基于副瓣注入的多方位目標(biāo)模擬方法研究

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)93分隊(duì),遼寧葫蘆島125001)

0 引言

現(xiàn)代艦載防空武器系統(tǒng)都具備攔截多目標(biāo)的能力,艦載防空武器系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí),必須考核系統(tǒng)攔截多目標(biāo)的性能。為此,靶場(chǎng)必須具備多目標(biāo)供靶能力。為武器系統(tǒng)試驗(yàn)提供真實(shí)的多批空中靶標(biāo),不僅試驗(yàn)成本提高,也給試驗(yàn)組織實(shí)施帶來一定難度。為了解決這一問題,靶場(chǎng)研制了一種應(yīng)答式射頻目標(biāo)模擬器,能在同一方位上產(chǎn)生多批目標(biāo),一定程度上解決了靶場(chǎng)多目標(biāo)供靶難題。但是,這種傳統(tǒng)的目標(biāo)模擬器只能模擬同一方位上的目標(biāo),當(dāng)需要考核武器系統(tǒng)多方位上的攔截性能時(shí),就必須配置多個(gè)目標(biāo)模擬器。本文研究了一種新方法,用該方法設(shè)計(jì)的應(yīng)答式射頻模擬器可以模擬多方位上的多批目標(biāo),解決了武器系統(tǒng)多方位攔截能力考核中的多目標(biāo)供靶難題。

1 副瓣注入多方位目標(biāo)模擬方法的基本原理

1.1 傳統(tǒng)應(yīng)答式射頻目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)的原理

應(yīng)答式射頻目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)的原理是[1]:雷達(dá)和模擬器工作在能通視的條件下,雷達(dá)天線波束掃描到模擬器天線時(shí),模擬器接收雷達(dá)的高頻輻射脈沖,經(jīng)過放大、檢波、解調(diào),得到模擬目標(biāo)所需的雷達(dá)參數(shù),以接收到的雷達(dá)脈沖前沿為同步脈沖,把需要模擬目標(biāo)的距離、速度、RCS等信息調(diào)制到發(fā)射脈沖上,經(jīng)延時(shí)放大后發(fā)射,供雷達(dá)接收,雷達(dá)就能收到具備特定信息的目標(biāo)回波。

傳統(tǒng)的應(yīng)答式射頻目標(biāo)模擬器只能和雷達(dá)天線的主瓣進(jìn)行射頻信號(hào)收發(fā)交聯(lián),因此,只有當(dāng)雷達(dá)天線主瓣對(duì)準(zhǔn)模擬器時(shí),模擬器才能完成目標(biāo)的模擬,也就是模擬器只能在一個(gè)方位上模擬目標(biāo)。

1.2 副瓣注入多方位目標(biāo)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(shè)計(jì)目標(biāo)模擬器的參數(shù),當(dāng)雷達(dá)天線主瓣、副瓣掃過模擬器天線主瓣時(shí),雷達(dá)和模擬器均能建立起正常的信號(hào)收發(fā)交聯(lián),在雷達(dá)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(gè)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬器同時(shí)模擬多方位目標(biāo)的目的。

1.2.1 實(shí)現(xiàn)副瓣注入多方位目標(biāo)模擬的基本條件[2]

為了實(shí)現(xiàn)模擬器和雷達(dá)天線主副瓣之間射頻信號(hào)收發(fā)交聯(lián),必須滿足下列條件:

1)雷達(dá)的動(dòng)態(tài)范圍必須大于雷達(dá)的副瓣電平;

2)模擬器的動(dòng)態(tài)范圍必須大于雷達(dá)的副瓣電平;

3)模擬器的發(fā)射功率滿足雷達(dá)主副瓣接收要求;

4)模擬器的接收機(jī)靈敏度必須滿足模擬器接收雷達(dá)主副瓣要求。

對(duì)于條件2)～4),可以通過設(shè)計(jì)模擬器指標(biāo)來實(shí)現(xiàn);對(duì)于被試?yán)走_(dá)來說,技術(shù)指標(biāo)已確定,是否滿足條件1),必須對(duì)其進(jìn)行分析。

接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍[3]定義為滿足接收機(jī)正常工作的最大輸入能量Lmax與最小輸入能量(接收機(jī)靈敏度)Lmin的比值,即

Lmin越小,表明接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力越好,雷達(dá)的作用距離就越遠(yuǎn);Lmax越大,表明接收機(jī)抗飽和能力越強(qiáng);D越大,表明雷達(dá)接收機(jī)性能越好。雷達(dá)接收機(jī)放大信號(hào)范圍如圖1所示。

圖1 雷達(dá)接收機(jī)放大信號(hào)范圍

從圖1可以看出,只有當(dāng)接收機(jī)輸入功率L滿足Lmin＜L＜Lmax時(shí),接收機(jī)才可能以放大倍數(shù)K=L輸出/(Lmax-Lmin)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行線性放大,當(dāng)輸入信號(hào)小于Lmin或大于Lmax時(shí),接收機(jī)都不能正常工作。

