基于等效方法的雷达训练系统设计与实现∗

2019-05-07张国兵齐兆龙

舰船电子工程 2019年4期

张国兵齐兆龙

（91336部队秦皇岛 066001）

1 引言

随着军事训练实战化要求不断深化，促使了部队重视并强化全面军事训练，不断提高战斗力，雷达装备职手操管技能训练也得到大力发展，尤其是雷达仿真模拟训练得到了长足发展。雷达仿真模拟训练由于不受各种自然和人为因素的制约，又可以防止雷达发射频率、脉冲重复周期、抗干扰措施等重要参数的泄露，并具有成本低、训练效益高的优点。因此，倍受军事院校和一线部队的青睐［1］。

为了满足雷达职手仿真训练需求，雷达训练模拟器必须保证系统模拟的逼真度和系统运行的实时性。模拟逼真度主要是指雷达探测环境信号特征模拟的逼真度、终端显示效果的逼真度，以及各种抗干扰技术措施反馈效果的逼真度；实时性主要是指系统运行的实时性与对应实装一致。倘若，雷达训练模拟系统无法同时满足以上两种关键指标，则将使雷达职手的训练质效大打折扣。为了保障雷达训练的实战化和高效益，本文提出一种基于等效方法的雷达训练系统实现方法，该方法在保证系统模拟逼真度和实时性的前提下，从雷达探测机理出发，采用等效仿真的思路，对各分系统模块处理效果进行等效模拟，即仅考虑输入输出的映射关系，尽量简化内部处理的复杂性，依次构建雷达整个系统。该方式构建的雷达训练系统具有较明显的效费比优势。

2 雷达探测机理

雷达是以电磁波为介质，对所属空间进行探测，并利用电磁波的直线传播，以及遇到物体发生反射的特性来探测目标在空间的位置，甚至利用目标对电磁波调制的独特特性作为目标具体类型识别的依据［2］。然而，雷达面临实际的环境不仅有感兴趣的回波信号，同时还有其它不感兴趣的回波信号、杂波信号和干扰信号，以及接收机内部噪声。因此，雷达系统在接收、提取、检测目标回波的过程中，同时还需要对其它不感兴趣信号进行抑制或消除［3］。在雷达系统设计中，为了达到有效地滤除不感兴趣的不良信号，保留和提取感兴趣目标回波信号的目的，往往在系统各个环节采用硬件技术或者软件技术优化处理过程。例如频率捷变、副瓣消隐、脉冲压缩和恒虚警等技术，都一定程度地改善了雷达探测性能。以脉冲体制雷达为例，其系统主要由天馈模块、发射模块、接收机模块、信号处理模块、数据处理与显控模块组成，如图1所示。

图1 脉冲雷达组成示意图

3 主要等效数学模型

图2 雷达探测环境建模示意图

雷达模拟训练系统是以雷达探测机理为基础对雷达整个处理过程进行仿真模拟，尤其是模拟抑制杂波或干扰信号的软硬件处理效果，使其具有与模拟对象一致的功能和性能。雷达模拟训练系统主要包括雷达探测环境模拟［4］和雷达系统模拟［5］两部分。雷达探测环境模拟主要包括目标回波、各种杂波和干扰信号等部分的数学建模，如图2所示；雷达系统模拟主要是对图1中的各分系统进行数学建模。

3.1 雷达探测环境建模

3.1.1 目标回波模拟

目标回波信号模拟是根据模拟目标随姿态变化的RCS值和距雷达的距离，并通过雷达方程实时计算目标到达雷达接收机端的回波功率的大小，如式（1）所示。同时根据雷达发射信号的参数和模拟目标的速度解算生成目标回波信号的频率、相位、多普勒频移和时间延迟等参数，使其具有真实环境下目标回波的各种特性。对于不同脉冲间目标回波幅度变化特性模拟采用Swirling数学模型［6］。

目标回波功率仿真计算模型即

式中σ为目标的雷达截面积（m2）；Pt为雷达发射机峰值功率（W）；Gt为目标方向雷达发射天线增益；Gr为目标方向雷达接收天线增益；D为雷达抗干扰改善因子；R为目标与雷达距离（m）；Lr为雷达接收综合损耗；Lt为雷达发射综合损耗；LAtm为电磁波在大气中的传输损耗；Lb为雷达损耗补偿系数；λ雷达工作波长为雷达天线方向图传输因子［7］。

3.1.2 杂波模拟

通常杂波信号分为面杂波和体杂波，地杂波和海杂波一般视为面杂波，气象杂波以及箔条一般视为体杂波。

1）面杂波计算模型

（1）地杂波功率计算模型［8］

地面雷达以擦地角φ照射地面，照射面Ac，它的宽度由方位波束宽度 θB决定，它沿距离方向的长度由雷达脉冲宽度τ决定，并且仰角波束宽度决定。地面雷达地杂波功率计算式为

因此，面杂波回波功率Prcs与距离的三次方成反比，而不像点目标情况那样，与距离的四次方成反比。并利用数字地图的高程信息量化被照射地物的雷达截面积σ0值。

（2）海杂波雷达截面积的计算模型［9］

海杂波是均匀的，不像地杂波一样的遮蔽效应。在极坐标中的每一个点，根据海情，计算每个采样点的雷达截面积，并且把它表示成海杂波模型（多种模型）。这样也得到了在方位角和时间延迟（距离）的离散点上，得到海杂波雷达截面积的采样值σ0。海杂波一般采用下面的模型：

