一种基于自适应网格的PD雷达杂波谱仿真方法

2018-07-31刘广君吴元伟王李波

兵器装备工程学报 2018年7期

刘广君，吴元伟，王李波

(1.中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009； 2.航空制导武器航空科技重点实验室，河南洛阳 471009)

等距离线-多普勒线组成网格的杂波计算方法在20世纪60年代末形成[1-2]；1980年波音公司的Jao.J.K等提出了地平面下视条件下的网格积分的闭合解[3]；1990年，梁志恒等将这种方法引进国内的杂波计算中[4]。近些年，国内也出现一系列使用该方法进行杂波谱仿真的结果[5-7]。但是，这种网格划分方法存在3个问题: ① 网格面积计算复杂。针对不同的9种情况，网格面积计算公式各不相同[4]，如果实时计算，复杂的计算占用大量时间，不能实现杂波的实时仿真。虽然可以将网格面积预先处理并存储，但是针对不同的平台运动和雷达指向，经过处理的网格面积仍然为近似值。② 该方法只有针对下视情况的公式推导。在目前情况下，在地面绕飞、超低空飞行等情况下，上视情况下杂波的影响不能忽略。③ 该方法未考虑同一个网格内天线增益和地面后向散射系数的变化，导致杂波谱计算精度低。在这种情况下，国内研究人员尝试了等距离-等方位角[8]或者矩形网格[9]的方法避开网格面积计算复杂的问题。

本研究在考虑脉冲收发时序的情况下，基于自适应网格划分方法，先利用脉冲收发时序将地面进行等距离-等方位角网格粗划分，再利用网格特征参数对网格进行细划分；之后根据坐标转换得出面元对应的网格距离、网格面积、网格后向散射系数、网格天线增益、多普勒频移等参数；最后利用统计方法得到杂波频谱。

1 面杂波计算方法

1.1 雷达方程数字化

将雷达方程由积分形式变为差分形式[10]：

(1)

(2)

其中：pclutter、pt、λ、R分别为杂波功率、发射功率、雷达波长、面元-雷达距离；Gr、Gt为天线接收和发射增益；σ、ds分别为面元后向散射系数和面元面积，L为空间衰减；下标‘g’表示前述参数的网格单元值。

通过分别计算R、σ、ds、Gr、Gt来计算接收的杂波功率；通过对符合条件的面元的反射功率进行求和得到杂波功率谱。

面元-雷达距离和面元面积在网格划分中得到，天线接收、发射增益和面元后向散射系数通过坐标转换和天线方向图、地面后向散射系数得到。

1.2 自适应网格划分方法

为简化计算，将发射脉冲视为点脉冲信号，地面网格回波在脉冲收发时序的位置可以简单地用雷达-地面网格距离表示。

自适应杂波面元网格划分分为两个步骤：基于等距离-等方位角的初步网格划分和基于网格特征点增益差异的网格加密。

首先，根据雷达的脉冲重复周期和各个接收门在脉冲重复周期内的位置，将地面划分为一个个等距离环；同时，根据等方位角，将一个等距离环划分为等大小的扇形区域。距离向对应着发射-接收距离门，故按照距离分辨率划分。考虑到接收距离门在整个脉冲时序中的位置，距离向网格划分中，只对接收门对应地面距离区间进行划分(如图1所示)。如果是中重频，只对关心的接收距离门进行网格划分。方位向网格按照方位角均匀划分，图2为网络加密示意图。

其次，判断扇形区域的特征点参数的差异ΔGg(天线增益和地面后向散射系数)，如差异过阈值则将网格划分为4份；重复此步骤直至扇形区域的特征点参数无明显差异。

Gg=Gtg+Grg+σg

(3)

ΔGg=max(Gg)A,B,C,D,E-min(Gg)A,B,C,D,E

(4)

其中，Gtg、Grg、σg分别为网格点的天线发射增益、天线接收增益、地面后向散射系数。

图1 脉冲收发时序示意图

图2 网格加密示意图

1.3 杂波计算中的坐标转换

杂波计算中，雷达平台运动方向、夹具指向、天线指向的关系如图3所示。

图3 雷达平台运动方向、夹具指向、天线指向关系

以雷达中心为原点建立惯性坐标系。惯性坐标系中，向上为z轴正向；在飞机速度方向和z轴确定的平面内、水平且和飞机速度夹角小于90°的方向为x轴，x、y、z成右手系。

假设地球半径为Re，Rg为面元-雷达距离，雷达高度为h，Re≥Rg条件下，面元在惯性系中的坐标为(xg,yg,-hantenna)。

如果知道天线指向在惯性坐标系中的擦地角θ和方位角φ，就可以直接计算地面网格在天线坐标系中的位置，转换坐标的方法如下：

(5)

(6)

[φnew,θnew,rnew]=cart2sph(yg_antenna,zg_antenna,xg_antenna)

(7)

φnew、θnew分别为地面网格在天线坐标系中的方位角、和天线正前方的夹角。

1.4 网格参数计算

由1.3节得到φnew、θnew，结合三维天线方向图即可得到网格的天线收发增益。

由于地面后向散射系数仅和擦地角和地貌相关，网格擦地角θg计算如下：

(8)

通过网格擦地角和地面后向散射系数随擦地角变化的数据即可得到网格地面后向散射系数。

在等距离-等方位角网格划分方法中，网格面积dsg的表达式为：

dsg=2RgΔR/Nφ

(9)

其中：Rg为面元-雷达距离；ΔR为距离向网格宽度；Nφ为方位向网格划分份数。

网格多普勒频移fd和雷达平台速度大小、网格-雷达矢量和雷达平台速度Vantenna方向夹角相关。

(10)

(11)

其中：c为光速；f为雷达频率；fd为网格多普勒频移。

1.5 杂波谱仿真

将网格参数的数据代入雷达方程，可以得到每个网格单元的杂波回波强度；再通过网格多普勒频移，可以得到杂波的功率谱。仿真流程如图4所示。

图4 杂波仿真流程

2 杂波仿真结果

2.1 高重频杂波仿真

高重频杂波仿真条件如表1所示。

表1 高重频仿真条件

得到杂波谱如图5、图6所示。随着天线增益、雷达-地面相对姿态、地面后向散射系数的不同，杂波谱分为高度线杂波区域、旁瓣杂波区域，主杂波区域。且上视状态下旁瓣杂波强度和下视状态下旁瓣杂波强度基本相当，不能忽略。

图5 高重频下视杂波谱

图6 高重频上视杂波谱

图5展示了表1中高重频下视条件下，基于自适应网格的仿真结果、基于等距离-等多普勒网格的仿真结果。基于等距离-等多普勒网格的仿真耗时309.4 s，网格面积计算花费了大部分计算时间；基于自适应网格的仿真耗时8.3 s，运行速度提高37倍。从结果对比上看，二者在主杂波区和近旁瓣杂波取差别小于1 dB；在中旁瓣杂波区差别约3 dB；在远旁瓣杂波区和高度线杂波区差别约5 dB。