CN116430330A - 一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统 - Google Patents

一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统 Download PDF

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CN116430330A CN202310674942.7A CN202310674942A CN116430330A CN 116430330 A CN116430330 A CN 116430330A CN 202310674942 A CN202310674942 A CN 202310674942A CN 116430330 A CN116430330 A CN 116430330A
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Abstract

本发明涉及成像雷达及雷达对抗领域，尤其涉及一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，包括电磁环境主控设备以及无人机平台，其中电磁环境主控设备安装有电磁环境主控系统；无人机平台搭载有合成孔径成像雷达信号模拟器。本发明针对模拟雷达辐射信号的全域特征由于需搭载航空飞行平台而经济成本高、实施难度大，实际中可行性差的技术问题，提出了上述雷达辐射信号模拟系统，能够从时、频、空、能全域涵盖雷达辐射信号特征并进行逼真模拟，提供了成本较低、仿真灵活、使用方便、适应性强的可行途径。

Description

一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统
技术领域
本发明涉及成像雷达及雷达对抗领域，尤其是涉及一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统。
背景技术
机载合成孔径雷达是指以飞机为搭载平台，通过移动得到很长的天线孔径并经相参处理得到很高的方位向分辨率和距离向分辨率，从而可以对地面或海面进行两维成像的雷达。目前雷达信号模拟器大量应用于现代战场环境模拟,是雷达对抗系统与设备中的重要装置。仅对信号的侦察而言，目前的雷达信号模拟器大多是地面固定架设，只注重信号波形和参数的逼真，无法模拟由于雷达辐射源随载机空间位置移动、姿态变化形成的信号空间变化特征，如载机的任务航线、空中位置作用于机载雷达辐射信号形成的信号方位特征,目前的雷达信号模拟通常只有必要的信号样式和信号参数技术特征，缺乏真实场景、实际电磁环境背景等带来的战术特征。固定架设部署只注重模拟仿真雷达辐射信号的样式和参数，仅仅能反映雷达辐射信号在时域和频域上的逼真程度，而真实环境中实际任务条件下的雷达辐射信号特征不仅仅反映在时域、频域上，还主要体现空域和能域上，模拟雷达辐射信号的全域特征由于需搭载航空飞行平台而经济成本高、实施难度大，实际中可行性差。而基于无人机平台则为从时、频、空、能全域涵盖雷达辐射信号特征并进行逼真模拟提供了成本较低、仿真灵活、使用方便、适应性强的可行途径。
发明内容
因此，为解决上述问题，本发明提供了一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，能够模拟合成孔径成像雷达工作，从时间、空间、频率、能量多域仿真该种雷达辐射信号技术特征和战术特征，逼真复现真实场景下的合成孔径成像雷达辐射信号。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，包括电磁环境主控设备、无线数传模块以及无人机平台，其中：电磁环境主控设备安装有电磁环境主控系统；无人机平台搭载有合成孔径成像雷达信号模拟器；
其中电磁环境主控设备按如下方式进行工作：
（1）设置被模拟的、搭载合成孔径成像雷达的飞机初始位置和任务航线；
（2）设置被模拟的合成孔径成像雷达参数；
（3）设置地面侦察接收机的部署位置及工作参数；
（4）基于设定计算出搭载雷达信号模拟器无人机的位置、高度、航线、航时；计算出雷达信号模拟器载荷辐射信号的功率；
（5）基于设定进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟计算；
（6）形成综合仿真数据；
（7）传送综合仿真数据并控制无人机平台飞行及搭载的雷达信号模拟器进行雷达信号模拟。
所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其中：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径成像雷达及载机的距离模拟：
设侦察接收机位置为原点，被仿真合成孔径成像雷达距侦察接收机的距离为
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为无人机到侦察接收机的距离，则载荷的发射功率为/>
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所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其中：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径成像雷达及载机的距离变化模拟：