式中：ss为海情级数（1-5级）；θg为擦地角或入射余角θc=arcsin(λ/4πhe)，he≈ 0.025+0.046ss1.72（m）。

根据式（3）所给出的模型可以画出不同海情下，海面反射率随雷达波束入射余角变化的曲线。

2）体杂波计算模型

雨是典型的体杂波，雨、雹云和雾也都呈现体杂波特性［10］，所以一般认为气象杂波属于体杂波，雷达接收的体杂波功率为

式中，G为天线增益；R为杂波中心距雷达斜距离；σν气象杂波雷达截面，可表示为

其中，Vm为雷达分辨单元的体积，亦即垂直波束宽度为φ3dB，水平波束宽度为θ3dB和脉宽为τ的雷达波束所占有的体积，近似为

实际应用中，要根据雨等不同气象类型的体杂波求Σσi的表达式，它与降雨量、风速等参数有关。

3.1.3 干扰信号模拟［11］

对搜索雷达实施的干扰主要包括压制性干扰和欺骗性干扰。压制性干扰一般有窄带瞄准式、宽带阻塞式、扫频式等，其干扰回波特征一般为噪声调频（噪声调相）、噪声调幅和噪声调频调幅等；有源欺骗干扰主要密集假目标、航迹假目标等。对雷达实施干扰的战术方式有：1）远距离支援式干扰（SOD），即干扰机远离被掩护目标，以远距离实施干扰来掩护目标；2）随队干扰（ESJ），即干扰机与被掩护目标在同一距离附近，它对雷达干扰的目的是形成雷达主瓣干扰和尽可能的副瓣干扰；3）自卫式干扰（SDJ），即干扰机装载在目标上，主要用于掩护自身载体目标，它对雷达干扰的目的是形成雷达主瓣干扰。则雷达接收机端的干扰功率为

式中，Pj为干扰机发射功率（W）；Gj干扰机天线对雷达方向的增益；Gjr为雷达天线在干扰机方向上的增益；λ为雷达工作波长（m）；γj为干扰回波特征对雷达天线的极化损失；Rj为雷达与干扰机之间的距离（m）；Lr为雷达接收综合损耗；Lj为干扰机发射综合损耗；Ljt为干扰机到雷达距离上的干扰回波特征大气损耗（单程的）；Br为雷达接收机瞬时带宽；Bj为干扰回波特征带宽。

3.2 雷达系统建模

雷达系统建模主要是对雷达各分系统功能和性能进行建模仿真，如图1所示。其中，天馈模块、接收机模块和信号处理模块采用等效处理的方式实现。天馈模块采用实测方向图数据对接收或发射信号进行调制；接收机和信号处理模块均采用对应参数的改善因子调制输入信号得出与实装一致的输出信号。即根据它们在相关参数确定的条件下对SNR（信噪比）或ISR（干信比）的改善结果来归一化等效实时调制杂波信号幅度、干扰信号幅度和目标回波信号幅度，使其达到相应处理的改善效果，例如MTI处理的改善效果为30dB，则杂波信号幅度归一化衰减30dB，具体处理或操作的调整量与杂波的多普勒频移有关。

为了保证数据处理和显控模块与实装一致性，则采用移植实装软件并对其进行适应性修改，例如人工操控指令以参数的方式送给各子系统，使其改变相应的处理模块，输出等效的处理结果，确保各种操控指令都能得到正确的效果反馈。在检测处理过程中，采用了完整的雷达检测处理算法，例如滑窗检测法、恒虚警处理和目标航迹的建批、起航算法等［12］。保证了训练系统与实装具有相比拟的检测性能（发现概率和虚警概率）［13］。

4 系统设计与实现

4.1 系统结构与信息流程

雷达模拟训练系统的硬件主要由操控台、计算机和网络交换机等组成，其功能实现主要由软件功能模块组成。其软件结构设计与信息流程如图3所示。

图3 软件结构设计与信息流程

系统软件模块主要包括态势编辑与显示、态势导调控制、回波特征模拟模块、终端显示控制和等模块。态势编辑显示模块主要是完成目标环境编辑、杂波（云雨杂波、海杂波）参数设置、干扰环境编辑以及态势信息二维显示功能；态势导调控制模块主要完成训练过程导调控制、目标和干扰实时导调控制功能；回波特征模拟模块主要包括初始化参数计算模块、目标回波特征模拟模块、杂波回波特征模拟模块、干扰回波特征模拟模块、波束调制模块和抗干扰因子计算模块等，主要完成目标、杂波、干扰等回波特征的模拟，以及抗干扰处理效果模拟；终端显示控制模块主要包括信号处理模块、数据处理模块和显示控制与处理模块，主要是对雷达界面显示、操作控制及其响应、回波及干扰显示模拟；训练管理与考评模块主要完成训练态势接收与存储、训练人员及考核信息管理、训练科目内容管理以及训练考核评估功能［14］。