雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真目標(biāo)速度控制算法優(yōu)化?

韓紅斌 崔連虎 孫致月

（中國人民解放軍91336部隊(duì) 秦皇島 066326）

1 引言

射頻半實(shí)物仿真試驗(yàn)與數(shù)字仿真試驗(yàn)手段相比，由于有了實(shí)物的參與，且目標(biāo)回波及干擾信號經(jīng)過空間實(shí)際輻射產(chǎn)生，消除了復(fù)雜建模帶來的仿真結(jié)果可信度降低的影響；而與外場試驗(yàn)相比，半實(shí)物仿真具有環(huán)境可控、樣本量大、安全保密性強(qiáng)、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)。因此，射頻半實(shí)物仿真在雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈的研制測試及試驗(yàn)鑒定中的地位和作用發(fā)揮越來越突出，并已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

隨著射頻仿真應(yīng)用的不斷深入，各類型的試驗(yàn)對仿真結(jié)果的可信度要求也不斷提高，其中最為關(guān)鍵的就是對目標(biāo)回波信號的模擬。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，對于靜態(tài)試驗(yàn)和開環(huán)試驗(yàn)，射頻仿真系統(tǒng)的回波模擬信號質(zhì)量較好，均能滿足試驗(yàn)需求，但對于閉環(huán)試驗(yàn)，由于末制導(dǎo)雷達(dá)配套的實(shí)時(shí)仿真機(jī)與射頻仿真系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)可能不一致，導(dǎo)致仿真結(jié)果不理想。本文從時(shí)統(tǒng)不一致與目標(biāo)回波模擬之間的關(guān)系入手，通過對目標(biāo)速度控制量控制算法的優(yōu)化，減小時(shí)統(tǒng)不一致對目標(biāo)回波信號質(zhì)量的影響，以此提高半實(shí)物仿真試驗(yàn)的逼真度。

2 半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及回波模擬問題分析

2.1 半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)［2～6］

導(dǎo)彈制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是一種分布式、強(qiáng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，主要由微波暗室、末制導(dǎo)雷達(dá)、射頻環(huán)境模擬系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺、指揮控制系統(tǒng)、仿真計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)庫及通信網(wǎng)絡(luò)等組成，其中末制導(dǎo)雷達(dá)和制導(dǎo)機(jī)為實(shí)裝，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)裝與仿真系統(tǒng)的通信，并驅(qū)動制導(dǎo)機(jī)正常運(yùn)行。仿真運(yùn)行時(shí)，由末制導(dǎo)雷達(dá)耦合口為射頻信號生成系統(tǒng)提供激勵信號，由實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)提供導(dǎo)彈的姿態(tài)和坐標(biāo)，然后由指揮控制系統(tǒng)與仿真計(jì)算機(jī)解算彈道仿真模型，輸出各仿真設(shè)備控制信息；仿真轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)模擬導(dǎo)彈飛行姿態(tài)變化；射頻信號生成系統(tǒng)生成目標(biāo)回波信號、有源/無源干擾信號、背景環(huán)境信號，并通過陣列饋電系統(tǒng)在微波暗室內(nèi)輻射輸出，模擬末制導(dǎo)雷達(dá)在實(shí)戰(zhàn)場景下的電磁環(huán)境；末制導(dǎo)雷達(dá)接收并感知后，完成目標(biāo)探測與跟蹤，以及抗干擾信息處理，導(dǎo)引頭探測跟蹤數(shù)據(jù)反饋至制導(dǎo)控制系統(tǒng)，完成全彈道閉環(huán)仿真打靶試驗(yàn)。圖1為半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的基本組成和原理。

圖1 半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 時(shí)統(tǒng)對目標(biāo)回波模擬影響分析

仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的回波模擬主要由射頻信號生成系統(tǒng)對末制導(dǎo)雷達(dá)注入的激勵信號進(jìn)行調(diào)制后經(jīng)陣列從面陣天線輻射模擬末制導(dǎo)雷達(dá)目標(biāo)回波信號，其實(shí)現(xiàn)方法已經(jīng)十分成熟，在文獻(xiàn)［2］中也有所闡述，在此不作贅述。半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，可以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和框架，以此來保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的時(shí)統(tǒng)一致性。但試驗(yàn)時(shí)，針對不同的末制導(dǎo)雷達(dá)，其配套的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)可能采用不同的技術(shù)路線（比如采用的實(shí)時(shí)網(wǎng)卡不同或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)版本不同等）［7］，在整個(gè)系統(tǒng)快速集成條件下，由于時(shí)統(tǒng)可能不一致導(dǎo)致某些控制參數(shù)出現(xiàn)重幀/丟幀，這對相參末制導(dǎo)雷達(dá)的信號檢測會有較大影響。

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號，其表達(dá)式為

式中，α(t)=1，(|t|≤tp/2 )為矩形脈沖函數(shù)；tp為脈沖寬度；=t-nTp，n代表脈沖數(shù)量，Tp為脈沖重復(fù)周期。

假設(shè)目標(biāo)為一個(gè)理想點(diǎn)目標(biāo)，其回波信號模型為［8～9］

其中，A為接收信號幅度；為目標(biāo)相對發(fā)射信號的時(shí)延，v為目標(biāo)相對于雷達(dá)視線的徑向速度。接收信號經(jīng)混頻至基帶的信號模型為［10～11］

在半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中，對回波信號的調(diào)制按幀周期進(jìn)行推進(jìn)［12］，為分析方便，假設(shè)幀周期與發(fā)射信號脈沖重復(fù)周期一致，則式（3）簡化為

其中，A由圖1中射頻信號生成系統(tǒng)的幅度控制來模擬實(shí)現(xiàn)；α(-τ)由延時(shí)控制來模擬實(shí)現(xiàn)；ej2πfdnTp由速度控制來模擬實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)某導(dǎo)彈正對目標(biāo)掠海飛行，導(dǎo)彈速度600m/s，目標(biāo)正對彈軸方向航行，彈目初始距離30km。該彈載末制導(dǎo)雷達(dá)采用LFM 信號，具體參數(shù)情況如表1所示。

表1 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置表

在半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)一致的情況下，即射頻的距離、速度等控制量按幀周期正常推進(jìn)；在半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)不一致時(shí)，假設(shè)以重幀和丟幀為例，即重幀/丟幀時(shí)射頻速度調(diào)制量按1->0/2->1->0/2->…推進(jìn)。以10m/s、15m/s、20m/s 的目標(biāo)速度為例進(jìn)行仿真分析，其相參積累結(jié)果如圖2所示。

圖2 重幀/丟幀時(shí)相參積累結(jié)果對比圖

圖2 中第1 列對應(yīng)時(shí)統(tǒng)一致時(shí)的積累結(jié)果，第2 列對應(yīng)重幀時(shí)積累結(jié)果，第3 列對應(yīng)丟幀時(shí)積累結(jié)果，第1、2、3 行分別對應(yīng)目標(biāo)速度10m/s、15m/s、20m/s 情況下的積累結(jié)果。從圖中可知，重幀/丟幀后，積累結(jié)果出現(xiàn)了4 個(gè)峰值信號。這是因?yàn)椋瑢τ谥貛?丟幀情況，回波信號在多普勒維相當(dāng)于有fd和0/2fd兩個(gè)頻率的信號分量，此時(shí)重周對應(yīng)為500μs，相當(dāng)于對兩個(gè)信號的32 個(gè)脈沖進(jìn)行積累，此時(shí)若目標(biāo)速度超過30m/s 則會出現(xiàn)速度模糊。例如15m/s、20m/s 丟幀情況下存在30m/s、40m/s 的兩個(gè)信號，積累后速度出現(xiàn)了模糊。

若以隔一幀重幀、隔一幀丟幀為例，即射頻的距離、速度等控制量按1->0->1->2->1->…推進(jìn)，其相參積累仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 重幀+丟幀時(shí)相參積累結(jié)果對比圖

