單脈沖跟蹤雷達對掠海飛行目標跟蹤仿真

周紅峰，王曉楠

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

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單脈沖跟蹤雷達對掠海飛行目標跟蹤仿真

周紅峰，王曉楠

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

介紹了單脈沖跟蹤雷達對掠海飛行目標的閉環(huán)跟蹤仿真方法，建立了比幅單脈沖體制下的雷達多路徑誤差、雷達接收處理及雷達伺服跟蹤系統(tǒng)等模型，分析了理論計算和閉環(huán)仿真的結果。

單脈沖跟蹤雷達；掠海目標；閉環(huán)跟蹤仿真

0 引 言

近年來,隨著計算機仿真技術以及雷達技術的發(fā)展，雷達系統(tǒng)設計從理論模型計算向真實作戰(zhàn)環(huán)境數字仿真、數字試驗方向發(fā)展。原有的主要依靠理論計算、經驗積累的雷達設計研制過程已經向全數字化真實作戰(zhàn)背景下的雷達系統(tǒng)功能、性能仿真設計方向發(fā)展。在設計時就能夠仿真獲得裝備在真實作戰(zhàn)環(huán)境中的效能。

對于艦載跟蹤雷達，多路徑效應的影響是雷達在設計跟蹤掠海飛行目標功能時需重點解決的問題。多路徑效應對跟蹤雷達的影響主要表現在兩方面：一方面多路徑效應會引起雷達回波信號的衰弱，導致信噪比降低，甚至出現盲區(qū)，影響雷達對目標的檢測；另一方面多路徑效應會引起雷達在仰角上的跟蹤誤差，影響對目標的跟蹤精度，甚至會導致跟蹤目標丟失。

本文根據雷達技術發(fā)展需求，以跟蹤雷達在多路徑條件下跟蹤掠海飛行目標的過程為研究對象，研究并建立跟蹤雷達接收信號處理、伺服系統(tǒng)等模型組成的跟蹤雷達模型以及多路徑環(huán)境條件模型，同時進行了相關的數字仿真試驗，給出了相關數字試驗結果。

1 多路徑效應數字模型

多路徑效應是由于在雷達探測目標過程中，電磁波傳播的直射路徑和反射路徑合成引起的目標檢測和跟蹤問題。這種反射主要指海面或地面對雷達波的反射。在海用背景下，雷達探測低空及掠海飛行目標時多路徑效應尤其顯著，也最具代表性。多路徑效應與雷達的架高、目標高度、目標距離、雷達的頻率、雷達波束寬度、海面反射系數、電磁波極化、雷達波束指向等因素都有關系。

在研究多路徑效應時，通常采用幾何光學的方法以減少復雜的電磁場計算。根據應用的精度要求不同可采用平面反射模型和球面反射模型。平面反射模型相對簡單，波程差計算量小，球面反射模型復雜，精度較高但計算量比較大。本文在仿真過程中采用的是精度較高的球面反射模型。2種反射模型如下：

(1) 多路徑平面反射模型[1]

圖1是多路徑平面反射模型，圖中天線高度為hr，目標高度為ht，直接路徑為Rd，反射路徑為R1和R2，直接路徑的仰角為θd，反射路徑仰角為θr，入射余角為ψ，在此平面反射模型下直接路徑與反射路徑的波程差為：

(1)

(2) 多路徑球面反射模型[1]

圖2是多路徑球面反射模型。當反射點距離雷達較遠時，雷達所在水平面與反射點所在的水平面角度相差比較大，平面反射模型將會帶來比較大的誤差。球面反射比平面反射復雜，要獲得直接路徑和反射路徑的波程差，可以先采用中間變量法，解相關方程，獲取反射點的位置后，再通過相關幾何關系計算出直接路徑和反射路徑的波程差。波程差計算公式如下：

(2)

2 雷達接收處理模型

雷達接收處理模型主要完成雷達目標回波的產生。此部分按照比幅單脈沖天線接收原理，模擬雷達接收機功能，并對目標和差回波進行信號處理和數據處理。為了簡化仿真模型，本文采用中頻信號仿真。

2.1 雷達接收機

雷達接收機模型主要實現單脈沖雷達不同通道的中頻回波信號的產生，并經過適當調理提供給信號處理模型。

雷達中頻回波模型要根據雷達方程，確定電磁波傳播衰減、雷達天線增益、雷達發(fā)射功率、目標雷達截面(RCS)、目標距離等條件計算雷達回波功率。根據多路徑條件下比幅單脈沖雷達的特點，在計算過程中增加多路徑因素引起的回波功率變化模型以及雷達差路信號產生模型。下面主要介紹與多路徑相關的回波模擬。

