基于副瓣注入的多方位目標模擬方法研究

(中國人民解放軍92941部隊93分隊,遼寧葫蘆島125001)

0 引言

現代艦載防空武器系統都具備攔截多目標的能力,艦載防空武器系統試驗時,必須考核系統攔截多目標的性能。為此,靶場必須具備多目標供靶能力。為武器系統試驗提供真實的多批空中靶標,不僅試驗成本提高,也給試驗組織實施帶來一定難度。為了解決這一問題,靶場研制了一種應答式射頻目標模擬器,能在同一方位上產生多批目標,一定程度上解決了靶場多目標供靶難題。但是,這種傳統的目標模擬器只能模擬同一方位上的目標,當需要考核武器系統多方位上的攔截性能時,就必須配置多個目標模擬器。本文研究了一種新方法,用該方法設計的應答式射頻模擬器可以模擬多方位上的多批目標,解決了武器系統多方位攔截能力考核中的多目標供靶難題。

1 副瓣注入多方位目標模擬方法的基本原理

1.1 傳統應答式射頻目標模擬器模擬目標的原理

應答式射頻目標模擬器模擬目標的原理是[1]:雷達和模擬器工作在能通視的條件下,雷達天線波束掃描到模擬器天線時,模擬器接收雷達的高頻輻射脈沖,經過放大、檢波、解調,得到模擬目標所需的雷達參數,以接收到的雷達脈沖前沿為同步脈沖,把需要模擬目標的距離、速度、RCS等信息調制到發射脈沖上,經延時放大后發射,供雷達接收,雷達就能收到具備特定信息的目標回波。

傳統的應答式射頻目標模擬器只能和雷達天線的主瓣進行射頻信號收發交聯,因此,只有當雷達天線主瓣對準模擬器時,模擬器才能完成目標的模擬,也就是模擬器只能在一個方位上模擬目標。

1.2 副瓣注入多方位目標模擬方法的基本原理

本文提出的新方法原理是:通過合理設計目標模擬器的參數,當雷達天線主瓣、副瓣掃過模擬器天線主瓣時,雷達和模擬器均能建立起正常的信號收發交聯,在雷達上顯示的是在模擬器為中心位置和模擬器左右方向相隔主副瓣夾角的3個目標,實現一個模擬器同時模擬多方位目標的目的。

1.2.1 實現副瓣注入多方位目標模擬的基本條件[2]

為了實現模擬器和雷達天線主副瓣之間射頻信號收發交聯,必須滿足下列條件:

1)雷達的動態范圍必須大于雷達的副瓣電平;

2)模擬器的動態范圍必須大于雷達的副瓣電平;

3)模擬器的發射功率滿足雷達主副瓣接收要求;

4)模擬器的接收機靈敏度必須滿足模擬器接收雷達主副瓣要求。

對于條件2)～4),可以通過設計模擬器指標來實現;對于被試雷達來說,技術指標已確定,是否滿足條件1),必須對其進行分析。

接收機動態范圍[3]定義為滿足接收機正常工作的最大輸入能量Lmax與最小輸入能量(接收機靈敏度)Lmin的比值,即

Lmin越小,表明接收機接收微弱信號的能力越好,雷達的作用距離就越遠;Lmax越大,表明接收機抗飽和能力越強;D越大,表明雷達接收機性能越好。雷達接收機放大信號范圍如圖1所示。

圖1 雷達接收機放大信號范圍

從圖1可以看出,只有當接收機輸入功率L滿足Lmin＜L＜Lmax時,接收機才可能以放大倍數K=L輸出/(Lmax-Lmin)對輸入信號進行線性放大,當輸入信號小于Lmin或大于Lmax時,接收機都不能正常工作。

也就是說,為了模擬器和雷達天線主副瓣之間射頻信號收發交聯,模擬器發射的信號功率必須足夠大,保證雷達副瓣接收功率大于Lmin,但發射功率又不能無限制增大,還必須保證雷達主瓣接收功率必須小于Lmax。由于雷達主副瓣接收到的功率除了與模擬器發射功率、雷達和模擬器之間距離有關外,還與雷達主副瓣增益有關。因此,必須分析雷達主副瓣增益及它們之間的關系。

