CN109239684A - 基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统及其模拟方法，利用电磁场仿真软件，以雷达目标精确三维几何模型为输入，设置雷达频率、空间的角度等参数，离线仿真计算雷达目标电磁散射特性；生成雷达目标在不同频率和不同空间角度下的目标电磁散射特性数据，并形成散射模型数据库；雷达目标回波仿真时，根据雷达测试的频率和轨道信息预先加载目标电磁散射特性数据至模拟器数字储频单元(DRFM)；DRFM通过查表方式对仿真频率及当前仿真姿态下的目标电磁散射特性数据进行实时传输；信号处理单元控制DRFM完成雷达发射信号与目标散射特性数据频域卷积，并对卷积结果进行逆傅立叶变换处理得到目标时域回波。

Description

基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统及其模拟方法

技术领域

本发明涉及雷达模拟测试技术领域，特别涉及一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统及其模拟方法。

背景技术

雷达回波信号模拟是指对雷达观测范围内的所有电磁环境进行模拟，包括目标、杂波、有源、无源干扰等，广泛用于雷达系统的分析调试和对雷达整机性能和指标的检验、评估，可为雷达系统提供数字、注入、辐射式的模拟信号环境，同时也可为雷达、导引头等装备复杂电磁环境适应性试验与评估提供试验电磁环境。在雷达装备研制过程中，需要在研制阶段开展大量的内场试验以检验装备的复杂电磁环境适应性性能底数，为了复现实际作战场景中的复杂电磁环境，要求回波信号模拟的试验电磁环境尽可能逼真实际环境。

目前雷达目标回波模拟方法主要分两种，第一种是基于目标斯韦林统计模型的点目标回波模拟，第二种是基于目标散射中心模型的扩展目标回波模拟。第一种方法针对点目标回波模拟主要应用于窄脉冲雷达，且利用斯韦林统计模型得到的目标散射回波模型精度低，只能模拟一类目标，对被探测目标不具有针对性；第二种方法通过电磁仿真得到目标散射中心，利用散射中心拟合目标回波信号，但往往拟合精度低，难以模拟任意空间姿态下的雷达目标回波。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统及其模拟方法，解决了传统方法目标回波模拟不精确及模拟目标不具针对性的缺点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统，包括发射天线、发射前端、上变频单元、频综单元、目标电磁特性数据库、数字储频单元、信号处理单元、主控单元、测频接收机、下变频单元、接收前端、接收天线；发射前端分别与发射天线与上变频单元连接，频综单元分别与上变频单元和下变频单元连接，接收前端分别与接收天线和下变频单元连接，数字储频单元分别与上变频单元、下变频单元、目标电磁特性数据库和信号处理单元连接，信号处理单元分别与主控单元、测频接收机和接收前端连接；

目标电磁散射特性数据库在主控单元的控制下将目标电磁散射特性数据预加载至数字储频单元；信号处理单元在主控单元的控制下进行模拟器工作状态准备；接收天线与接收前端接收被试雷达入射信号，下变频单元对接收到的雷达射频信号进行下变频处理，得到中频信号，一路送至测频接收机进行雷达参数测量，另一路送至数字储频单元进行储频；信号处理单元接收测频接收机输入的中频信号，将测频结果发送至数字储频单元，同时为接收前端和发射前端提供同步信号，并将状态回传给主控单元；数字储频单元接收下变频单元发送的中频信号和目标电磁散射特性数据库的散射特性数据，在信号单元的调制控制下，完成卷积处理，生成中频回波信号，并发送至上变频单元；上变频单元对接收到的中频信号进行上变频，并输出至发射前端，发射前端对射频信号进行功率放大，并由发射天线辐射到外部空间，完成目标回波信号的辐射输出；此外频综单元为上下变频单元提供频综信号，为系统提供参考时钟。

一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、利用电磁场数值计算方法，以雷达目标精确三维几何模型为输入，设置目标电磁仿真参数，离线仿真计算雷达目标电磁散射特性，并生成雷达目标在不同频率和不同空间角度下的目标电磁散射特性数据，并形成散射特性模型数据库；

