相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型研究

摘要：相控陣?yán)走_(dá)為有源電子掃描陣列雷達(dá)，亦或是無源電子掃描陣列雷達(dá)，其主要是改變天線表面陣列而發(fā)出的波束合成方式，以此改變波束掃描方向的雷達(dá)，此類設(shè)計與機(jī)械掃描雷達(dá)天線不同，其無需用機(jī)械馬達(dá)驅(qū)動雷達(dá)天線，便可實現(xiàn)大范圍偵測。相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，該系統(tǒng)仿真應(yīng)根據(jù)其原理、結(jié)構(gòu)特點、工作方式、數(shù)據(jù)處理等方面要素，采用適當(dāng)?shù)姆抡娣绞綐?gòu)建相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型。本文探討了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型研究，并提出了實用性應(yīng)用措施，為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型水平提升提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá) 系統(tǒng)仿真 仿真模型

中圖分類號：TN955 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0114-01

雷達(dá)系統(tǒng)仿真與計算機(jī)技術(shù)密不可分，是于計算機(jī)中重現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)及動態(tài)過程，調(diào)整其間各種參數(shù)，使系統(tǒng)反復(fù)運行，從而確保系統(tǒng)各項性能最優(yōu)化，以此有效縮短雷達(dá)的研發(fā)時間，同時降低制造雷達(dá)所需的成本。往往雷達(dá)系統(tǒng)仿真為功能級仿真與信號級仿真，兩者之間存在一定的不同之處，其功能級仿真是處理信號幅度信息，信號級仿真則是處理信號幅度信息，再是其信號相位信息；通常功能仿真結(jié)構(gòu)簡單且實時性好。隨著現(xiàn)代化社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)表了許多相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真研究成果，不過其間仿真模型粒度和完整性研究結(jié)果中仍存在不足之處。因此，探討相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型研究，對相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展有著極大推動作用[1]。

1 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型發(fā)展

計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)中是源自上世紀(jì)70年代，而我國的雷達(dá)仿真起步晚，仿真均是基于SPW、Matlab、Simulink、ADS、HLA平臺上進(jìn)行的，Simulink是國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛的計算機(jī)仿真工具，其可支持線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、連續(xù)及離散事件系統(tǒng)等類系統(tǒng)的仿真；ADS則可實現(xiàn)高頻、低頻、時域及頻域、數(shù)字信號處理電路等仿真；SPW則多用于信號處理系統(tǒng)設(shè)計中，主要是強有力的軟件包，其亦是廣泛應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域中；HLA可提供基于分布交互環(huán)境下仿真系統(tǒng)創(chuàng)建的通用技術(shù)支撐框架，以此可快速構(gòu)建分布仿真系統(tǒng)；具體而言，SPW成本高，僅用于Unix操作系統(tǒng)，HLA通信協(xié)議十分復(fù)雜，且版本不同的RTI易產(chǎn)生無法通信的問題，而Simulink應(yīng)用較為廣泛。加上為了實現(xiàn)后期雷達(dá)及紅外數(shù)據(jù)的充分融合，則應(yīng)構(gòu)建雷達(dá)模塊，獲取雷達(dá)數(shù)據(jù)源，而這應(yīng)根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)工作原理，以適當(dāng)?shù)臄?shù)字仿真方式，更好的仿真雷達(dá)模塊[2]。

2 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真

2.1 相控陣?yán)走_(dá)特點

相控陣?yán)走_(dá)有著十分靈活的多波束指向與駐留時間、可控空間功率分配、時間資源分配，可同時完成搜索和多目標(biāo)精確跟蹤，可于計算機(jī)控制下改變相控陣天線中的各個天線單元信號幅度相位分布，且高速改變天線波束波瓣寬度、副瓣位置、副瓣電平、天線副瓣凹口數(shù)量及其位置，這時的相控陣?yán)走_(dá)會有著多種工作靈活性及其自適應(yīng)能力。相控陣?yán)走_(dá)重量輕、固有冗余度、波束掃描速度快、靈活、抗干擾能力高。

2.2 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)功能仿真流程

相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)功能仿真流程為：（1）詳細(xì)計算目標(biāo)與雷達(dá)的距離，其間存在的方位角與高低角；（2）確定目標(biāo)有無存在于雷達(dá)監(jiān)測范圍內(nèi)，判斷雷達(dá)視距與雷達(dá)方位角及雷達(dá)高低角范圍；（3）詳細(xì)計算雷達(dá)視野中的雷達(dá)檢測信噪比；（4）分析雷達(dá)檢測信噪比及其最小檢測信噪比的關(guān)系；（5）詳細(xì)計算探測概率；（6）獲取均勻分布變量值，詳細(xì)比較相關(guān)值和探測概率的大小；（7）詳細(xì)計算雷達(dá)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)的各項參數(shù)，這里強調(diào)的是雷達(dá)距離及角度測量標(biāo)準(zhǔn)差，疊加至形成雷達(dá)測量值；（8）對目標(biāo)確認(rèn)、跟蹤、穩(wěn)定跟蹤等航跡進(jìn)行管理[3]。

3 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型

3.1 視距計算模型

雷達(dá)視距計算模型應(yīng)嚴(yán)格計算直視距離、雷達(dá)天線高度、目標(biāo)高度。

3.2 天線模型

平面相控陣天線功能仿真模型十分重要，在得到其仿真模型之后，再開展其他方面的計算，將會大大提升計算效率，具有非常好的應(yīng)用效果，那么在具體的仿真模型確立過程中，應(yīng)詳細(xì)計算天線實際幾何面積，并全面分析相控陣天線主瓣增益，判斷相控陣天線單元數(shù)及其單元間距，且確定雷達(dá)工作波長及目標(biāo)，計算出雷達(dá)相控陣天線陣面法線夾角，同時獲取天線效率，在得到天線效率之后，在開展與水平天線單元間距及垂直天線單元間距有關(guān)的計算。

