一種海上測量雷達的海雜波模擬技術(shù)及實現(xiàn)＊

喬鐵英 楊海清

（海軍91351部隊 葫蘆島 125106）

1 引言

對于布設在艦船和海洋沿岸的測量雷達，其測量跟蹤的目標大多處在海洋背景，海雜波的影響給雷達捕獲與跟蹤造成極大困難。為克服海雜波對雷達捕獲跟蹤的影響，就首先要對海雜波的性能與特性進行分析，通過研究模擬設計海雜波產(chǎn)生技術(shù)，設計實現(xiàn)一套能夠模擬海雜波背景的雷達模擬器，為雷達抗海雜波技術(shù)研究提供技術(shù)基礎。

2 海雜波特性分析

海雜波是表面分布過程［1～2］，若假設覆蓋區(qū)是矩形區(qū)域，則由雷達方程推導出實際雷達截面積σc和歸一化雷達截面積σ0的關(guān)系為

設雷達天線波束寬度為B，矩形脈沖寬度為τ，入射余角為θ，觀測海表面的距離為R，則在波束寬度有限的條件下Af為

而當脈沖寬度有限時Af為

歸一化雜波后向散射截面積即雜波后向散射系數(shù)σ0與海況、極化、波長、入射角有密切的關(guān)系，海雜波散射系數(shù)近似模型為

式中：ss為海情級數(shù)（1～5級）；φ為擦地角或入射余弦角；β＝（2.44（ss＋1）1.08）57.29，單位是rad滿足：

其中：θc＝arcsin（λ／4πhe）；he≈0.025＋0.04ss1.72，單位：m。

圖1為不同海情下模擬仿真海雜波系數(shù)隨入射余弦角變化趨勢圖。

圖1 模擬仿真海雜波系數(shù)圖

3 雷達海雜波模擬

常用的雷達雜波分布模型有Rayleigh分布［3］、Log－normal分布［4］、Weibull分布［5～6］和 K 分布［7～8］。本文采用Weibull分布和相參K分布。

3.1 相參 Weibull分布［5～6］

式中，ρ為形狀參數(shù)，表示分布的傾斜度；γm為尺度參數(shù)，表示分布的中位數(shù)。

3.2 相參 K 分布［7～8］

式中，υ為形狀參數(shù)，υ越小，分布的不對稱性越明顯，與瑞利分布的偏差越大。υ一般在0.1～10之間變化；當υ＝∞時，為瑞利分布。

α為尺度參數(shù)，僅與雜波的平均值有關(guān)；

W＝x＋jy為一相關(guān)復高斯序列，將其與平穩(wěn)隨機序列S（均方根為1）相乘得到復K分布隨機變量Z＝u＋jυ，其中S服從歸一化的χ分布，其概率密度函數(shù)為

海上測量雷達有寬脈沖和脈沖串兩種工作方式［5］。根據(jù)上述幾種雜波分布模型的特點，對于高分辨率雷達小波束入射角情形，采用Weibull分布和K分布。K分布能較好擬合海雜波數(shù)據(jù)的幅度起伏特性，但是由于無法找到雜波非線性變換前后相關(guān)函數(shù)的非線性關(guān)系，只能采用SIRP法進行模擬，但SIRP法計算量非常大，且不易形成快速算法。因此，對于海上測量雷達，寬脈沖工作方式時采用基于ZMNL方法的Weibull雜波分布模型模擬方法，脈沖串工作方式時采用基于SIRP法的K分布模型雜波模擬方法，能夠較好的實現(xiàn)海上測量雷達的雜波模擬要求。

4 雷達雜波模擬器設計與實現(xiàn)

4.1 硬件設計

圖2為模擬器總體設計框圖，包括控制計算機、中頻目標信號支路、視頻目標信號支路、雜波信號支路等。

圖2 雷達模擬器總體設計框圖

1）控制計算機

采用分布式控制結(jié)構(gòu)，嵌入式計算機通過三塊控制接口板連接到中視頻信號產(chǎn)生支路。每塊控制接口板由一片PCI控制器、一片F(xiàn)PGA芯片和一組驅(qū)動芯片組組成，每個信號支路作為控制接口板的局部總線設備，均可以被嵌入式計算機通過PCI總線控制器直接訪問到。

