CN114442051A - 一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法，利用复杂目标的特性模型以及弹载雷达在不同场景下的运动姿态与发射信号的变化规律，定义通用的特征量，预先生成脉冲特征索引文件，控制连续或分段截取生成高逼真度的雷达回波信号。本发明适用于复杂电磁环境下和高速运动场景下进行高逼真度弹载雷达回波模拟。

Description

一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法

技术领域

本发明涉及雷达回波信号的模拟，特别是涉及一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法。

背景技术

通常，现代雷达具有高分辨力、远距离、高精度的能力，并且可以实现多目标的检测和跟踪，抗干扰、杂波等能力。随着雷达系统实现的功能越来越复杂、组成越来越庞大，在雷达系统的研制与测试中，对雷达回波的模拟要求也在不断提高。为了验证雷达整机的性能，通常采用半实物仿真调试和外场试验测试等方式。如果在调试初期就采用外场测试的方案，需要耗费大量的人力、财力，并且很多不可控的外场环境会延长调试周期，无法满足系统的研制进度。因此设计一种高逼真度的雷达回波模拟器，以开展雷达系统的半实物仿真调试，成为雷达系统测试的必然环节。

然而，在雷达研制过程中的半实物仿真测试阶段，受硬件平台运算精度、硬件资源规模、回波模拟实时性等的限制，回波模拟器的设计通常会对雷达回波模拟算法进行简化设计，导致回波的逼真度低于预期。相比之下，基于雷达理论推导的仿真算法设计，发展比较迅速，远远领先于雷达回波模拟的硬件实现，但受算法复杂度的影响，难以工程化应用，尤其是在复杂电磁环境下和高速运动场景下。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提出一种在复杂电磁环境下和高速运动场景下的高逼真度弹载雷达回波模拟方法

一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法，包括如下步骤：

步骤1、回波模拟的参数设置

参数设置包括场景中雷达工作参数、弹道数据的载入、环境参数、天线方向图、目标电磁散射参数、目标运动轨迹、环境信息；参数设置通过加载现有参数文件或通过软件界面设置；参数设置完成后，选择运动轨迹预览进行导弹和轨迹预览显示，如若与预期不符，重新进行设计；

步骤2、坐标转换

首先，实现弹体位置计算、目标位置计算，然后进行弹体和目标的相对位置计算，生成弹体和目标的轨迹；

步骤3、波束照射范围计算

依据输入的弹体位置x、y、z，弹体姿态偏航角、俯仰角、滚转角，数据分辨率以及天线在弹体上的安装角度，计算数据中波束照射的起始行数、起始列数、终止行数、终止列数；

步骤4、天线增益计算

依据输入的分辨率，波束照射的起始行数、起始列数、终止行数、终止列数，弹体位置x、y、z，弹体姿态偏航角、俯仰角、滚转角，天线在弹体上的安装角度以及天线方向图，计算散射点对应的天线增益；

步骤5、回波数据生成

进行场景内各元素的布设，根据这些布设和设置的参数，模拟雷达工作过程，生成回波数据；选择已有外场数据或类似的场景提取的目标特性模型，或调用理论建模生成的目标RCS特性文件，得到目标随角度、频率变化的特性数据文件；

根据步骤2、步骤3、步骤4计算波束照射范围内目标散射点对应距离单元和散射点响应；对目标散射点进行距离单元合并；生成雷达回波数据；

步骤6、回波模拟信号的输出

为适应不同型号雷达的信号处理方式、不同天线发射极化、不同雷达发射信号类型，模拟不同场景下目标回波，用雷达发射信号对目标特性、速度、距离进行实时调制，以此获得实时目标回波；

实时采集雷达发射信号，并与各散射点/面对应的散射强度特性卷积，使目标回波脉冲压缩时能够实现正确的匹配滤波；根据发射波的极化状态，将各个散射点的极化散射矩阵调制进反射回波中，体现目标的变极化特性；针对给定目标的多普勒特性进行脉间相位的调制；根据提供的目标距离信息，对目标回波数据进行延时调制和目标回波整体幅度的调制。

进一步地，步骤1中弹道数据载入时，采用离散点拟合的方式描述弹道。

进一步地，步骤2中，

首先，实现弹体位置计算；若选择不启用导引率，加载预设的弹道，弹体根据时刻读取弹道文件进行运动，提供当前弹体位置，计算当前弹体速度、角度等信息；若选择启用导引率，首先加载预设的弹道，弹体根据时刻读取弹道文件进行运动，提供当前弹体位置，计算当前弹体速度、角度等信息，并判断雷达是否进入跟踪状态，若雷达进入跟踪状态，根据比例导引实时计算弹体位置，给出当前角度和速度信息；

