舰载雷达目标回波仿真计算方法研究

魏永峰，贾金伟

(解放军91404部队，秦皇岛 066001)



舰载雷达目标回波仿真计算方法研究

魏永峰，贾金伟

(解放军91404部队，秦皇岛 066001)

为满足某舰载雷达系统的试验预测和职手仿真训练需求，针对雷达目标回波仿真要求，进行目标相对运动要素和信号强度仿真方法研究，对于目标相对运动要素仿真，提出雷达装载平台运动数据和目标回波运动数据的仿真计算方法；对于信号强度仿真，提出最大发现距离和目标回波信号强度的仿真计算方法，有效实现了雷达目标回波的录取与跟踪、雷达探测能力预测等功能，提高了雷达目标回波仿真的逼真度，保证了系统仿真的实时性，取得了较好的应用效果。

目标回波;仿真；舰载雷达

0 引 言

雷达目标回波仿真是雷达环境仿真的重要内容之一，主要内容包括：目标相对运动要素仿真和信号强度仿真。本文以某舰载雷达仿真为例，针对舰载雷达系统的试验预测和职手仿真训练，提出一种目标相对运动要素和信号强度2项内容的仿真计算方法，有效实现了雷达目标回波的录取与跟踪、雷达探测能力预测等功能。

1 目标相对运动要素

目标相对运动要素仿真主要进行雷达装载平台运动数据和目标回波运动数据计算方法的研究。

1.1 雷达装载平台运动数据

雷达装载平台运动数据的计算方法：设初始绝对时间为T0，后续时刻采用相对于初始时间的相对时间，初始时间为0，然后t1、t2、t3、…,每一段路径对应的航行速度为v1、v2、v3…(v小于雷达装载平台的最大速率)。形成本装载平台运动要素表，时间间隔为1 s，记为dt。

图1 雷达装载平台运动要素表示

如图1所示，以第2段路径为例，下一个拐点的时刻和坐标为：

(1)

式中：s2为第2段路径长度。

本舰在每个dt时刻的位置为：

(2)

根据以上计算结果，建立雷达装载平台运动数据表，如表1所示。

表1 雷达装载平台运动数据表

1.2 目标回波运动数据

雷达目标回波运动数据计算方法：当目标的运动态势设定后，目标自身的运动参数以及相对于雷达的运动参数也需要及时解算并将结果存储进目标运动参数表中。如图2所示，目标与雷达的相对运动态势情况、目标自身的运动参数解算同上述雷达装载平台运动。

图2 目标与雷达的相对运动关系

目标在海面上的投影位置距离雷达装载平台的距离和方位分别为：

(3)

而相对于雷达的真实距离(雷达对目标的测量距离),求解方法如图3所示(考虑到空中为标准大气，因此用等效地球半径代替真实地球半径，即re=8 490 km)。

图3 空中目标与雷达平台的距离关系

Rd=

(4)

φ=R/re

(5)

视距的计算公式如下：

(6)

式中:Rv单位为km;天线和目标高度单位为m。

为了减少计算量，只有当目标航行到Rd

目标相对于雷达装载平台的径向速度为：

vR=±vrcos(θr-θ)±vtcos(θt-θ)

(7)

目标相对于雷达装载平台的相对运动方向为：

α=θt-θr

(8)

目标的运动要素数据表如表2所示。

表2 目标运动要素表(单位同表1，视距标志：0—视距外，1—视距内)

2 目标信号强度

目标虽然进入了视距范围，但反映在雷达上的回波信号不一定能被检测出来，因此，对每个目标，还需计算雷达对其最大发现距离和目标在每个时刻时的回波信号强度，并将这些数据标注在数据表中。

2.1 目标最大发现距离

目标最大发现距离为：

Rmax=R0FLa-1/4

(9)

式中：R0为自由空间中雷达的最大发现距离；La为大气衰减；F为传播因子。

文中关于雷达最大探测距离的论证中，都是在发现概率90%、虚警概率10-6的条件下进行的,则R0为：

(10)

式中：Pt为雷达发射的脉冲峰值功率；τ为信号脉冲宽度；G为天线最大增益；λ为雷达中心工作波长；σ为目标平均雷达截面积；kT0=4x10-21；Fn为接收机噪声系数；D0为检测因子；CB为接收机带宽校正因子；Ls为系统各项损耗之和，主要包括传输损耗天线波束形状损耗和信号处理损耗。

R0表示成分贝形式：

R0=(Pt+τ+2G+2λ+σ-Fn-

D0-CB-Ls-171)/4

(11)

