雷达目标回波信号仿真实现方法
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运动目标接收电磁波时会形成多普勒效应 ,通过 测量运动目标的多普勒频移 ,可以从复杂背景下识别 目标 ,也可以进行地形测绘 ,因此多普勒频移是目标回 波的重要参数之一 。
对于固定雷达径向运动的目标 ,其多普勒频移为 :
fD
=
2V λ
,
(8)
式中 V 为目标的径向速度 ,λ为发射波长 。 雷达平台运动时 ,地面固定目标多普勒频移 f D
N
A nexp
- j 2λπn d ( sinθ - sinθ0)
,
n =1
(16)
式中 , A n 为单元加权大小 , n 为单元序号 , d 为单元间 距 ,θ为角度 ,θ0 为指令的波束指向。通过控制不同 单元的合成就可以模拟目标航迹的运动 。
5 结束语
雷达目标回波信号模拟仿真是现代雷达研究的热 门课题之一 。由于雷达体制不断更新 ,功能增强 ,往往 一部雷达有多种发射信号形式 ,对于雷达组网系统 ,需 要同时模拟不同雷达的回波 ,这些都给目标回波信号 的模拟仿真带来了难度 。在外场调试中 ,干扰信号模 拟也是重要的雷达调试信号 ,它对雷达抗干扰能力调 试有重要作用 ,所以目标回波信号中应叠加干扰信号 。
电子工程师 电 子 技 术 应 用 V ol . 29 N o. 7 2003
雷达目标回波信号仿真实现方法Ξ
Research on Radar Target Simulation System
潘志明 , 殷成志 (南京电子技术研究所 江苏南京 210013)
由图 2 可知 ,目标信号的和 、方位差 、俯仰差通道 分别注入到雷达接收机的对应通道 ,计算机根据设置 的目标航迹 ,通过对雷达天线扫描角和通道的幅度控 制 ,可模拟出多目标航迹 。
4 辐射式目标回波模拟方法
雷达全状态的工作调试必须在外场完成 。根据雷 达工作波段 ,在距离雷达数十米至数百米的地方 ,才形 成远场波束 ,所以外场目标回波模拟器输出信号与雷 达之间要有一定的距离 。 4. 1 辐射式目标回波模拟原理
公式 :
R ( t)
R0[1
-
cos
<(
Vt R0
)
+
1 2
sin2
<(
Vt R0
)
2Leabharlann Baidu
]
,
(7)
式中假设飞机以速度 V 相对于目标斜向飞行 ,飞机速 度和目标之间的夹角为 < , R0 为目标与雷达的初始距 离 ,且 V t/ R0 ν 1 ,可见距离随时间的变化是时间的二 次函数 。
图 1 中 ,目标运动方式和距离参数由计算机控制 , 控制器根据计算机送来的控制命令 ,实时计算距离值 送距离锁存器 ,延时精度可达 1. 5 m 。 2. 4 目标速度模拟
·58 ·
图 3 辐射式目标回波模拟原理框图
上是不变的 。目标在方位 、俯仰的移动 ,可以测试雷达 测角精度和跟踪能力 。下面是全空域目标模拟方法 。
将远场喇叭阵列当作目标信号发射阵面 ,每个喇 叭作为一个发射单元 ,则 N 个单元的电扫线阵的远场 方向图 E (θ) 函数为 :
∑ E (θ) = E (θ)
器发射天线的调制 。由图 1 可知 ,式 (2) 中的参数变量 由计算机产生并送控制器 ,由控制器实时计算回波功 率 ,经 D/ A 去控制精密电控衰减器 ,采用两级控制 ,动 态范围达 100 dB 以上 。 2. 3 目标距离模拟
目标距离可通过雷达发射和接收波形之间的延迟
来计算 ,对于低重复频率 ,目标距离 R 为 :
Keywords : Doppler , echo signal , radiation
1 引 言
目标回波信号模拟仿真对新体制雷达系统研究十 分重要 ,是雷达研制过程中的重要调试工具 。雷达研 制过程可分为分系统调试 、内场系统集成调试和外场 系统性能测试等阶段 ,每个阶段都离不开目标回波信 号模拟仿真 。在不同的调试阶段 ,除需要模拟目标信 号本身的特征外 ,还需要有不同的实现方法 ,这样有利 于提高雷达调试效率 ,加快雷达研制进程 。本文对目 标回波信号模拟方法作一探讨 。