把雷達第一副瓣增益與主瓣增益的比值定義為副瓣電平[4](F)。為了保證雷達主副瓣同時和模擬器交聯工作,雷達天線端收到的信號功率必須滿足一定的范圍,設滿足雷達主瓣接收的最小功率為1,則滿足雷達副瓣接收的最小功率為1/|F|,也就是說,雷達接收機應該在信號強度為1/|F|倍的范圍內,既能接收小信號,又不至于信號過大而過載,即要求雷達必須滿足D＞1/|F|。一般雷達是否滿足這一條件,必須對雷達的天線方向圖進行分析。

1.2.2 雷達主副瓣之間的關系分析

下面用一個近似的數學模型[5]分析雷達主副瓣增益、主副瓣夾角之間的關系。

對于拋物面天線、喇叭天線、陣列天線,當天線口徑大于雷達波長5倍時,歸一化天線增益可近似表達為

式中,G(θ)為天線任意方位角處θ的增益,G(0)為天線主瓣最大增益,d為天線口徑,λ為雷達波長。歸一化天線增益方向圖如圖2所示。

通常情況下,雷達第一副瓣最大值出現在sinx=±1處,此時:

取λ=0.1 m,d=1.5 m,則θ=±5.7°。

當θ=±5.7°時,即副瓣電平F為

圖2 歸一化天線方向圖

上述研究結果表明,對于采用拋物面天線、喇叭天線、陣列天線的雷達,當λ=0.1 m,d=1.5 m時,其副瓣電平近似為-13.5 dB(主瓣增益比副瓣增益大22倍左右),雷達第一副瓣與主瓣的夾角為5.7°,一般雷達第一副瓣與主瓣的夾角在幾度至幾十度范圍內(肯定大于雷達方位角分辨率)。對于采用副瓣抑制、副瓣對消等技術的雷達,副瓣電平的絕對值稍大一些,一般在-20 dB(100倍)左右,而一般雷達的動態范圍在60 d B左右,滿足D＞1/|F|的基本條件。

綜上所述,只要合理設計模擬器的技術指標,就可以用一個模擬器模擬雷達主瓣和兩個第一副瓣上的3個目標,3個目標在方位上的最小角度在幾度到幾十度范圍內。

2 副瓣注入多方位目標模擬器的主要指標設計

設雷達的技術指標如下:雷達發射功率P;雷達最小可檢測功率Lmin;雷達天線主瓣增益Gz;雷達天線副瓣增益Gf;雷達工作波長λ;雷達接收機正常工作最大不飽和功率Lmax;雷達副瓣電平F;接收機動態范圍D。

當雷達和目標模擬器之間的距離為R,需要設計的模擬器參數如下:發射天線增益Gmf;發射機功率Pm;接收天線增益Gmj;接收機靈敏度Lmmin;接收機動態范圍Dm;工作波長λ。

根據二次雷達方程[6],對模擬器主要指標進行設計:

2.1 模擬器發射端參數設計

模擬器發射端設計參數主要是發射機功率和天線增益。

為了保證雷達副瓣能收到模擬器的發射信號,目標模擬器發射機參數應滿足:

同時,為了保證雷達主瓣接收到信號后不過載,目標模擬器發射機參數還應滿足:

