雷达的目标回波模型,同时给出了雷达回波数据的存储模型及处理方法。在此基础上对扩展目标作径向和非径向匀速直线运动两种情况下的回波信号进行模拟仿真为验证回波模型的正确性,对仿真的回波数据分别进行脉冲压缩和多普勒处理,得出的目标的一维距离像和速度维正确地反映出目标特征,表明模型可行有效,为后续的目标特征提取、目标识别奠定了基础。

雷达训练系统; 回波模拟; 线性调频信号; 多散射中心

Class Number TN955

1 引言

为了使雷达操作手能够快速地适应和更好地使用装备,需要对雷达操作手的雷达使用技能进行培养和训练,然而在训练中若只使用实际装备,将会带来很大的经费消耗,甚至引起敌方的监视;同时外场实测目标回波数据代价较高,而且实测环境中电磁干扰等各种因素的影响使得每一次的测量结果都不相同,从而引起每一次的的测量结果都不具代表性,为雷达操作手的训练带来了很大的困难[1]。而雷达模拟训练系统可有效地解决上述问题,雷达模拟训练系统具有安全、可控、经济、无风险、可重复操作、不受场地、环境限制等优势。故对雷达训练系统目标回波信号模拟方法的研究具有重要的价值[2～3]。

鉴于此,本文对雷达模拟训练系统的目标回波模拟方法进行分析研究。首先建立了扩展目标的回波模型,然后给出了回波数据的存储模型及数据的处理方法,进而对作径向和非径向匀速直线运动两种情况下的目标回波信号进行仿真模拟,并对仿真的回波数据进行处理,提取出了目标的一维距离像以及运动速度,最后对仿真结果进行分析,结果表明所建模型及处理方法的有效性和可行性。

2 扩展目标回波模型

线性调频(LFM)信号是目前宽带雷达设计中被普遍采用的调制方式,研究LFM的目标回波信号模型对LFM雷达系统设计非常重要。下面对LFM雷达的回波信号进行分析研究。

雷达发射的线性调频信号[4]可表示为

(1)

而对于雷达目标回波信号,若雷达工作在光学区,此时目标的尺寸远大于波长,目标不能再被当作点目标进行处理,而是等效为多散射中心进行处理[5]。并且由于脉冲宽度多在微妙级,并且目标的宏观运动速度相对光速是可以忽略不计的,其在脉冲宽度内的状态变化基本不变,故可引入准静态技术[6]的思想,在脉冲宽度内,把目标看作匀速直线运动,即认为其处于平衡状态,而整个脉冲串是由一系列接替的平衡状态组成。现假设目标有M个散射中心组成,且在第一个脉冲开始时刻的径向速度为vr。考虑脉内运动对回波的影响,则可得第一个脉冲经目标反射得到的回波信号[7]为

·exp[j2π((f0+fD)(t-τi0)+1/2k(t-τi0)2)]

(2)

式(2)为第一个脉冲的反射回波,而对于整个脉冲串,只需求出每个脉冲开始时刻对应的径向距离和多普勒频率,与式(2)类似,则可得到整个脉冲串的回波信号。

3 回波数据的存储和处理

雷达接收机对接收到的回波信号高速采样,随后将采样后的数据储存起来,存储的数据可以表示成数据矩阵y[l,m]的形式。图1给出了脉冲雷达对采集数据存储模型。如图1所示,给定行中所存储的采样数据之间的间隔是脉冲重复间隔T,给定列中所存储的采样数据之间的间隔是距离采样单元l,而每一单元格中所存储的雷达采样数据即是回波的同相(I)和正交(Q)分量。因为给定行中连续列的数据采样间隔与给定列中连续行的数据采样间隔往往相差很大,故通常将y[l,m]的l维(图1中的竖直方向)称为快时间,而将水平方向的m维称为慢时间。雷达接收机对回波信号的处理的过程就是在多种数据维上对数据块中的一维子向量或二维子矩阵进行处理运算的过程[8]。对快时间域(即距离维)的数据序列进行脉冲压缩处理即可得到探测目标的一维距离像,并且脉冲压缩可以对每个脉冲或接收信道的各个距离向量独立地进行。脉冲多普勒处理是对每一个距离单元内的慢时间数据序列的一个谱分析,而离散傅里叶变换是最常用的谱分析方法。对慢时间域(即脉冲数维)的数据序列进行离散傅里叶变换则能得到多普勒维,从而经过转换得到探测目标的运动速度。

图1 数据的存储模型

4 仿真结果与分析

当雷达发射信号为宽带信号时,其分辨单元比较小,像飞机、导弹、舰船等目标的尺寸往往大于雷达的分辨单元,此时就不能把目标当作点目标进行处理,此时可以将目标的散射特性由其等效多散射中心近似表示,文献[9～11]中已经给出了提取目标散射中心的相关理论和技术,由于此内容不是本文的研究重点,所以本文在用到目标的多散射中心点时,只是根据多散射中心理论做相应的假设,并且每一个散射中心点与其他散射中心点无关而相互独立不存在相互间的多次反射。由于LFM雷达脉冲宽度多在微妙级,其它大多数的宏观运动形式都可以在脉冲宽度内等效为匀速直线运动,所以下面只对目标作匀速直线运动进行分析讨论,并将匀速直线运动分为径向运动和非径向运动两种情况。

