雷达目标回波模拟技术发展现状与展望

2020-02-04汤永浩顾阳阳马益路

航天电子对抗 2020年6期

汤永浩，干鹏，张斌，顾阳阳，马益路

（中国航天科工集团8511 研究所，江苏南京210007）

0 引言

近年来的几场局部战争中，外军普遍投入使用了空射诱饵对敌方防空系统实行诱骗，作战效果显著。该型电子对抗武器功能实现的关键技术之一便是雷达目标回波模拟技术。雷达目标回波模拟技术是通过软硬件结合的方式实现模拟目标回波信号替代真实雷达目标回波，达到复现雷达原始信号、传递、反射、起伏、调整等过程的目的，完成对雷达目标的逼真模拟任务[1]。

当前，雷达目标回波模拟技术在雷达方和电子对抗方2 方面都发挥着重要作用。对雷达方而言，雷达目标回波模拟技术主要用于雷达系统的研究、开发、调试及验证，大大节约研制成本，缩短研发周期；同时可用于为雷达操作手训练提供目标信息和环境信息，使操作手积累各种环境下的操作经验[2]。对电子对抗方而言，雷达目标回波模拟技术主要用于逼真模拟真实目标的各种特性，生成逼真假目标或假目标集群，欺骗迷惑敌方雷达探测、跟踪，起到攻击时掩护作战目标突防、提高战场生存率，防守时有效保护重要军事设施、防止敌方火力打击的目的[3]。本文主要针对雷达目标回波模拟技术的发展现状进行介绍，并对未来发展趋势进行展望。

1 技术发展及特点

第二次世界大战中，英军部署大量的角反射器用以保护高价值目标，可以认为是雷达目标回波模拟技术的开端[4]。20 世纪50 年代，堪萨斯大学利用水箱和压电传感器完成了雷达回波模拟[5]。随后随着弹道导弹技术的发展，各类突防辅助诱饵技术也日趋成熟。20 世纪70 年代，数字射频存储技术(DRFM)的出现进一步将干扰与回波模拟技术推向高潮[6]。到20 世纪80年代后，美军开始研制和装备各型空射诱饵，利用雷达目标回波模拟技术在几次局部战争中占得了作战先机。随着工艺和新材料日趋完善，龙伯透镜在西方国家的各型作战飞机中出现[7]。2000 年左右，美国TCS 公司推出RES-2000 雷达信号模拟器，代表了雷达目标模拟技术的模块化、系统化、功能多样化发展趋势[8]。雷达目标回波模拟技术发展至今，已从最初的单一的电磁波反射器件发展为有源无源体制齐头并进、应用范围不断扩大的学科技术。雷达目标回波模拟技术大致的发展历程如图1 所示。

图1 雷达目标回波模拟技术发展路线图

总体上来看，雷达目标回波模拟技术主要有无源和有源2 种实现体制，其主要技术分类如图2 所示。

图2 雷达目标回波模拟技术体制分类

无源目标模拟技术本身并不辐射电磁信号，通过精心设计的材料、构型等特性实现对特定电磁信号的模拟功能，常见的种类有无源回波增强器件和仿形诱饵等。其中，角反射器是应用最为广泛的无源回波增强器件，它通过金属角折射放大效应产生很强的回波信号，具有造价低廉、结构简单、反射回波特性强烈等优点，广泛应用于军事、船舶救生等领域[9]。龙伯透镜常常加挂在隐身飞机等航空飞行器件上，通常由若干层介电常数不同的材料制成，可通过透镜将电磁波聚焦在金属反射面上，并将入射电磁波反射回入射源方向，具有体积小、雷达截面积大、方向性好等优势[6]。仿形诱饵通常采用气囊式外形加镀金属薄层和涂覆高能诱饵剂的方式实现红外/微波复合诱骗的功能，布设撤守简便，成本较低，但存在体积、质量较大等缺点[10]。