其次，实现目标运动轨迹计算；根据设置的各种参数进行目标轨迹计算；选择加载的目标，选定目标后，加载生成的轨迹文件和目标RCS特性文件，根据时刻读取轨迹文件进行运动，提供当前目标位置，计算当前目标速度、角度及RCS信息。

进一步地，步骤2中轨迹产生方式包括方程轨迹方式以及连线轨迹方式；

若选择方程轨迹产生方式，设置起始位置和结束位置、轨迹总时间、插值时间、XYZ各向方程系数，根据设置参数计算方程，产生轨迹数据；

若选择连线轨迹产生方式，设置起始位置和结束位置、起始时间、结束时间、插值点数，按照线性插值方式产生轨迹数据；更改起始位置、结束位置、起始时间和结束时间，继续产生连线轨迹，保证当前起始时间与上次结束保持一致，当前结束时间大于当前起始时间，可产生任意连线轨迹。

进一步地，步骤5中，若选择无源干扰元素，如达到起始时刻，根据发射距离和风速风向计算当前箔条位置和箔条电磁散射特性，直至箔条消失时刻，或根据角反类型、排布、布设位置计算角反的电磁散射特性；若选择有源压制干扰元素，如达到起始时刻，根据探测到雷达信号实施压制干扰，直至预设结束时刻；若选择有源欺骗干扰，如达到起始时刻，根据探测到雷达信号实施欺骗干扰，直至预设结束时刻；若选择杂波，则根据天气及雷达工作体制和入射角度，选择合适的杂波模型产生杂波数据；

雷达工作过程的模拟，包括根据导弹与目标之间的距离判断当前距离是否满足二次开机要求；若满足，则开机搜索，计算天线位置、发射功率、频率、信号类型、脉宽、重频参数，扇扫判断目标是否在波束范围内，脉冲积累、信号检测、信号关联；若搜索到目标则转截获，若截获成功则转跟踪，若截获失败则转搜索，跟踪目标，若因受到干扰跟丢目标则转记忆，重新跟踪目标或重新搜索目标截获目标。

本发明的有益效果：

1)运用雷达系统算法建模，提高回波模拟的逼真程度；同时，将复杂的弹道轨迹和雷达的制导过程结合，模拟了复杂电磁环境下和高速运动场景下的回波变化规律；

2)依据回波的特征变化，进行参数提取，表征当前回波的状态，便于后续恢复原始波形；

3)能够适应不同型号雷达目标回波仿真，产生的目标回波信号与被测产品相参性好。

附图说明

图1是本发明中雷达目标回波模拟工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示,一种基于复杂场景仿真模型和弹体运动模型的高逼真度弹载雷达回波模拟方法，输入条件为弹道数据、雷达工作参数、天线信息、环境信息、目标信息、雷达发射信号等，为提高回波模拟的逼真程度，回波仿真算法考虑了雷达工作过程、弹体姿态、天线照射的变化和天线方向图等因素对回波的影响。回波模拟时，首先根据试验需求建立场景几何模型，依据雷达载体位置、姿态角和天线波束角等参数计算波束照射场景范围，对波束照射地面场景范围内的每一个散射点计算其对应的散射系数、天线增益、回波延时和雷达工作过程，将场景中散射点距离单元合并得到回波模拟数据中，并与与雷达发射信号卷积及DA播放，即为雷达回波模拟的全过程。所述方法包括如下步骤：

步骤1、回波模拟的参数设置

参数设置主要实现场景中雷达工作参数、弹道数据的载入、环境参数、天线方向图、目标电磁散射参数、目标运动轨迹、环境信息等参数设置。参数设置主要包括两种方法，一是加载现有参数文件，二是通过软件界面设置各种参数。参数设置完成后，选择运动轨迹预览进行导弹和轨迹预览显示，如若与预期不符，可重新进行设计。

其中，弹道数据载入时，由于实际弹道复杂多变，很难用数学公式去描述，因此采用离散点拟合的方式描述弹道。每隔5ms记录一次飞行器位置信息、速度信息和姿态角信息等，假设5ms之内飞行器各参数信息均匀变化。回波模拟时需实时计算每个发射脉冲时刻飞行器各参数信息，因此按雷达发射脉冲重复周期对5ms间隔记录飞行器信息的弹道数据进行插值即可。

步骤2、坐标转换

首先，实现弹体位置计算。若选择不启用导引率，加载预设的弹道，弹体根据时刻读取弹道文件进行运动，提供当前弹体位置，计算当前弹体速度、角度等信息；若选择启用导引率，首先加载预设的弹道，弹体根据时刻读取弹道文件进行运动，提供当前弹体位置，计算当前弹体速度、角度等信息，并判断雷达是否进入跟踪状态，若雷达进入跟踪状态，根据比例导引实时计算弹体位置，给出当前角度和速度信息。

