一種新的雙基地MIMO雷達雜波模擬方法?

(電子科技大學電子工程學院,四川成都611731)

0 引言

現代戰場環境日益復雜,為了實現對多樣化目標進行探測和跟蹤,提高雷達的“四抗”能力,人們不斷地探索新的技術途徑[1]。MIMO技術的使用給雷達系統的性能突破帶來了新的契機[2],特別是與雙/多基地雷達體制完美地結合起來,彌補彼此的不足,在低空探測、反隱身、抗反輻射導彈等諸多方面表現出較大的優勢[3-4]。

受強地雜波影響,雷達對地面低空目標的探測性能受到很大限制。國內外對單基地雷達雜波建模的研究已較成熟,但對雙基地MIMO雷達的雜波特性卻少有研究。雙基地MIMO雷達發射相互正交的信號,同一雜波單元的回波信號形式不同,不同雜波單元回波信號形式也不同,而且等距離環為橢圓,在橢圓圓環上積分來計算雜波單元面積,求解雜波單元相對于雷達基地的角度,計算量很大。文獻[5]提出了一種將雜波單元近似地看作矩形的計算雜波單元面積的方法,但只在遠場適用;文獻[6]提出了一種將地面劃分為接收角、發射角、距離都不可分辨的雜波散射單元的方法,通過固定發射角變化量,由距離分辨率約束求取接收角變化量。但隨著接收角的增大,為了滿足距離分辨率約束,將導致接收角變化量變得很小,得到很多的雜波單元,運算量極大,不利于雜波仿真,并且在遠場處無論接收角變化量多小也無法滿足距離分辨率。

本文提出一種新的雜波單元劃分方法及預存儲的處理技術,在接收角和發射角掃描區域,將地面劃分為接收角、發射角都不可分辨的雜波單元,再由滿足距離分辨率的等距離環劃分得到所需的雜波單元;并通過預先劃分,采用結構體形式存儲數據的方法提高雜波仿真效率。本文的研究內容是研究雙基地MIMO雷達在雜波背景下檢測性能的前提,具有一定的實用價值。

1 雜波信號模型

雙基地MIMO雷達的發射通道數為M,接收通道數為N,則發射基帶信號為

基帶信號相互正交,則接收信號為

將雜波單元看作靜止的點目標,則其回波信號可表示為

單基相控陣雷達通道間發射信號一致:St1(t)=St2(t)=…=StM(t)=S(t);且等距離環上不同雜波單元回波的信號形式也相同,僅存在多普勒以及陣元間距引起的相位差,并且這種差異的統計特性服從特定的幾種分布,可以通過統計建模的方法模擬總的雜波回波。

雙基地MIMO雷達發射正交信號,在空間不能疊加,不同雜波單元回波信號形式不同,而且雙基地雷達等距離環為橢圓,難以通過積分的方式計算雜波,所以必須將地面劃分為發射角、接收角、距離都不可分辨的雜波單元,分別計算每個雜波單元的回波信號,然后通過矢量求和的方法得到總的雜波信號。

2 雜波單元劃分

雙基地雷達的左視區和右視區是對稱的,所以只需研究左視區即可。如圖1所示,建立直角坐標系,雙基地基線在x軸上,基線距離為L;θt為發射角,Δθt為發射角變化量,θr為接收角,Δθr為接收角變化量。

圖1 雙基地雷達雜波單元劃分

發射陣列的半功率波束寬度為

式中,θ0為發射波束指向,λ為波長,M為發射陣元數,dt為發射陣元間距。為了保證雜波仿真的精度,在此發射角變化量保守地取:

同理接收角變化量取為

式中,N為接收陣元數,dr為接收陣元間距。最后再由滿足距離分辨率的等距離環完成劃分。

圖1中直線L1,L2,L3,L4的方程為

式中,L為基線距離,由4條直線方程求得A,B,C,D四點坐標為

等距離環距離間隔為

式中,c為光速,B為信號帶寬,β為雙基地角,β=π-θt-θr。易知A點到發射和接收基地的距離和dA最小,C點最大為dC,等距離環從A開始,C以內距離C最近的等距離環結束,等距離環的距離和:

則橢圓方程為

分為:1)A在橢圓內,B,C,D在橢圓外;2)A,B在橢圓內,C,D在橢圓外;3)A,D在橢圓內,B,C在橢圓外;4)A,B,D在橢圓內,C在橢圓外四種情況依次求出每個等距離環與四邊形ABCD的交點坐標。將所得的雜波單元近似地看作四邊形EFGH,假設四點坐標為E(xe,ye)、F(xf,yf)、G(xg,yg)、H(xh,yh), 則 四 邊 形EFGH面積為

求取四邊形EFGH的重心Z[6],進而得到雜波單元重心Z到收、發基地的距離Rr,Rt。

3 劃分預存儲技術

在每次雜波仿真過程中存在大量重復性計算,一般情況下,雜波單元的劃分及相關參數都是不變的,因此可以提前計算出這些參數并存儲為結構體的形式以供調用,進一步提高了仿真效率。