如图 3 所示 ,在雷达天线扫描前方布置若干个喇 叭阵 ,在远场形成喇叭阵列 ,该阵列用于目标模拟信号 的收发 。目标模拟器的输出信号和控制信号通过固有 线或无线方法传输到远场的转发机 。 4. 2 空间目标航迹的模拟
4. 1 节中 ,模拟的目标信号都是通过喇叭发射的 , 由于喇叭是固定不动的 ,所以目标信号在方位和俯仰
R = R0 + V ( t1 - t0) ,
(5)
式中 R0 为初始距离 , V 为匀速度 , t0 为运动初始时 间 , t1 为当前时间 。
对于匀加速度为 a 的运动目标 ,其距离 R 为 :
R = R0 + a ( t1 - t0) 2/ 2 。
(6)
式 (3) ～ (6) 为相对于雷达平台固定的径向运动点 目标距离公式 ,目标回波距离可由这些公式很容易得 到 。对于雷达平台及目标都运动的情况 ,距离公式要 复杂得多 ,甚至需要经过天线坐标系 、经纬度坐标系 、 平面坐标系 、惯性坐标系等一系列坐标转换 。(7) 式为 一个载机和目标在同一坐标系中运动的距离近似计算
由图 2 可知 ,雷达通过总线向模拟器中的计算机 传送雷达工作方式 、天线扫描信息和载机信息等 ,计算 机根据预先设定的目标航迹计算目标在和通道 、方位 差通道 、俯仰差通道的幅度及相位控制值 ,再通过电控 衰减器和移相器对相应通道进行控制 。图中移相器和 电控衰减器应选用高精度的 。
图 2 注入式回波模拟原理图 ·57 ·
电子工程师 电 子 技 术 应 用 V ol . 29 N o. 7 2003
3. 2 方位 、俯仰鉴角特性曲线的计算 以相控阵雷达为例 ,对于 n 列 ×m 行天线阵面 ,
和 、差波束方向图函数如下 :
F ∑( u , v) =
∑∑w nmexp j
(n
2. 1 回波特征量模拟原理 由图 1 可知 ,雷达发射信号经下变频后生成中频
信号 ,在中频上对目标进行处理比较容易实现 。图中 采用 3 个控制器并行工作 ,对目标功率 、距离和速度进 行实时同步控制 。经延时 、幅度和多普勒处理后的中
频目标 ,再经上变频就形成目标回波模拟信号 。 2. 2 目标回波功率模拟
由雷达方程可知 ,假设不考虑系统损耗 ,雷达发射 功率为 Pt ,雷达天线增益为 Gt ,雷达接收回波功率为 Pr ,雷达接收天线增益为 Gr ,目标散射截面积为 σ,目 标距离为 R ,发射波长为 λ,则雷达接收回波功率为 :
Pr
=
Pt (
4Gπt)G3 rλR42σ。
(1)
图 1 回波特征量模拟原理图
Δu = u - us = cosθcos < - cosθscos <s
Δv = v - vs = sin < - sin <s
, (14)
λ= c/ f 为工作波长 , w nm 、anm 、enm 分别为和 、方位差 和俯仰差波束单元幅相加权系数 。(θs , <s) 为波束指 向角 ; (θ, <) 为目标入射角 。
式 (13) 中的 3 个波束经 FF T 处理后 ,分别得到幅 度特征量 YΣ、YΔA 、YΔE ,当Δu 、Δv (或Δθ、Δ<) 不太 大时 ,有如下近似关系 :
YΔA YΣ
≈
-
j KA ·Δu
(15)
YΔE YΣ
≈
-
j KE ·Δv ,
其中 , KA 、KE 分别为方位、俯仰的鉴角常量。可见 ,通过控 制通道间的幅度 ,可求得目标在方位、俯仰上的角度值。 3. 3 注入式目标模拟方法
2 目标回波信号主要特征参数模拟
随着雷达新体制的不断涌现 ,雷达发射信号形式 越来越多 ,有连续波 、单脉冲 、线性调频脉冲 、脉内相位 编码等 ,其目标回波信号与发射波形一致 ,有的甚至相 参 。回波信号的主要特征量是目标回波功率 、目标速
度和目标距离等 ,这些特征量决定了模拟目标回波信 号的性能指标和真实度 。
-
1)
2πd λ
xΔ
u
+
(m
-
1)
2πd λ
yΔ
v
nm
FΔA ( u , v) =
∑∑anmexp j
(n
-
1)
2πd λ
xΔ
u
+
(m
-
1)
2πd λ
yΔ
v
nm
FΔE ( u , v) =