情景1:扩展目标作径向匀速直线运动

假设探测目标作匀速直线运动向雷达靠近,其径向速度v=800m/s,目标的几何形体为一细长体,从目标中提取的多散射点呈线性分布。其散射中心数为7,各散射中心的空间分布如图2所示。其中第一个散射点与雷达的距离为50.8km。并且以此散射点作为目标的相位参考点。

图2 散射中心的空间分布

如图2所示,各散射中心的散射强度由左至右分别为0.3、0.5、0.8、0.6、1、0.85、0.75,线性调频雷达的参数设置为f0=1GHz,τp=60μs,T=1ms,B=60MHz。

结合推导的理论公式以及设置的参数,可得发射信号的波形图、目标的回波信号波形如图3所示。

图3 发射信号及目标的回波信号波形图

从图3中可以看出发射信号经过扩展目标的调制,其波形发生了很大的畸变。各个散射中心的回波相互重叠,互相影响,在时间上的间隔不能分辨出目标的各个散射中心。下面再对仿真得到的扩展目标回波数据分别在快时间维和慢时间维作脉冲压缩和离散傅里叶变换处理,得到的效果图如图4所示。

从图4可以看出,经过脉压处理后,目标的各个散射中心点能被分辨出来,效果图中出现了与之数目相等的峰值点。图5是放大后的目标一维距离像,从图中可以看出各个峰值点所对应的径向距离分别为50.01km、50.11km、50.20km、50.27km、50.30km、50.33km、50.40km,与图2的目标散射中心分布情况基本一致,表明了仿真的目标回波包含着目标准确的径向距离信息,并且峰值点的幅度信息也能很好地反应目标散射中心的散射强度。同时还可以看出,经过多普勒处理后得到的目标运动速度为800m/s,与设置的目标运动速度一致,从仿真的回波信号中能较好地提取出目标的速度信息。这在一定程度上验证了仿真回波的准确性。

图4 目标回波信号的距离维和速度维

图5 放大后的目标一维距离像

情景2:扩展目标作非径向匀速直线运动

若此目标做非径向的匀速直线运动,则其相对雷达的径向速度不再是恒定不变,而是时刻在变化。假设雷达位于坐标原点,其参数与上述此目标作径向直线运动时一样。目标的运动参数设置如表1所示。

表1 目标的运动参数数值表

根据第2节给出的目标回波模型,结合上述设定的雷达参数和目标运动参数,图6给出了目标回波仿真图以及回波数据经过脉冲压缩后的目标一维距离像。由图6中可以看出目标一维距离像的轮廓没有发生变化,与径向运动时(图6所示)一致;但图6中各个峰值点的相对距离发生了同等比例的缩短,并且从图中可以看出峰值点的相对距离大致缩短了0.5。这不难给出解释:由于目标作非径向的直线运动,根据运动参数容易求得初始时刻目标纵对称轴与雷达照射目标视线之间的夹角余弦为0.5077,并且目标的一维距离像是目标多散射中心在径向上的投影,所以与径向运动相比仿真图6中出现了各峰值点之间的相对距离缩短了0.5077的情况。此外初始时刻目标相对雷达的距离为49.244km,与设置参数吻合得很好。

图6 目标回波信号与一维距离像

图7 回波幅度的变化图

为了显示目标径向运动和非径向运动对雷达回波的影响,图7给出了目标在径向运动和非径向运动两种情况下目标整体的回波信号在每个脉冲周期内幅度信息。对于非径向运动,由于目标的非径向运动,则随着脉冲周期数的增加,雷达照射目标的视线角一直在变化,从而造成目标各散射中心之间的电间距时刻变化,以至于目标整体的回波信号幅度随着变化。而对于径向运动的情况,雷达照射目标的视线角始终不变,目标各散射中心之间的电间距同样不变,则目标整体的回波信号幅度也不会变化。上述理论分析与仿真图7中的效果一致,说明了仿真的有效性和可行性。

5 结语

本文基于多散射中心对LFM体制雷达的扩展目标回波信号进行建模、仿真,并对仿真回波数据的存储和处理进行分析,回波数据的处理结果成功复现了目标的距离像和速度维,验证了文中模型与处理方式的正确性和有效性,为雷达训练系统目标回波信号模拟模块提供了理论基础。

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Target Echo Signal Simulation Method of Radar Training System

LONG Kangjun1MENG Luwen2ZHOU Mo2ZHANG Runzhe2

(1. Shantou Shipyard of 4801 Factory, Shantou 515011) (2. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In the paper, the scattering properties of extended targets of Optical zone were analyzed, the LFM radar echo model based on multi-scattering centers was established and the storage model and approach of echo data was also given. On the basis, extended target echo signal for radial and non-radial uniform linear motion in both cases was generated. The simulated echo data was processed by pulse-compression and Doppler processing to verify the validity of echo models. The result finally reflected the characteristics of targets and thus the model was feasible and effective and laid the foundation for future target feature extraction and object recognition.

radar training system, echo simulation, LFM, multi-scattering centers

2015年1月20日,

2015年2月25日 作者简介:龙康君,男,工程师,研究方向:雷达工程。孟路稳,男,硕士研究生,研究方向:雷达信号与信息处理。周沫,男,副教授,硕士生导师,研究方向:雷达信号处理和雷达工程。张润哲,男,硕士研究生,研究方向:雷达干扰仿真。

TN955

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.028