3.3 檢測信噪比計算模型

為了能夠有效的提升雷達(dá)實際的檢測性能，在司機(jī)通過中，可以通過目標(biāo)回波功率計算模型開展相應(yīng)的計算，以便于雷達(dá)接收目標(biāo)回波能量能夠得到有效提升，通過非相干積累與相干脈沖的積累，能夠有效的提升雷達(dá)接收目標(biāo)的回波功率，并且非相干脈沖的提升，在提升雷達(dá)回波能量方面的效果更加的明顯，其間倍數(shù)與積累的有效分子相關(guān)，相干積累方式均是采用脈沖積累處理；還有一種方式就是噪聲功率計算模型，大氣噪聲以及接收機(jī)工作過程中所產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲其該模型中的接收機(jī)主要的噪聲來源，在均值方差為零的正態(tài)分布當(dāng)中具有很好的應(yīng)用效果，在此基礎(chǔ)上所獲得的方差就是噪聲的平均功率。

3.4 雜波功率計算模型

雜波功率計算模型，相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)功能仿真要與具體的仿真應(yīng)用為基礎(chǔ)來實現(xiàn)，且應(yīng)全面分析仿真模型中產(chǎn)生的雜波功率，從而分析該功率對仿真系統(tǒng)帶來的影響；干擾功率計算模型，通常是基于雷達(dá)方程進(jìn)行的計算，從而獲得相應(yīng)的干擾功率；影響檢測信噪比計算模型的因素諸多，比如目標(biāo)回波功率與干擾功率等[4]。

4 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

4.1 天線系統(tǒng)

依據(jù)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)天線系統(tǒng)的司機(jī)特點，本次仿真設(shè)計當(dāng)中所采用的天線系統(tǒng)為矩形陣列，其仿真模型為：

式中，表示的是天線波束指向的俯仰角；θ表示的是天線波束指向的方位角；dy表示的是陣元的縱向間距；dx表示的是陣元的橫向間距；N表示的是天線的陣元數(shù)。

本次仿真過程中，設(shè)置=30°，θ=20°，陣元數(shù)為：30×30，設(shè)置垂直方向的v=sinθsin，水平方向為u=sinθcos，dy=dx=0.5λ。

4.2 信號環(huán)境

相控陣?yán)走_(dá)依據(jù)實際情況，向地面或者是空中發(fā)射探測信號，在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后，會返回一個包含有噪聲、雜波及有用信息等在內(nèi)的回波信號，那么在開展信號環(huán)境仿真工作的過程中，就需要能夠?qū)⒃肼?、雜波、有用目標(biāo)等進(jìn)行疊加，以便于能夠?qū)φ鎸嵉男盘柇h(huán)境進(jìn)行比較準(zhǔn)確的仿真。采用線性調(diào)頻信號作為本次仿真工作中的發(fā)射信號，這種形式的信號具有匹配濾波器對回波的多普勒頻移不敏感的特點，也就是說，在其實際的運行過程中，即便是在回波信號當(dāng)中包含有比較嚴(yán)重的多普勒頻移，脈沖壓縮工作還是能夠通過同一個匹配濾波器來實現(xiàn)。在所發(fā)射的信號經(jīng)歷了過時延、多普勒頻移、大氣衰減等一系列的過程之后，能夠形成雷達(dá)目標(biāo)回波信號。對于雜波的仿真采用瑞麗雜波，可以通過無記憶非線性變化實現(xiàn)其仿真工作[5]。

4.3 信號處理

為了能夠有效的消除雷達(dá)信號當(dāng)中的噪聲與雜波，需要對所反射的回波信號進(jìn)行提取之后，對其實施相應(yīng)的處理，通常情況下，在對雷達(dá)回波信號進(jìn)行處理，常用的處理技術(shù)有：脈沖壓縮技術(shù)、恒虛警檢測技術(shù)、動目標(biāo)顯示技術(shù)等。

4.4 仿真結(jié)果與分析

在具體的仿真工作當(dāng)中，除了上述仿真模型設(shè)計及信號處理方案設(shè)計之外，還需要應(yīng)用到的一項非常重要的工具就是Matlab圖形用戶界面，實際操作過程中，需要結(jié)合雷達(dá)仿真子庫來對仿真界面進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計出一個人機(jī)交互界面，方便相關(guān)操作，在該界面中應(yīng)該包含參數(shù)設(shè)置單元、模塊庫單元、掃描界面單元等幾個基本的單元。在實際的仿真工作中，要通過對仿真結(jié)果開展分析，判斷其是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的仿真效果，需要對目標(biāo)數(shù)據(jù)開展超過100次的測量，并將其與真實的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，將二者之間的差值作為判斷依據(jù)來判斷相關(guān)數(shù)據(jù)是否處于合理的范圍內(nèi)?？傮w上來講，應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型來開展相關(guān)數(shù)據(jù)的仿真工作，能夠為實際的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)有關(guān)問題的分析提供重要的參考依據(jù)。

5 結(jié)語

相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可用于研制工作、作戰(zhàn)性能與效能評估等，但盡管我國相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真發(fā)展飛速，但其間仿真模型亦存在諸多不足之處，這也說明探討相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型研究，對相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展有著極大推動作用。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2016-08-03

作者簡介：何永喜（1983—），男，河南南陽人，本科，畢業(yè)于解放軍電子工程學(xué)院，工程師，研究方向：雷達(dá)仿真。