∑∑enmexp j
(n
-
1)
2πd λ
xΔ
u
+
(m
-
1)
2πd λ
yΔ
v
nm
(13)
式中 , dx 、dy 分别为天线单元水平和垂直间距 。
如果用模拟器天线发射回波 ,设模拟器天线增益 为 Gs ,发射功率为 Ps ,则雷达通过目标回波模拟器接 收到的功率为 :
Pr
=
Ps (
4Gπs)G3 rλR42σ。
(2)
由式 (2) 可知 ,模拟器产生的目标回波功率与目标 模拟器发射功率成正比 ,与距离的 4 次方成反比 ,与目 标截面积成正比 。回波功率还受雷达接收天线和模拟
3 注入式回波模拟方法
目标回波模拟器作为一种重要的测试设备 ,可为 雷达系统的联调和测试验收提供目标回波信号仿真 。 目标回波模拟器的输出信号形式有 3 种 :数字目标信 号 、视频目标信号和射频目标信号 。前两种输出信号 分别送雷达数据处理机和信号处理机 ,用于分系统调 试和测试 。射频目标信号用于雷达系统调试 。射频注 入式目标信号是雷达内场系统调试用的重要模拟信 号。 3. 1 注入式回波模拟原理
方式下目标回波的多普勒值 。多普勒模拟范围一般在
几 Hz 至几十 kHz 之间 。由于数字技术高速发展 ,目 前一般采用 DDS 器件模拟多普勒频移 ,DDS 几个重要 参数包括时钟频率 、频率控制字的位数和信噪比 ,目前 DDS 时钟频率可达 1 GHz 以上 ,频率控制字可达 34 位 ,输出信号信噪比达 60 dB 以上 。DDS 产生最小频 率 f min为 :
为:
fD
=
2V λ
cos
<
,
(9)
式中 V 为飞机速度 , < 为速度矢量与目标视线夹角 ,λ 为发射波长 。
雷达平台和目标都运动时 ,多普勒频移 f D 为 :
fD
=
VR
+
λ
V
T
,
(10)
式中 V R 为目标运动速度在雷达视线上的分量 , V T 为
雷达平台运动速度在目标视线上的分量 。 由式 (8) ～ (10) 可以很容易地计算雷达多种工作
R
=
c 2
tR ,
(3)
式中 c 为光速 , t R 为回波信号与发射信号之间的延
Ξ 收稿日期 :2003206211
·56 ·
潘志明 ,等 :雷达目标回波信号仿真实现方法
时。 对于中 、高重复频率目标 ,模糊距离 R 为 :
R
=
c 2
(
m Tr
+
t R)
,
(4)
式中 m 为正整数 , Tr 为脉冲重复周期 。 对于高速运动目标 ,其距离 R 为 :
f min
=
fc 2N
,
(11)
式中 N 为 DDS 的频率控制字位数 , f c 为时钟频率 。 根据 Nyquist 定理 ,DDS 的输出带宽 ,理论上讲最大为 f c/ 2 ,但由于低通滤波器的非理想特性和工程设计的
限制 ,一般输出频率上限为 :
f max = 2 f c/ 5 。
(12)
图 1 中多普勒的计算和控制范围由 (8) ～ (12) 式 得到 , DDS 输出与目标生成器输出信号混频后 ,就形 成多普勒调制的目标信号 。
总之 ,随着雷达种类的增多 、用途的扩大 ,目标回 波信号产生的方法也越来越复杂 ,回波信号形式多种 多样 ,目标回波仿真的要求越来越高 。
参 考 文 献
【摘 要】 详细论述了雷达目标回波信号的特点及特征量模拟的原理和实现方法 , 同时提出了 雷达内 、外场联试中多目标模拟的系统原理 、关键技术和实现方法 。
关键词 :多普勒 , 回波信号 , 辐射 【Abstract】 This paper int roduces t he characteristics of target echo signals of radar system , and dis2 cusses t he principles and implementation of paramet ric simulation. It also provides t he solution and key techniques in multi2target simulation for indoor and out door radar test .