其次，目标运动轨迹计算。根据“参数设置”的各种参数进行目标轨迹计算。选择加载的目标，如箔条、角反等无源干扰、有源压制干扰、有源欺骗干扰和杂波等；选定目标后，加载生成的轨迹文件和目标RCS特性文件，根据时刻读取轨迹文件进行运动，提供当前目标位置，计算当前目标速度、角度及RCS等信息。

最后，轨迹生成。主要是实现弹体和目标的轨迹。根据参数设置选择是否编辑新轨迹，若不选择编辑新轨迹，则加载现有弹道或轨迹，否则，编辑新轨迹。选择轨迹产生方式，一是方程轨迹方式，二是连线轨迹方式。

若选择方程轨迹产生方式，设置起始位置XYZ(东北天坐标系)和结束位置XYZ，设置轨迹总时间(单位，s)，设置插值时间(即一个PRT时间，单位，s)，设置XYZ各向方程系数，该系数是XYZ与时间函数，根据设置参数计算方程，产生轨迹数据。

若选择连线轨迹产生方式，设置起始位置XYZ(东北天坐标系)和结束位置XYZ，设置起始时间(单位，s)，设置结束时间(单位，s)，设置插值点数，则按照线性插值方式产生轨迹数据；更改起始位置、结束位置、起始时间和结束时间，继续产生连线轨迹(保证当前起始时间与上次结束保持一致，当前结束时间大于当前起始时间，可产生任意连线轨迹)。

步骤3、波束照射范围计算

依据输入：弹体位置x、y、z；弹体姿态偏航角、俯仰角、滚转角；数据分辨率，天线在弹体上的安装角度；

输出：数据中波束照射的起始行数、起始列数、终止行数、终止列数。

步骤4、天线增益计算

依据输入：分辨率；波束照射的起始行数、起始列数、终止行数、终止列数；弹体位置x、y、z；弹体姿态偏航角、俯仰角、滚转角；天线在弹体上的安装角度；天线方向图；

输出：散射点对应的天线增益。

步骤5、回波数据生成

进行场景内各元素的布设，以及根据这些布设和设置的参数，模拟雷达工作过程，生成回波数据。可以选择已有外场数据或类似的场景提取的目标特性模型，也可以调用理论建模生成的目标RCS特性文件，可以得到目标随角度、频率变化的特性数据文件；若选择无源干扰元素，如达到起始时刻，根据发射距离和风速风向计算当前箔条位置和箔条电磁散射特性，直至箔条消失时刻，或根据角反类型、排布、布设位置计算角反的电磁散射特性；若选择有源压制干扰元素，如达到起始时刻，根据探测到雷达信号实施压制干扰，直至预设结束时刻；若选择有源欺骗干扰，如达到起始时刻，根据探测到雷达信号实施欺骗干扰，直至预设结束时刻；若选择杂波，则根据天气及雷达工作体制和入射角度，选择合适的杂波模型产生杂波数据。

雷达工作过程的模拟，内容包括根据导弹与目标之间的距离判断当前距离是否满足二次开机要求，若满足，则开机搜索，计算天线位置、发射功率、频率、信号类型、脉宽、重频等参数，扇扫判断目标是否在波束范围内，脉冲积累、信号检测、信号关联，若搜索到目标则转截获，若截获成功则转跟踪，若截获失败则转搜索，跟踪目标，若因受到干扰等原因跟丢目标则转记忆，则重新跟踪目标或重新搜索目标截获目标；另外，跟踪过程中可依据设计需求多次开关机，以降低对方探测到雷达概率。

最终，根据步骤2、步骤3、步骤4计算波束照射范围内目标散射点对应距离单元和散射点响应；对目标散射点进行距离单元合并；生成雷达回波数据。

步骤6、回波模拟信号的输出

为适应不同型号雷达的信号处理方式、不同天线发射极化、不同雷达发射信号类型，同时为了复原不同场景下目标回波，需要对目标速度、距离等进行调制，以此获得实时目标回波。

实时采集雷达发射信号，并与各散射点/面对应的散射强度特性卷积，使目标回波脉冲压缩时能够实现正确的匹配滤波；根据发射波的极化状态(水平/垂直)，将各个散射点的极化散射矩阵调制进反射回波中，体现目标的变极化特性；针对给定目标的多普勒特性进行脉间相位的调制；根据提供的目标距离信息，对目标回波数据进行延时调制和目标回波整体幅度的调制。

上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、回波模拟的参数设置

参数设置包括场景中雷达工作参数、弹道数据的载入、环境参数、天线方向图、目标电磁散射参数、目标运动轨迹、环境信息；参数设置通过加载现有参数文件或通过软件界面设置；参数设置完成后，选择运动轨迹预览进行导弹和轨迹预览显示，如若与预期不符，重新进行设计；

