相控阵雷达仿真技术研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
相干视频仿真不仅包括信号的幅度信息 ,还包括相 位信息 。相干视频信号仿真模拟雷达系统的逼真程度 高、可信性强、功能完善 ,但同时也使得系统模型复杂 , 环节众多 。信号级仿真由于复现了雷达信号传播和处 理的全过程而比功能级仿真的粒度更细 ,模型更加逼 真 ,精度更高 ,但同时仿真运行所需的时间也更长 。
1 相控阵雷达概述
1. 1 相控阵雷达的特点 相控阵雷达具有灵活的多波束指向及驻留时间 、
可控的空间功率分配及时间资源分配等特点 ,能够同 时完成搜索及对多目标的精确跟踪 。可在计算机控制 下通过改变相控阵天线中每个天线单元上信号的幅度 相位分布 , 高速改变天 线波 束的波 瓣宽度 , 副瓣位 置 , 副瓣电平 , 天线副瓣凹口的数目与位置等 , 使相 控阵雷达具有多种工作的灵活性和自适应能力 [1 ] 。
第 30卷 第 4期 2008年 4月
现代雷达
Vo l. 30 No. 4
Modern Rada r
April Βιβλιοθήκη Baidu008
45
信号 /数据处理
3
相 控阵雷达仿真技术研究
童维健 ,蔡桂友
(扬州船用电子仪器研究所 , 江苏 扬州 225001)
机 、接收机 、信号处理机以及主控计算机等 。在系统仿 真中 ,可分为 5个主要模块 :天线方向图 、回波模拟 、信 号处理 、数据处理以及主控和资源调度 。此外 ,还有战 情编译部分 ,完成战 情设置 、编译及其 他相关辅助工 作 。在不影响仿真精度的前提下 ,通过把各个模块的 功能抽象化 ,融合后得到高效可靠的仿真模型 。模块 化仿真结构如图 1 所示 [ 3 ] 。
图 1 相控阵雷达系统模块化仿真结构 在系统仿真中 ,以雷达事件为单位 ,顺序执行回波 模拟 、信号处理 、数据处理模块 ,最后由主控与调度进 行最高一级的管理 。 回波模拟的功能包括 :发射脉冲描述字 (PDW )解算 、 目标散射回波解算、干扰信号产生、三通道增益计算等。 信号处 理 的功 能 包 括 : 匹 配 滤 波 、动 目 标显 示 (M TI) 、动目标检测 (M TD ) 、恒虚 警处理 ( CFAR ) 、检 测 、点迹合并 、测距 、测角等 。 数据处理的功能包括 : 目标航迹的起始 、终结 、管 理以及点迹 ———航迹关联 、航迹跟踪滤波 、预测 、波束 请求等 。 主控与资源调度的功能包括 :仿真的开始 、中断 、 结束以及对各个仿真模块对象的管理 、控制 ;同时 ,完 成相控阵雷达资源的调度 (包括雷达事件的优先级编 排 、波位表编排 、发射波形管理等等 ) 。 2. 2 相控阵雷达系统的仿真方法 相控阵雷达系统仿真按模型分类主要包括全实物 仿真 、半实物仿真和数字仿真 3种方法 。 全实物仿真使用实际设备对雷达系统进行仿真 。 其突出特点是逼真 ,但试验成本非常昂贵 ,针对性强但 缺乏通用性 。因此 ,在实际中往往受技术条件 、物质条 件以及环境条件等因素的限制。
【Ab str a ct】 Pha sed array radar is a bulky and complex system. B y ca rrying through its function decomposition and synchro2 niza tion, we can turn it into m athem atic model and change into simulation model which is suit to compute r simula tion, then ca rry on the sim ula tion and ve rifica tion. On the p rem ise of that sim ula tion precision is not affected, by predige sting it properly and sub2 stituting equiva len tly, blocking structure of simulating system is founded and the collec tive ly simulation p rocedure is discussed. Seve ra l sim ulatingm ethods aboutmode lling a re discussed and compa red for advantage and disadvantage. The simulating ways of density2weighted antenna is brought forward. The re searching status of the credibility of models is a lso indroduced a swell a s popu2 la r sim ula tion techniques and emphasis.