对于固定雷达径向运动的目标 ,其多普勒频移为 :
fD
=
2V λ
,
(8)
式中 V 为目标的径向速度 ,λ为发射波长 。 雷达平台运动时 ,地面固定目标多普勒频移 f D
N
A nexp
- j 2λπn d ( sinθ - sinθ0)
,
n =1
(16)
式中 , A n 为单元加权大小 , n 为单元序号 , d 为单元间 距 ,θ为角度 ,θ0 为指令的波束指向。通过控制不同 单元的合成就可以模拟目标航迹的运动 。
5 结束语
雷达目标回波信号模拟仿真是现代雷达研究的热 门课题之一 。由于雷达体制不断更新 ,功能增强 ,往往 一部雷达有多种发射信号形式 ,对于雷达组网系统 ,需 要同时模拟不同雷达的回波 ,这些都给目标回波信号 的模拟仿真带来了难度 。在外场调试中 ,干扰信号模 拟也是重要的雷达调试信号 ,它对雷达抗干扰能力调 试有重要作用 ,所以目标回波信号中应叠加干扰信号 。
电子工程师 电 子 技 术 应 用 V ol . 29 N o. 7 2003
雷达目标回波信号仿真实现方法Ξ
Research on Radar Target Simulation System
潘志明 , 殷成志 (南京电子技术研究所 江苏南京 210013)
由图 2 可知 ,目标信号的和 、方位差 、俯仰差通道 分别注入到雷达接收机的对应通道 ,计算机根据设置 的目标航迹 ,通过对雷达天线扫描角和通道的幅度控 制 ,可模拟出多目标航迹 。
4 辐射式目标回波模拟方法
雷达全状态的工作调试必须在外场完成 。根据雷 达工作波段 ,在距离雷达数十米至数百米的地方 ,才形 成远场波束 ,所以外场目标回波模拟器输出信号与雷 达之间要有一定的距离 。 4. 1 辐射式目标回波模拟原理
公式 :
R ( t)
R0[1
-
cos
<(
Vt R0
)
+
1 2
sin2
<(
Vt R0
)
2Leabharlann Baidu
]
,
(7)
式中假设飞机以速度 V 相对于目标斜向飞行 ,飞机速 度和目标之间的夹角为 < , R0 为目标与雷达的初始距 离 ,且 V t/ R0 ν 1 ,可见距离随时间的变化是时间的二 次函数 。
图 1 中 ,目标运动方式和距离参数由计算机控制 , 控制器根据计算机送来的控制命令 ,实时计算距离值 送距离锁存器 ,延时精度可达 1. 5 m 。 2. 4 目标速度模拟
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图 3 辐射式目标回波模拟原理框图
上是不变的 。目标在方位 、俯仰的移动 ,可以测试雷达 测角精度和跟踪能力 。下面是全空域目标模拟方法 。
将远场喇叭阵列当作目标信号发射阵面 ,每个喇 叭作为一个发射单元 ,则 N 个单元的电扫线阵的远场 方向图 E (θ) 函数为 :
∑ E (θ) = E (θ)
器发射天线的调制 。由图 1 可知 ,式 (2) 中的参数变量 由计算机产生并送控制器 ,由控制器实时计算回波功 率 ,经 D/ A 去控制精密电控衰减器 ,采用两级控制 ,动 态范围达 100 dB 以上 。 2. 3 目标距离模拟
目标距离可通过雷达发射和接收波形之间的延迟
来计算 ,对于低重复频率 ,目标距离 R 为 :
Keywords : Doppler , echo signal , radiation
1 引 言
目标回波信号模拟仿真对新体制雷达系统研究十 分重要 ,是雷达研制过程中的重要调试工具 。雷达研 制过程可分为分系统调试 、内场系统集成调试和外场 系统性能测试等阶段 ,每个阶段都离不开目标回波信 号模拟仿真 。在不同的调试阶段 ,除需要模拟目标信 号本身的特征外 ,还需要有不同的实现方法 ,这样有利 于提高雷达调试效率 ,加快雷达研制进程 。本文对目 标回波信号模拟方法作一探讨 。
如图 3 所示 ,在雷达天线扫描前方布置若干个喇 叭阵 ,在远场形成喇叭阵列 ,该阵列用于目标模拟信号 的收发 。目标模拟器的输出信号和控制信号通过固有 线或无线方法传输到远场的转发机 。 4. 2 空间目标航迹的模拟
