雷達訓練系統目標回波信號模擬方法研究

龍康君 孟路穩 周 沫 張潤哲

(1.4801工廠汕頭修船廠監修室 汕頭 515011)(2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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雷達訓練系統目標回波信號模擬方法研究

龍康君1孟路穩2周 沫2張潤哲2

(1.4801工廠汕頭修船廠監修室 汕頭 515011)(2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

對光學區擴展目標的散射特性進行分析,建立了基于多散射中心及線性調頻體制寬帶雷達的目標回波模型,同時給出了雷達回波數據的存儲模型及處理方法。在此基礎上對擴展目標作徑向和非徑向勻速直線運動兩種情況下的回波信號進行模擬仿真為驗證回波模型的正確性,對仿真的回波數據分別進行脈沖壓縮和多普勒處理,得出的目標的一維距離像和速度維正確地反映出目標特征,表明模型可行有效,為后續的目標特征提取、目標識別奠定了基礎。

雷達訓練系統; 回波模擬; 線性調頻信號; 多散射中心

Class Number TN955

1 引言

為了使雷達操作手能夠快速地適應和更好地使用裝備,需要對雷達操作手的雷達使用技能進行培養和訓練,然而在訓練中若只使用實際裝備,將會帶來很大的經費消耗,甚至引起敵方的監視;同時外場實測目標回波數據代價較高,而且實測環境中電磁干擾等各種因素的影響使得每一次的測量結果都不相同,從而引起每一次的的測量結果都不具代表性,為雷達操作手的訓練帶來了很大的困難[1]。而雷達模擬訓練系統可有效地解決上述問題,雷達模擬訓練系統具有安全、可控、經濟、無風險、可重復操作、不受場地、環境限制等優勢。故對雷達訓練系統目標回波信號模擬方法的研究具有重要的價值[2～3]。

鑒于此,本文對雷達模擬訓練系統的目標回波模擬方法進行分析研究。首先建立了擴展目標的回波模型,然后給出了回波數據的存儲模型及數據的處理方法,進而對作徑向和非徑向勻速直線運動兩種情況下的目標回波信號進行仿真模擬,并對仿真的回波數據進行處理,提取出了目標的一維距離像以及運動速度,最后對仿真結果進行分析,結果表明所建模型及處理方法的有效性和可行性。

2 擴展目標回波模型

線性調頻(LFM)信號是目前寬帶雷達設計中被普遍采用的調制方式,研究LFM的目標回波信號模型對LFM雷達系統設計非常重要。下面對LFM雷達的回波信號進行分析研究。

雷達發射的線性調頻信號[4]可表示為

(1)

而對于雷達目標回波信號,若雷達工作在光學區,此時目標的尺寸遠大于波長,目標不能再被當作點目標進行處理,而是等效為多散射中心進行處理[5]。并且由于脈沖寬度多在微妙級,并且目標的宏觀運動速度相對光速是可以忽略不計的,其在脈沖寬度內的狀態變化基本不變,故可引入準靜態技術[6]的思想,在脈沖寬度內,把目標看作勻速直線運動,即認為其處于平衡狀態,而整個脈沖串是由一系列接替的平衡狀態組成。現假設目標有M個散射中心組成,且在第一個脈沖開始時刻的徑向速度為vr。考慮脈內運動對回波的影響,則可得第一個脈沖經目標反射得到的回波信號[7]為

·exp[j2π((f0+fD)(t-τi0)+1/2k(t-τi0)2)]

(2)

式(2)為第一個脈沖的反射回波,而對于整個脈沖串,只需求出每個脈沖開始時刻對應的徑向距離和多普勒頻率,與式(2)類似,則可得到整個脈沖串的回波信號。

3 回波數據的存儲和處理

雷達接收機對接收到的回波信號高速采樣,隨后將采樣后的數據儲存起來,存儲的數據可以表示成數據矩陣y[l,m]的形式。圖1給出了脈沖雷達對采集數據存儲模型。如圖1所示,給定行中所存儲的采樣數據之間的間隔是脈沖重復間隔T,給定列中所存儲的采樣數據之間的間隔是距離采樣單元l,而每一單元格中所存儲的雷達采樣數據即是回波的同相(I)和正交(Q)分量。因為給定行中連續列的數據采樣間隔與給定列中連續行的數據采樣間隔往往相差很大,故通常將y[l,m]的l維(圖1中的豎直方向)稱為快時間,而將水平方向的m維稱為慢時間。雷達接收機對回波信號的處理的過程就是在多種數據維上對數據塊中的一維子向量或二維子矩陣進行處理運算的過程[8]。對快時間域(即距離維)的數據序列進行脈沖壓縮處理即可得到探測目標的一維距離像,并且脈沖壓縮可以對每個脈沖或接收信道的各個距離向量獨立地進行。脈沖多普勒處理是對每一個距離單元內的慢時間數據序列的一個譜分析,而離散傅里葉變換是最常用的譜分析方法。對慢時間域(即脈沖數維)的數據序列進行離散傅里葉變換則能得到多普勒維,從而經過轉換得到探測目標的運動速度。

圖1 數據的存儲模型

4 仿真結果與分析

當雷達發射信號為寬帶信號時,其分辨單元比較小,像飛機、導彈、艦船等目標的尺寸往往大于雷達的分辨單元,此時就不能把目標當作點目標進行處理,此時可以將目標的散射特性由其等效多散射中心近似表示,文獻[9～11]中已經給出了提取目標散射中心的相關理論和技術,由于此內容不是本文的研究重點,所以本文在用到目標的多散射中心點時,只是根據多散射中心理論做相應的假設,并且每一個散射中心點與其他散射中心點無關而相互獨立不存在相互間的多次反射。由于LFM雷達脈沖寬度多在微妙級,其它大多數的宏觀運動形式都可以在脈沖寬度內等效為勻速直線運動,所以下面只對目標作勻速直線運動進行分析討論,并將勻速直線運動分為徑向運動和非徑向運動兩種情況。