圖3 中第1 列對應(yīng)時(shí)統(tǒng)一致時(shí)的積累結(jié)果，第2 列對應(yīng)重幀+丟幀時(shí)積累結(jié)果，第3 列為重幀+丟幀時(shí)積累結(jié)果在多普勒維的顯示，第1、2、3 行分別對應(yīng)目標(biāo)速度10m/s、15m/s、20m/s情況下的積累結(jié)果。對于重幀+丟幀的情況，在多普勒維相當(dāng)于fd、0、2fd三個(gè)頻率分量信號的疊加。

將時(shí)統(tǒng)一致時(shí)的信號幅度與時(shí)統(tǒng)不一致時(shí)積累后幅度最大的信號（圖2、圖3中紅色圓圈標(biāo)記點(diǎn)幅度）相減，不同情況下的信噪比惡化結(jié)果如圖4所示。從圖4 可知，時(shí)統(tǒng)不一致時(shí)信號的信噪比惡化程度主要由系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)不一致特性決定，在速度不模糊的情況下，重幀+丟幀時(shí)信噪比惡化12dB左右，重幀時(shí)11dB左右，丟幀時(shí)13.5dB左右。速度模糊情況下，信噪比惡化較小，甚至還存在改善的情況。但是時(shí)統(tǒng)不一致時(shí)，積累后主信號的速度大部分與真實(shí)目標(biāo)速度不一致。

圖4 時(shí)統(tǒng)不一致時(shí)信噪比惡化對比圖

3 控制算法優(yōu)化

半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)不一致，會導(dǎo)致系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)反復(fù)出現(xiàn)重幀、丟幀。即使同一個(gè)系統(tǒng)，在不同的時(shí)間段內(nèi)，重幀、丟幀的頻率也可能不同。根據(jù)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)不一致特性，可以考慮中值濾波，一般的中值濾波算法為

式中，n(i)、m(i)為濾波輸入和輸出，Med{?}表示取中值，k為中值濾波取值長度，一般取奇數(shù)。

針對半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，利用一般中值濾波，取值有可能取到異常值。以輸入｛1，0，0，1，0，0，1，2，1，0，0，1，0｝為例，一般中值濾波后輸出為0，即對應(yīng)的重幀的數(shù)據(jù)。針對此情況，應(yīng)想辦法取數(shù)值的中間值1，可以采取改進(jìn)的中值濾波，其表達(dá)式如下。

式中j=i-k,…,i-1,i；δ為中值濾波閾值。通過改進(jìn)的中值濾波，其輸出為1。

4 仿真驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)的中值濾波對半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的目標(biāo)速度控制算法進(jìn)行優(yōu)化，并用模型末制導(dǎo)雷達(dá)開展半實(shí)物仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。圖5 為采用改進(jìn)中值濾波前后速度（導(dǎo)彈速度進(jìn)行補(bǔ)償后）的對比曲線，圖6為濾波前后末制導(dǎo)雷達(dá)相參積累后的結(jié)果。

圖5 濾波前后速度曲線對比

圖6 濾波前后相參積累結(jié)果對比

可見，在濾波前，目標(biāo)速度出現(xiàn)了嚴(yán)重的丟幀、重幀；濾波后，重幀、丟幀現(xiàn)象消除，能夠真實(shí)響應(yīng)目標(biāo)速度，信噪比較濾波前提升35.2dB。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效減小時(shí)統(tǒng)不一致對信號質(zhì)量的影響。

5 結(jié)語

本文從末制導(dǎo)雷達(dá)半實(shí)物仿真試驗(yàn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的末制導(dǎo)雷達(dá)作用距離偏近、無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)等問題入手，找到了產(chǎn)生該問題的根本原因，并通過改進(jìn)的中值濾波算法對射頻仿真系統(tǒng)的目標(biāo)速度控制算法進(jìn)行優(yōu)化，有效消除了時(shí)統(tǒng)不一致對回波信號質(zhì)量的影響，大大提升了回波信噪比，保證了試驗(yàn)系統(tǒng)仿真能力的發(fā)揮和仿真結(jié)果的可信度。