步骤2、模拟系统的接收前端、发射前端、数字储频单元和信号处理单元在主控单元的控制下完成初始化状态准备；

步骤3、雷达目标回波模拟仿真时，目标电磁特性数据库在主控单元的控制下，根据雷达测试的频率和轨道信息预先将目标电磁散射特性数据加载至数字储频单元；

步骤4、下变频单元对接收天线和接收前端接收到射频信号进行下变频处理，得到中频信号送至数字储频单元进行储频和测频接收机进行雷达信号参数测量；

步骤5、数字储频单元通过查表方式将仿真频率及当前仿真姿态下的目标电磁散射特性数据实时传输至信号处理单元；

步骤6、信号处理单元控制数字储频组件完成雷达发射信号与目标散射特性数据频域卷积，并对卷积结果进行逆傅立叶变换处理得到目标回波中频信号；

步骤7、上变频单元对数字储频单元输出的目标回波信号进行上变频处理，得到射频信号送至发射前端，发射天线完成目标回波信号向空间的射频辐射，完成目标回波信号模拟。频综单元在目标回波模拟系统中为上下变频单元提供频综信号，为系统提供参考时钟。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)与现有雷达目标回波模拟方法相比，本发明提出的方法通用性更强，同时适用与窄带雷达点目标回波模拟和宽带雷达扩展目标回波模拟，能够实现雷达目标时域回波信号、目标一维距离像模拟及高分辨SAR雷达回波模拟，解决传统雷达目标回波模拟不逼真问题，提高雷达测试和试验的可信度，降低试验成本；

(2)本发明的方法采用电磁计算方法获得的精确散射模型数据生成目标回波信号，较传统采用斯韦林统计模型模拟雷达点目标回波方法相比，对雷达回波模拟的目标更具有针对性，生成的回波信号更精确；

(3)本发明的方法较基于散射中心模型的雷达目标回波模拟方法相比，避免了采用散射中心拟合目标回波带来的误差，能够更加精确的模拟雷达目标的高分辨特征。

附图说明

图1为本发明基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统框图。

图2为本发明基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟方法流程图。

图3为本发明目标电磁散射特性数据库格式图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

1、基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统组成

基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统由发射天线、发射前端、上变频单元、频综单元、目标电磁特性数据库、数字储频单元、信号处理单元、主控单元、测频接收机、下变频单元、接收前端、接收天线组成，如附图1所示。

目标电磁特性数据库由上位机和数据库软件组成，用于存储离线电磁场数值仿真得到的目标电磁散射特性数据。主控单元由主控计算机和主控软件组成，负责指令接收、控制参数分解和下发、模拟系统状态回传和数据记录及显示。接收天线和接收前端负责接收雷达发射信号，对信号进行功率放大变成射频信号。下变频单元负责将接收到雷达射频信号转换为中频信号，并将中频信号送至数字储频单元进行储频和送测频接收机进行雷达参数测量。测频接收机负责对接收到带宽、重频、脉冲周期等雷达信号参数快速测量。数字储频单元对输入的中频信号进行频率相参储频，生成相参基带信号，并完成信号运算。信号处理单元负责输入雷达信号侦收控制、储频控制、数字信号处理单元调制控制、变频单元控制、自检控制、模拟系统工作状态回传。上变频单元对数字信号处理单元送出的中频目标信号进行上变频输出，得到与输入雷达信号源相参的射频信号。频综单元为上、下变频提供变频频综，为模拟系统提供参考时钟。

2、基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟方法的流程

本发明的基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟采用离线电磁仿真计算目标电磁散射特性，实时生成目标回波信号的方法。采用电磁场高频近似方法计算的目标电磁散射模型具有较高精度，实时回波生成时，雷达发射信号与目标电磁散射模型直接进行卷积运算获得雷达目标回波信号，避免了回波拟合误差，完整保留了相参雷达发射信号的相位信息及目标雷达特征信息，同时适应与点目标和扩展目标雷达回波的高精度模拟。

如图2所示，一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟方法，包含以下步骤：

步骤1、利用电磁场数值计算方法，以雷达目标精确三维几何模型为输入，设置仿真参数，离线仿真计算雷达目标电磁散射特性，并生成雷达目标在不同频率和不同空间角度下的目标电磁散射特性数据，形成目标散射特性模型数据库；

步骤2、雷达目标模拟系统的接收前端、发射前端、数字储频单元和信号处理单元在主控单元的控制下完成初始化状态准备；

步骤3、雷达目标回波模拟仿真时，目标电磁特性数据库在主控单元的控制下，根据雷达测试的频率和轨道信息预先将目标电磁散射特性数据加载至数字储频单元；

步骤4、下变频单元对接收天线和接收前端接收到射频信号进行下变频处理，得到中频信号送至数字储频单元进行储频和测频接收机进行雷达信号参数测量；

步骤5、数字储频单元通过查表方式将仿真频率及当前仿真姿态下的目标电磁散射特性数据实时传输至信号处理单元；

步骤6、信号处理单元控制数字储频组件完成雷达发射信号与目标散射特性数据频域卷积，并对卷积结果进行逆傅立叶变换处理得到目标回波中频信号；

步骤7、上变频单元对数字储频单元输出的目标回波信号进行上变频处理，得到射频信号送至发射前端，发射天线完成目标回波信号向空间的射频辐射，完成目标回波信号模拟。频综单元在目标回波模拟系统中为上下变频单元提供频综信号，为系统提供参考时钟。