由于这里计算雷达最大探测距离的目的是用于表明目标是否已经进入了雷达的可探测范围，因此这里的τ取雷达发射各种脉宽信号中最大的一种。

CB由下式决定：

(12)

式中:τc为脉冲压缩后的脉冲宽度;B为接收机的中频带宽。

D0用经验公式确定：

(13)

式中:1.314对应的是虚警概率为10-6、检测概率为0.9时的单脉冲信噪比;n为最大脉冲积累数;9为目标的施威林起伏模型在检测概率为0.9时附加的信噪比需求。

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°，如图4所示。其中相对航向落在1、5区时，目标的RCS值为其平均值的3/4，落在3、7区时，目标的RCS值为其平均值的5/4，落在其他区域时的RCS为均值。

图4 相对航向与目标RCS取值区域示意图

在计算最大探测距离时，从雷达目标类型表中取出该类目标的平均RCS值，再根据表2中的各时刻的相对航向，计算对应的RCS值，带入距离计算公式进行计算。

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，需根据波导剖面和抛物线方程(PE)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，而采用以下方法计算：

(14)

式中：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；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。水平极化时，理想海面反射系数为：

(15)

ε=ε′-jε″

(16)

式中：ε′、ε″取值与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，且都是水平极化，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：

(17)

(18)

式中:hrms为浪高的标准偏差。

球面散射因子为：

(19)

各符号的定义如图5所示。

图5 球面条件下空中目标与雷达的几何关系

直达波与海面反射波之间的波程差为：

(20)

(21)

(22)

(23)

φ1=r1/re

(24)

φ2=r2/re

(25)

(26)

(27)

(28)

至此，传播因子F中的反射系数的模和相位分别为：

ρ=srD

(29)

(30)

为了确定天线方向图在目标仰角方向的大小，需要求解θd：

(31)

La的取值采用曲线量化的方式，并按比例取值的方式取值,如表3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3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 km段上的斜率，分别计算出33 km处的衰减结果，再利用这2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。

表3 各波段大气双程传播衰减简表

当R0、F、La都确定后，可以计算出目标的Rmax:

Rmax=R0+F+La/4

(32)

该计算结果的单位为dB。这里，由于F和La都与R有关，因此该计算过程是个迭代计算。

2.2 目标回波信号强度

计算目标信号的回波强度，确定目标回波信号的大小。

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为：

Pr=Pr0F4La

(33)

(34)

式中：Pr0为在理想条件下雷达天线口面的接收功率。

信号功率放大增益为Gp，同时将损耗Ls计入，得到天线波束中轴对准目标时的回波信号功率为：

PS=Pr0F4LaGp/Ls

(35)

天线在方位向扫描过程中，收到的回波信号将随波束形状调制，其形状采用辛克函数与指数形式的乘积。

σ的取值取决于雷达与目标的相对运动方向，具体规定同2.1中的描述。但对于海面舰船目标，需将σ假设成为一个沿高度均匀分布的模型。这里规定，将舰船高度划分成5段，从目标类型表中取出的σ值均匀分布在这5段上。当无大气波导时，需要根据目标每个时刻与雷达之间的距离，计算出雷达视距对应的最小发现高度hmin，代入上式σ取值应为hmin到舰船最大高度上各段RCS的积分，如图6所示。

图6 舰船目标的RCS取值方法

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。F、La的计算方法同2.1所述。

3 结束语

这种雷达目标回波的仿真计算方法已应用到某舰载雷达模拟训练系统中,在雷达回波仿真逼真度和系统仿真实时性等方面，满足针对试验预测和职手仿真训练提出的需求，取得了较好的应用效果。

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Research into Simulation Calculation Method of Target Echo for Shipborne Radar

WEI Yong-feng,JIA Jin-wei

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

For satisfying the requirements of test prediction and operator simulation training of shipborne radar system,aiming at the request of radar target echo simulation,this paper studies the relative movement factors of targets and signal intensity simulation method;for the simulation of relative movement factors of targets,presents the simulation calculation method of movement data of radar loading platform and target echo; for signal intensity simulation,presents the simulation calculation method of maximal finding range and target echo signal intensity,effectively realizes the capabilities such as extraction and tracking of radar target echo,radar detection capability forecast,etc.,improves the fidelity of radar target echo simulation,guarantees the real time characteristics of system simualtion,fetches better application effect.

target echo;simulation;shipborne radar

2014-05-05

TN955.2

A

CN32-1413(2015)01-0084-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.020