设搭载合成孔径成像雷达飞机的径向飞行速度
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、飞行方向系数/>
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、飞行时长/>
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，当该飞机位于航线某点N，搭载在无人机上的雷达信号模拟器载荷辐射功率为/>
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N为无人机位于航线N点到侦察接收机的距离, RN是航线N点时被仿真合成孔径成像雷达距侦察接收机的距离。
搭载合成孔径成像雷达飞机飞行
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时间后，该飞机位于航线某点N+1,搭载无人机的雷达信号模拟器载荷辐射功率为/>
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N+1为无人机位于航线N+1点到侦察接收机的距离，RN+1是航线N+1点时被仿真合成孔径成像雷达距侦察接收机的距离，K=1为向着侦察机接收机径向飞行；K=-1为背离侦察机接收机径向飞行，则雷达信号模拟器载荷仿真的功率变化为/>
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所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其中：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径成像雷达及载机的高度模拟：
设
Figure SMS_16
为被仿真搭载合成孔径成像雷达飞机的高度，则无人机的飞行高度为：
Figure SMS_17
。
所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其中：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径雷达信号参数的模拟：
设雷达信号模拟器载荷辐射仿真成像雷达脉冲信号序列的工作频率为
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常规脉冲信号对单一频率信号进行脉冲调制，且调制脉冲的重复周期和脉宽均为某一定值，雷达信号模拟器载荷辐射被仿真成像雷达的脉冲常规信号为
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所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其中：进行对被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对雷达信号模拟器载荷移动速度的模拟：
设
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为搭载无人机的雷达信号模拟器载荷辐射天线波束宽度，
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为无人机到侦 察接收机的距离，则雷达信号模拟器载荷移动速度为
Figure SMS_53
。
附图说明
图1基于无人机的机载合成孔径成像雷达信号模拟系统示意图；
图2雷达信号模拟器载荷技术组成框图；
图3基于无人机模拟机载成像雷达信号示意图；
图4机载成像雷达聚束成像示意图。
具体实施方式
下面结合附图1~附图4和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
所述实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。显然，本发明所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本说明书中描述的“一种实施方式”或“一些实施方式”等意味着在本发明的一个或多个实施方式中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
如附图1~附图4所示，基于无人机的雷达辐射信号模拟系统包括电磁环境主控设备、无线数字传输模块、无人机平台系统。其中电磁环境主控设备安装有电磁环境主控软件，用于构建具有真实背景的虚拟电磁环境以实现对机载合成孔径成像雷达信号活动特征的模拟；无线传输模块用于电磁环境主控设备和无人机平台之间的数据传输；无人机平台搭载有雷达信号模拟器载荷，用于根据电磁环境主控设备设置构建具有真实背景的电磁环境，在合适的位置、合适的时间产生合适的雷达模拟信号。侦察接收机为己方提供情报信息需对对手的机载合成孔径成像雷达辐射的信号进行侦察接收并测量其参数，其本身并不属于基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，但为清晰阐述本发明技术特将其画入图1中。