有源目标模拟技术通过辐射经过调制的电磁信号，精确模拟目标的电磁散射特性，实现对特定目标模拟回波的生成。有源雷达目标模拟主要有直接数字频率合成(DDS)、数字射频存储(DRFM)和光纤延迟线(FODL)等技术实现体制[3]。DDS 是根据提前预知的模拟回波参数，直接产生相应的数字信号，经数模转换器转换后输出，其基本组成如图3所示；DRFM 则采用存储阵列将接收到的雷达射频信号的波形实时存储起来，然后根据相应的模拟参数对接收信号进行调制，经射频链路放大后进行转发，如图4 所示；FODL 是将接收到的射频信号转换为光信号，通过光纤等光学器件对光信号进行延迟和调制，再重新将光信号转换为射频信号经射频链路放大后输出，如图5 所示。3 种典型有源目标模拟技术体制特性总结如表1所示。

图3 DDS 的基本组成

2 国内外发展现状

2.1 国外技术与装备发展情况

国外对雷达目标模拟技术的研究远远早于国内，不少国家都投入了大量的人力、物力用于发展雷达目标模拟技术。雷达目标模拟技术在雷达方的应用主要是各种雷达目标模拟器，在电子对抗方的应用主要是诱饵类装备，其典型代表产品及性能特点如表2所示。

美国Sensis 公司研制的雷达环境模拟器（RES），是为了实现对美军AN/TPS-59 远距离警戒雷达的测试与验证。RES 能够根据用户预先设置的雷达环境实时地为雷达AN/TPS-59 提供包括目标、杂波和干扰在内的模拟信号，从而满足其雷达工程设计的调试、测试与验证的工作[11-12]。

图4 数字射频存储方式部件基本组成

图5 光纤延时储频光延时传输处理组件示意图

数字化雷达环境模拟器（Digital Radar Environment Simulator-D-RES）是美国KOR 电子公司生产的一款性能极好、灵活性非常高的模拟器。工作人员可通过直观的面板定义所需要模拟的目标回波的参数、雷达环境等。其通过模块化的分系统设计，能模拟出各种噪声信号及目标回波信号，采用VME 总线结构，能满足雷达系统实时性的要求[11，15]。

美国Malibu Research 公司研发的一款雷达信号模拟器功能全面，不仅能模拟目标的回波信号，还能模拟杂波信号和敌方发送的欺骗干扰信号等。该模拟器主要用于AN/TPQ-36 和AN/TPQ-37 迫击炮火控相控阵雷达的性能测试与验证[15]。

法国Synopsis 公司采用数字射频存储技术和PCI 总线标准研制出一种雷达目标模拟器RTS-800NG，该模拟器属于通用模拟器，除了能够进行雷达射频信号模拟外，还能够产生雷达动目标回波和欺骗干扰[12]。

RCS 信号增强模拟系统是微型空射诱饵（MALD）的核心搭载载荷。MALD 通过搭载该载荷，可通过复制己方及友方飞机的作战飞行剖面和信号特征对敌方防空系统中雷达探测系统实施欺骗，从而实现保护作战飞机执行任务，提高战场生存率的目的[16-17]。

“亮云”（BriteCloud）诱饵可以由载机投放出去并具有一定的机动性能，其雷达特性更接近于真实目标，可以最大限度地将来袭导弹威胁从载机平台上诱离。该系统采用直接射频存储技术（DRFM），可以对雷达信号进行接收并快速地复制发射出去，降低了系统的延迟，可最大限度地与目标回波信号重合在一起，增强了诱骗效果。

