雙基地武器定位雷達目標模擬技術研究

宋思盛 姜 洋 張 興

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

武器定位雷達是確定敵方火力支援系統方位的首選武器裝備，已在伊拉克、阿富汗等多場局部戰爭中發揮了關鍵作用，隨著電子對抗、反輻射導彈等技術的發展，給常規雷達的正常工作和戰場生存帶來嚴重威脅，雙基地體制武器定位雷達因接收站靜默而獲得優良的抗有源干擾和戰場生存能力，成為各國炮兵偵察裝備的研究方向之一。

武器定位雷達因其探測目標的特殊性，場地專用而且試驗成本高，通常配備系統目標模擬設備，如歐洲Cobra雷達配備了Smart Repeater[1]，美國LCMR配備了LFS，完成對系統功能任務的驗證，達到減少調試試驗成本、縮短生產調試周期的目的。雙基地武器定位雷達收發分置，作戰配置和威力性能密切相關，目標模擬設備需要完成的功能任務比單基地雷達要復雜和困難得多。

1 雙基地武器定位雷達實現目標模擬的難點

隨著有源相控陣雷達的廣泛應用，基于DRFM[2]技術的近場射頻目標模擬設備在國內外得到了應用，這些設備由控制計算機、DRFM單元、矩陣開關和高低一維天線陣列組成，通過截獲雷達發射信號增加距離延遲和多普勒信息模擬產生彈丸的回波信號，通過矩陣開關切換模擬彈丸飛行軌跡的高度信息，從而與雷達站配合完成系統的動態測試。

雙基地雷達收發兩站分開放置存在“三同”問題，同時目標回波信號參數和發射接收站的作戰配置息息相關，系統功能的調試驗證相對于單基地雷達來說更加復雜，近場射頻目標模擬設備用于雙基地雷達的模擬需要考慮通信同步、時間同步、回波參數實時計算、動態交匯判斷和動態位置坐標模擬等難題，實現技術難度大，成本高，而且架設時間長，操作使用不方便。采用自主式的模擬裝置具有使用簡單不需架設輔助設備的優點適合在雙基地雷達中應用，但是雙基地雷達接收陣面大多采用DBF接收體制，通道數可達數千個，采用中頻模擬信號注入方式需要增加上千個DAC或者DDS設備，控制復雜而且成本很高；采用內置耦合器將射頻信號耦合注入每個天線單元的方式更加復雜難以實現；采用將射頻信號通過空間輻射方式經由接收天線輸入到每個接收通道的方式，雖然可以在數字基帶信號上修正輻射天線到各接收通道間的幅相差和預疊加目標的角度相位信息的方式來實現對目標的模擬，但是嚴重破壞了地物、氣象雜波的相位特性，此時只能做到對理想目標檢測的功能驗證，無法做到理想目標回波信號在真實地理、氣象雜波等背景環境回波下的檢測驗證，在雷達系統調試試驗中的作用有限。

2 雙基地武器定位雷達目標模擬技術研究

為了有效地解決雙基地雷達在目標模擬上遇到的問題，后文從目標的彈道模型、空間三維模型、回波信號特點方面進行分析，提出在有源陣列數字接收機中模擬每個陣元接收到的目標信號特征與系統組成設備配合實現目標模擬方案，并給出了系統控制流程。

2.1 彈丸目標空氣中飛行的仿真

彈丸在空氣中飛行除受到重力影響外還受到空氣阻力，彈丸質心在空氣中運動的軌跡稱為彈道；根據彈道方程組，在直角坐標系下采用數值求解微分方程，對給定彈道系數、初速和射角的彈丸飛行彈道進行了仿真，初速300m/s射角60°的迫擊炮、初速700m/s射角40°的榴彈炮和初速900m/s射角20°的榴彈炮彈道仿真結果如圖1所示。

