基于目标电磁散射模型的雷达回波模拟方法研究

查丽萍，王 鑫，梁 斌

(中国航天科工集团8511研究所， 江苏 南京 210007)

0 引言

雷达回波信号模拟是指对雷达观测范围内的所有电磁环境进行模拟，包括目标、杂波、有源、无源干扰等，广泛用于雷达系统的分析调试和对雷达整机性能和指标的检验、评估，可为雷达系统提供数字、注入、辐射式的模拟信号环境，同时也可为雷达、导引头等装备复杂电磁环境适应性试验与评估提供试验电磁环境。

国外针对雷达回波模拟投入了大量的资源开展了深入研究。例如法国IE公司的雷达环境模拟器(RES)可以模拟包括最多2000个模拟目标、反射和天线射频性能的雷达环境，模拟环境可以针对单雷达或多雷达生成；美国SRC公司开发的可适应雷达环境模拟器(ARES)生成的射频信号在实验室模拟自由空间辐射，或直接注入式射频单脉冲信号，可模拟包含简单和复杂的目标、海杂波、地杂波、气象杂波、箔条和其它的电子对抗技术；美国TCS公司为美国海军SPS-49雷达开发的包括RES-2000在内的雷达评估工具可以检测和定位雷达运行故障，模拟杂波和目标信号，并以射频信号的方式提供给雷达。

随着电子信息技术的发展，雷达目标模拟技术也在日新月异地发展，近年来，包括高校、公司、研究所在内的各研究单位利用计算机和数字信号处理技术(DSP、FPGA)相结合产生的用于雷达系统设计、联试、检测和维护的目标回波信号模拟器，在各种类型的雷达测试中普遍采用，如南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等研究的合成孔径雷达回波模拟技术[1-2]成功应用于某飞行器系统雷达分系统测试，海军工程大学研制的高分辨雷达目标回波模拟器[3-4]成功应用于舰载雷达系统测试等。总结已有的目标回波模拟方法，按照模拟目标类型来分有点目标、扩展目标回波模拟，点目标回波模拟主要应用于窄脉冲雷达，对于具有宽带、高分辨特征的雷达则需要进行扩展目标回波模拟。针对点目标回波模拟，一般采用的是雷达目标斯韦林统计模型模拟目标的散射幅度起伏信息，该方法具有实时性高、精度低的特点；针对扩展目标的高分辨特性(一维距离像、SAR回波)模拟，目前主要有2种方法，一种是基于目标散射中心模型的扩展目标回波模拟，另一种是利用真实图像提取SAR回波的目标回波模拟方式；前者需要离线计算有限频率和角度范围的散射数据并进行散射中心提取，该方法回波生成效率高，但利用散射中心拟合出道目标回波精度低，后者由于真实图像包含的信息有限，因此在实际使用中有较大的局限性。本文针对点目标及扩展目标回波模拟存在的问题，提出一种基于目标电磁散射模型的雷达目标回波模拟方法，该方法同时适用于窄带、宽带雷达信号回波模拟，并能模拟目标的一维距离像、SAR回波等目标雷达高分辨特征，具有通用性强、模拟精度高的特点，对于新体制雷达系统设计、测试、性能评估具有重要意义。