2.2 国内技术与装备发展情况

相较于国外雷达目标模拟技术的研究，国内起步较晚。我国第一部雷达信号模拟器是20 世纪70 年代研制出来的，直到20 世纪90 年代才开始出现一些比较成熟的关于雷达目标模拟技术的研究，各科研院所先后研制出各种用途的雷达目标模拟器，并逐渐应用在相关雷达调试与试验中[12]。例如：1994 年北京航空航天大学与航空部601 所共同研制出了通用型PD 雷达目标模拟器[12-13]；1998 年西安电子科技大学电子工程学院研制出基于DDS 技术的雷达信号模拟器[13]；2000 年中国科学技术大学电子工程系研制出国内第一台毫米波雷达目标模拟器[12-13]；2002 年电子科技大学研制出X 波段机载火控相控阵雷达模拟器等[13]。各典型产品用途及其性能特点简介如表3 所示[14]。

表1 典型有源目标模拟技术体制及特点

表2 国外雷达目标模拟技术装备发展情况

表3 国内雷达目标模拟技术装备发展情况

3 涉及的关键技术

随着雷达工作带宽、分辨力等能力的不断提升和雷达成像技术的不断发展，以往简单的目标模拟技术难以满足精细化、实时性、自适应性等新的应用要求。为满足新一代的雷达系统性能验证与雷达对抗装备研制应用需求，雷达目标回波模拟技术需要在以下几项关键技术方面开展进一步重点攻关研究。

3.1 模拟目标RCS 特性获取技术

目标的雷达散射截面是雷达目标电磁特征信息中基本且重要的一个物理参数，其表征了雷达目标对照射电磁波的散射能力。雷达目标模拟中最核心的是目标特性的回波模拟，而获取目标的RCS 特性，是目标特性回波模拟的前提条件。现有获取目标RCS的基本手段有3 种：实物测量、缩比模型测量以及建模计算仿真[18]。

实物测量方法在微波暗室内对目标进行实地测量，能够获得大量丰富的实测数据，不存在建模误差和变换损失等因素。但是，实物测量法应用通常受限于目标的尺寸、测量成本、测量时长等因素，同时测量结果受雷达带宽、内部噪声等因素的影响，所得的数据的分辨率、信噪比等均会收到影响[19]。

缩比模型测量方法使用具有相似几何构型、相同材料构成的小型缩比模型，对其RCS 暗室测量的结果进行变换，能够得到目标的RCS 特性分布数据，可以一定程度上弥补实物测量带来的目标尺寸、测量成本和测量时长等限制因素。但是，缩比模型法也会引入模型缩比误差和变换误差等因素，且当雷达波频率处于目标谐振区时，测量误差较大[20]。

随着电子计算机的高速发展和建模技术的日渐成熟，仿真计算方法凭借其灵活高效、效费比高、实时性好等优势越来越成为目前进行目标电磁特征获取的重要手段。但是，目前仿真计算也只能解决一些简单目标的电磁散射问题，对具有复杂结构目标的散射特性仿真计算结果很难取得满意的精度[21]。

在针对具体目标的RCS 特性获取过程中，3 种RCS 特性获取方法各有优势，适用范围也有所不同，需对具体问题具体分析。理论仿真与测量是相辅相成的，理论仿真能够预测和解释测量数据，测量数据也能验证理论模型的正确性。

3.2 模拟目标回波建模技术

要较准确地模拟雷达散射截面积的动态变化，还需要考虑对RCS 起伏特性进行建模。一个合理精确的起伏模型才能够准确表征目标的RCS 动态变化特性。依据雷达系统的分辨率与目标尺寸关系，可以将目标模型分为“点目标”以及“扩展目标”2 种[13]。不同的目标模型在雷达信号的照射下，其回波表现有所区别。

对于窄带雷达发射的信号，由于其带宽较小，因此距离分辨率常常大于目标尺寸，不能将目标的散射点分辨出来，此时这些散射点回波在时域叠加后形成的整体回波与“点目标”回波相似，其波形参数与发射信号类似，仅在幅度与相位上有所不同。幅度的变化主要来源于信号传输过程衰减以及目标RCS 特性对回波信号的调制；相位的变来源于信号在空间传输导致的时延、目标运动造成的多普勒频移以及目标散射特性。RCS 的起伏会显著影响雷达对目标检测性能，为衡量起伏对检测概率的影响，需要采用一种接近而又合理的分布模型对目标RCS 起伏特性进行描述。迄今为止，RCS 模型已经发展出2 代分布模型，其主要特点和适用的描述对象如表4 所示[21]。

