射频仿真/电磁兼容技术

双基地武器定位雷达目标模拟技术研究

宋思盛 姜 洋 张 兴

(西安电子工程研究所 西安 710100)

摘 要： 本文从目标飞行特性，空间坐标转换，发射站、接收站和目标的空间模型，回波信号参数着手对双基地武器定位雷达目标模拟技术进行分析，提出在DBF接收阵列的分布式数字接收机中，采用数字中频模拟每个阵元接收到的目标信号从而实现系统目标模拟的方案，解决了双基地武器定位雷达调试和功能验证的一大难题，具有不需要辅助设备、可以动态模拟同时多批目标和便于系统状态监测等优点。

关键词： 双基地；武器定位雷达；目标模拟

0 引言

武器定位雷达是确定敌方火力支援系统方位的首选武器装备，已在伊拉克、阿富汗等多场局部战争中发挥了关键作用，随着电子对抗、反辐射导弹等技术的发展，给常规雷达的正常工作和战场生存带来严重威胁，双基地体制武器定位雷达因接收站静默而获得优良的抗有源干扰和战场生存能力，成为各国炮兵侦察装备的研究方向之一。

自然资源系统入围山东省庆祝改革开放40周年感动山东人物（群体）的是：淄博市原山林场党委书记孙建博，莱西市国土资源局党组原书记、原莱西县委组织部副部长周明金，省地质科学研究院科技创新团队等3个人物（群体）。

武器定位雷达因其探测目标的特殊性，场地专用而且试验成本高，通常配备系统目标模拟设备，如欧洲Cobra雷达配备了Smart Repeater^[1]，美国LCMR配备了LFS，完成对系统功能任务的验证，达到减少调试试验成本、缩短生产调试周期的目的。双基地武器定位雷达收发分置，作战配置和威力性能密切相关，目标模拟设备需要完成的功能任务比单基地雷达要复杂和困难得多。

1 双基地武器定位雷达实现目标模拟的难点

随着有源相控阵雷达的广泛应用，基于DRFM^[2]技术的近场射频目标模拟设备在国内外得到了应用，这些设备由控制计算机、DRFM单元、矩阵开关和高低一维天线阵列组成，通过截获雷达发射信号增加距离延迟和多普勒信息模拟产生弹丸的回波信号，通过矩阵开关切换模拟弹丸飞行轨迹的高度信息，从而与雷达站配合完成系统的动态测试。

双基地雷达收发两站分开放置存在“三同”问题，同时目标回波信号参数和发射接收站的作战配置息息相关，系统功能的调试验证相对于单基地雷达来说更加复杂，近场射频目标模拟设备用于双基地雷达的模拟需要考虑通信同步、时间同步、回波参数实时计算、动态交汇判断和动态位置坐标模拟等难题，实现技术难度大，成本高，而且架设时间长，操作使用不方便。采用自主式的模拟装置具有使用简单不需架设辅助设备的优点适合在双基地雷达中应用，但是双基地雷达接收阵面大多采用DBF接收体制，通道数可达数千个，采用中频模拟信号注入方式需要增加上千个DAC或者DDS设备，控制复杂而且成本很高；采用内置耦合器将射频信号耦合注入每个天线单元的方式更加复杂难以实现；采用将射频信号通过空间辐射方式经由接收天线输入到每个接收通道的方式，虽然可以在数字基带信号上修正辐射天线到各接收通道间的幅相差和预叠加目标的角度相位信息的方式来实现对目标的模拟，但是严重破坏了地物、气象杂波的相位特性，此时只能做到对理想目标检测的功能验证，无法做到理想目标回波信号在真实地理、气象杂波等背景环境回波下的检测验证，在雷达系统调试试验中的作用有限。

2 双基地武器定位雷达目标模拟技术研究

双基地武器定位雷达采用线性调频连续波信号进行高精度测距和测速，目标回波信号附加距离延迟、速度和幅度信息。

2.1 弹丸目标空气中飞行的仿真

弹丸在空气中飞行除受到重力影响外还受到空气阻力，弹丸质心在空气中运动的轨迹称为弹道；根据弹道方程组，在直角坐标系下采用数值求解微分方程，对给定弹道系数、初速和射角的弹丸飞行弹道进行了仿真，初速300m/s射角60°的迫击炮、初速700m/s射角40°的榴弹炮和初速900m/s射角20°的榴弹炮弹道仿真结果如图1所示。

