CN108931769A - 一种雷达任意航迹模拟的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达电子对抗、半实物仿真领域，特别涉及常规雷达的一种任意航迹模拟的实现方法。该方法具体包括步骤：(S1)初始化任意航迹模拟硬件***并设置参数；(S2)在上位机模拟的雷达P显界面上，设置待模拟目标的航迹；(S3)推算待模拟目标状态；(S4)侦测雷达信号，获取雷达信号的幅度、频率、脉冲宽度、重复周期和天线扫描周期；(S5)截取雷达信号，并根据截取的雷达信号和预先设定的差值容忍度值，判断雷达信号是否照射到待模拟目标；(S6)调制和转发信号；(S7)航迹模拟进入下一时刻，重复运行，直至航迹模拟过程结束。本发明可以设定任意航迹、不同机型和速度，在进行电子对抗训练和目标模拟训练时具备一定通用性。

Description

一种雷达任意航迹模拟的实现方法
技术领域
本发明属于雷达电子对抗、半实物仿真领域，特别涉及常规雷达的一种任意航迹模拟的实现方法。
背景技术
雷达是一种探测目标的电子设备，其通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，进而获得目标的大小、距离、速度、方位等信息。雷达航迹是指目标在雷达屏幕上留下的航行轨迹。
任意航迹模拟是雷达欺骗干扰中的一种典型干扰样式,也是雷达对抗训练中的一种常用训练方法，它是基于调制、回放目标雷达信号，实现不同飞行目标、任意飞行航迹、可调飞行速度的模拟，能够较好的满足多批假目标欺骗和动目标算法验证和模拟训练等需求。
任意航迹模拟的关键问题是它能够成功的捕捉到目标雷达信号，并精确的测量天线波束指向、控制脉冲延时、射频发射功率以及多普勒频率等信息，进而模拟出空中目标的散射特性、运动特性。
真实任意航迹的产生需要真实的飞机目标配合，具有成本高、风险大、不够灵活等缺点，现有的任意航迹模拟基本是软件仿真，侧重任意航迹中的运动模型和仿真逼真度，没有真实的信号，不能对真实雷达进行对抗训练。
发明内容
为解决上述技术问题，实现与真实雷达进行电子对抗训练和目标模拟训练，本发明提供了一种可模拟目标真实航迹的方法，具体技术方案如下。
一种任意航迹模拟的实现方法，包括以下步骤：
(S1)初始化任意航迹模拟硬件***并设置参数，具体为：通过上位机输入雷达的发射功率，雷达天线和任意航迹模拟硬件***天线的增益及两者的相对距离和方位，选择待模拟目标的机型，设置任意航迹模拟硬件***的收发频率；
(S2)在上位机模拟的雷达P显界面上，设置待模拟目标的航迹；
(S3)推算待模拟目标状态，按照所述待模拟目标的航迹，计算出每个时刻下模拟目标的方位、距离和速度；从初始时刻开始，执行步骤(S4)；
(S4)侦测雷达信号，获取雷达信号的幅度、频率、脉冲宽度、重复周期和天线扫描周期；
(S5)截取雷达信号，并根据截取的雷达信号和预先设定的差值容忍度值，判断雷达信号是否照射到待模拟目标，若是，则转入步骤(S6)，否则执行步骤(S7)；
(S6)调制和转发信号，首先计算任意迹模拟硬件***的发射功率和模拟目标时延，然后对截取雷达信号进行多普勒调制、时延控制和功率控制，得到模拟目标的发射信号，并对发射信号进行转发；
(S7)航迹模拟进入下一时刻，返回步骤(S4)，重复运行，直至航迹模拟过程结束。
优选地，所述设置待模拟目标的航迹采用的方法为直线法、折线法、圆弧法、圆圈法以及鼠标自定义法中的任一种。
优选地，所述步骤(S4)中侦测雷达信号的具体过程为：通过航迹模拟硬件***中的接收模块，将雷达信号下变频至中频，再通过AD采集模块将雷达信号数字化。
优选地，所述步骤(S5)中截取雷达信号的具体方法采用升降沿截取法或定时长截取法或限时长截取法。
优选地，所述步骤(S6)中信号调制和转发的具体过程为：
首先将机型对应的RCS(雷达散射截面积)、模拟目标和雷达的距离D0代入到雷达方程中计算雷达应该接收的信号功率，再根据D0和电磁波单程传播方程得到航迹模拟硬件***实际应该发射的信号功率；其次根据模拟目标速度和雷达信号的频率f0计算所需要的多普勒频率，依据多普勒频率生成的相应单频信号；再根据模拟目标与雷达的距离计算出双程时延结果，并利用D0修正时延结果；最后用修正后的时延结果和单频信号对截取雷达信号进行调制，并对调制信号进行转发。
采用本发明获得的有益效果是：(1)可以在上位机界面上设定任意航迹、不同机型和速度；(2)可以与真实雷达进行电子对抗训练和目标模拟训练；(3)具备一定通用性，可适用多款雷达。(4)本方法在某种功能层面上可代替真实航迹产生，具有成本低、灵活性好等特点