步骤2、坐标转换

首先，实现弹体位置计算、目标位置计算，然后进行弹体和目标的相对位置计算，生成弹体和目标的轨迹；

步骤3、波束照射范围计算

依据输入的弹体位置x、y、z，弹体姿态偏航角、俯仰角、滚转角，数据分辨率以及天线在弹体上的安装角度，计算数据中波束照射的起始行数、起始列数、终止行数、终止列数；

步骤4、天线增益计算

依据输入的分辨率，波束照射的起始行数、起始列数、终止行数、终止列数，弹体位置x、y、z，弹体姿态偏航角、俯仰角、滚转角，天线在弹体上的安装角度以及天线方向图，计算散射点对应的天线增益；

步骤5、回波数据生成

进行场景内各元素的布设，根据这些布设和设置的参数，模拟雷达工作过程，生成回波数据；选择已有外场数据或类似的场景提取的目标特性模型，或调用理论建模生成的目标RCS特性文件，得到目标随角度、频率变化的特性数据文件；

根据步骤2、步骤3、步骤4计算波束照射范围内目标散射点对应距离单元和散射点响应；对目标散射点进行距离单元合并；生成雷达回波数据；

步骤6、回波模拟信号的输出

为适应不同型号雷达的信号处理方式、不同天线发射极化、不同雷达发射信号类型，模拟不同场景下目标回波，用雷达发射信号对目标特性、速度、距离进行实时调制，以此获得实时目标回波；

实时采集雷达发射信号，并与各散射点/面对应的散射强度特性卷积，使目标回波脉冲压缩时能够实现正确的匹配滤波；根据发射波的极化状态，将各个散射点的极化散射矩阵调制进反射回波中，体现目标的变极化特性；针对给定目标的多普勒特性进行脉间相位的调制；根据提供的目标距离信息，对目标回波数据进行延时调制和目标回波整体幅度的调制。

2.根据权利要求1所述的一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法，其特征在于，步骤1中弹道数据载入时，采用离散点拟合的方式描述弹道。

3.根据权利要求1所述的一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法，其特征在于，步骤2中，

首先，实现弹体位置计算；若选择不启用导引率，加载预设的弹道，弹体根据时刻读取弹道文件进行运动，提供当前弹体位置，计算当前弹体速度、角度等信息；若选择启用导引率，首先加载预设的弹道，弹体根据时刻读取弹道文件进行运动，提供当前弹体位置，计算当前弹体速度、角度等信息，并判断雷达是否进入跟踪状态，若雷达进入跟踪状态，根据比例导引实时计算弹体位置，给出当前角度和速度信息；

其次，实现目标运动轨迹计算；根据设置的各种参数进行目标轨迹计算；选择加载的目标，选定目标后，加载生成的轨迹文件和目标RCS特性文件，根据时刻读取轨迹文件进行运动，提供当前目标位置，计算当前目标速度、角度及RCS信息。

4.根据权利要求1所述的一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法，其特征在于，步骤2中轨迹产生方式包括方程轨迹方式以及连线轨迹方式；

若选择方程轨迹产生方式，设置起始位置和结束位置、轨迹总时间、插值时间、XYZ各向方程系数，根据设置参数计算方程，产生轨迹数据；

若选择连线轨迹产生方式，设置起始位置和结束位置、起始时间、结束时间、插值点数，按照线性插值方式产生轨迹数据；更改起始位置、结束位置、起始时间和结束时间，继续产生连线轨迹，保证当前起始时间与上次结束保持一致，当前结束时间大于当前起始时间，可产生任意连线轨迹。

5.根据权利要求1所述的一种高逼真度弹载雷达回波模拟方法，其特征在于，步骤5中，若选择无源干扰元素，如达到起始时刻，根据发射距离和风速风向计算当前箔条位置和箔条电磁散射特性，直至箔条消失时刻，或根据角反类型、排布、布设位置计算角反的电磁散射特性；若选择有源压制干扰元素，如达到起始时刻，根据探测到雷达信号实施压制干扰，直至预设结束时刻；若选择有源欺骗干扰，如达到起始时刻，根据探测到雷达信号实施欺骗干扰，直至预设结束时刻；若选择杂波，则根据天气及雷达工作体制和入射角度，选择合适的杂波模型产生杂波数据；

雷达工作过程的模拟，包括根据导弹与目标之间的距离判断当前距离是否满足二次开机要求；若满足，则开机搜索，计算天线位置、发射功率、频率、信号类型、脉宽、重频参数，扇扫判断目标是否在波束范围内，脉冲积累、信号检测、信号关联；若搜索到目标则转截获，若截获成功则转跟踪，若截获失败则转搜索，跟踪目标，若因受到干扰跟丢目标则转记忆，重新跟踪目标或重新搜索目标截获目标。

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