一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的设计与实现

2022-10-12李飞钱波宋慧南迪李翔

火控雷达技术 2022年3期

李飞钱波宋慧南迪李翔

(武汉滨湖电子有限责任公司武汉 430205)

0 引言

雷达模拟器是仿真技术与雷达技术相结合的产物，广泛应用于雷达装备的模拟训练。地杂波回波模拟是雷达模拟器的重要组成部分，地杂波是雷达波束遇到地面而形成的回波，传统的地杂波回波模拟是根据杂波分布模型来生成，该方法计算复杂，而且并不能与真实的地形相匹配。本文在地杂波散射面积计算模型的基础上，结合当前地形高度数据，改进地杂波散射面积计算模型，根据雷达方程和相干视频回波模型生成地杂波回波，在某型雷达模拟器上实施验证，得到的地杂波回波更逼真，使得雷达模拟器起到了真实的模拟和训练作用。

1 地杂波回波的设计与实现方法

1.1 地杂波后向散射系数模型

由于地杂波的复杂性，为了简化计算，可用大面积空间上与时间上的平均值来表征某地区的地面情况。地面单位面积的反射特性常用后向散射系数来表示。

地杂波后向散射系数的取值与地形、擦地角、雷达工作频率、极化方式等因素有关。目前考虑因素较全面的一种地杂波后向散射系数模型为-模型。其表达式为

=sin(+)

(1)

其中：为擦地角或称为入射角；为雷达工作频率；为地面反射率表征参数；和为不同地形时雷达工作频率对地形的表征参数，参数的引入是为了更精确模拟实验数据并防止在入射余角接近0°时用表示的地杂波后向散射系数急剧变为-∞，单位为(°)，其中>0，0≤≤1，>0，不同地形情况下的、、、的数值如表1所示。

表1 各类地形条件下的模型参数

1.2 地杂波散射面积的计算

计算地杂波散射面积，首先需要将雷达探测范围按照雷达分辨率划分成网格，每个网格都看成一个小的杂波单元，认为每一个小的杂波单元都是一个散射体，然后根据雷达视线、波束宽度和地形高度数据计算每个杂波单元的散射面积。

地杂波散射面积定义为由杂波区面积反射造成的等效散射面积，如式(2)所示。

(2)

求每一个杂波单元散射面积，关键在于求每一个杂波单元面积，而以往的计算杂波单元面积模型只考虑了杂波单元在地面的投影面积，并没有使用地形高度数据，本文结合传统的杂波单元面积模型和地形高度数据，重新计算杂波单元面积。

对于地面雷达，可以认为其满足波束入射角较小的情况，即满足tan<2(sin2)Δ，为雷达天线与杂波单元之间的距离；Δ为距离分辨率；为天线波束俯仰宽度；为天线波束方位宽度；则雷达杂波单元面积取决于天线波束方位宽度和距离分辨率Δ。杂波单元面积为

=Δsec

(3)

考虑到杂波单元的地形高度数据，该杂波单元的地形高度越高，即在雷达俯仰波束宽度探测范围内，反射面积越大，回波功率越强，把地形近似为一个有高度的斜面，其底面积为公式(2)，根据地形高度得到杂波单元面积为

(4)

其中，为杂波单元在雷达视线内的高度。

对每一个杂波单元计算，设雷达架高是，距离雷达斜距处，为该处杂波单元对应的地形高度，为雷达视线角度，为地球曲率半径，得到距离雷达处的雷达视线高度为

(5)

视线高度的以上的地物才在雷达的探测范围内，公式(4)中的=-，得到每一个杂波单元的之后，还需要判断其是否被遮挡，即判断该杂波单元的通视性，如果当前杂波单元对应的高度比前面的杂波单元高度低，则认为当前杂波单元被遮挡，没有回波。

考虑大气折射效应和地球曲率效应，则杂波单元面积由式(6)计算得

(6)

1.3 相干视频回波模型

要模拟复杂的雷达系统和环境，必须采用相干视频信号模拟的方法设计雷达回波模型。每个杂波单元都视作一个独立的散射体，根据雷达方程，其回波信号可表示为发射信号的延迟，在幅度上乘以因子，在载频上有多普勒频移，表示为

()=(-)e2π(-)

(7)

2 仿真流程及仿真结果

利用上述方法，在某型雷达模拟器中实现了与地形匹配的地杂波回波模拟，仿真流程：首先根据雷达坐标的经纬度生成雷达探测范围内的地形高度数据，然后将地形高度数据据按照雷达分辨单元划分成每个杂波单元，根据地杂波后向散射系数模型、地形高度数据、地杂波散射面积计算模型和雷达视线计算杂波单元的散射面积，并进行遮挡判断。随后，为每个杂波单元随机生成一个速度，以确定杂波单元的多普勒频率，最后使用相干视频信号模型和雷达回波方程，求出各散射体的回波信号后进行矢量叠加即可得到雷达总的接收信号。

仿真主要参数：雷达工作频段L波段，采用宽窄脉冲交替的工作方式，相参积累脉冲个数为11，脉冲重复频率为1000 Hz，杂波单元的大小为0.44°×75 m，即把360°探测范围按照杂波单元划分为820个单元，杂波散射单元的随机速度均值取0.32 m/s。根据图1、图2和图3所示，雷达模拟器的AR显和P显真实地还原了与地形高度数据匹配的地杂波回波。