附图说明
图1是雷达任意航迹模拟的流程图；
图2是雷达与任意航迹配套硬件***的几何关系示意图；
图3是航迹想定和参数分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
结合图1，本发明提供的一种雷达任意航迹模拟的实现方法，包括关键步骤：设置参数、航迹想定、推算目标状态、侦测雷达信号、截取雷达信号、信号调制转发。
所述参数设置，首先包含任意航迹模拟硬件***的初始化，通常需要设置接收和发射链路的本振频率且保持两者相等，保证后续的雷达信号侦测、转发等工作正常进行。其次包含输入收发天线摆放位置在雷达坐标系中的距离D0以及方位角θ0，供后续计算时延和波束指向提供参考。另外包含选择航迹模拟的机型，通常机型库包括战斗机、侦察机、运输机等，不同的机型对应雷达回波的功率略有差异。实施例中任意航迹模拟***由任意航迹模拟硬件***和上位机软件***构成，通过上位机设计参数，对应在硬件***上生效。
所述航迹想定，就是在上位机的模拟P显界面上(P显：一种极坐标形式的雷达显示器，P型显示器又称平面位置显示器(PPI)或环视显示器，属于径向圆扫描显示)，将想要模拟的航迹设定好。通常航迹规划有直线法、折线法、圆弧法、圆圈法以及鼠标自定义法等方式，其中直线法通过两个端点确定，折线法是指多条直线连接而成，圆弧法通过圆心、起点和终点确定，圆圈法模拟的是围绕某点的盘旋飞行，鼠标自定义法是通过鼠标在P显屏幕上拖动形成轨迹。在轨迹上皆可设置速度或者加速度，最终形成一个完整的、可执行的航迹想定内容。
所述推算目标状态，就是按照航迹想定脚本，推算或者分解出每个时刻下目标的方位、距离和速度。具体而言，如果是直线法、折线法、圆弧法或圆圈法中的一种方法，可以根据几何方程和初始速度、加速度值进行解算；如果是鼠标自定义法，则首先会将其近似成多段短折线，针对折线再按照折线法进行推算。
所述侦测雷达信号，首先通过下变频接收链路，得到雷达信号对应的中频信号，进而根据检波信号的上升和下降沿得到雷达信号的脉宽Tw，根据中频信号的傅里叶变换频率和射频接收链路的本振频率得到雷达信号的频率f0，根据相同脉冲的重复时间间隔得到雷达信号重复周期TPRI，根据脉冲幅度随着时间的变化规律得到雷达天线扫描周期TScan，根据脉冲幅度最大值的时刻确定雷达照射时刻Tpeak，最后计算出雷达的当前波束指向。
所述截取雷达信号，对应理想情况就是将目标雷达脉冲信号进行全部截取复制，作为后续调制的基础。通常结合实际情况，具体有三种方式进行截取：升降沿截取法、定时长截取法和限时长截取法。升降沿截取法是以检波信号的上升沿和下降沿为基础，截取复制上升沿时刻到下降沿时刻的雷达信号。考虑到实际环境比较复杂，存在多径效应等问题，则雷达信号有幅度调制，弱信号无检波输出，致使复制不完整，因此采用定时长截取法，即以上升沿为起始，复制固定时长的雷达信号，通常该时长参数与侦测的Tw相当。限时长截取法是升降沿截取和定时长截取的综合，即以上升沿为起始，在限定的时长范围内，如果有下降沿则以下降沿为结束，否则以限定的最大时长为结束，该方法提高了截取的完整性，也降低了截取多余无效信号的可能性。
所述调制转发信号，首先将模拟机型对应的RCS、模拟目标和雷达的距离代入到雷达方程中计算雷达应该接收的信号功率，再根据D0和电磁波单程传播方程得到模拟硬件***实际应该发射的功率；其次根据速度信息和f0计算所需的多普勒频率，再用相应单频信号对截取雷达信号进行调制；最后根据模拟目标与雷达的距离计算出双程时延，并利用D0修正最终的时延结果。
下面，通过一个具体实施例进行详细说明。
本实施例中雷达和任意航迹模拟硬件***的几何关系如图2所示，以雷达为极点，以正北方向为极轴，建立极坐标系。任意航迹模拟硬件***具备上下变频链路、收发数控衰减器、高速AD采集电路以及配备FPGA(现场可编程门阵列)芯片做实时控制及信号处理、DSP芯片做下位机及信号预处理。
S1、设置参数，将上下变频的本振频率设置为fPLL，将雷达和***的几何关系值D0和θ0输入，选定某种机型，则其对应的RCS记为σ。
S2、航迹想定如图3所示，在示意的雷达P显上规划出需要模拟的航迹，本实施例中采用折线法，由3段直线构成，每段直线可设置不同的速度、加速度；t时刻的坐标为(Dt,θt)，速度为(vt,θvt)。
S3、推算目标状态，假设t0时刻目标起始坐标为起始速度和加速度为和则可计算第1段直线上t1时刻，对应的目标坐标和速度分别为具体满足：