采用SPSS 22.0对数据进行统计学分析，定性资料以相对数进行描述，组间差异比较采用独立样本χ2检验，淋巴结转移预测因素采用Logistic回归分析。P<0.05为差异有统计学意义(双尾)。

图1 弹丸飞行弹道仿真结果

2.2 收发两站空间坐标转换

假定收发两站在北-东-天坐标系下的原点分别为R (x ₁,y ₁,z ₁)和T (x ₂,y ₂,z ₂)，发站坐标系下的某个点坐标(x ,y ,z )经过坐标转换后可以获得在收站坐标下的新坐标(x ′,y ′,z ′)，转换步骤包括坐标原点平移(x ₂-x ₁,y ₂-y ₁,z ₂-z ₁)，水平方向旋转θ 角和垂直方向上旋转β 角得到的(假定逆时针为正)，具体的转换公式为：

(1)

2.3 发射站、接收站和弹丸目标的三维空间模型

单通道数字中频模拟设备的原理框图如图3所示，整个阵面由上千个这样的通道组成，每个接收通道目标信号的幅度是整个阵面接收回波信号幅度的(N 为接收阵元数)，不同的阵元位置对应不同的附加相位信息，而多普勒和距离信息均相同。为了消除后续DBF处理时对接收通道进行幅度相位修正对形成目标回波信号的影响，在相位和幅度控制字中预叠加该接收通道需要修正的幅度相位误差值。假定天线阵列在两维平面上由M ×N 个阵元组成，方位和俯仰单元间距分别为x 和y ，目标方向相对于接收阵面直角坐标系的方向为(θ ,φ )，位于(m ，n )位置的阵元的幅相误差修正值为I _(m,n )exp{jφ _(m,n )}，则该接收通道的模拟信号形式为：

双基地雷达接收站通常采用大型DBF接收阵列，阵面由上千个通道接收机(包括模拟和数字两部分)组成，数字接收机由ADC和FPGA等硬件电路实现中频带通采样和DDC功能；针对前面所述采用中频和射频模拟信号进行动态目标模拟的缺点和不足，结合大规模FPGA资源丰富、成本低的特点，本文提出在分布式数字接收机中采用数字中频信号形式模拟每个阵元接收到的目标回波信号，并将目标相对于接收阵面的方位和俯仰角所对应的相位信息附加到回波信号上，形成每个接收支路的中频数字回波信号的目标模拟方案。

楚西死得很惨，那是两年前本城轰动一时的一次巴士挟持案，死了两个人质，楚西是其中之一，她被歹徒用匕首割破了喉咙，血喷得到处都是，顾盼拿来的旧报纸上有她的照片，睁着眼睛，纯白的吊带真丝裙染成了鲜红。

图2 发射站、接收站和弹丸的空间几何三维图

为了有效地解决双基地雷达在目标模拟上遇到的问题，后文从目标的弹道模型、空间三维模型、回波信号特点方面进行分析，提出在有源阵列数字接收机中模拟每个阵元接收到的目标信号特征与系统组成设备配合实现目标模拟方案，并给出了系统控制流程。

发射信号为：

(2)

回波信号为：

尽管如此，中国石油企业从未放弃伊朗这一重要油气资源地，并利用伊核协议签署后的缓和时期，抓住伊朗政府为重新吸引国际投资者而推出更有吸引力的石油合同这一有利时机，通过双边谈判再次进入伊朗。虽然新石油合同条款较为优惠，但重启制裁后带来的投资及回收问题难以解决，合同履约将面临诸多困难，这些问题甚至可能导致中国石油企业再次违约或退出项目。

S _R (t )=KA cos{2π[f _c (t -τ (t ))+

(3)