相控阵雷达除了以上主要功能外 ,还具有重量轻 、 固有冗余度 、波束扫描速度快而且灵活 、抗干扰能力高 等特点 。 1. 2 相控阵雷达的主要战技术指标
影响相控阵雷达系统设计的主要战术指标有 :雷 达观察空域 、雷达测量参数 、雷达测量精度、雷达的分 辨率 、处理多批目标的能力 、数据率 、抗干扰能力和生 存能力 、使用性能与使用环境 。其中 ,雷达观察空域包 括雷达作用距离、方位和仰角的观察空域 ;雷达测量参 数包括目标位置参数 、目标运动参数及其他目标特征
©
8
第 4期
童维健 ,等 :相控阵雷达仿真技术研究
47
2. 2. 2. 1 相控阵雷达系统的功能级仿真 功能级仿真的基本思路是从信号功率的角度 ,运
比 ,就可以大概确定虚警概率和检测概率 ,再对雷达的 检测过程进行功能仿真试验 [ 5 ] 。
用雷达方程 、干扰方程 、干扰 /抗干扰原理 、运动学方程
3 收稿日期 : 200 8201 214 修订日期 : 2 00820322 9
©
8
46
现代雷达
30 卷
参数 ;雷达的分辨率包括角度分辨率 、距离分辨率 、横 向距离分辨率和速度分辨率 [ 2 ] 。
2 相控阵雷达的仿真与建模
2. 1 相控阵雷达的系统仿真 相控阵雷达的基本组成主要有 :相控阵天线 、发射
图 2 半实物仿真 系统 框图
2. 2. 2 相控阵雷达的数字仿真 对于相控阵雷达而言 ,目前主要有 2种数字仿真
方法 :一种是功能级仿真 ; 另一种是信号级仿真 (也称 相干视频信号仿真 ) 。功能仿真只模拟信号的功率信 息 ,不模拟相位信息。目前相控阵雷达仿真绝大部分 都是功能级的 ,实现比较简单 。
数字仿真是用一定的数学模型和各种数据来模拟 实验环境和参试装备 ,用计算机软件控制实验过程 ,通 过计算机演算得到实验结果 。计算机仿真结果的可信 度受到构建的数学模型及其他因素的影响 。
半实物仿真是一种介于全实物仿真和全数字仿真之 间的、硬件在回路中的仿真 。一部分设备使用实际设备 而其他部分采用计算机模拟和处理。由于把系统实际使 用的部分实物直接纳入了仿真回路 ,既提高了仿真的逼 真性 ,又解决了以前存在于系统中的许多复杂的建模问 题。因此是一种相对经济实用的方法 ,应用十分广泛 。 2. 2. 1 相控阵雷达的半实物仿真
【摘要 】 相控阵雷达是一个庞大 、复杂的电子 系统 。该 文通过对其 功能的分解 、融合 ,转化 为相应的 数学模 型 ,进 而 转换为适合于计算机运算的仿真模型 ,并进行仿真试验和校验 。在 不影响 仿真精 度的前 提下 ,进行了适 当的简 化和替 代 等效 ,构建了仿真系统的模 块化 结构 ,并分析研究了相控阵 雷达系 统仿真的 总体流 程 。文中 探讨了相 控阵雷 达的 3种 仿 真方法 ,比较了各 个仿 真方法的优缺点 ,并提出了密度加权相控阵天 线的 建模 仿真的思路 ,分析 了主流仿真 技术与研究 重 点 。最后简要介绍了模型可信性的研究现状 。
【关键词 】 相控阵雷达 ;半实物仿真 ;功能级仿真 ;信号 级仿 真 ;密度加权阵 中图分类号 : TN958. 92、TN974 文献标识码 : A
Resea r ch on S im u la t ion Techn iqu es of Pha sed A r ra y Rada r
Tong W ei2jian, CA I Gui2you ( Yangzhou M arine Electronic Instrum ents Institute, Yangzhou 225001, China)
雷达电子战系统的半实物仿真是一种数学 - 物理 仿真 ,是目前各国雷达电子战研究采用较多的一种仿 真形式 。它由各种模拟器构成电磁信号的收发终端 , 并由数学模型联接成闭环回路。随着电子技术和计算 机技术的快速发展 ,雷达电子战半实物仿真系统获得 了广泛的应用 。
这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数 学模型 、编程 ,在计算机上运行。由于在回路中接入实 物 ,硬件在回路仿真系统必须实时运行 ,因此半实物仿 真系统可以归纳为如下 : ( 1)仿真计算机系 统 (动力 学模型及程序 、数据 ) 与接口 ; ( 2)环境模拟设备 (角 运动仿真器 、目标特性仿真器 、目标运动仿真器 、负载 仿真器等 ) ; ( 3)被测实物 (传感器 、控制计算机 、执行 机构 )。半实物仿真系统框图如图 2所示 [ 4 ] 。
雷达检测信噪比是由多方面因素综合决定的 ,其
以及统计模型等建立仿真 ,计算总和输出 (检测 )信噪 中包括目标回波功率 、干扰信号功率 、杂波以及噪声功