根據動態范圍的定義,可將式(9)變為

保證雷達主副瓣同時能正常工作的模擬器發射端參數為

2.2 模擬器接收端參數設計

模擬器接收端設計參數主要是接收機天線增益、靈敏度和動態范圍。此時的二次雷達方程中,雷達相當于信號發射源,模擬器為信號接收機。

根據

當雷達副瓣對準模擬器時,應保證模擬器能接收到雷達信號,即

當雷達主瓣對準模擬器時,應保證模擬器不過載,即

根據動態范圍的定義,可將式(14)變化為

模擬器接收端參數應滿足的條件為

3 對設計結果的仿真計算

為了驗證模擬器主要指標的設計結果在工程上能否實現以及實現的難易程度,需要對設計結果進行仿真計算。

設被試雷達為普通的脈沖雷達,取其技術指標如下:雷達發射脈沖功率為50 k W,動態范圍為40 d B,靈敏度為-90 d Bm,天線主瓣增益為30 d B,天線副瓣增益為5 d B,波長為10 cm,取R=30 km。

3.1 對模擬器發射系統設計指標的仿真計算

將式(11)變形,得到下面兩個公式:

以Pm為橫坐標、Gmf為縱坐標,分別以式(17)、式(18)繪制兩條曲線,如圖3～圖5所示。

圖3 正常模擬多目標時模擬器發射機功率與發射機天線增益取值范圍

圖4 正常模擬多目標時模擬器發射機功率與發射機天線增益取值范圍局部放大圖

圖5 正常模擬多目標時模擬器發射機功率與發射天線增益最優參數取值圖

圖3中,兩條曲線中間包圍的部分就是滿足不等式(11)條件的區域。其中圖4、圖5是圖3的局部放大,圖5中實線Ⅲ為實線Ⅰ和實線Ⅱ的中間線,代表保證雷達主副瓣同時能正常工作的模擬器發射端的最優參數,在實線Ⅲ上選10個點,如表1所示。

表1 模擬器發射端的最優參數對應表

從表1可以看出,對于一部普通的脈沖雷達,當雷達和模擬器相距30 km時,保證雷達主副瓣同時能正常工作的模擬器發射端的最優參數,發射功率在3.7～18.3 W之間,發射天線增益在4～20之間,這在工程上是很容易實現的。

3.2 對模擬器接收系統設計指標的仿真計算

仿照3.1節的方法,將式(13)、式(14)變形為

式(19)中有3個變量,為了分析問題方便,取變量Dm定值,分析其他兩個變量的相互關系。為了檢驗模擬器接收系統在工程上實現的難易程度,Dm取工程上容易實現的數值。

以Gmj為橫坐標、Lmmin為縱坐標,取Dm為50 d B,繪制仿真曲線如圖6所示。其中曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表的意義與圖3相同。

以Gm為橫坐標、Lmmin為縱坐標,取Dm分別為50,45,40,35和30 dB,以式(19)右式的結果繪制曲線,如圖7所示。

圖6 正常模擬多目標時模擬器接收機天線增益與靈敏度取值范圍

圖7 正常模擬多目標時模擬器接收機天線增益與靈敏度最優參數取值范圍

仿照3.1節中的方法,曲線Ⅱ1～Ⅱ5代表當雷達主瓣對準模擬器時模擬器不過載、當雷達副瓣對準模擬器時模擬器能正常工作的模擬器接收端的最優參數(接收機靈敏度、接收機天線增益),在實線Ⅱ1～Ⅱ5上選10個點,如表2所示。

表2 模擬器接收端的最優參數對應表

從表2可以看出,在模擬器接收機動態范圍分別取50,45,40,35和30 dB時,當接收機天線增益在1～10之間變化時,接收機靈敏度在-42～62 dBm之間變化,這在工程上是很容易實現的。

4 結束語

本文提出的基于副瓣注入的多方位目標模擬方法能夠解決應答式射頻目標模擬器多方位多目標模擬的技術難題。理論分析表明,該方法的依據科學合理;仿真計算分析表明,該方法在工程上是容易實現的。對于不同頻段的脈沖雷達,通過合理設計模擬器的技術參數,可以用一個模擬器模擬方位上相差幾度到幾十度的3個目標。將該方法應用到現代艦載防空武器系統攔截多目標的能力試驗及作戰部隊演練中,軍事經濟效益將十分顯著。該方法也可以推廣應用到需要模擬雷達多方位多目標的應用場合。

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