其中：A 为信号的幅度，f _c 为信号起始频率，B 为调频带宽，T 为调频周期，K 为信号增益和目标的RCS 、距离信息等有为目标延迟，c 为光速。

2.4 大型DBF接收阵列中目标数字中频模拟方案

在火炮弹丸初始参数已知的情况下根据弹道方程可以计算出任一时刻目标的弹道诸元如坐标、速度、飞行角度等，在发射站、接收站和炮位坐标已知，目标飞行点迹通过坐标转换公式可以转换到以发射站为原点的平面直角坐标系中，进而转化到发射站阵面直角坐标系中，通过解三角形容易计算出目标到发射站的距离、方位角、俯仰角和在发射站方向上的速度分量，判断目标所在的方向是否在发射波束指向的波束宽度内，若在说明目标被发射波束照射上，目标会向各个方向上反射、散射电磁能量；在发射波束能照射上目标的前提下，将目标的飞行参数转化到以接收站为原点的平面直角坐标系中，进而转换到接收阵面的直角坐标系中，根据计算出来的距离、方位、俯仰角度信息，在方位和俯仰两维判断接收阵面能否收到目标的回波信号，若能收到则计算出回波信号相对于接收阵面的方位、俯仰角度信息以及在接收站方向上的速度分量信息，若判断不能收到回波信号，说明此时收发两站无法在此刻检测到目标。

采用统计学软件SPSS22.0对本次研究中的数据进行统计分析,计量数据以(±s)的形式展现,使用t检验,计数资料以X2检验。若计算结果为P<0.05,提示对比数据有统计学意义。

图3 数字中频模拟原理框图

双基地武器定位雷达有发射站和接收站组成，通过发射波束和接收波束在空间交汇扫描，探测、跟踪测量弹丸上升段和下降段飞行轨迹，进而外推敌炮位坐标和我方弹丸落点；以上升段弹丸飞行轨迹为例，发射站、接收站和弹丸目标的空间几何模型如图2所示。

数字中频模拟设备采用类似DDS的工作原理，通过幅度控制字、频率控制字和相位控制字分别模拟控制目标回波信号幅度大小、距离延迟和多普勒速度以及目标方位、俯仰角对应的相位信息，工作模拟标志位用来选通模拟数据输出，工作状态下输出零值；目标模拟数据与模拟接收机中频输出的采样数据相加后送给后续的DDC等模块进行处理，经光纤传输给DBF及信号处理器完成DBF波束形成和对天电噪声、热噪声、气象和地物杂波背景下模拟目标的检测处理。传统目标模拟设备通过建立噪声、地物杂波、气象杂波的数学模型来产生这些杂波来模拟真实环境进行实验室调试，在双基地体制下噪声和杂波的数学模型更加特殊，而且作为系统级的目标模拟设备，噪声和杂波完全有必有采用真实地理和气象条件下的实际数据，只需要模拟目标即可，模拟产生的目标特性和真实目标特性虽仍有差异，相对于杂波模拟来说要“真实”得多了，这样双基地雷达可以在实战环境下方便地对系统状态是否正常进行确认、对弱小目标的检测能力和多目标处理能力进行有效地验证。

花椒、大料处理：花椒、大料按1∶2放入水中煮开，晾凉后用该水浸泡黄豆适量；然后置于电饭锅中蒸50 min，蒸的过程中锅底部继续放花椒大料调料水；接0.8%纳豆菌后发酵并后熟。另一组实验用相同的辅料将大豆煮软后发酵。

+

(4)

数字中频模拟设备通过为模拟回波信号增加角度相位项来模拟目标的回波方向信息，在DBF处理时如果期望方向和目标所在方向一致，则输出回波信号，不一致则无目标回波输出，这相对于单基地雷达目标模拟器依赖波束是否交汇来决定是否产生回波来说有很大不同，因为此时不管DBF波束指向是否对准目标方向，每个接收天线都是会收到回波信息，正是这种处理方式能够较好的验证双基地雷达空间同步处理的正确和有效性。

2.5 双基地武器定位雷达目标模拟的系统控制

双基地武器定位雷达采用相相扫技术，可以实现在对给定区域搜索扫描的同时实现对多个目标的离散定时跟踪。操控终端、实控机和DBF及信号处理器是整个系统功能实现的控制核心，它们之间通信接口和工作程序是雷达系统功能调试的重点，此时分布在数字接收机中的数字中频模拟设备将发挥重要的作用，只需要接收站就可以完成对双基地功能的验证和调试，而双基地雷达发射和接收站配合工作，更能对双基地雷达实际工作环境下的任务完成能力进行有效的验证。