其中，
同理，可推算任意时刻t对应的模拟目标坐标为(Dt,θt)、速度为(vt,θvt)。
S4、根据雷达信号侦测的Tpeak、TScan以及参数设置输入的θ0，计算当前雷达波束指向θbeam·t为：
其中符号rem(X1,X2)表示X1对X2取余。
当θbeam·t与θt差值在容忍度内时，即认定为雷达照射到模拟目标，需要开始后续信号截取、调制和转发等工作：
S5、截取雷达信号，本实施例采用限时长截取方法，设置限定的时间范围为(0.8·Tw,Tw)，最终截取的雷达信号为S(t)，考虑到S(t)通常为实数组，则通过希尔伯特变化得到其正交信号为So(t)。
S6、信号调制转发中首先计算雷达应该接收的目标回波功率，利用相关参数和雷达方程得：
其中，Pt为雷达发射功率，G为雷达天线增益，λ＝c/f0为雷达信号波长，c表示光速，Pr为雷达接收回波功率。其次再由Pr和单程电磁波传播方程反推出模拟硬件***应该发射的功率PXt，得到：
其中，GX为模拟硬件***天线增益，A为雷达接收天线有效孔径，通常则最终得发射功率为：
其次计算模拟目标的时延，得到：
最后实现多普勒调制，其多普勒频率通过下式计算：
根据多普勒频率生成单频信号MI(t)、MQ(t)：
MI(t)＝cos(2πfdt)
MQ(t)＝sin(2πfdt)
上式两个正交单频信号结合截取信号及时延，得到最终的调制信号Sout(t)为：
Sout(t)＝S(t-τXt)MI(t)-So(t-τXt)MQ(t)
最后，根据PXt值调节发射功率，再将Sout(t)信号发射，返回更新θbeam·t与θt并循环进行，直至设定的航迹飞行完成，即成功模拟设定的航迹。
综上所述，本发明将任意航迹模拟拆分为特定的点目标模拟实现，根据点目标的坐标及状态，计算其功率、时延、多普勒调制等，可实现多批次、多轨迹的模拟，具有灵活性好，参数可调，通用性好等优点。

Claims (5)

1.一种任意航迹模拟的实现方法，其特征在于包括以下步骤：
(S1)初始化任意航迹模拟硬件***并设置参数，具体为：通过上位机输入雷达的发射功率、雷达的天线增益和任意航迹模拟硬件***的天线增益，输入雷达天线和模拟***的相对距离和方位，选择待模拟目标的机型，设置任意航迹模拟硬件***的收发频率；
(S2)在上位机模拟的雷达P显界面上，设置待模拟目标的航迹；
(S3)推算待模拟目标状态，按照所述待模拟目标的航迹，计算出每个时刻下目标的方位、距离和速度；从初始时刻开始，执行步骤(S4)；
(S4)侦测雷达信号，获取雷达信号的幅度、频率、脉冲宽度、重复周期和天线扫描周期；
(S5)截取雷达信号，并根据截取的雷达信号和预先设定的差值容忍度值，判断雷达信号是否照射到待模拟目标，若是，则转入步骤(S6)，否则执行步骤(S7)；
(S6)调制和转发信号，首先计算任意迹模拟硬件***的发射功率和模拟目标时延，然后对截取雷达信号进行多普勒调制、时延控制和功率控制，得到模拟目标的发射信号，并对发射信号进行转发；
(S7)航迹模拟进入下一时刻，返回步骤(S4)，重复运行，直至航迹模拟过程结束。
2.如权利要求1所述的一种任意航迹模拟的实现方法，其特征在于：所述设置待模拟目标的航迹采用的方法为直线法、折线法、圆弧法、圆圈法以及鼠标自定义法中的任一种。
3.如权利要求1所述的一种任意航迹模拟的实现方法，其特征在于：所述步骤(S4)中侦测雷达信号的具体过程为：通过航迹模拟硬件***中的接收模块，将雷达信号下变频至中频，再通过AD采集模块将雷达信号数字化。
4.如权利要求1所述的一种任意航迹模拟的实现方法，其特征在于：所述步骤(S5)中截取雷达信号的具体方法采用升降沿截取法或定时长截取法或限时长截取法。
5.如权利要求1所述的一种任意航迹模拟的实现方法，其特征在于，所述步骤(S6)中调制和转发信号的具体过程为：
首先将机型对应的RCS、模拟目标和雷达的距离D0代入到雷达方程中计算雷达应该接收的信号功率，再根据D0和电磁波单程传播方程得到航迹模拟硬件***实际应该发射的信号功率；其次根据模拟目标速度和雷达信号的频率f0计算所需要的多普勒频率，依据多普勒频率生成的相应单频信号；再根据模拟目标与雷达的距离计算出双程时延结果，并利用D0修正时延结果；最后用修正后的时延结果和单频信号对截取雷达信号进行调制，并对调制信号进行转发。
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