图1 SBR射线跟踪示意图

1 雷达目标电磁散射模型仿真计算

为了获得目标宽带电磁散射特性，本文采用基于高频近似理论的计弹跳射线法(SBR)[5-6]计算雷达目标宽频宽角雷达后向散射截面。在弹跳射线法中，首先用一系列的光学射线管模拟电磁波入射到目标表面，然后应用几何光学原理模拟射线管在目标表面发生的多次反射过程，最后在射线管离开物体表面射向无穷远处时应用物理光学求解散射场。因此，弹跳射线法在计算目标电磁散射时主要分为射线路径追踪、射线场强追踪和远场积分3个步骤。第一步，根据电磁波入射方向确定一个虚拟口径面，然后，一簇相互平行的入射射线由这个虚拟口径面射向目标，射线间的间隔一般取入射波波长的十分之一，并且保证这些射线完全覆盖目标。确定入射射线后，再对每条射线按照光学反射定律进行射线跟踪。射线跟踪示意图如图1(a)所示。第二步，射线跟踪结束后即对射线管进行有效性检查。射线管有效性检查一般可以采用如下准则：首先检查围成管道的四条射线的反射次数是否相同。如果反射次数不同，说明这四条射线存在和目标部分相交的情况，此时判断该射线管无效(如果四条射线管和目标均不相交，也判断为无效)；如果四条射线反射次数相同，则进一步检查四条射线是否始终平行，或其方向差异不超过一定范围。如果该条件不能满足，说明射线管存在分裂现象，此时判断该射线管无效。事实上，更为严格的限制条件还须要求四条射线必须相交于目标同一个平面上。图1(b)给出了一些无效射线管示例，图中射线入射方向垂直于纸面向内。第三步，射线管有效性检查结束后，去除掉无效的射线管，就可以利用几何光学(GO)沿射线管进行场强跟踪，主要分为2个部分，第一是电磁波沿射线管传播时的场强跟踪，第二是电磁波遇物体反射时的场强跟踪。最后，在射线管与目标相交的出射面处采用物理光学法计算散射场，在高频、远场条件下的近条件下，根据Stratton-Chu积分方程，物体表面远区散射场的一般计算公式为：

(1)

图2 目标回波模拟原理图

图3 雷达目标回波模拟系统组成

2 基于电磁散射模型的目标回波模拟实现

基于电磁散射模型的目标回波模拟原理如图2所示，通过上述电磁仿真计算得到与雷达入射信号无关的目标散射频域响应Hω，将雷达入射信号st进行傅里叶变换得到入射信号频率响应Sω，将Hω和Sω在频域上进行相乘，得到目标雷达散射回波的频域响应Yω，最后对Yω进行逆傅里叶变换获得雷达目标时域回波。基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统组成与模拟流程分别如图3和图4所示。通过雷达目标电磁散射模型仿真计算，获得目标在不同频率和不同空间角度下的目标电磁散射特性数据，并形成散射特性模型数据库；雷达目标回波模拟仿真时，根据雷达测试的频率和轨道信息预先从散射特性模型数据库中加载目标电磁散射特性数据至模拟器数字储频单元；数字储频组件通过查表方式将仿真频率及当前仿真姿态下的目标电磁散射特性数据实时传输至信号处理单元；信号处理单元完成雷达发射信号与目标散射特性数据频域卷积；对上述卷积结果进行逆傅里叶变换处理得到目标时域回波，通过上变频单元及射频发射前端实现射频回波信号的空间辐射。

图4 雷达目标回波模拟流程

图5 目标电磁散射模型

3 仿真算例

假定入射雷达信号为线性调频信号，中心频率3 GHz，带宽150 MHz，脉宽10 μs。如图5(a)所示，利用CAD软件建立舰船目标的几何网格模型，利用电磁场高频计算方法仿真获得航母目标的电磁散射特性,图5(b)给出了固定入射方向下的舰船目标散射远场分布情况。采用本文所述的方法，通过研制基于电磁散射模型的目标模拟器实现目标回波信号模拟，并利用示波器采集模拟器输出的目标回波信号，如图6(a)所示。对采集的目标回波信号进行脉冲压缩处理及回波包络及相位提取，得到目标二维图像，如图6(b)所示，雷达的成像结果反映了舰船目标模型的几何外形，从而验证了本文方法的正确性。

图6 舰船目标模拟回波及成像结果

4 结束语

本文提出的宽带雷达目标回波模拟方法可实现扩展目标高分辨特征的逼真模拟，目标散射模型的精确性保证了雷达真实场景的逼真复现。与传统方法相比，本文提出的雷达目标回波模拟方法具有模拟精度高、通用性强的优点。本文提出的方法还可用于雷达SAR回波模拟、目标与环境动态耦合回波模拟，这也是本文后期考虑的研究方向。■