圖1 彈丸飛行彈道仿真結果

2.2 收發兩站空間坐標轉換

假定收發兩站在北-東-天坐標系下的原點分別為R(x1,y1,z1)和T(x2,y2,z2)，發站坐標系下的某個點坐標(x,y,z)經過坐標轉換后可以獲得在收站坐標下的新坐標(x′,y′,z′)，轉換步驟包括坐標原點平移(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，水平方向旋轉θ角和垂直方向上旋轉β角得到的(假定逆時針為正)，具體的轉換公式為：

(1)

2.3 發射站、接收站和彈丸目標的三維空間模型

雙基地武器定位雷達有發射站和接收站組成，通過發射波束和接收波束在空間交匯掃描，探測、跟蹤測量彈丸上升段和下降段飛行軌跡，進而外推敵炮位坐標和我方彈丸落點；以上升段彈丸飛行軌跡為例，發射站、接收站和彈丸目標的空間幾何模型如圖2所示。

在火炮彈丸初始參數已知的情況下根據彈道方程可以計算出任一時刻目標的彈道諸元如坐標、速度、飛行角度等，在發射站、接收站和炮位坐標已知，目標飛行點跡通過坐標轉換公式可以轉換到以發射站為原點的平面直角坐標系中，進而轉化到發射站陣面直角坐標系中，通過解三角形容易計算出目標到發射站的距離、方位角、俯仰角和在發射站方向上的速度分量，判斷目標所在的方向是否在發射波束指向的波束寬度內，若在說明目標被發射波束照射上，目標會向各個方向上反射、散射電磁能量；在發射波束能照射上目標的前提下，將目標的飛行參數轉化到以接收站為原點的平面直角坐標系中，進而轉換到接收陣面的直角坐標系中，根據計算出來的距離、方位、俯仰角度信息，在方位和俯仰兩維判斷接收陣面能否收到目標的回波信號，若能收到則計算出回波信號相對于接收陣面的方位、俯仰角度信息以及在接收站方向上的速度分量信息，若判斷不能收到回波信號，說明此時收發兩站無法在此刻檢測到目標。

圖2 發射站、接收站和彈丸的空間幾何三維圖

雙基地武器定位雷達采用線性調頻連續波信號進行高精度測距和測速，目標回波信號附加距離延遲、速度和幅度信息。

發射信號為：

(2)

回波信號為：

(3)

2.4 大型DBF接收陣列中目標數字中頻模擬方案

雙基地雷達接收站通常采用大型DBF接收陣列，陣面由上千個通道接收機(包括模擬和數字兩部分)組成，數字接收機由ADC和FPGA等硬件電路實現中頻帶通采樣和DDC功能；針對前面所述采用中頻和射頻模擬信號進行動態目標模擬的缺點和不足，結合大規模FPGA資源豐富、成本低的特點，本文提出在分布式數字接收機中采用數字中頻信號形式模擬每個陣元接收到的目標回波信號，并將目標相對于接收陣面的方位和俯仰角所對應的相位信息附加到回波信號上，形成每個接收支路的中頻數字回波信號的目標模擬方案。

數字中頻模擬設備采用類似DDS的工作原理，通過幅度控制字、頻率控制字和相位控制字分別模擬控制目標回波信號幅度大小、距離延遲和多普勒速度以及目標方位、俯仰角對應的相位信息，工作模擬標志位用來選通模擬數據輸出，工作狀態下輸出零值；目標模擬數據與模擬接收機中頻輸出的采樣數據相加后送給后續的DDC等模塊進行處理，經光纖傳輸給DBF及信號處理器完成DBF波束形成和對天電噪聲、熱噪聲、氣象和地物雜波背景下模擬目標的檢測處理。傳統目標模擬設備通過建立噪聲、地物雜波、氣象雜波的數學模型來產生這些雜波來模擬真實環境進行實驗室調試，在雙基地體制下噪聲和雜波的數學模型更加特殊，而且作為系統級的目標模擬設備，噪聲和雜波完全有必有采用真實地理和氣象條件下的實際數據，只需要模擬目標即可，模擬產生的目標特性和真實目標特性雖仍有差異，相對于雜波模擬來說要“真實”得多了，這樣雙基地雷達可以在實戰環境下方便地對系統狀態是否正常進行確認、對弱小目標的檢測能力和多目標處理能力進行有效地驗證。