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

把雷達(dá)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(dá)主副瓣同時(shí)和模擬器交聯(lián)工作,雷達(dá)天線端收到的信號(hào)功率必須滿足一定的范圍,設(shè)滿足雷達(dá)主瓣接收的最小功率為1,則滿足雷達(dá)副瓣接收的最小功率為1/|F|,也就是說,雷達(dá)接收機(jī)應(yīng)該在信號(hào)強(qiáng)度為1/|F|倍的范圍內(nèi),既能接收小信號(hào),又不至于信號(hào)過大而過載,即要求雷達(dá)必須滿足D＞1/|F|。一般雷達(dá)是否滿足這一條件,必須對(duì)雷達(dá)的天線方向圖進(jìn)行分析。

1.2.2 雷達(dá)主副瓣之間的關(guān)系分析

下面用一個(gè)近似的數(shù)學(xué)模型[5]分析雷達(dá)主副瓣增益、主副瓣夾角之間的關(guān)系。

對(duì)于拋物面天線、喇叭天線、陣列天線,當(dāng)天線口徑大于雷達(dá)波長(zhǎng)5倍時(shí),歸一化天線增益可近似表達(dá)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(dá)波長(zhǎng)。歸一化天線增益方向圖如圖2所示。

通常情況下,雷達(dá)第一副瓣最大值出現(xiàn)在sinx=±1處,此時(shí):

取λ=0.1 m,d=1.5 m,則θ=±5.7°。

當(dāng)θ=±5.7°時(shí),即副瓣電平F為

圖2 歸一化天線方向圖

上述研究結(jié)果表明,對(duì)于采用拋物面天線、喇叭天線、陣列天線的雷達(dá),當(dāng)λ=0.1 m,d=1.5 m時(shí),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(dá)第一副瓣與主瓣的夾角為5.7°,一般雷達(dá)第一副瓣與主瓣的夾角在幾度至幾十度范圍內(nèi)(肯定大于雷達(dá)方位角分辨率)。對(duì)于采用副瓣抑制、副瓣對(duì)消等技術(shù)的雷達(dá),副瓣電平的絕對(duì)值稍大一些,一般在-20 dB(100倍)左右,而一般雷達(dá)的動(dòng)態(tài)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(shè)計(jì)模擬器的技術(shù)指標(biāo),就可以用一個(gè)模擬器模擬雷達(dá)主瓣和兩個(gè)第一副瓣上的3個(gè)目標(biāo),3個(gè)目標(biāo)在方位上的最小角度在幾度到幾十度范圍內(nèi)。

2 副瓣注入多方位目標(biāo)模擬器的主要指標(biāo)設(shè)計(jì)

設(shè)雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)如下:雷達(dá)發(fā)射功率P;雷達(dá)最小可檢測(cè)功率Lmin;雷達(dá)天線主瓣增益Gz;雷達(dá)天線副瓣增益Gf;雷達(dá)工作波長(zhǎng)λ;雷達(dá)接收機(jī)正常工作最大不飽和功率Lmax;雷達(dá)副瓣電平F;接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍D。

當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)模擬器之間的距離為R,需要設(shè)計(jì)的模擬器參數(shù)如下:發(fā)射天線增益Gmf;發(fā)射機(jī)功率Pm;接收天線增益Gmj;接收機(jī)靈敏度Lmmin;接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍Dm;工作波長(zhǎng)λ。

根據(jù)二次雷達(dá)方程[6],對(duì)模擬器主要指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì):

2.1 模擬器發(fā)射端參數(shù)設(shè)計(jì)

模擬器發(fā)射端設(shè)計(jì)參數(shù)主要是發(fā)射機(jī)功率和天線增益。

為了保證雷達(dá)副瓣能收到模擬器的發(fā)射信號(hào),目標(biāo)模擬器發(fā)射機(jī)參數(shù)應(yīng)滿足:

同時(shí),為了保證雷達(dá)主瓣接收到信號(hào)后不過載,目標(biāo)模擬器發(fā)射機(jī)參數(shù)還應(yīng)滿足:

根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍的定義,可將式(9)變?yōu)?/p>

保證雷達(dá)主副瓣同時(shí)能正常工作的模擬器發(fā)射端參數(shù)為

2.2 模擬器接收端參數(shù)設(shè)計(jì)

模擬器接收端設(shè)計(jì)參數(shù)主要是接收機(jī)天線增益、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。此時(shí)的二次雷達(dá)方程中,雷達(dá)相當(dāng)于信號(hào)發(fā)射源,模擬器為信號(hào)接收機(jī)。

根據(jù)