表4 RCS 起伏模型

随着雷达技术的发展，雷达分辨率也有了很大的提高，此时雷达的分辨单元已经远小于目标的尺寸，已经不能将其视作简单的点目标，而是将目标作为扩展目标进行分析。扩展目标模型的建立又比点目标复杂，原因在于对点目标模拟时，只涉及对RCS 特性的分析，其特性是雷达波长、姿态和极化的函数。但是，对于扩展目标而言，其建模的复杂性主要由以下2方面造成：一方面需要考虑目标的空间特性；另一方面需要分析其占据了多个雷达分辨单元，增加了问题复杂性。常用的扩展目标电磁特性主要有高分辨一维距离像(HRRP)和雷达二维成像等。

3.3 模拟目标回波实时重构技术

模拟目标回波实时重构是雷达目标模拟的关键技术之一，其作用是根据雷达发射信号进行调制计算，快速高效地生成具有目标散射特性的雷达回波信号。随着电磁环境的日益复杂化和捷变抗干扰等技术在雷达系统中的普遍应用，在高强度对抗场景下实时生成各种模拟目标回波，是对雷达目标回波模拟技术的新要求[22]。

点目标的回波实时重构主要考虑目标的雷达截面积随着姿态、时间、频率、目标形状、飞行速度等变化造成动态RCS 的变化。在进行雷达目标模拟时，RCS 值的精确计算非常困难。目前现有方法大多采用符合统计分布规律的随机数进行代替，根据目标类型选择合适的RCS 平均值及起伏分布类型[23]。但这种方式得到的RCS 随航迹改变引起的起伏特征与真实的回波会有偏差，不能精确反映由于目标的姿态或飞行参数改变引起的RCS 起伏，从而导致回波起伏不够真实。另一种可行的方法是采用RCS 起伏时间谱函数。该方法依据目标航迹，经过坐标系转换，实时加载事先存储的目标在不同角度、频率、速度等参数下RCS 随时间起伏的模型，具有计算量较小、实时性好且具有较高可信度等优势[23]。

扩展目标的回波实时重构遵循多散射中心重构模型，在高频区目标总的电磁散射可认为是各散射中心电磁散射的矢量合成。因此扩展目标回波重构的关键是准确获取多散射中心的空间分布。获取扩展目标散射中心的空间分布常用方法有位置重构法与雷达三维成像法，2 种方法都是基于多个视角下的宽带测量方式，其中位置重构法近年来备受关注[3]。重构法对视角分布没有严格限制，大大提高了整个系统的可操作性和灵活性，但是对视角的分散度有一定要求，不能得到单一的幅度估计值；成像法由于成像孔径集中在成像中心角附近的一个小范围内，因而得到的是目标在特定姿态下散射中心的位置和幅度特性，但是要求各个视角下的测量过程完全相参，这就对系统造成了一定的限制。

3.4 模拟逼真度评价体系技术

逼真度是衡量模拟仿真模型与真实目标之间的相似程度，是评价模拟系统性能优劣的顶层指标[24]。现有的评价系统大多是对雷达的具体性能进行评估，而针对雷达目标模拟系统的评价体系尚未开展充分研究,这也是当前雷达目标模拟技术面临的一大研究热点和难题[25]。

雷达目标模拟技术的模拟对象主要是雷达信号和被模拟的真实目标，因此模拟逼真度评价体系也应该从雷达参数和目标的固有特征2 个方面进行相似度评估。参照雷达系统的评价指标和目标散射特性指标，模拟逼真度评价体系可从模拟的雷达信号特性、目标的运动特性及电磁散射特性3 个维度进行指标细化比较。初步考虑的模拟逼真度评价体系如图6所示。