情景1:擴展目標作徑向勻速直線運動

假設探測目標作勻速直線運動向雷達靠近,其徑向速度v=800m/s,目標的幾何形體為一細長體,從目標中提取的多散射點呈線性分布。其散射中心數為7,各散射中心的空間分布如圖2所示。其中第一個散射點與雷達的距離為50.8km。并且以此散射點作為目標的相位參考點。

圖2 散射中心的空間分布

如圖2所示,各散射中心的散射強度由左至右分別為0.3、0.5、0.8、0.6、1、0.85、0.75,線性調頻雷達的參數設置為f0=1GHz,τp=60μs,T=1ms,B=60MHz。

結合推導的理論公式以及設置的參數,可得發射信號的波形圖、目標的回波信號波形如圖3所示。

圖3 發射信號及目標的回波信號波形圖

從圖3中可以看出發射信號經過擴展目標的調制,其波形發生了很大的畸變。各個散射中心的回波相互重疊,互相影響,在時間上的間隔不能分辨出目標的各個散射中心。下面再對仿真得到的擴展目標回波數據分別在快時間維和慢時間維作脈沖壓縮和離散傅里葉變換處理,得到的效果圖如圖4所示。

從圖4可以看出,經過脈壓處理后,目標的各個散射中心點能被分辨出來,效果圖中出現了與之數目相等的峰值點。圖5是放大后的目標一維距離像,從圖中可以看出各個峰值點所對應的徑向距離分別為50.01km、50.11km、50.20km、50.27km、50.30km、50.33km、50.40km,與圖2的目標散射中心分布情況基本一致,表明了仿真的目標回波包含著目標準確的徑向距離信息,并且峰值點的幅度信息也能很好地反應目標散射中心的散射強度。同時還可以看出,經過多普勒處理后得到的目標運動速度為800m/s,與設置的目標運動速度一致,從仿真的回波信號中能較好地提取出目標的速度信息。這在一定程度上驗證了仿真回波的準確性。

圖4 目標回波信號的距離維和速度維

圖5 放大后的目標一維距離像

情景2:擴展目標作非徑向勻速直線運動

若此目標做非徑向的勻速直線運動,則其相對雷達的徑向速度不再是恒定不變,而是時刻在變化。假設雷達位于坐標原點,其參數與上述此目標作徑向直線運動時一樣。目標的運動參數設置如表1所示。

表1 目標的運動參數數值表

根據第2節給出的目標回波模型,結合上述設定的雷達參數和目標運動參數,圖6給出了目標回波仿真圖以及回波數據經過脈沖壓縮后的目標一維距離像。由圖6中可以看出目標一維距離像的輪廓沒有發生變化,與徑向運動時(圖6所示)一致;但圖6中各個峰值點的相對距離發生了同等比例的縮短,并且從圖中可以看出峰值點的相對距離大致縮短了0.5。這不難給出解釋:由于目標作非徑向的直線運動,根據運動參數容易求得初始時刻目標縱對稱軸與雷達照射目標視線之間的夾角余弦為0.5077,并且目標的一維距離像是目標多散射中心在徑向上的投影,所以與徑向運動相比仿真圖6中出現了各峰值點之間的相對距離縮短了0.5077的情況。此外初始時刻目標相對雷達的距離為49.244km,與設置參數吻合得很好。

圖6 目標回波信號與一維距離像

圖7 回波幅度的變化圖

為了顯示目標徑向運動和非徑向運動對雷達回波的影響,圖7給出了目標在徑向運動和非徑向運動兩種情況下目標整體的回波信號在每個脈沖周期內幅度信息。對于非徑向運動,由于目標的非徑向運動,則隨著脈沖周期數的增加,雷達照射目標的視線角一直在變化,從而造成目標各散射中心之間的電間距時刻變化,以至于目標整體的回波信號幅度隨著變化。而對于徑向運動的情況,雷達照射目標的視線角始終不變,目標各散射中心之間的電間距同樣不變,則目標整體的回波信號幅度也不會變化。上述理論分析與仿真圖7中的效果一致,說明了仿真的有效性和可行性。

5 結語

本文基于多散射中心對LFM體制雷達的擴展目標回波信號進行建模、仿真,并對仿真回波數據的存儲和處理進行分析,回波數據的處理結果成功復現了目標的距離像和速度維,驗證了文中模型與處理方式的正確性和有效性,為雷達訓練系統目標回波信號模擬模塊提供了理論基礎。

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Target Echo Signal Simulation Method of Radar Training System

LONG Kangjun1MENG Luwen2ZHOU Mo2ZHANG Runzhe2

(1. Shantou Shipyard of 4801 Factory, Shantou 515011) (2. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In the paper, the scattering properties of extended targets of Optical zone were analyzed, the LFM radar echo model based on multi-scattering centers was established and the storage model and approach of echo data was also given. On the basis, extended target echo signal for radial and non-radial uniform linear motion in both cases was generated. The simulated echo data was processed by pulse-compression and Doppler processing to verify the validity of echo models. The result finally reflected the characteristics of targets and thus the model was feasible and effective and laid the foundation for future target feature extraction and object recognition.

radar training system, echo simulation, LFM, multi-scattering centers

2015年1月20日,

2015年2月25日 作者簡介:龍康君,男,工程師,研究方向:雷達工程。孟路穩,男,碩士研究生,研究方向:雷達信號與信息處理。周沫,男,副教授,碩士生導師,研究方向:雷達信號處理和雷達工程。張潤哲,男,碩士研究生,研究方向:雷達干擾仿真。

TN955

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.028