雷达系统的实时数字仿真方法蒋德富 程 钧(南京电子技术研究所 南京210013)摘要 描述了雷达系统的实时数字仿真方法。
通过数字仿真,可以验证雷达的信号处理、数据处理的算法和性能。
实时数字仿真还可用于确认雷达系统指标和雷达工作方式。
关键词 雷达系统,数字仿真,数据处理中图分类号:TN959.72 文献标识码:AReal Time Digital Simulation Method for Radar SystemJiang De fu C HENG Jun(Nanjing Research Institute of Electronics Technology Nanjing210013) Abstract Real ti me digi tal simulation method for radar system is described in this paper.The algorithms and performances of signal processing as well as data processing can be verified by digi tal simulation.Real time digital si mulation can also be used to validate radar system specifications and operation mode.Key words radar system,digital si mulation,data processing0 引 言现代雷达已经不是传统意义上目标探测手段,而是集目标探测、目标打击、电子战、情报综合为一体的情报综合和指挥系统。
研制这样的系统,一方面,采用了大量的新技术,设备复杂,研制周期长、研制费用高;另一方面,没有实际的电磁环境和目标用于系统指标和工作方式的验证和确认。
因此,雷达研制存在费用高、风险大的问题。
雷达系统的数字仿真包括雷达电磁环境、目标特性和雷达的仿真,采用数学建模的方法,建立雷达电磁环境库、目标特性库及雷达系统的数字模型库,采用数学的方法,对电磁环境、目标及雷达之间的相互作用进行仿真研究。
在项目立项之前,进行全面的数字仿真,验证雷达采用的软件算法,确认雷达的性能指标,既可以为项目立项提供决策依据,也可以降低研制风险;项目研制后,通过对试验数据的仿真分析,检验雷达体制和工作方式设置的合理性、雷达信号处理、数据处理算法的有效性,为雷达系统性能指标的确定和修正提供依据。
1 数字仿真的功能雷达数字仿真就是利用数字化的各种目标仿真信号、环境仿真信号和数字化雷达模型,完成下述功能:a.检验雷达信号处理、数据处理的算法有效性;b.验证雷达的性能指标、工作方式的合理性;c.测试雷达功能的完备性;d.通过系统建模与仿真的交替迭代,优化雷达的系统设计;e.作为部队平时训练的仿真平台。
2 数字仿真的组成框图雷达系统数字仿真组成框图如图1所示,在图1的仿真模块中,雷达回波产生、数字波形产生、信号处理、数据处理、显示控制、通信这几个模块为实时处理模块,目标特征库和杂波、干扰库是非实时处理模块。
图1 雷达数字仿真框图雷达回波产生模块仿真雷达天线座、天线、波束控制、激励源、发射的功能及性能,数字波形产生模块接56第26卷 第11期2004年11月现代雷达Modern RadarVol.26 No.11November2004收稿日期:2004 03 11 修订日期:2004 05 18收雷达回波产生模块的目标回波信号幅度和距离,同时接收数据处理模块的波形参数(信号形式、时宽、带宽、接收距离门等),产生单脉冲三通道的I、Q数字视频信号。
信号处理模块接收I、Q数字视频信号、数据处理模块的工作方式指令和波形参数,对I、Q数字视频进行硬件处理和软件处理,硬件处理主要是I、Q数字视频的存储和数字脉压等,软件处理包括脉冲对消、相参积累、恒虚警目标检测、目标信息提取、抗干扰等算法,信号处理硬件基于通用的信号处理平台。
数据处理模块包括任务管理、目标管理、控制显示、测试和故障诊断、通信等软件的算法,数据处理硬件基于雷达数据处理的平台。
实时处理仿真模块之间采用与雷达一样的接口形式,并按照雷达的定时同步要求传输数据。
可编程同步器接收数据处理模块的指令产生各种形式的定时同步信号,用于同步实时处理模块间的数据传输。
控制、显示、通信模块仿真雷达的人机操作界面和对外通信。
非实时处理模块含有雷达的作战场景信息,包括目标的模型、目标轨迹、地形、杂波、各种干扰等,这些信息仅仅与雷达的位置、地形、目标轨迹、目标特性、作战策划等有关,可以根据使用的要求输入相关信息参数,形成数据库存入磁盘阵列,供实时仿真时雷达回波模块调用。
3 目标特征库目标可以看成是由许多散射中心组成的几何体,这些散射中心是已知特征的圆盘、锥体、球体、平板、圆柱体等一些简单的几何体[1]。
雷达的目标特征由这些散射中心的回波幅度及它们相对雷达的空间位置来决定。
根据文献[1]给出的方法,目标被分解成若干个几何子单元,利用物理光学的原理计算几何体表面反射的回波,利用绕射的几何原理计算边沿和连接处的回波。
散射中心的幅度用雷达波长、散射中心子单元的尺寸、雷达观测角、雷达极化角、目标旋转角的函数来描述。
根据文献[2]的介绍方法,对于雷达波束不能照射的几何区域,不考虑这些区域散射中心的贡献,其他区域散射中心的幅度进行全相参相加,得到目标的全部散射回波信号,由此计算得到目标的RCS。
对目标轨迹上的每个取样点,计算并存储雷达可照射区域各散射中心的每种极化方式下的RCS,用所有散射中心点合成的方法,得到目标窄带信号波形或宽带信号波形照射下的RCS特征值。
