一种杂波实时仿真方法*

万祥兰 祁 岭

（1.湖北工业大学 武汉 430068）（2.海军驻洛阳地区军事代表室 洛阳 471000）

1 引言

雷达导引系统在低空和下视攻击状态时总是处于杂波环境之中，导引头发射的功率信号都会通过地面的或海面的反射、散射经过天线的主瓣和旁瓣进入接收系统，形成背景杂波。大面积的杂波区使得导引头内部杂波电平大幅度增加，甚至造成导引头接收系统饱和阻塞，直接降低了导引头对信号目标的正常跟踪与截获能力，或由于信杂比的降低在跟踪阶段增加了角度跟踪的随机误差，直接影响到导引系统的精度[1～2]。因此，选择适当的模型，利用杂波的性质对其进行有效的模拟尤为必要。

2 杂波仿真模型

2.1 杂波仿真的特点及要求

杂波信号是缓变的非平稳随机信号，也即当导引系统实时杂波仿真时，需要在100ms内实现一个攻击状态下的杂波功率谱更新周期[3]。

现代雷达接收机能够探测到低于主瓣杂波很多的目标信号，统计结果表明，在极限情况下当噪声信号高于杂波主瓣信号-60dB时，导引头可能误将噪声当作目标截获，所以由杂波功率谱变换到时域的信号重构算法带来的附加噪声以及由信号调制带来的附加噪声必须在主瓣杂波-60dB以下，至少小于-50dB[4～5]。

总之，杂波信号的特殊性要求两项特殊的但也是必须满足的技术指标：

尽量保持精度情况下满足实时性，即功率谱更新周期小于100ms。

由杂波功率谱重构到时域并调制到中频带来的附加噪声须小于主瓣杂波-60dB。

2.2 地面后向散射系数

地面后向散射系数σ°取决于微波频率f、入射角θ、极化形式、地面的物理特征等，影响地面后向散射系数的几方面因素包括：入射角、反射面粗糙度、反射面湿度、植被覆盖、雪层覆盖等[6]。其中城市的回波特性随机性很大，不宜给出相对统一的模型或数据。

2.3 杂波的统计特性

2.4 杂波功率谱计算

鉴于雷达导引系统采用脉冲多普勒体制，采故用传统的等多普勒线-距离线网格划分方法，杂波计算网格划分与杂波计算坐标系定义如图1所示，XOY平面为导弹速度矢量与导弹高度线所在的平面，ξ为速度方向与X轴的夹角，θ（定义为入射余角）为任一网格单元A与ZOX平面的夹角，φ为网格单元矢量在XOZ平面的投影与X轴的夹角[7]。对某一距离门确定多普勒频带的杂波功率等于该距离门等距离线与多普勒线所围成的网格回波功率：

图1 距离-速度坐标系定义

式中：Pr为平均发射功率；λ为雷达波长；G(θ，φ)为天线增益（和信号或差信号）；L为系统损耗。

C：光速

σ0：地面后向散射系数

2.5 相当面积单元的预先计算

参照工程经验，只考虑0＜ξ＜50°情况，将ξ划分为50等份，角度间隔为1°。

等多普勒线从最大多普勒频率至零多普勒频率划分为2048等份，可以满足要求。

等距离线参照等多普勒频率的划分，θ从0°～90°共划分为76等份，角度间隔为0.02rad。

同时计算网格单元中心相对于导弹中心的向量坐标，存入数据库，配合实时计算天线增益。

2.6 杂波功率谱的实时计算

杂波功率谱实时计算包括网格单元对应天线增益的确定、计算归一化的功率谱、计算当前速度下的相当杂波功率谱、时域数据的求取和总功率的控制四个步骤。

在杂波计算坐标系下，天线和通道增益和天线差通道增益可由网格单元向量在x、y、z轴向量上的投影求出；按照2048等份根据雷达方程计算得到归一化的杂波功率谱[8]；用4096个数（即多普勒分辨100Hz）可以满足杂波谱精度的要求；对杂波功率谱补零为4096个数，将之转换为矢量频谱，相位随机化，IFFT，然后求时域数据实部、虚部最大值，将时域数据归一化，再放大32000倍，以短整数形式，打成USB包，给USB接口输出；杂波总功率的控制依靠射频衰减器实现，求出2048个多普勒频率环的总功率，根据功率链折算到射频信号源输出口处功率，控制衰减器实现[9～10]。

3 模型验证

3.1 杂波仿真的校核与验证

杂波仿真的正确性需要校核（VERIFICATION）和验证（VALIDATION），即V&V，具体地讲包括以下几个方面：

杂波功率谱实时计算要求在100ms以内完成，计算结果需要校核，应与非实时精确计算结果一致。

杂波信号的重构要求将实时计算出的杂波功率谱重构到时域，重构的时域信号需要校核，其功率谱应与实时计算出的功率谱一致。

调制后的信号需要校核，其谱特性应与基带信号的谱特性一致。

最终雷达导引头接收到的杂波信号应验证与实际飞行情况下接收的杂波信号一致。

图2 杂波模拟系统的校核与验证

3.2 杂波验模条件及杂波典型值

导弹速度V，飞行高度H，下视角θ，第一旁瓣角Φ以及发射频率F，为初始设置参数，根据公式，Fd=2×V/λ×cos(θ)可以计算出主瓣杂波位置，杂波普宽度，Fd=2×V/λ×cos(θ±φ)旁瓣杂波位置。根据天线主旁瓣增益比X，以及旁瓣杂波区域比主瓣杂波区域略大的特点，估算主瓣杂波与旁瓣杂波的功率比为（2*X-3dB）。

条件A：导弹速度1000m/s，飞行高度3000m，下视角30°，主杂波理论位置201.1kHz，杂波谱理论宽度233.3kHz，主瓣与第一旁瓣理论功率差约为32dB；

条件B：导弹速度500m/s，飞行高度3000m，下视角30°，主杂波理论位置101.0kHz，杂波谱理论宽度116.7kHz，主瓣与第一旁瓣理论功率差约为32dB。

3.3 杂波算法仿真结果

不同条件杂波模型仿真结果如表1，图3～6所示。

表1 不同条件杂波模型仿真结果表

图3 主杂波位置201kHz

图4 主杂波位置201kHz

图5 主杂波位置103kHz

图6 主杂波位置103kHz

4 结语

本方法产生的杂波信号在保持精度的情况下可以满足实时性，即功率谱更新周期小于100ms。且杂波频域带内连续、平坦，说明产生的信号没有周期成分，具有良好的随机性。主旁瓣杂波信号特性与理论分析和实测统计特性基本一致。满足雷达弹内场杂波模拟和抗杂波特性验证的要求。