圖3 數字中頻模擬原理框圖

(4)

數字中頻模擬設備通過為模擬回波信號增加角度相位項來模擬目標的回波方向信息，在DBF處理時如果期望方向和目標所在方向一致，則輸出回波信號，不一致則無目標回波輸出，這相對于單基地雷達目標模擬器依賴波束是否交匯來決定是否產生回波來說有很大不同，因為此時不管DBF波束指向是否對準目標方向，每個接收天線都是會收到回波信息，正是這種處理方式能夠較好的驗證雙基地雷達空間同步處理的正確和有效性。

2.5 雙基地武器定位雷達目標模擬的系統控制

雙基地武器定位雷達采用相相掃技術，可以實現在對給定區域搜索掃描的同時實現對多個目標的離散定時跟蹤。操控終端、實控機和DBF及信號處理器是整個系統功能實現的控制核心，它們之間通信接口和工作程序是雷達系統功能調試的重點，此時分布在數字接收機中的數字中頻模擬設備將發揮重要的作用，只需要接收站就可以完成對雙基地功能的驗證和調試，而雙基地雷達發射和接收站配合工作，更能對雙基地雷達實際工作環境下的任務完成能力進行有效的驗證。

終端計算機首先要設定系統工作和模擬炮位的參數；然后由實控機作為系統控制和目標模擬計算的核心，一方面控制系統的搜索掃描和跟蹤任務，還負責目標彈道數據的計算、波束交匯判斷以及回波數據參數的計算，并將目標的距離延遲、多普勒、幅度、方位和俯仰角度信息告知DBF及信號處理器，DBF及信號處理器通過光纖接口控制分布在陣面的數字接收機產生規定參數的目標在每個陣元的回波信號，每個通道的回波信號經過DDC、DBF和檢測處理整個流程后上報；實控機然后根據信處處理結果完成對模擬目標的搜索、確認和跟蹤測量，直至目標超出雷達探測范圍或者落到地面；最后終端對目標跟蹤測量數據進行外推獲取炮位坐標，通過與設定的炮位坐標進行比較，判斷系統工作狀態，確定故障位置，對整個系統模擬過程進行閉環。

雙基地武器定位雷達目標模擬方案不需要輔助設備，不增加硬件成本，利用系統內部已有硬件，設計通用可配置FPGA模塊實現系統目標模擬功能，它不僅能在系統前期調試中發揮重要的作用，而且能在外場試驗中方便的確認雷達在復雜地理、氣象環境下的工作狀態和性能；還能在實彈試驗和模擬方式下進行切換測試，很好的復現故障現象，用較低的成本、很快的速度排除故障，保障試驗的順利進行；在裝備期間還能作為在線操作培訓平臺，培養和訓練操作手對雙基地武器定位雷達作戰配置、使用和操作的技能。

3 結束語

本文針對雙基地武器定位雷達目標模擬技術實現中遇到的困難，從目標飛行特性，空間坐標轉換，發射站、接收站和目標的空間模型，回波信號參數著手進行分析，提出在全DBF接收陣列的分布式數字接收機中采用數字中頻模擬每個陣元接收到的目標信號從而實現系統目標模擬的方案，并對目標模擬關鍵的系統控制流程進行了說明，該目標模擬方案可以解決雙基地武器定位雷達調試和功能驗證的一大難題，具有不需要輔助設備、可以同時對多批、多方位目標進行動態模擬和便于系統狀態監測等優點，具備工程可行性，目前該目標模擬技術已經應用到某型有源相控陣體制雷達項目中。