基于无源雷达模拟器的幅度算法研究*

杨振强 高玉良 翁呈祥

(空军雷达学院研究生管理大队1) 武汉 430019)(空军雷达学院信息对抗系2) 武汉 430019)

1 引言

无源雷达是一种被动的防空体制雷达,由于受时差定位体制的约束,雷达的各站在分开布站的情况下是无法实现目标的定位的[1]。无源雷达模拟器是以时差定位原理为基础,通过将假想目标的射频时差信号输入到相应的雷达各站,从而使雷达各站无需分散布开,即可实现假想目标的定位。

无源雷达在工作中,不同目标的信号类型和信号参数是不同的。同时,受目标距离的变化及目标飞行方向变化等因素的影响,雷达各站所接收到达目标信号的幅度会不断的改变。无源雷达模拟器要较真实的模拟目标信号,不仅要实现不同目标信号类型及信号参数的模拟,同时要模拟不同条件下所接收到的信号幅度。

本文从两种工作模式,分析了信号幅度的计算方法,并进行了仿真。根据模拟器幅频特性引起的幅度变化,提出了幅度调整的方法。

2 幅度算法

无源雷达模拟器有两种工作方式,注入法和辐射法(近距和远距)。不同的工作方式,幅度数据的算法是不同的。本文关于幅度的计算,是以点目标信号为基础,进行定性的分析,不考虑目标飞行方向和天线扫描等因素引起的信号幅度的变化。

2.1 注入法幅度算法

注入法是将模拟器产生的射频信号经射频电缆直接注入无源雷达的接收天线。其信号幅度的计算公式如下[2]:

式中Pr为接收信号的功率,Pt为目标信号峰值功率,Gt为目标天线的增益,Ar为无源雷达的天线有效截面积。

天线增益与天线有效截面积的关系为:

式中Gr为接收天线的增益,λ为信号波长。由于波长与频率的关系为λ=c/f,带入式(2)得:

对上式两边取对数,采用分贝的方式表示,得到幅度的计算公式为:

式中Pt的单位为w,freq的单位为MHz,Rpd的单位为km,Gtt和Grr为增益的分贝数。

2.2 辐射法幅度算法

辐射法是将射频信号经强方向性的天线相应的辐射到雷达的接收天线,实现信号的输入。要实现目标信号幅度的模拟,目标信号到达雷达接收天线的功率密度与模拟器天线到达雷达接收天线的功率密度要相等。即应满足公式:

式中Ps为模拟器信号峰值功率,Gs为模拟器天线的增益,Pt为目标信号峰值功率,Gt为目标天线的增益。R为目标到雷达距离,Rs为模拟器天线到达雷达天线的距离。对式(6)化简得到公式如下:

式中Pt的单位为w,Rpd的单位为km,Rs的单位为m。Gtt和Gss为增益的分贝数。

注入法时,模拟器的信号直接注入雷达,在不考虑射频电缆衰减时,其计算的信号幅度Prr也就是设备输出的信号幅度Pss,等同于辐射法时计算的信号幅度。

3 信号幅度的取值范围

要使模拟器可工作在两种方式下,就要对两种方式下信号幅度的取值进行计算,从而决定模拟器信号的输出功率和衰减器的动态范围,使两种方式的信号幅度在模拟器的可控范围之内。

3.1 注入法幅度仿真

对于注入法,假定Pt为1kw,Gtt为25dB,Grr为 20dB,频率在6GHz～18GHz变化。则接收信号幅值与频率的特性关系如图1所示。

从图中可以看出,信号幅度取值范围为-95dB～-65dB。

图1 幅度—频率曲线

3.2 辐射法幅度仿真

辐射法在实际应用中分为近距辐射法和远距辐射法。假定 Pt为1kw,Gtt为 25dB,Gs s为20dB,天线距离在0～0.5m和10～50m变化。其幅度距离曲线如图2所示。

图2 幅度—距离曲线

比较图1和图2可知,在目标参数相同的情况下,近距辐射时天线距离在0.1～0.5m范围内变化时,其幅度取值范围为-97dB～-63dB,与注入法时幅度范围相当。当辐射距离在10m～50m之间采用远距辐射时,信号的幅度在-60～-20dB范围内变化。

由此可知,若想使模拟器同时具有这两种工作方式,就要选择大动态范围的衰减器和适当的模拟器信号的峰值功率。如果近距距离为0.2m,远距为20m时,信号幅度的变化范围为-33dB～-95dB,限定模拟器信号功率为-30dB,选用64dB的衰减器,当信号频率在6GHz～18GHz范围内,目标距离在50km～400km范围内时,使模拟器工作在两种工作模式下。

4 幅度调整

因为微波器件本身固有的频率特性,对不同频率的信号,模拟器输出信号的幅度是不同的。在不考虑目标信号幅频特性的情况下,为了较“真实”的模拟目标信号,可以采用两种方法:随工作频率改变输出信号的幅度参数和归一化整个频段内信号输出幅度。第一种方法是在衰减器衰减为0dB时,对模拟器整机的不同频点的幅度数据进行采样,绘制整机幅频特性曲线,通过插值的方法,获得不同频点的幅值,作为模拟器的输出功率;第二种方法是以频段内幅值最低点为参考值,对其他频点的信号进行差值衰减,使不同频点输出信号的幅度相等。

图3 整机幅频特性曲线

由图1可知,注入法时信号幅度随频率的升高呈递减趋势,而辐射法时信号幅度不随频率而改变,所以本文采用改变信号幅度参数的方法,以此来计算信号的衰减幅度。实际测得的整机幅频特性曲线如图3所示。

根据信号的频率,以整机幅频特性为基础,通过插值得到该频点的幅度参数,作为模拟器的输出功率,以此来计算衰减器的衰减幅度,从而较“真实”的模拟信号幅度的变化。

5 结语

本文讨论了无源雷达模拟器在不同模式下幅度数据的计算方法,并对不同模式下幅度的取值范围进行了仿真,得到两种工作模式下,信号参数的需求及天线间距的取值。针对由器件的幅频特性引起的信号幅度的变化,采用输出功率调整的方法实现信号幅度的调整,从而可“真实”的模拟目标信号。对于目标频率特性、目标飞行方向和波瓣函数引起的信号幅度的变化,还需进一步研究。

[1]翟伟建,戴国究.无源雷达浅析[J].电子对抗,2003,89(2):41～46

[2]丁鹭飞,耿富录,等.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006

[3]王小谟,匡永胜,陈忠先,等.监视雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2008

[4]潘晶晶.目标模拟器的设计[M].南京:南京理工大学硕士学位论文,2005,6