3、雷达目标电磁散射模型的获取

基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟方法的关键是利用电磁场计算方法获得雷达目标的电磁散射模型。本发明利用电磁场数值计算方法，以雷达目标精确三维几何模型为输入，设置目标电磁仿真参数，离线仿真计算雷达目标电磁散射特性。

根据高频近似理论，复杂目标的散射场包括一次反射场、边缘绕射场和多次反射场，对雷达目标精确三维几何模型进行面元划分，并分别计算目标的一次反射场、边缘绕射场和多次散射场，以得到目标的电磁散射模型。

利用物理光学法计算目标的一次反射场，在平面波入射条件下，目标表面的一次散射场为目标表面感应电流的远场积分，结合表面等效原理，一次反射场的远场积分E_s表示为其中，j表示复数的虚部，k表示电磁波传播常数，r表示场点到目标几何模型原点的距离，Z₀表示自由空间波阻抗，表示观察点方向的单位矢量，表示目标表面法向单位矢量，H_i表示雷达入射平面波的磁场分量，r′表示观察点到目标几何模型原点的方向矢量，dS′表示对目标表面进行面积分；

利用边缘等效流法计算目标的边缘绕射场，根据等效电磁流动概念，对边缘为C的任意劈，远区边缘绕射场E^d _s表示为其中J(r)表示等效边缘电流，M(r)表示等效边缘磁流，dl表示对目标的边缘进行线积分；

利用弹跳射线法计算目标多次散射场，用一系列的光学射线管模拟电磁波入射到目标表面，用几何光学原理模拟射线管着目标表面发生的多次反射过程，在射线管离开物体表面射向无穷远处时应用物理光学法求解多次散射场。

4、目标电磁散射特性数据库要求

设置雷达入射频率和入射角度相关参数，目标电磁仿真计算得到目标电磁散射特性，并形成相应的数据库，如图3所示，数据库给出了有限频率范围和有限空间角度范围内的目标散射特性，包括散射场幅度和相位信息，其中，f₁～f_N为目标雷达散射信息的频率范围，N为频点个数，θ₁～θ_M为空间俯仰角范围，M为俯仰角个数，为空间方位角范围，S为方位角个数，σ₁₁₁为固定频点f₁、固定空间俯仰角θ₁、固定空间方位角对应的目标雷达散射场的幅度大小，单位为dBm2，Λ₁₁₁为固定频点f₁、固定空间俯仰角θ₁、固定空间方位角对应的目标雷达散射场的相位角大小，目标雷达散射场的幅度和相位信息共有N×M×S组。目标电磁散射特性数据库中的频率范围及空间角度范围，远大于目标回波模拟雷达入射信号频率范围及空间角度范围，以便实现数据库的通用性，避免对同一目标反复进行电磁仿真计算。

Claims (6)

1.一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统，其特征在于：包括发射天线、发射前端、上变频单元、频综单元、目标电磁特性数据库、数字储频单元、信号处理单元、主控单元、测频接收机、下变频单元、接收前端、接收天线；发射前端分别与发射天线与上变频单元连接，频综单元分别与上变频单元和下变频单元连接，接收前端分别与接收天线和下变频单元连接，数字储频单元分别与上变频单元、下变频单元、目标电磁特性数据库和信号处理单元连接，信号处理单元分别与主控单元、测频接收机和接收前端连接；

目标电磁散射特性数据库在主控单元的控制下将目标电磁散射特性数据预加载至数字储频单元；信号处理单元在主控单元的控制下进行模拟器工作状态准备；接收天线与接收前端接收被试雷达入射信号，下变频单元对接收到的雷达射频信号进行下变频处理，得到中频信号，一路送至测频接收机进行雷达参数测量，另一路送至数字储频单元进行储频；信号处理单元接收测频接收机输入的中频信号，将测频结果发送至数字储频单元，同时为接收前端和发射前端提供同步信号，并将状态回传给主控单元；数字储频单元接收下变频单元发送的中频信号和目标电磁散射特性数据库的散射特性数据，在信号单元的调制控制下，完成卷积处理，生成中频回波信号，并发送至上变频单元；上变频单元对接收到的中频信号进行上变频，并输出至发射前端，发射前端对射频信号进行功率放大，并由发射天线辐射到外部空间，完成目标回波信号的辐射输出；此外频综单元为上下变频单元提供频综信号，为系统提供参考时钟。