4. 1 节中 ,模拟的目标信号都是通过喇叭发射的 , 由于喇叭是固定不动的 ,所以目标信号在方位和俯仰
R = R0 + V ( t1 - t0) ,
(5)
式中 R0 为初始距离 , V 为匀速度 , t0 为运动初始时 间 , t1 为当前时间 。
对于匀加速度为 a 的运动目标 ,其距离 R 为 :
R = R0 + a ( t1 - t0) 2/ 2 。
(6)
式 (3) ～ (6) 为相对于雷达平台固定的径向运动点 目标距离公式 ,目标回波距离可由这些公式很容易得 到 。对于雷达平台及目标都运动的情况 ,距离公式要 复杂得多 ,甚至需要经过天线坐标系 、经纬度坐标系 、 平面坐标系 、惯性坐标系等一系列坐标转换 。(7) 式为 一个载机和目标在同一坐标系中运动的距离近似计算
由图 2 可知 ,雷达通过总线向模拟器中的计算机 传送雷达工作方式 、天线扫描信息和载机信息等 ,计算 机根据预先设定的目标航迹计算目标在和通道 、方位 差通道 、俯仰差通道的幅度及相位控制值 ,再通过电控 衰减器和移相器对相应通道进行控制 。图中移相器和 电控衰减器应选用高精度的 。
图 2 注入式回波模拟原理图 ·57 ·
电子工程师 电 子 技 术 应 用 V ol . 29 N o. 7 2003
3. 2 方位 、俯仰鉴角特性曲线的计算 以相控阵雷达为例 ,对于 n 列 ×m 行天线阵面 ,
和 、差波束方向图函数如下 :
F ∑( u , v) =
∑∑w nmexp j
(n
2. 1 回波特征量模拟原理 由图 1 可知 ,雷达发射信号经下变频后生成中频
信号 ,在中频上对目标进行处理比较容易实现 。图中 采用 3 个控制器并行工作 ,对目标功率 、距离和速度进 行实时同步控制 。经延时 、幅度和多普勒处理后的中
频目标 ,再经上变频就形成目标回波模拟信号 。 2. 2 目标回波功率模拟
由雷达方程可知 ,假设不考虑系统损耗 ,雷达发射 功率为 Pt ,雷达天线增益为 Gt ,雷达接收回波功率为 Pr ,雷达接收天线增益为 Gr ,目标散射截面积为 σ,目 标距离为 R ,发射波长为 λ,则雷达接收回波功率为 :
Pr
=
Pt (
4Gπt)G3 rλR42σ。
(1)
图 1 回波特征量模拟原理图
Δu = u - us = cosθcos < - cosθscos <s
Δv = v - vs = sin < - sin <s
, (14)
λ= c/ f 为工作波长 , w nm 、anm 、enm 分别为和 、方位差 和俯仰差波束单元幅相加权系数 。(θs , <s) 为波束指 向角 ; (θ, <) 为目标入射角 。
式 (13) 中的 3 个波束经 FF T 处理后 ,分别得到幅 度特征量 YΣ、YΔA 、YΔE ,当Δu 、Δv (或Δθ、Δ<) 不太 大时 ,有如下近似关系 :
YΔA YΣ
≈
-
j KA ·Δu
(15)
YΔE YΣ
≈
-
j KE ·Δv ,
其中 , KA 、KE 分别为方位、俯仰的鉴角常量。可见 ,通过控 制通道间的幅度 ,可求得目标在方位、俯仰上的角度值。 3. 3 注入式目标模拟方法
2 目标回波信号主要特征参数模拟
随着雷达新体制的不断涌现 ,雷达发射信号形式 越来越多 ,有连续波 、单脉冲 、线性调频脉冲 、脉内相位 编码等 ,其目标回波信号与发射波形一致 ,有的甚至相 参 。回波信号的主要特征量是目标回波功率 、目标速
度和目标距离等 ,这些特征量决定了模拟目标回波信 号的性能指标和真实度 。
-
1)
2πd λ
xΔ
u
+
(m
-
1)
2πd λ
yΔ
v
nm
FΔA ( u , v) =
∑∑anmexp j
(n
-
1)
2πd λ
xΔ
u
+
(m
-
1)
2πd λ
yΔ
v
nm
FΔE ( u , v) =
∑∑enmexp j
(n
-
1)
2πd λ
xΔ
u
+
(m
-