實際上,雙基地雷達發射站和接收站的陣元配置,即陣元個數和間距通常是不變;基線距離也是不變的。對于每個雜波單元,只要發射信號的波長和帶寬不變,則每次劃分出的雜波單元也是不變的,具有相同的雜波單元面積S,散射系數σ,發射角θtgtt,接收角θtgtr以及距離發射站和接收站的距離Rt,Rr。因此仿真雜波時不必每次都對雜波單元進行劃分,可以提前將所需參數:S,σ,Rt,Rr以不同的發射角θtgtt和接收角θtgtr為單元保存為結構體的形式。其中S存儲了四邊形ABCD被等距離環劃分后的各雜波單元的面積;Rr,Rt是對應的各雜波單元與收、發站的距離;σ由雙基地角決定,經過大量實測數據統計分析,其值如圖2所示。

圖2 平面外散射系數

仿真雜波時,只需要調取這些參數,由式(1)求得各個雜波單元的回波信號,通過矢量求和的方法得到總的雜波信號。同時,雜波單元劃分預存儲技術也方便了并行計算的編程,為更快地仿真雜波提供了操作空間。

4 仿真結果及分析

假設雙基地MIMO雷達收、發陣列為平行于基線放置的面陣,陣元數為16×16,陣元間距dt=dr=λ/2;發射陣劃分為1×16的子陣,每個子陣陣元為16×1,發射通道數M=16;接收陣劃分為4×4的子陣,每個子陣陣元為4×4,接收通道數N=16;基線長度為30 km;雜波地形為有房屋和樹林的郊區,雷達工作在C波段,頻率為5 300 MHz,雷達周期T=1 ms;發射功率為1 W,各發射陣元發射相互正交的步進頻線性調頻信號,頻率間隔ΔB=0.5 MHz,帶寬B=8 MHz,發射脈沖數為32,脈寬Tp=409.6μs。發射波束和接收波束指向θt=θr=45°,俯仰角φt=φr=5°。

按文獻[6]方法劃分出雜波單元,在不考慮回波信號幅度的情況下,在距離維畫出各雜波單元雙基地距離和R=Rr+Rt,即雜波脈壓后在距離維出現的位置,如圖3所示。可以看出,隨著雙基地距離和的增大,雜波單元在距離維不再連續,不滿足距離分辨率。新的雜波模擬方法得到的雜波單元滿足距離分辨率要求,如圖4所示。劃分雜波單元數n=685 764,采用劃分預存儲技術,在仿真雜波時避免了2n次解方程計算,以及22n次乘法計算。仿真時間從改進前的246 672 s提升為28 559 s,運用GPU(Graphic Processing Unit)的大規模并行計算能力可以更進一步減少仿真時間。

圖3 原劃分方法雜波單元距離分布

圖4 新劃分方法雜波單元距離分布

由于雜波單元實際是帶圓弧邊的不規則圖形,且忽略了部分小面積區域,所以雜波單元面積S的計算存在誤差,如圖5所示。從圖5可以看出,誤差在1.5%以內,是可以接受的。

圖5 不同角度的雜波單元面積誤差

圖6為雙基地MIMO雷達地雜波譜,雙基地基線距離為30 km,所以在0～30 km范圍內沒有雜波;在基線距離附近雜波信號幅度較大,是因為距離較近且散射系數也較大。圖7為陣列天線的方向圖,受方向圖調制、散射系數、相關性系數、匹配濾波旁瓣等多因素影響,不同距離單元的雜波信號幅度有所起伏,如圖8所示。圖9為地雜波的多普勒頻譜,僅存在微小的多普勒頻移,是地面植被搖曳、風速等造成的,這一特點很好地擬合了實際情況中的地雜波。

圖6 雙基地MIMO雷達地雜波譜

圖7 陣列天線方向圖

圖8 距離維MTD結果

圖9 雙基地MIMO雷達地雜波多普勒頻譜

5 結束語

本文提出了一種在發射角和接收角分辨率范圍內,通過滿足距離分辨率的等距離環將地面劃分為雷達不可分辨的雜波單元的方法以及雜波劃分預存儲的技術,極大地減少了雜波仿真運算量。通過仿真分析證明了該方法的有效性,最后分析了雙基地MIMO雷達雜波特性,有助于對雙基地MIMO雷達雜波抑制和雜波背景下目標檢測的研究。

[1]李均閣.雷達技術發展綜述及多功能相控陣雷達未來趨勢[J].甘肅科技,2012,28(18):19-22.

[2]何子述,韓春林,劉波.MIMO雷達概念及其技術特點分析[J].電子學報,2005,33(Z1):2441-2445.

[3]劉紅明,何子述,王榮海.一種基于MIMO技術的多基地防空雷達系統[C]∥信息產業部雷達網第十七屆年會,南京:南京電子技術研究所,2007.

[4]蔡茂鑫,舒其建,李勇華,等.MIMO雷達射頻隱身性能的評估[J].雷達科學與技術,2013,11(3):267-270.

[5]NICHOLA J W.雙基地雷達[M].張祖稷,吳曼青,等譯.合肥:機電部38所,1992:81-82.

[6]王占廣,劉紅明,李軍,等.雙基地MIMO雷達雜波建模與分析[J].現代雷達,2012,34(5):31-34.