當目標距離雷達足夠遠，直達路徑與反射路徑夾角比較小的時候，可以認為在雷達處不同路徑回波平行，合成的電磁波場強可寫為：

(3)

式中：E0為合成的信號場強；E1為直射路徑的場強；E2為反射路徑的場強；θ為反射引起的附加相位角。

雷達俯仰差路回波信號要符合比幅單脈沖雷達的測角原理，即產生的和路及差路信號的大小以及相位與目標偏離天線法線方向相關。具體可以采用真實的實測雷達天線方向圖或者自定義的標準函數曲線來模擬單脈沖雷達信號的幅度和相位關系，即根據差方向圖與和方向圖的關系調制信號的幅度，根據誤差方向確定差信號與和信號為同相或反相。圖3為典型的單脈沖雷達和路及差路方向圖[2]。

雷達回波要反映目標的位置信息以及帶來的回波多普勒頻率變化。目標的位置變化通過調整雷達回波模擬的時延實現。和路和差路多普勒信息可以調制在中頻雷達回波信號上。這里要注意時延和多普勒頻率的相關性。相關公式如下：

t=2R/c

(4)

fd=2V/λ

(5)

Fr=Ft+fd

(6)

式中:t為目標回波相對于雷達發(fā)射脈沖的延時;R為目標與雷達之間的斜距;c為光速;fd為目標的多普勒頻率;V為目標的徑向速度；λ為雷達發(fā)射的載頻；Fr為雷達回波頻率；Ft為雷達發(fā)射頻率。

回波多普勒頻率可以通過回波載頻的頻偏模擬。

2.2 信號處理

雷達采用超外差接收機形式，將射頻信號變?yōu)檎瓗е蓄l信號。信號處理采用中頻采樣數字下變頻技術，獲得數字IQ視頻信號；然后進入到動目標檢測器(MTD)進行動目標處理，經恒虛警率(CFAR)處理后檢測出目標；對目標進行距離跟蹤以及進行不同通道間的角誤差計算處理，得到目標偏離天線法線方向的角誤差信號。

3 雷達伺服系統(tǒng)模型

常規(guī)體制跟蹤雷達一般采用方位俯仰兩軸叉架形式。在方位及俯仰上分別具有一套伺服控制系統(tǒng)，控制方位及俯仰運動。

對于高精度的跟蹤雷達，為了解決穩(wěn)定、高精度、動態(tài)精度等問題，通常采用準二型伺服系統(tǒng)[3]。也就是采用了速度順饋形式的一型系統(tǒng)，減少在速度跟蹤條件下的雷達誤差。典型跟蹤雷達伺服系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

4 仿真總體框架

單脈沖跟蹤雷達對掠海目標仿真的總體框架要實現模擬掠海飛行航路上目標的軌跡和回波，模擬海面多路徑效應作用在比幅單脈沖跟蹤雷達時對信號衰減、仰角角度偏差現象，模擬雷達信號處理、角度偏差提取過程，模擬多路徑條件下誤差信號對閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)的作用。

本仿真系統(tǒng)建立在Matlab Simulink環(huán)境下，仿真框架如圖5所示。其中Pulse模塊產生雷達的調制脈沖，Target Position模塊產生目標的航跡，Multipath模塊完成多路徑效應計算，并根據比幅單脈沖雷達天線模型產生角誤差，模塊產生中頻雷達和差信號，Radar Reciver模擬雷達中頻接收機，Radar Processor模擬雷達信號處理和數據處理，Radar Survo模塊模擬雷達伺服系統(tǒng)。

在雷達發(fā)射調制脈沖模塊產生的脈沖驅動下，Target Position模塊產生目標位置信息，目標位置信息發(fā)送給多路徑模型,計算多路徑條件下的雷達和路及差路信號幅度及相位，該信號激勵雷達回波產生模塊Radar Echo產生雷達中頻信號，送到Radar Reciver模塊經過濾波、放大等處理后，將信號送入雷達信號處理和數據處理模塊進行處理，得到目標的角度誤差信息后送入Radar Survo雷達伺服系統(tǒng)模擬模塊，伺服系統(tǒng)輸出雷達天線指向信息到Multipath模塊完成閉環(huán)，通過該模擬回路模擬雷達在多路徑條件下對掠海目標的閉環(huán)跟蹤。