比模型 ,进而确定雷达检测时的发现概率与虚警概率 , 率等 。因此 ,雷达功能仿真系统的数学模型主要包括 :
并在此基础上进行干扰 /抗干扰性能评估和电子战条
表 1 雷 达功能仿真主要模型列表 [3 ]
雷达功能仿真数学模块
功率 表达 式
1) 雷达接收机噪声仿真数学模型 ;
件下雷达检测过程的功能仿真试验 。雷达功能级仿真
2) 回波信号功率 、干扰功率 、杂波功率 、目标 RCS
的简要流程图如图 3所示 。
仿真数学模型 ;
3) 综合信干比模型 。
2. 2. 2. 2 相控阵雷达系统的相干视频仿真 (信号级
仿真 )
相干视频信号仿真的基本定义 ,就是要逼真地复现
随着相控阵雷达的问世 ,电子对抗设备面临着更 多更加严峻的电磁威胁 。电子对抗装备结构复杂 、成 本较高 、保密性强 ,其作战环境搭建费用很高 ,且重复 性和保密性较差。运用半实物仿真技术不仅能模拟产 生较真实的电磁信号环境 ,而且由于费用低 ,重复性和 保密性好 ,还可用作电子对抗设备操作人员的日常训 练 。为了评估和提高电子对抗设备在真实复杂电磁环 境中的作战能力 ,对相控阵雷达仿真技术的研究得到 了普遍重视和不断深入 。
既包含振幅又包含相干视频信号 ,复现这种信号的发
射、在空间传播、经散射体 、杂波与干扰信叠加、以及在
接收机内进行处理的全过程 。尽管我们无论何时都可
以利用线性叠加的方法 ,对各个单元进行组合或重新排
列 ,从而省掉某些计算 ,但我们还是可以直接对雷达系
图 3 雷达 的功能仿真流程图 在进行雷达对抗试验中 ,雷达面临的目标和环境
统中实际信号的流通情况进行仿真 。只要所提供的基 本的目标模型和环境模型足够好 ,就可以使相干视频信 号仿真的精度很高 。换句话说 ,相干视频信号的逼真
是比较复杂的 。能否检测到目标回波 ,主要取决于检 度 ,主要是受目标模型和雷达环境模型的限制 [ 5 ] 。
测时的信噪比 。由雷达检测曲线可知 ,只要知道信噪
【 Key word s】pha sed a rray radar; simula tion2with2prac tica lity; func tion2grade2sim ula tion; signal2grade2simula tion; density2 weighted antenna
0 引 言
1 相控阵雷达概述
1. 1 相控阵雷达的特点 相控阵雷达具有灵活的多波束指向及驻留时间 、
可控的空间功率分配及时间资源分配等特点 ,能够同 时完成搜索及对多目标的精确跟踪 。可在计算机控制 下通过改变相控阵天线中每个天线单元上信号的幅度 相位分布 , 高速改变天 线波 束的波 瓣宽度 , 副瓣位 置 , 副瓣电平 , 天线副瓣凹口的数目与位置等 , 使相 控阵雷达具有多种工作的灵活性和自适应能力 [1 ] 。
第 30卷 第 4期 2008年 4月
现代雷达
Vo l. 30 No. 4
Modern Rada r
April Βιβλιοθήκη Baidu008
45
信号 /数据处理
3
相 控阵雷达仿真技术研究
童维健 ,蔡桂友
(扬州船用电子仪器研究所 , 江苏 扬州 225001)
机 、接收机 、信号处理机以及主控计算机等 。在系统仿 真中 ,可分为 5个主要模块 :天线方向图 、回波模拟 、信 号处理 、数据处理以及主控和资源调度 。此外 ,还有战 情编译部分 ,完成战 情设置 、编译及其 他相关辅助工 作 。在不影响仿真精度的前提下 ,通过把各个模块的 功能抽象化 ,融合后得到高效可靠的仿真模型 。模块 化仿真结构如图 1 所示 [ 3 ] 。
图 1 相控阵雷达系统模块化仿真结构 在系统仿真中 ,以雷达事件为单位 ,顺序执行回波 模拟 、信号处理 、数据处理模块 ,最后由主控与调度进 行最高一级的管理 。 回波模拟的功能包括 :发射脉冲描述字 (PDW )解算 、 目标散射回波解算、干扰信号产生、三通道增益计算等。 信号处 理 的功 能 包 括 : 匹 配 滤 波 、动 目 标显 示 (M TI) 、动目标检测 (M TD ) 、恒虚 警处理 ( CFAR ) 、检 测 、点迹合并 、测距 、测角等 。 数据处理的功能包括 : 目标航迹的起始 、终结 、管 理以及点迹 ———航迹关联 、航迹跟踪滤波 、预测 、波束 请求等 。 主控与资源调度的功能包括 :仿真的开始 、中断 、 结束以及对各个仿真模块对象的管理 、控制 ;同时 ,完 成相控阵雷达资源的调度 (包括雷达事件的优先级编 排 、波位表编排 、发射波形管理等等 ) 。 2. 2 相控阵雷达系统的仿真方法 相控阵雷达系统仿真按模型分类主要包括全实物 仿真 、半实物仿真和数字仿真 3种方法 。 全实物仿真使用实际设备对雷达系统进行仿真 。 其突出特点是逼真 ,但试验成本非常昂贵 ,针对性强但 缺乏通用性 。因此 ,在实际中往往受技术条件 、物质条 件以及环境条件等因素的限制。