當(dāng)雷達(dá)副瓣對(duì)準(zhǔn)模擬器時(shí),應(yīng)保證模擬器能接收到雷達(dá)信號(hào),即

當(dāng)雷達(dá)主瓣對(duì)準(zhǔn)模擬器時(shí),應(yīng)保證模擬器不過載,即

根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍的定義,可將式(14)變化為

模擬器接收端參數(shù)應(yīng)滿足的條件為

3 對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的仿真計(jì)算

為了驗(yàn)證模擬器主要指標(biāo)的設(shè)計(jì)結(jié)果在工程上能否實(shí)現(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)的難易程度,需要對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真計(jì)算。

設(shè)被試?yán)走_(dá)為普通的脈沖雷達(dá),取其技術(shù)指標(biāo)如下:雷達(dá)發(fā)射脈沖功率為50 k W,動(dòng)態(tài)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(zhǎng)為10 cm,取R=30 km。

3.1 對(duì)模擬器發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的仿真計(jì)算

將式(11)變形,得到下面兩個(gè)公式:

以Pm為橫坐標(biāo)、Gmf為縱坐標(biāo),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(biāo)時(shí)模擬器發(fā)射機(jī)功率與發(fā)射機(jī)天線增益取值范圍

圖4 正常模擬多目標(biāo)時(shí)模擬器發(fā)射機(jī)功率與發(fā)射機(jī)天線增益取值范圍局部放大圖

圖5 正常模擬多目標(biāo)時(shí)模擬器發(fā)射機(jī)功率與發(fā)射天線增益最優(yōu)參數(shù)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(qū)域。其中圖4、圖5是圖3的局部放大,圖5中實(shí)線Ⅲ為實(shí)線Ⅰ和實(shí)線Ⅱ的中間線,代表保證雷達(dá)主副瓣同時(shí)能正常工作的模擬器發(fā)射端的最優(yōu)參數(shù),在實(shí)線Ⅲ上選10個(gè)點(diǎn),如表1所示。

表1 模擬器發(fā)射端的最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)表

從表1可以看出,對(duì)于一部普通的脈沖雷達(dá),當(dāng)雷達(dá)和模擬器相距30 km時(shí),保證雷達(dá)主副瓣同時(shí)能正常工作的模擬器發(fā)射端的最優(yōu)參數(shù),發(fā)射功率在3.7～18.3 W之間,發(fā)射天線增益在4～20之間,這在工程上是很容易實(shí)現(xiàn)的。

3.2 對(duì)模擬器接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的仿真計(jì)算

仿照3.1節(jié)的方法,將式(13)、式(14)變形為

式(19)中有3個(gè)變量,為了分析問題方便,取變量Dm定值,分析其他兩個(gè)變量的相互關(guān)系。為了檢驗(yàn)?zāi)M器接收系統(tǒng)在工程上實(shí)現(xiàn)的難易程度,Dm取工程上容易實(shí)現(xiàn)的數(shù)值。

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

圖6 正常模擬多目標(biāo)時(shí)模擬器接收機(jī)天線增益與靈敏度取值范圍

圖7 正常模擬多目標(biāo)時(shí)模擬器接收機(jī)天線增益與靈敏度最優(yōu)參數(shù)取值范圍

仿照3.1節(jié)中的方法,曲線Ⅱ1～Ⅱ5代表當(dāng)雷達(dá)主瓣對(duì)準(zhǔn)模擬器時(shí)模擬器不過載、當(dāng)雷達(dá)副瓣對(duì)準(zhǔn)模擬器時(shí)模擬器能正常工作的模擬器接收端的最優(yōu)參數(shù)(接收機(jī)靈敏度、接收機(jī)天線增益),在實(shí)線Ⅱ1～Ⅱ5上選10個(gè)點(diǎn),如表2所示。

表2 模擬器接收端的最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)表

從表2可以看出,在模擬器接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍分別取50,45,40,35和30 dB時(shí),當(dāng)接收機(jī)天線增益在1～10之間變化時(shí),接收機(jī)靈敏度在-42～62 dBm之間變化,這在工程上是很容易實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語

本文提出的基于副瓣注入的多方位目標(biāo)模擬方法能夠解決應(yīng)答式射頻目標(biāo)模擬器多方位多目標(biāo)模擬的技術(shù)難題。理論分析表明,該方法的依據(jù)科學(xué)合理;仿真計(jì)算分析表明,該方法在工程上是容易實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于不同頻段的脈沖雷達(dá),通過合理設(shè)計(jì)模擬器的技術(shù)參數(shù),可以用一個(gè)模擬器模擬方位上相差幾度到幾十度的3個(gè)目標(biāo)。將該方法應(yīng)用到現(xiàn)代艦載防空武器系統(tǒng)攔截多目標(biāo)的能力試驗(yàn)及作戰(zhàn)部隊(duì)演練中,軍事經(jīng)濟(jì)效益將十分顯著。該方法也可以推廣應(yīng)用到需要模擬雷達(dá)多方位多目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)合。

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