电磁环境主控设备主要包括安装有电磁环境主控软件的笔记本计算机（地面控制）、手持遥控手柄（地面手控）和无线数传电台。电磁环境主控软件的作用一是完成作战想定编辑，输入机载合成孔径成像雷达的飞行活动（航迹、高度、时间、次数等），输入地面侦察接收机主要技术战术性能、工作参数和部署位置；二是完成合成孔径雷达数据编辑（信号参数、性能、型号、载机、国别等）；三是完成雷达信号模拟器载荷仿真数据的生成加载，仿真数据主要有雷达的工作频率、脉宽、重频、幅度、样式、调制等信号参数，雷达开机、关机、待机、条带成像、聚束成像等工作参数，航迹点（经度、纬度、高度）、速度、航时等载机空中运动参数。
无人机平台包括六旋翼无人机，其滞空时间不小于30分钟，具备航线规划功能，最大巡航速度不小于10m/s，最大载荷重量不小于10kg，无障碍最大传输距离不小于2500m，控制精度不低于垂直±1m、水平±2m，抗风能力不低于5级。由于采用货架产品成熟技术不再赘述。
雷达信号模拟器载荷通过支架固定于六旋翼无人机底部，定向辐射天线固定于雷达信号模拟器下方，雷达信号模拟器的输出端口通过射频电缆连接于定向辐射天线的输入端口，通过定向辐射天线的输出向空间辐射雷达模拟信号。
如图2所示，雷达信号模拟器包括主控模块、数字模块、频综模块、变频模块、功放及衰减控制、天馈模块、电源模块和定向天线。
主控模块主要担负任务管理与上行、下行数据通信交换。主控模块任务管理系统（软件）由5个任务单元组成，任务单元与任务单元之间通过信号量和消息队列通信。其中任务单元1是核心，和另外4个任务单元都有同步关系，而其它几个任务单元之间则没有同步关系。任务单元1（数字板通信）完成数字板外围设备、信号发生器模块的初始化配置，并可在线生成脉冲描述字PDW并发送给数字板，同时监控数字板的工作状态；任务单元2（变频模块监控）监测两个输入的本振功率是否正常；任务单元3（频综模块监控）监测频率源两个PLL是否锁定；任务单元4（通信控制）用于和远程终端交互，解析收到的数据包并执行相应的动作；任务单元5（电源监控）用于每秒执行一次的定时任务，采集电压、电流、温度信息后记录在日志文件里；任务单元6（功放状态监控）接收功放发送的报文，监控功放的开合关闭、峰值功率、平均功率。上行数据通信时，控制命令和数据由地面控制系统产生，通过无线数字传输模块上行传给无人机平台。接收后，按消息协议格式提取命令参数和数据，转送至雷达信号模拟器载荷。其中主控模块完成对任务命令参数解析并进行任务管理，实现参数数据的装订和状态的控制，产生需要的电磁特性信号，经过天线对外辐射。下行数据通信时，雷达信号模拟器载荷将当前的工作状态、关键参数等按命令要求或是预设周期进行打包，组成消息数据包并通过LAN口发送给无人机平台，无人机平台再将数据包通过无线数传模块发送给地面控制系统。地面接收后，由地面数据处理部分对消息进行解析，然后显示、监控、记录雷达信号模拟器载荷的状态信息。
数字模块主要完成雷达基带信号、时序控制信号的产生等，采用参数化IQ信号发生器，DDS查找表法输出，大规模可编程逻辑阵列FPGA外围扩展高速AD和DA电路，多路IQ信号发生器通过加法器合成一路，输出至FPGA内部相加后再送到高速DAC，最后利用DAC内部的DUC模块将频率搬移到1.8GHz的中频，满足频率步进合成宽带信号的产生。当采用多路IQ信号发生器和增加FPGA资源可产生瞬时宽带信号。
频综模块产生各种高质量的时钟信号，包括参考时钟输出（100MHz，0.5ppm）、本振1和本振2。基带信号通过射频组件进行频率变换和控制，实现射频信号的对外输出并通过天线对外辐射。其中，上变频通道主要完成基带信号的上变频，进行上变频和调频变换，将信号变换到较高的频带上。为使信号在大带宽范围内实现输出，采用高本振变频方案，解决本振泄露等难题，为实现杂散控制，同时实现对信号的变频、滤波、初级放大和衰减控制，采用两次变频方案。本振功率会量化成16bit的数值，变频输出功率有60dB的控制范围，步进1dB。为增加系统的可靠性，对输入本振、输出等信号进行良好性监测，上变频通道会每秒定时查询两个输入本振的功率，向主控模块报告功率状态。
功放及衰减控制和天馈系统模块，功率放大及衰减控制组件对变频模块输出的-10dBm信号进行0～43dB的放大和衰减控制，射频信号功率放大单独工作，功放模块采用中功率放大器，留有功率推动余量，避免复杂调制功率不够造成信号压缩变形，以解决电磁兼容问题。
定向天线组件采用具有宽频带、高增益、良好VSWR特性的双脊背喇叭天线，特别适用于在低功率输入情况下产生高的电磁场强度，完成8GHz～18GHz频段信号发射。
电源模块将机上的28V电源转为12V，总功率≮75W。内置电源监控电路，可将电量信息通过串口传到主控。电源模块总重量预计不大于440g，效率90%左右。
电磁环境主控设备（通过电磁环境主控软件）按如下方式进行工作：
（1）按搭载合成孔径成像雷达飞机的战术使用方式设置初始位置和任务航线，主要包括航迹、时间、次数等；
（2）设置要模拟的合成孔径成像雷达参数，主要包括信号参数、性能、型号、载机、国别等。
（3）按地面侦察接收机的战术使用方式设置部署位置，主要包括经度、纬度、高度、遮蔽等；设置地面侦察接收机参数，主要包括工作频率范围、瞬时带宽、灵敏度、动态范围等。