【Ab str a ct】 Pha sed array radar is a bulky and complex system. B y ca rrying through its function decomposition and synchro2 niza tion, we can turn it into m athem atic model and change into simulation model which is suit to compute r simula tion, then ca rry on the sim ula tion and ve rifica tion. On the p rem ise of that sim ula tion precision is not affected, by predige sting it properly and sub2 stituting equiva len tly, blocking structure of simulating system is founded and the collec tive ly simulation p rocedure is discussed. Seve ra l sim ulatingm ethods aboutmode lling a re discussed and compa red for advantage and disadvantage. The simulating ways of density2weighted antenna is brought forward. The re searching status of the credibility of models is a lso indroduced a swell a s popu2 la r sim ula tion techniques and emphasis.
相控阵雷达除了以上主要功能外 ,还具有重量轻 、 固有冗余度 、波束扫描速度快而且灵活 、抗干扰能力高 等特点 。 1. 2 相控阵雷达的主要战技术指标
影响相控阵雷达系统设计的主要战术指标有 :雷 达观察空域 、雷达测量参数 、雷达测量精度、雷达的分 辨率 、处理多批目标的能力 、数据率 、抗干扰能力和生 存能力 、使用性能与使用环境 。其中 ,雷达观察空域包 括雷达作用距离、方位和仰角的观察空域 ;雷达测量参 数包括目标位置参数 、目标运动参数及其他目标特征
©
8
第 4期
童维健 ,等 :相控阵雷达仿真技术研究
47
2. 2. 2. 1 相控阵雷达系统的功能级仿真 功能级仿真的基本思路是从信号功率的角度 ,运
比 ,就可以大概确定虚警概率和检测概率 ,再对雷达的 检测过程进行功能仿真试验 [ 5 ] 。
用雷达方程 、干扰方程 、干扰 /抗干扰原理 、运动学方程
3 收稿日期 : 200 8201 214 修订日期 : 2 00820322 9
©
8
46
现代雷达
30 卷
参数 ;雷达的分辨率包括角度分辨率 、距离分辨率 、横 向距离分辨率和速度分辨率 [ 2 ] 。
2 相控阵雷达的仿真与建模
2. 1 相控阵雷达的系统仿真 相控阵雷达的基本组成主要有 :相控阵天线 、发射
图 2 半实物仿真 系统 框图
2. 2. 2 相控阵雷达的数字仿真 对于相控阵雷达而言 ,目前主要有 2种数字仿真
方法 :一种是功能级仿真 ; 另一种是信号级仿真 (也称 相干视频信号仿真 ) 。功能仿真只模拟信号的功率信 息 ,不模拟相位信息。目前相控阵雷达仿真绝大部分 都是功能级的 ,实现比较简单 。
数字仿真是用一定的数学模型和各种数据来模拟 实验环境和参试装备 ,用计算机软件控制实验过程 ,通 过计算机演算得到实验结果 。计算机仿真结果的可信 度受到构建的数学模型及其他因素的影响 。
半实物仿真是一种介于全实物仿真和全数字仿真之 间的、硬件在回路中的仿真 。一部分设备使用实际设备 而其他部分采用计算机模拟和处理。由于把系统实际使 用的部分实物直接纳入了仿真回路 ,既提高了仿真的逼 真性 ,又解决了以前存在于系统中的许多复杂的建模问 题。因此是一种相对经济实用的方法 ,应用十分广泛 。 2. 2. 1 相控阵雷达的半实物仿真
