一種基于地形匹配的雷達(dá)模擬器地雜波回波的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 飛 錢 波 宋 慧 南 迪 李 翔

(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司 武漢 430205)

0 引言

雷達(dá)模擬器是仿真技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)裝備的模擬訓(xùn)練。地雜波回波模擬是雷達(dá)模擬器的重要組成部分，地雜波是雷達(dá)波束遇到地面而形成的回波，傳統(tǒng)的地雜波回波模擬是根據(jù)雜波分布模型來生成，該方法計(jì)算復(fù)雜，而且并不能與真實(shí)的地形相匹配。本文在地雜波散射面積計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前地形高度數(shù)據(jù)，改進(jìn)地雜波散射面積計(jì)算模型，根據(jù)雷達(dá)方程和相干視頻回波模型生成地雜波回波，在某型雷達(dá)模擬器上實(shí)施驗(yàn)證，得到的地雜波回波更逼真，使得雷達(dá)模擬器起到了真實(shí)的模擬和訓(xùn)練作用。

1 地雜波回波的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

1.1 地雜波后向散射系數(shù)模型

由于地雜波的復(fù)雜性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可用大面積空間上與時(shí)間上的平均值來表征某地區(qū)的地面情況。地面單位面積的反射特性常用后向散射系數(shù)來表示。

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

=sin(+)

(1)

其中：為擦地角或稱為入射角；為雷達(dá)工作頻率；為地面反射率表征參數(shù)；和為不同地形時(shí)雷達(dá)工作頻率對(duì)地形的表征參數(shù)，參數(shù)的引入是為了更精確模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并防止在入射余角接近0°時(shí)用表示的地雜波后向散射系數(shù)急劇變?yōu)?∞，單位為(°)，其中>0，0≤≤1，>0，不同地形情況下的、、、的數(shù)值如表1所示。

表1 各類地形條件下的模型參數(shù)

1.2 地雜波散射面積的計(jì)算

計(jì)算地雜波散射面積，首先需要將雷達(dá)探測(cè)范圍按照雷達(dá)分辨率劃分成網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格都看成一個(gè)小的雜波單元，認(rèn)為每一個(gè)小的雜波單元都是一個(gè)散射體，然后根據(jù)雷達(dá)視線、波束寬度和地形高度數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)雜波單元的散射面積。

地雜波散射面積定義為由雜波區(qū)面積反射造成的等效散射面積，如式(2)所示。

=

(2)

求每一個(gè)雜波單元散射面積，關(guān)鍵在于求每一個(gè)雜波單元面積，而以往的計(jì)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(shù)據(jù)，本文結(jié)合傳統(tǒng)的雜波單元面積模型和地形高度數(shù)據(jù)，重新計(jì)算雜波單元面積。

對(duì)于地面雷達(dá)，可以認(rèn)為其滿足波束入射角較小的情況，即滿足tan<2(sin2)Δ，為雷達(dá)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(dá)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(shù)據(jù)，該雜波單元的地形高度越高，即在雷達(dá)俯仰波束寬度探測(cè)范圍內(nèi)，反射面積越大，回波功率越強(qiáng)，把地形近似為一個(gè)有高度的斜面，其底面積為公式(2)，根據(jù)地形高度得到雜波單元面積為

(4)

其中，為雜波單元在雷達(dá)視線內(nèi)的高度。

對(duì)每一個(gè)雜波單元計(jì)算，設(shè)雷達(dá)架高是，距離雷達(dá)斜距處，為該處雜波單元對(duì)應(yīng)的地形高度，為雷達(dá)視線角度，為地球曲率半徑，得到距離雷達(dá)處的雷達(dá)視線高度為

(5)

視線高度的以上的地物才在雷達(dá)的探測(cè)范圍內(nèi)，公式(4)中的=-，得到每一個(gè)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(dāng)前雜波單元對(duì)應(yīng)的高度比前面的雜波單元高度低，則認(rèn)為當(dāng)前雜波單元被遮擋，沒有回波。

考慮大氣折射效應(yīng)和地球曲率效應(yīng)，則雜波單元面積由式(6)計(jì)算得

(6)

1.3 相干視頻回波模型

要模擬復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)和環(huán)境，必須采用相干視頻信號(hào)模擬的方法設(shè)計(jì)雷達(dá)回波模型。每個(gè)雜波單元都視作一個(gè)獨(dú)立的散射體，根據(jù)雷達(dá)方程，其回波信號(hào)可表示為發(fā)射信號(hào)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(jié)果

利用上述方法，在某型雷達(dá)模擬器中實(shí)現(xiàn)了與地形匹配的地雜波回波模擬，仿真流程：首先根據(jù)雷達(dá)坐標(biāo)的經(jīng)緯度生成雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)的地形高度數(shù)據(jù)，然后將地形高度數(shù)據(jù)據(jù)按照雷達(dá)分辨單元?jiǎng)澐殖擅總€(gè)雜波單元，根據(jù)地雜波后向散射系數(shù)模型、地形高度數(shù)據(jù)、地雜波散射面積計(jì)算模型和雷達(dá)視線計(jì)算雜波單元的散射面積，并進(jìn)行遮擋判斷。隨后，為每個(gè)雜波單元隨機(jī)生成一個(gè)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(hào)模型和雷達(dá)回波方程，求出各散射體的回波信號(hào)后進(jìn)行矢量疊加即可得到雷達(dá)總的接收信號(hào)。

仿真主要參數(shù)：雷達(dá)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(gè)數(shù)為11，脈沖重復(fù)頻率為1000 Hz，雜波單元的大小為0.44°×75 m，即把360°探測(cè)范圍按照雜波單元?jiǎng)澐譃?20個(gè)單元，雜波散射單元的隨機(jī)速度均值取0.32 m/s。根據(jù)圖1、圖2和圖3所示，雷達(dá)模擬器的AR顯和P顯真實(shí)地還原了與地形高度數(shù)據(jù)匹配的地雜波回波。

圖1 當(dāng)前雷達(dá)坐標(biāo)200 km范圍的地形高度數(shù)據(jù)

圖2 雷達(dá)模擬器的AR顯

圖3 雷達(dá)模擬器的P顯

3 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)模擬器的地雜波回波沒有與地形關(guān)聯(lián)的問題，給出了一種結(jié)合地形高度數(shù)據(jù)、地雜波散射面積計(jì)算模型和相干視頻回波模型仿真地雜波回波信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法，并在某型雷達(dá)模擬器中實(shí)現(xiàn)了該方法。通過雷達(dá)模擬器的驗(yàn)證，本文的方法不僅真實(shí)地還原了與地形匹配的地雜波回波，而且提高了雷達(dá)模擬器的訓(xùn)練效果。