2）中頻目標信號支路和中頻多路徑反射信號支路

中頻目標信號支路和中頻多路徑反射信號支路硬件結(jié)構(gòu)相同，包括八個信號產(chǎn)生單元，每個信號產(chǎn)生單元具有相同的結(jié)構(gòu)如圖3所示。中頻目標信號支路產(chǎn)生嵌入式計算機調(diào)度分配給本支路的多個中頻信號。中頻多路徑反射信號支路模擬產(chǎn)生二次多路徑反射的中頻信號。

圖3 中頻信號產(chǎn)生單元實現(xiàn)框圖

3）視頻目標信號支路和視頻目標多路徑反射信號支路

視頻目標信號支路和視頻目標多路徑反射信號支路共六個信號產(chǎn)生單元（圖4），具有完全相同的硬件結(jié)構(gòu)。信號產(chǎn)生單元采用“雙DSP＋FIFO＋雙口RAM的結(jié)構(gòu)方式，DSP是整個模塊單元的處理和控制中心，DSP通過雙口RAM接收控制計算機發(fā)送過來的控制命令和相應的參數(shù)，提前一個雷達脈沖重復周期來計算包絡波形，輸出結(jié)果存于FIFO中，在時延脈沖到來時讀取至DAC，最終生成視頻雷達目標回波信號。

圖4 視頻信號產(chǎn)生單元實現(xiàn)框圖

4）雜波信號支路

雜波信號支路設計采用預處理和實時處理相結(jié)合的辦法。主要工作是：

（1）根據(jù)設置的雜波形式和雜波參數(shù)，由支路DSP產(chǎn)生視頻雜波，并完成幅度調(diào)整和相位調(diào)整量的計算；

（2）由支路DSP完成對DDS、幅度衰減器的控制，產(chǎn)生頻率、幅度、相位滿足要求的連續(xù)中頻信號；

（3）用視頻雜波調(diào)制連續(xù)中頻信號，產(chǎn)生一定距離段上的中頻雜波信號；

（4）將視頻雜波輸出，用以和視頻目標信號合成。

4.2 軟件設計

雷達動目標模擬器軟件設計主要完成雜波信號模擬，包括控制計算機完成的雜波參數(shù)設置軟件和DSP完成的雜波實時調(diào)度輸出軟件。

1）控制計算機雜波參數(shù)設置軟件

雜波參數(shù)設置軟件采用面向?qū)ο蠓椒ㄔO計，雜波參數(shù)設置包括雜波類型、雜波頻譜、雜波區(qū)域、雜波分布等雜波相關(guān)參數(shù)以及雷達平臺、雷達發(fā)射頻率、雷達發(fā)射波形等雷達相關(guān)參數(shù)。其示意圖如圖5所示。

圖5 雜波主要參數(shù)設置

2）數(shù)字信號處理（DSP）軟件

DSP軟件擔負著與嵌入式計算機通信、計算目標回波信號的參數(shù)、生成配置DDS的數(shù)據(jù)、以及計算信號衰減等任務。

圖6 波形計算子函數(shù)的程序流程

中頻支路DSP的主程序主要完成的任務是：數(shù)據(jù)初始化、目標數(shù)據(jù)接收、判斷條件以調(diào)用不同程序模塊、判斷是否有中斷請求。針對不同的信號波形，編寫相應的子函數(shù)，在信號生成時，調(diào)用符合條件的子函數(shù)，以計算信號的各種參數(shù)。要描述一個回波信號，需要確定的因素有：信號幅度、角頻率以及相位。從這個原理出發(fā)，各波形子函數(shù)編寫的總體思路都是一樣的。圖6為波形計算子函數(shù)的程序流程。

5 結(jié)語

通過雷達海雜波特性分析和海雜波模擬技術(shù)研究，根據(jù)海上測量雷達工作方式以及低入射角和2～3級海情等使用特點，寬脈沖采用Weibull分布，脈沖串采用相參K分布，建立海雜波模擬數(shù)學模型，能夠較好的模擬真實背景下的海雜波。應用此數(shù)學模型進行雷達模擬器設計，滿足了海上測量雷達的相關(guān)需求，這在實踐中已得到成功應用。

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