【摘要 】 相控阵雷达是一个庞大 、复杂的电子 系统 。该 文通过对其 功能的分解 、融合 ,转化 为相应的 数学模 型 ,进 而 转换为适合于计算机运算的仿真模型 ,并进行仿真试验和校验 。在 不影响 仿真精 度的前 提下 ,进行了适 当的简 化和替 代 等效 ,构建了仿真系统的模 块化 结构 ,并分析研究了相控阵 雷达系 统仿真的 总体流 程 。文中 探讨了相 控阵雷 达的 3种 仿 真方法 ,比较了各 个仿 真方法的优缺点 ,并提出了密度加权相控阵天 线的 建模 仿真的思路 ,分析 了主流仿真 技术与研究 重 点 。最后简要介绍了模型可信性的研究现状 。
【关键词 】 相控阵雷达 ;半实物仿真 ;功能级仿真 ;信号 级仿 真 ;密度加权阵 中图分类号 : TN958. 92、TN974 文献标识码 : A
Resea r ch on S im u la t ion Techn iqu es of Pha sed A r ra y Rada r
Tong W ei2jian, CA I Gui2you ( Yangzhou M arine Electronic Instrum ents Institute, Yangzhou 225001, China)
雷达电子战系统的半实物仿真是一种数学 - 物理 仿真 ,是目前各国雷达电子战研究采用较多的一种仿 真形式 。它由各种模拟器构成电磁信号的收发终端 , 并由数学模型联接成闭环回路。随着电子技术和计算 机技术的快速发展 ,雷达电子战半实物仿真系统获得 了广泛的应用 。
这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数 学模型 、编程 ,在计算机上运行。由于在回路中接入实 物 ,硬件在回路仿真系统必须实时运行 ,因此半实物仿 真系统可以归纳为如下 : ( 1)仿真计算机系 统 (动力 学模型及程序 、数据 ) 与接口 ; ( 2)环境模拟设备 (角 运动仿真器 、目标特性仿真器 、目标运动仿真器 、负载 仿真器等 ) ; ( 3)被测实物 (传感器 、控制计算机 、执行 机构 )。半实物仿真系统框图如图 2所示 [ 4 ] 。
雷达检测信噪比是由多方面因素综合决定的 ,其
以及统计模型等建立仿真 ,计算总和输出 (检测 )信噪 中包括目标回波功率 、干扰信号功率 、杂波以及噪声功
比模型 ,进而确定雷达检测时的发现概率与虚警概率 , 率等 。因此 ,雷达功能仿真系统的数学模型主要包括 :
并在此基础上进行干扰 /抗干扰性能评估和电子战条
表 1 雷 达功能仿真主要模型列表 [3 ]
雷达功能仿真数学模块
功率 表达 式
1) 雷达接收机噪声仿真数学模型 ;
件下雷达检测过程的功能仿真试验 。雷达功能级仿真
2) 回波信号功率 、干扰功率 、杂波功率 、目标 RCS
的简要流程图如图 3所示 。
仿真数学模型 ;
3) 综合信干比模型 。
2. 2. 2. 2 相控阵雷达系统的相干视频仿真 (信号级
仿真 )
相干视频信号仿真的基本定义 ,就是要逼真地复现
随着相控阵雷达的问世 ,电子对抗设备面临着更 多更加严峻的电磁威胁 。电子对抗装备结构复杂 、成 本较高 、保密性强 ,其作战环境搭建费用很高 ,且重复 性和保密性较差。运用半实物仿真技术不仅能模拟产 生较真实的电磁信号环境 ,而且由于费用低 ,重复性和 保密性好 ,还可用作电子对抗设备操作人员的日常训 练 。为了评估和提高电子对抗设备在真实复杂电磁环 境中的作战能力 ,对相控阵雷达仿真技术的研究得到 了普遍重视和不断深入 。
既包含振幅又包含相干视频信号 ,复现这种信号的发
射、在空间传播、经散射体 、杂波与干扰信叠加、以及在
接收机内进行处理的全过程 。尽管我们无论何时都可
以利用线性叠加的方法 ,对各个单元进行组合或重新排
列 ,从而省掉某些计算 ,但我们还是可以直接对雷达系
图 3 雷达 的功能仿真流程图 在进行雷达对抗试验中 ,雷达面临的目标和环境
统中实际信号的流通情况进行仿真 。只要所提供的基 本的目标模型和环境模型足够好 ,就可以使相干视频信 号仿真的精度很高 。换句话说 ,相干视频信号的逼真
是比较复杂的 。能否检测到目标回波 ,主要取决于检 度 ,主要是受目标模型和雷达环境模型的限制 [ 5 ] 。
测时的信噪比 。由雷达检测曲线可知 ,只要知道信噪
【 Key word s】pha sed a rray radar; simula tion2with2prac tica lity; func tion2grade2sim ula tion; signal2grade2simula tion; density2 weighted antenna
0 引 言