终端计算机首先要设定系统工作和模拟炮位的参数；然后由实控机作为系统控制和目标模拟计算的核心，一方面控制系统的搜索扫描和跟踪任务，还负责目标弹道数据的计算、波束交汇判断以及回波数据参数的计算，并将目标的距离延迟、多普勒、幅度、方位和俯仰角度信息告知DBF及信号处理器，DBF及信号处理器通过光纤接口控制分布在阵面的数字接收机产生规定参数的目标在每个阵元的回波信号，每个通道的回波信号经过DDC、DBF和检测处理整个流程后上报；实控机然后根据信处处理结果完成对模拟目标的搜索、确认和跟踪测量，直至目标超出雷达探测范围或者落到地面；最后终端对目标跟踪测量数据进行外推获取炮位坐标，通过与设定的炮位坐标进行比较，判断系统工作状态，确定故障位置，对整个系统模拟过程进行闭环。

双基地武器定位雷达目标模拟方案不需要辅助设备，不增加硬件成本，利用系统内部已有硬件，设计通用可配置FPGA模块实现系统目标模拟功能，它不仅能在系统前期调试中发挥重要的作用，而且能在外场试验中方便的确认雷达在复杂地理、气象环境下的工作状态和性能；还能在实弹试验和模拟方式下进行切换测试，很好的复现故障现象，用较低的成本、很快的速度排除故障，保障试验的顺利进行；在装备期间还能作为在线操作培训平台，培养和训练操作手对双基地武器定位雷达作战配置、使用和操作的技能。

3 结束语

本文针对双基地武器定位雷达目标模拟技术实现中遇到的困难，从目标飞行特性，空间坐标转换，发射站、接收站和目标的空间模型，回波信号参数着手进行分析，提出在全DBF接收阵列的分布式数字接收机中采用数字中频模拟每个阵元接收到的目标信号从而实现系统目标模拟的方案，并对目标模拟关键的系统控制流程进行了说明，该目标模拟方案可以解决双基地武器定位雷达调试和功能验证的一大难题，具有不需要辅助设备、可以同时对多批、多方位目标进行动态模拟和便于系统状态监测等优点，具备工程可行性，目前该目标模拟技术已经应用到某型有源相控阵体制雷达项目中。

参考文献:

[1] LEFEVRE R, DURAND R，SATTERFIELD R, et al. Smart Repeater for Radar Testing[J]. 1998 IEEE System Readiness Technology Conference, 1998: 611-614.

[2] 杨振起,张永顺，骆永军.双(多)基地雷达系统[M].北京:国防工业出版社,1998.

[3] 许慎愉,李枫.一种在雷达平台上实现模拟目标的方法[J].电子科技，2009,22(1)：23-26.

[4] 崔建竹,盛骥松.注入式雷达信号仿真技术[J].舰船电子对抗,2007,30(5):75-78.

[5] 罗进.基于DRFM的欺骗干扰与雷达目标模拟实现[J].电子工程师,2007,33(4):1-6.

[6] 杨俊岭,李纲.DDS芯片及其在雷达回波生成系统中的应用[J].现代雷达，2003，25(8)：47-56.

[7] 苏峰，高梅国.相扫体制战场侦察雷达的多目标闭环跟踪设计[J].现代雷达,2009,31(2)：40-43.

[8] 李玉书，张婷.相控阵雷达多目标动态跟踪性能检验方法[J].现代雷达,2003,25(5):7-11.

Study on Bistatic Weapon Location Radar Target Simulation Technology

SONG Sisheng, JIANG Yang, ZHANG Xing

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Abstract : Bistatic weapon location radar target simulation technology is analyzed in this paper from target fly characteristic, coordinate conversion, space model of transmitter, receiver station and shell target, echo signal parameter; and then a new method is presented and can be used for the DBF receive array target simulation, in which digital IF is used for simulating echo signal in each distributed digital receiver. The method can solve the difficulty to debug and verify radar function of bistatic weapon location radar, and has many advantages including no requirement to other equipment, support multi-target dynamic test simultaneously and easy to monitor.

Keywords : bistatic Radar; weapon location radar; target simulation

中图分类号： TN95

文献标志码： A

文章编号： 1008-8652( 2019) 03-097-05

引用格式： 宋思盛,姜洋,张兴.双基地武器定位雷达目标模拟技术研究[J].火控雷达技术,2019,48(3)：97-101.

DOI ：10.19472/j.cnki.1008-8652.2019.03.018

收稿日期： 2019-05-13

作者简介： 宋思盛(1979-)，男，高级工程师。研究方向为炮位侦察校射雷达系统总体设计。

标签：双基地论文;  武器定位雷达论文;  目标模拟论文;  西安电子工程研究所论文;