由于雷達重頻與伺服系統(tǒng)的數字頻率之間不同，同時考慮處理延時問題，在仿真中采用采樣保持異步對齊的方法，使信號處理送給伺服系統(tǒng)的誤差時間滿足伺服系統(tǒng)仿真的要求。

5 綜合仿真結果

為了進行對比，在Matlab環(huán)境下進行了理論計算和閉環(huán)仿真試驗。

理論計算模型中，假設雷達天線法線指向目標，在球面反射模型下，計算雷達回波的信噪比和雷達測量的仰角誤差曲線。其中仰角誤差為設定雷達天線法線始終指向目標時，雷達和差比較器模型輸出的雷達仰角探測理論誤差。

圖6是雷達架高10 m條件下對不同高度掠海目標跟蹤的信噪比變化曲線。

圖7是雷達架高10 m條件下對不同高度掠海目標跟蹤的角誤差變化曲線。

從圖6和圖7中可以看出，雷達信噪比、誤差都具有距離維逐漸拉長、周期性變化的特點。

為了有對比性，閉環(huán)模擬仿真延續(xù)上述2種條件。多路徑效應主要影響仰角精度，為了簡化，系統(tǒng)模型僅仿真和路與仰角差路信號，同時設計目標航路為徑向靠近雷達，伺服系統(tǒng)只模擬仰角部分。

在這種條件下，雷達的法線方向會在伺服系統(tǒng)模型控制下隨多路徑誤差信號進行上下擺動，雷達的仰角偏差為目標真實位置與雷達法線之間的角度差，具體偏差定義如下：

E=Ea-Et

(7)

式中：Ea為雷達天線法線仰角；Et為目標真實仰角。

不同高度目標閉環(huán)仿真誤差曲線如圖8所示。

從數字動態(tài)仿真模型結果可以看出，閉環(huán)動態(tài)的跟蹤偏差曲線與靜態(tài)的理論誤差計算曲線形狀相似，在誤差變化距離位置變化方向主體相同，但誤差曲線細節(jié)有所不同。遠距離時，動態(tài)誤差曲線與理論模型差別大，主要原因是在遠距離目標信噪比低同時有距離盲區(qū)的影響。在動態(tài)誤差曲線下部有向下的尖峰出現，理論計算誤差圖則沒有該情況，這主要是伺服系統(tǒng)響應帶來的影響。

6 結束語

本文給出了多路徑條件下單脈沖火控雷達對掠海飛行目標閉環(huán)跟蹤仿真的方法和實例，該方法能夠有效地支持跟蹤雷達對掠海飛行目標探測跟蹤的研究，反映真實的多路徑條件下目標跟蹤的基本特點，支持在缺少真實飛行試驗條件下進行雷達抗多路徑效應研究。由于不同跟蹤雷達的技術參數不同，信號數據處理、伺服系統(tǒng)也有差別，需要針對具體的雷達進行針對性的建模。雷達采用頻率捷變模式可以改善多路徑條件下的角跟蹤性能，本系統(tǒng)可以在仿真時利用捷變頻下的頻率點、目標位置等輸入參數，動態(tài)產生理論誤差值，代入到仿真框架中， 可以仿真捷變頻條件下的雷達多路徑跟蹤過程。另外多路徑影響比較嚴重的是低海情條件下，所以模型中沒有考慮海雜波的影響。

后續(xù)可以通過在雷達回波產生模塊中增加相對應海情的雜波模擬功能，進一步優(yōu)化和改進仿真模型。

[1] SKOLNIK M I.雷達手冊[M].王軍譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[3] 李連升.雷達伺服系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1983.

TrackingSimulationofMono-pulseTrackingRadartoSkimmingTarget

ZHOU Hong-feng，WANG Xiao-nan
(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces the colsed-loop tracking simulation method of mono-pulse tracking radar to skimming target,sets up the models of radar multi-path error,radar receiving and processing,radar servo tracking system,etc.under the condition of amplitude comparison mono-pulse system,analyzes the results of theory calculation and colsed-loop simulation.

mono-pulse tracking radar;skimming target;closed-loop tracking simulation

2017-03-16

TN959.6

：A

：CN32-1413(2017)03-0017-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.004