（4）基于电磁环境主控设备软件设定的飞机(搭载成像雷达)航行参数、成像雷达和地面侦察接收机工作参数，推算无人机的飞行参数和搭载雷达信号模拟器的工作参数。按照相关公式一是计算出无人机的位置、高度、航线、速度、航时；二是按预设合成孔径成像雷达的信号参数、工作参数计算出雷达信号模拟器载荷相应的辐射信号功率、工作频率、脉冲宽度、重复频率、脉内调制、脉冲个数等。
（5）对被仿真合成孔径成像雷达及载机的距离模拟。
如图3所示，通过侦察接收机收到雷达信号的功率大小来模拟成像雷达及载机的距离远近。设侦察接收机位置为原点，被仿真合成孔径成像雷达距侦察接收机的距离为
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如雷达发射功率为1000瓦，雷达天线增益为1000倍，距离100公里，无人机距离300米，载荷天线增益100倍，则载荷发射功率为：0.09W。
搭载合成孔径成像雷达飞机相对侦察接收机的飞行运动会导致雷达辐射信号到达侦察接收机时功率发生相应变化，通常这种运动以飞机和侦察接收机的连线方向为基准分解为两种飞行，一是径向飞行（向着侦察站径向飞行或背离侦察站径向飞行），二是切向飞行（与飞机和侦察接收机连线的垂直方向飞行）。其中径向飞行使到达侦察接收机的雷达信号功率变化，无人机上的雷达信号模拟器载荷需能模拟这种功率变化以仿真合成孔径成像雷达及载机相对侦察接收机的飞行距离变化。
由电磁环境主控设备预先设置的、搭载合成孔径成像雷达飞机的飞行航线和侦察接收机位置，可算知该飞机的径向飞行速度
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（6）对被仿真合成孔径成像雷达及载机的高度模拟
如图1和图3所示，无人机以一定的飞行高度实现对合成孔径成像雷达及载机飞行高度的模拟，被模拟的成像雷达及载机、搭载雷达信号模拟器的无人机和侦察接收机三者成一直线的关系。设
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如飞机高度为8000米，距离为50千米，无人机距离为300米，则无人机高度应为：48米。
（7）对成像雷达信号相对侦察接收机到达方向的模拟
如图3所示，模拟成像雷达信号的到达方向(载机飞行形成的相对侦察接收机的方位角度），需要雷达信号模拟器载荷相对侦察接收机在方位上保持相同角度，即以侦察接收机为圆心，要求成像雷达及载机、雷达信号模拟器载荷及无人机在方位角度上和飞行角速度上相同，这样才能实现对成像雷达信号到达方向的模拟。方位角度相同，设置无人机与被仿真的搭载合成孔径成像雷达飞机、侦察接收机三点成一线；飞行角速度相同，设
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（8）对合成孔径雷达条带成像工作方式信号的模拟
如图3所示，合成孔径雷达条带成像时辐射信号的天线波束侧视，天线波束指向与飞行方向垂直，天线波束在地面的视场(天线波束与地面相贯线围成的平面区域）掠过侦察接收机且其位于视场内时，侦察接收机收到信号。雷达信号模拟器载荷辐射仿真雷达脉冲信号序列的持续时间，即为天线波束视场掠过侦察接收机的时间。设
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（9）对合成孔径雷达聚束成像工作方式信号的模拟
如图4所示，合成孔径雷达聚束成像时辐射信号的天线波束侧视某观测位置(如侦察接收机部署位置）并驻留，驻留时间受飞行航线、天线波束指向与侦察接收机构成的等边三角形制约，驻留时间亦是雷达信号模拟器载荷辐射仿真雷达脉冲信号序列的持续时间。设
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（10）对合成孔径成像雷达信号参数的模拟
常见的合成孔径成像雷达信号多采用窄带信号合成一宽带信号。
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（11）形成综合仿真数据
如图1所示，电磁环境主控设备将前述模拟计算结果及拟辐射的雷达脉冲信号序列参数，综合形成雷达模拟器载荷仿真数据。通过无线数传模块通信将该仿真数据加载至无人机上雷达信号模拟器载荷的主控模块中。
（12）雷达信号模拟器辐射模拟信号
如图2所示，主控模块接受来自地面控制系统的综合仿真数据并完成任务数据交换，然后控制载荷其他各功能组成模块工作，在合适的时间使无人机出现在合适的位置和高度上，按规定的信号样式和参数辐射模拟的合成孔径成像雷达信号。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，包括电磁环境主控设备以及无人机平台，其特征在于：电磁环境主控设备安装有电磁环境主控系统；无人机平台搭载有合成孔径成像雷达信号模拟器；
其中电磁环境主控设备按如下方式进行工作：
（1）设置被模拟的、搭载合成孔径成像雷达的飞机初始位置和任务航线；
（2）设置被模拟的合成孔径成像雷达参数；
（3）设置地面侦察接收机的部署位置及工作参数；
（4）基于设定计算出搭载雷达信号模拟器无人机的位置、高度、航线、航时；计算出雷达信号模拟器载荷辐射信号的功率；
（5）基于设定进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟计算；
（6）形成综合仿真数据；
