一種基于地形匹配的雷達模擬器地雜波回波的設計與實現

李 飛 錢 波 宋 慧 南 迪 李 翔

(武漢濱湖電子有限責任公司 武漢 430205)

0 引言

雷達模擬器是仿真技術與雷達技術相結合的產物，廣泛應用于雷達裝備的模擬訓練。地雜波回波模擬是雷達模擬器的重要組成部分，地雜波是雷達波束遇到地面而形成的回波，傳統的地雜波回波模擬是根據雜波分布模型來生成，該方法計算復雜，而且并不能與真實的地形相匹配。本文在地雜波散射面積計算模型的基礎上，結合當前地形高度數據，改進地雜波散射面積計算模型，根據雷達方程和相干視頻回波模型生成地雜波回波，在某型雷達模擬器上實施驗證，得到的地雜波回波更逼真，使得雷達模擬器起到了真實的模擬和訓練作用。

1 地雜波回波的設計與實現方法

1.1 地雜波后向散射系數模型

由于地雜波的復雜性，為了簡化計算，可用大面積空間上與時間上的平均值來表征某地區的地面情況。地面單位面積的反射特性常用后向散射系數來表示。

地雜波后向散射系數的取值與地形、擦地角、雷達工作頻率、極化方式等因素有關。目前考慮因素較全面的一種地雜波后向散射系數模型為-模型。其表達式為

=sin(+)

(1)

其中：為擦地角或稱為入射角；為雷達工作頻率；為地面反射率表征參數；和為不同地形時雷達工作頻率對地形的表征參數，參數的引入是為了更精確模擬實驗數據并防止在入射余角接近0°時用表示的地雜波后向散射系數急劇變為-∞，單位為(°)，其中>0，0≤≤1，>0，不同地形情況下的、、、的數值如表1所示。

表1 各類地形條件下的模型參數

1.2 地雜波散射面積的計算

計算地雜波散射面積，首先需要將雷達探測范圍按照雷達分辨率劃分成網格，每個網格都看成一個小的雜波單元，認為每一個小的雜波單元都是一個散射體，然后根據雷達視線、波束寬度和地形高度數據計算每個雜波單元的散射面積。

地雜波散射面積定義為由雜波區面積反射造成的等效散射面積，如式(2)所示。

=

(2)

求每一個雜波單元散射面積，關鍵在于求每一個雜波單元面積，而以往的計算雜波單元面積模型只考慮了雜波單元在地面的投影面積，并沒有使用地形高度數據，本文結合傳統的雜波單元面積模型和地形高度數據，重新計算雜波單元面積。

對于地面雷達，可以認為其滿足波束入射角較小的情況，即滿足tan<2(sin2)Δ，為雷達天線與雜波單元之間的距離；Δ為距離分辨率；為天線波束俯仰寬度；為天線波束方位寬度；則雷達雜波單元面積取決于天線波束方位寬度和距離分辨率Δ。雜波單元面積為

=Δsec

(3)

考慮到雜波單元的地形高度數據，該雜波單元的地形高度越高，即在雷達俯仰波束寬度探測范圍內，反射面積越大，回波功率越強，把地形近似為一個有高度的斜面，其底面積為公式(2)，根據地形高度得到雜波單元面積為

(4)

其中，為雜波單元在雷達視線內的高度。

對每一個雜波單元計算，設雷達架高是，距離雷達斜距處，為該處雜波單元對應的地形高度，為雷達視線角度，為地球曲率半徑，得到距離雷達處的雷達視線高度為

(5)

視線高度的以上的地物才在雷達的探測范圍內，公式(4)中的=-，得到每一個雜波單元的之后，還需要判斷其是否被遮擋，即判斷該雜波單元的通視性，如果當前雜波單元對應的高度比前面的雜波單元高度低，則認為當前雜波單元被遮擋，沒有回波。

考慮大氣折射效應和地球曲率效應，則雜波單元面積由式(6)計算得

(6)

1.3 相干視頻回波模型

要模擬復雜的雷達系統和環境，必須采用相干視頻信號模擬的方法設計雷達回波模型。每個雜波單元都視作一個獨立的散射體，根據雷達方程，其回波信號可表示為發射信號的延遲，在幅度上乘以因子，在載頻上有多普勒頻移，表示為

()=(-)e2π(-)

(7)

2 仿真流程及仿真結果

利用上述方法，在某型雷達模擬器中實現了與地形匹配的地雜波回波模擬，仿真流程：首先根據雷達坐標的經緯度生成雷達探測范圍內的地形高度數據，然后將地形高度數據據按照雷達分辨單元劃分成每個雜波單元，根據地雜波后向散射系數模型、地形高度數據、地雜波散射面積計算模型和雷達視線計算雜波單元的散射面積，并進行遮擋判斷。隨后，為每個雜波單元隨機生成一個速度，以確定雜波單元的多普勒頻率，最后使用相干視頻信號模型和雷達回波方程，求出各散射體的回波信號后進行矢量疊加即可得到雷達總的接收信號。

仿真主要參數：雷達工作頻段L波段，采用寬窄脈沖交替的工作方式，相參積累脈沖個數為11，脈沖重復頻率為1000 Hz，雜波單元的大小為0.44°×75 m，即把360°探測范圍按照雜波單元劃分為820個單元，雜波散射單元的隨機速度均值取0.32 m/s。根據圖1、圖2和圖3所示，雷達模擬器的AR顯和P顯真實地還原了與地形高度數據匹配的地雜波回波。

圖1 當前雷達坐標200 km范圍的地形高度數據

圖2 雷達模擬器的AR顯

圖3 雷達模擬器的P顯

3 結束語

本文針對現有雷達模擬器的地雜波回波沒有與地形關聯的問題，給出了一種結合地形高度數據、地雜波散射面積計算模型和相干視頻回波模型仿真地雜波回波信號的實現方法，并在某型雷達模擬器中實現了該方法。通過雷達模擬器的驗證，本文的方法不僅真實地還原了與地形匹配的地雜波回波，而且提高了雷達模擬器的訓練效果。