目标特征库的输出包含目标在轨迹上取样点上的位置、速度矢量、距离、距离门、窄带波形和宽带波形RCS等信息。
4 杂波数据库地杂波与雷达站点的选择、地形及雷达工作参数有关。
雷达站的地形用数字地形数据库和地表特征数据库来描述。
数字地形数据库以栅格形式记录地形的高程,地表特征数据库记录地表的植被情况和障碍物特征(如树、建筑、塔等)。
有关地形描述见参考文献[2]。
对于障碍物(如树、建筑、塔等)杂波源,杂波的RCS可以表示成=42A2f!id i∀i(1)式中:A f为电磁波垂直照射障碍物的面积;d i、∀i分别为第i种散射体的密度和反射系数。
对于粗糙表面后向散射杂波,RCS可以表示成= 0A c(2)雷达接收的地杂波是多径传播、绕射、折射几个方面的综合效果[3]。
在仅考虑多径传输的条件下,雷达杂波的单向波瓣因子损耗为F2=|f(#d)+!if(#i)∀i e j2 ∃Li|2(3)式中:f(#)为天线波瓣因子;∃L i为第i个反射面直射波与反射波的路径差。
反射系数∀为∀=∀0∀r(4)式中:∀0为Fresnel反射系数;∀r为粗糙表面的散射系数,可以表示为∀r=e-2(2 h si n%)2(5)式中: h为表面高度起伏的方差;%为下视角;为波长。
气象杂波主要是云、雨/雪杂波,气象杂波的RCS 与单位体积的反射截面和雷达照射杂波的体积有关。
杂波数据库记录各种典型雷达每个雷达距离单元杂波的RCS及起伏特性,可按雷达工作参数检索备用。
5 干扰数据库雷达干扰主要包括宽带噪声干扰和欺骗干扰。
对宽带噪声干扰,需要输入宽带噪声干扰的功率和带宽,(下转第67页)57第11期蒋德富,等:雷达系统的实时数字仿真方法射波和反射波的叠加来进行幅度均衡,实现了对中心频率为720MHz,带宽500MHz 的遥感卫星中频信号进行频域均衡。
给出的公式对工程运用具有指导作用,产品已投入实际运用,满足系统要求。
其中心频率为720MHz,带宽超过500MHz,它具备以下特点:a.电路简单;b.均衡斜率可调,可实现正、负斜率调整;c.均衡线性较好;d.较好的输入输出匹配。
参 考 文 献1 袁 刚,江 涛.差模跟踪技术的应用.现代雷达,2004,26(1):49~522 曹志刚,钱亚生.现代通信原理.北京:清华大学出版社,19923 Collin R E.Foundation for microwave eng i neering.M cGraw Hill,19664 吴明英,毛秀华.微波技术.西安:西北电讯工程学院出版社,1985江 涛 男,1969年出生,工程师,毕业于南京理工大学。
现主要从事接收技术的研究,为在读工程硕士。
吴桂生 男,副教授,1990年毕业于西安电子科技大学,获工学硕士学位,目前主要从事雷达信号处理研究工作,主持科研项目20余项。
(上接第57页)干扰机的位置参数,雷达站的参数,计算干扰信号随距离变化的时间序列,存入干扰数据库;对欺骗式脉冲干扰,可以是单独的距离欺骗、角度欺骗或速度欺骗,也可以是三者的组合,在输入欺骗干扰的功率、欺骗的规律以及被保护的对象(目标)、雷达的参数后,计算干扰信号随距离变化的时间序列,存入干扰数据库。
6 雷达回波产生数据处理向回波产生模块发送指令,指定雷达的工作方式(搜索、确认、跟踪等)、波形参数、波束指向、天线位置、接收波门的起始和终止位置等,雷达回波产生模块,根据这些指令参数,从目标特征库、杂波库、干扰库中,提取目标、杂波、干扰的参数信息,计算目标、杂波和干扰随距离变化的信号幅度、相位,按照雷达的和差波瓣图,计算目标、杂波、干扰进入和、方位差、俯仰差接收机的信号幅相和距离。
回波产生模块还可以仿真天馈线、伺服、波控等的状态信息,通过专用接口送给数据处理。
7 数字波形产生数字波形产生模块,接收数据处理的工作方式(搜索、确认、跟踪等)、波形参数、接收波门的起始和终止位置等指令,对和、方位差、俯仰差信号按工作方式进行放大处理,产生送信号处理处理的I 、Q 视频数据。
数字波形产生模块可以将接收机的状态信息,通过接收机与数据处理的接口,送数据处理。
8 结 论采用建立数据库和雷达数字模型的方法,对雷达系统进行实时数字仿真是现代雷达系统设计先进而有效的技术手段。
依据文中表述的雷达系统数字仿真平台正在建设中。
由于目标及电磁环境的复杂性以及雷达体制的多样性,需要不断地修改完善数据库,建立和完善雷达的数字模型,通过建模和实验分析,不断迭代完善数字仿真方法。
参 考 文 献1 Crispin J W,Maffett A L.Radar cross section es timation for simpleshapes.IEEE Proc.1965,53(18):833~8482 Bassem Mahafza,Stephen Welstead ,et al.Rea time radar si gnal si mulation for the ground based radar for national missile defense.IEEE National Radar Conference,19983 Hellard D Le,Henry J Ph,Agnesina E,et al.Ground clutter sim ulation for surface based radars.IEEE National Radar Conference,1995蒋德富 1963年生,1993年3月获东南大学通信与电子系统专业硕士学位。