（7）传送综合仿真数据并控制无人机平台飞行及搭载的雷达信号模拟器进行雷达信号模拟。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其特征在于：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径成像雷达及载机的距离模拟：
设侦察接收机位置为原点，被仿真合成孔径成像雷达距侦察接收机的距离为
Figure QLYQS_1
，雷达发射功率为/>
Figure QLYQS_2
，雷达天线增益为/>
Figure QLYQS_3
，雷达信号模拟器载荷的天线增益为/>
Figure QLYQS_4
，/>
Figure QLYQS_5
为无人机到侦察接收机的距离，则载荷的发射功率为
Figure QLYQS_6
。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其特征在于：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径成像雷达及载机的距离变化模拟：
设搭载合成孔径成像雷达飞机的径向飞行速度
Figure QLYQS_7
、飞行方向系数/>
Figure QLYQS_8
、飞行时长/>，当该飞机位于航线某点N，搭载在无人机上的雷达信号模拟器载荷辐射功率为
Figure QLYQS_10
式中，/>
Figure QLYQS_11
N是无人机位于航线N点到侦察接收机的距离,RN是航线N点时被仿真合成孔径成像雷达距侦察接收机的距离；搭载合成孔径成像雷达飞机飞行/>
Figure QLYQS_12
时间后，该飞机位于航线某点N+1,搭载无人机的雷达信号模拟器载荷辐射功率为
Figure QLYQS_13
式中，
Figure QLYQS_14
N+1为无人机位于航线N+1点到侦察接收机的距离，RN+1是航线N+1点时被仿真合成孔径成像雷达距侦察接收机的距离，K=1为向着侦察机接收机径向飞行；K=-1为背离侦察机接收机径向飞行，则雷达信号模拟器载荷仿真的功率变化为
Figure QLYQS_15
。
4.根据权利要求2所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其特征在于：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径成像雷达及载机的高度模拟：
设
Figure QLYQS_16
为被仿真搭载合成孔径成像雷达飞机的高度，则无人机的飞行高度为：
Figure QLYQS_17
。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的雷达辐射信号模拟系统，其特征在于：进行被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对被仿真合成孔径雷达信号参数的模拟；
设雷达信号模拟器载荷辐射仿真成像雷达脉冲信号序列的工作频率为
Figure QLYQS_18
Figure QLYQS_19
式中f为被仿真合成孔径成像雷达的工作频率，/>
Figure QLYQS_20
为起始频率，当/>
Figure QLYQS_21
以1为步进增量顺序由0递增至步进量最大值N，则成像雷达工作频率变化类型为顺序步进，当/>
Figure QLYQS_22
以1为步进增量随机变化覆盖由0至N，则成像雷达工作频率变化类型为随机步进，/>
Figure QLYQS_23
为合成信号带宽；
雷达信号模拟器载荷辐射被仿真成像雷达脉冲信号序列的重复频率为
Figure QLYQS_24
式中/>
Figure QLYQS_25
为被仿真合成孔径成像雷达脉冲重复频率，/>
Figure QLYQS_26
为该成像雷达天线波束宽度，/>
Figure QLYQS_27
为该成像雷达搭载飞机的飞行速度，/>
Figure QLYQS_28
为该成像雷达工作波长；
线性调频信号在脉内对载波频率进行线性调制，雷达信号模拟器载荷辐射被仿真成像雷达的脉冲线性调频信号为
Figure QLYQS_29
式中：i是求和累加起始值，
Figure QLYQS_32
是脉冲重复周期，单位是s；/>
Figure QLYQS_35
是脉冲宽度，单位是s；/>
Figure QLYQS_38
是信号的幅度；/>
Figure QLYQS_31
是信号载频，单位是Hz；/>
Figure QLYQS_34
是调制斜率，为/>
Figure QLYQS_36
，/>
Figure QLYQS_39
为调制带宽；/>
Figure QLYQS_30
是信号初相，单位是rad；/>
Figure QLYQS_33
是矩形窗函数，取值与/>
Figure QLYQS_37
的范围有关，即是
Figure QLYQS_40
雷达信号模拟器载荷辐射被仿真雷达脉冲信号序列的持续时间为
Figure QLYQS_41
进行对被仿真合成孔径成像雷达及载机物理参数的模拟，包括对雷达信号模拟器载荷移动速度的模拟：
设
Figure QLYQS_42
为搭载无人机的雷达信号模拟器载荷辐射天线波束宽度，/>
Figure QLYQS_43
为无人机到侦察接收机的距离，则雷达信号模拟器载荷移动速度为
Figure QLYQS_44
。
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