1)
2πd λ
yΔ
v
nm
(13)
式中 , dx 、dy 分别为天线单元水平和垂直间距 。
如果用模拟器天线发射回波 ,设模拟器天线增益 为 Gs ,发射功率为 Ps ,则雷达通过目标回波模拟器接 收到的功率为 :
Pr
=
Ps (
4Gπs)G3 rλR42σ。
(2)
由式 (2) 可知 ,模拟器产生的目标回波功率与目标 模拟器发射功率成正比 ,与距离的 4 次方成反比 ,与目 标截面积成正比 。回波功率还受雷达接收天线和模拟
3 注入式回波模拟方法
目标回波模拟器作为一种重要的测试设备 ,可为 雷达系统的联调和测试验收提供目标回波信号仿真 。 目标回波模拟器的输出信号形式有 3 种 :数字目标信 号 、视频目标信号和射频目标信号 。前两种输出信号 分别送雷达数据处理机和信号处理机 ,用于分系统调 试和测试 。射频目标信号用于雷达系统调试 。射频注 入式目标信号是雷达内场系统调试用的重要模拟信 号。 3. 1 注入式回波模拟原理
方式下目标回波的多普勒值 。多普勒模拟范围一般在
几 Hz 至几十 kHz 之间 。由于数字技术高速发展 ,目 前一般采用 DDS 器件模拟多普勒频移 ,DDS 几个重要 参数包括时钟频率 、频率控制字的位数和信噪比 ,目前 DDS 时钟频率可达 1 GHz 以上 ,频率控制字可达 34 位 ,输出信号信噪比达 60 dB 以上 。DDS 产生最小频 率 f min为 :
为:
fD
=
2V λ
cos
<
,
(9)
式中 V 为飞机速度 , < 为速度矢量与目标视线夹角 ,λ 为发射波长 。
雷达平台和目标都运动时 ,多普勒频移 f D 为 :
fD
=
VR
+
λ
V
T
,
(10)
式中 V R 为目标运动速度在雷达视线上的分量 , V T 为
雷达平台运动速度在目标视线上的分量 。 由式 (8) ～ (10) 可以很容易地计算雷达多种工作
R
=
c 2
tR ,
(3)
式中 c 为光速 , t R 为回波信号与发射信号之间的延
Ξ 收稿日期 :2003206211
·56 ·
潘志明 ,等 :雷达目标回波信号仿真实现方法
时。 对于中 、高重复频率目标 ,模糊距离 R 为 :
R
=
c 2
(
m Tr
+
t R)
,
(4)
式中 m 为正整数 , Tr 为脉冲重复周期 。 对于高速运动目标 ,其距离 R 为 :
f min
=
fc 2N
,
(11)
式中 N 为 DDS 的频率控制字位数 , f c 为时钟频率 。 根据 Nyquist 定理 ,DDS 的输出带宽 ,理论上讲最大为 f c/ 2 ,但由于低通滤波器的非理想特性和工程设计的
限制 ,一般输出频率上限为 :
f max = 2 f c/ 5 。
(12)
图 1 中多普勒的计算和控制范围由 (8) ～ (12) 式 得到 , DDS 输出与目标生成器输出信号混频后 ,就形 成多普勒调制的目标信号 。
总之 ,随着雷达种类的增多 、用途的扩大 ,目标回 波信号产生的方法也越来越复杂 ,回波信号形式多种 多样 ,目标回波仿真的要求越来越高 。
参 考 文 献
【摘 要】 详细论述了雷达目标回波信号的特点及特征量模拟的原理和实现方法 , 同时提出了 雷达内 、外场联试中多目标模拟的系统原理 、关键技术和实现方法 。
关键词 :多普勒 , 回波信号 , 辐射 【Abstract】 This paper int roduces t he characteristics of target echo signals of radar system , and dis2 cusses t he principles and implementation of paramet ric simulation. It also provides t he solution and key techniques in multi2target simulation for indoor and out door radar test .