2.一种基于权利要求1所述的基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用电磁场数值计算方法，以雷达目标精确三维几何模型为输入，设置目标电磁仿真参数，离线仿真计算雷达目标电磁散射特性，并生成雷达目标在不同频率和不同空间角度下的目标电磁散射特性数据，并形成散射特性模型数据库；

步骤2、模拟系统的接收前端、发射前端、数字储频单元和信号处理单元在主控单元的控制下完成初始化状态准备；

步骤3、雷达目标回波模拟仿真时，目标电磁特性数据库在主控单元的控制下，根据雷达测试的频率和轨道信息预先将目标电磁散射特性数据加载至数字储频单元；

步骤4、下变频单元对接收天线和接收前端接收到射频信号进行下变频处理，得到中频信号送至数字储频单元进行储频和测频接收机进行雷达信号参数测量；

步骤5、数字储频单元通过查表方式将仿真频率及当前仿真姿态下的目标电磁散射特性数据实时传输至信号处理单元；

步骤6、信号处理单元控制数字储频组件完成雷达发射信号与目标散射特性数据频域卷积，并对卷积结果进行逆傅立叶变换处理得到目标回波中频信号；

步骤7、上变频单元对数字储频单元输出的目标回波信号进行上变频处理，得到射频信号送至发射前端，发射天线完成目标回波信号向空间的射频辐射，完成目标回波信号模拟。频综单元在目标回波模拟系统中为上下变频单元提供频综信号，为系统提供参考时钟。

3.根据权利要求2所述的基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统的模拟方法，其特征在于：所述步骤1中，利用电磁场数值计算方法，以雷达目标精确三维几何模型为输入，设置目标电磁仿真参数，离线仿真计算雷达目标电磁散射特性，具体包括：

步骤1-1：根据高频近似理论，复杂目标的散射场包括一次反射场、边缘绕射场和多次反射场，对雷达目标精确三维几何模型进行面元划分，并分别计算目标的一次反射场、边缘绕射场和多次散射场，以得到目标的电磁散射特性；

步骤1-2：利用物理光学法计算目标的一次反射场，在平面波入射条件下，目标表面的一次散射场为目标表面感应电流的远场积分，结合表面等效原理，一次反射场的远场积分E_s表示为其中，j表示复数的虚部，k表示电磁波传播常数，r表示场点到目标几何模型原点的距离，Z₀表示自由空间波阻抗，表示观察点方向的单位矢量，表示目标表面法向单位矢量，H_i表示雷达入射平面波的磁场分量，r′表示观察点到目标几何模型原点的方向矢量，dS′表示对目标表面进行面积分；

步骤1-3：利用边缘等效流法计算目标的边缘绕射场，根据等效电磁流动概念，对边缘为C的任意劈，远区边缘绕射场E^d _s表示为其中J(r′)表示等效边缘电流，M(r′)表示等效边缘磁流，dl表示对目标的边缘进行线积分；

步骤1-4：利用弹跳射线法计算目标多次散射场，用一系列的光学射线管模拟电磁波入射到目标表面，用几何光学原理模拟射线管着目标表面发生的多次反射过程，在射线管离开物体表面射向无穷远处时应用步骤1-2的物理光学法求解多次散射场。

4.根据权利要求2或3所述的基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统的模拟方法，其特征在于：所述步骤1中目标电磁仿真参数包括雷达入射波极化方式、扫频带宽与间隔、方位角度扫描范围与间隔、俯仰角度扫描范围与间隔。

5.根据权利要求2中任意一项所述的基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统的模拟方法，其特征在于：所述步骤1中的散射特性模型数据库，频段范围远大于被试雷达信号带宽，空间角度范围覆盖雷达最大可视范围，能够适应同一波段不同体制雷达目标回波模拟的需求，以达到数据库重复利用的目的。

6.根据权利要求2所述的基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统的模拟方法，其特征在于：所述步骤5中，目标电磁散射特性数据进行实时传输时，采用分脉冲的方式传输数据库中的数据，将目标电磁特性模型数据库中的数据分为若干帧，在仿真过程中数字储频单元在收到中频信号后，进行检波处理，并将检波信号通过差分接口传输至模型数据库；目标电磁特性模型数据库收到检波有效信号后，将每帧的模型数据库信息通过网口发送至数字储频单元。