1、雷达运动目标回波分析许正荣，昂志敏， 张晓丰（联系方式：zhengrong_ ， 合肥工业大学661#信箱 许正荣 230009）（合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）稿件类型：综述焦点摘要：本文详细分析了表征运动目标回波特性的主要参数，提出了动目标回波的模拟方法，并且用实例说明可用不同站点的雷达来观测隐身目标，对进一步研究运动目标和反隐身有较强的工程应用价值。关键字：动目标特性；雷达截面积（RCS） ；回波模拟；隐身目标the Analysis of Radar Moving Targets EchoXU zheng-rong， ANG zhi-min ，ZHANG x
2、iao-feng(School of Computer and Information Engineering，HeFei University of Technology，HeFei 230009，China)Abstract: This paper particularizes the prime parameters which representate the echo of moving targets,and provides a method to simulate the echo. It gives an example to show how to observe the
3、hidden targets by radars in different radar sites. The introduction is useful to engineering application.Key words: Characters of MovingTargets; Radar Cross Section; the Simulation of Echo; Hidden Targets1 引言雷达运动目标特征信号是一门新兴专业。在防空导弹体系中，从发现、跟踪、识别、拦截直到引爆杀伤目标等过程中，都要根据来袭目标的特征信号来设计探测系统、跟踪制导系统和引信战斗部署系统的参数。
4、此外，随着隐身目标的出现，传统的雷达探测器必须结合隐身目标的特性在频域、空间和体制等方面加以扩充。一些仿真实验证明，某些观测角下隐身目标的特性是可以分析的。因此，为了改善雷达检测目标的能力，并且提高雷达的抗干扰能力，就必须首先掌握运动目标的回波特性。2 运动目标回波的特性分析运动目标的特征信息 1主要包括目标的位置状况，例如：目标的距离、方位角、府仰角和径向速度等，以及目标自身特征的状况，例如：目标的尺寸、形状和姿态等。有关目标位置状况的参量一般用于目标位置的测量，而目标自身特征状况的参量一般用于目标识别。对于雷达系统来说，目标的信息源是目标在雷达接收方向的电磁辐射的散射，空间任意一点的散射信
5、号，可以展开为一个频谱，在任一给定的时间，每个频率分量都对应着一定的幅度和相位。动目标的回波特性非常复杂，与许多因素有关，为了便于分析，不妨把动目标回波用幅度、相位以及飞行随机抖动来近似描述：S r(t)F(t)exp(j t)t 式中，F(t)：目标回波的反射率函数，表征运动目标的幅度特性； exp(jt)：目标回波的相位信息； t：动目标的飞行随机抖动。2.1 动目标回波的幅度特性动目标回波的幅度 F(t)是一个复杂函数，主要涉及两个方面：（1）与雷达探测的关系，如雷达站位置、发射功率、天线增益、天线转速、脉冲重频和水平/垂直波束形状等；（2）与动目标散射特性的关系，运动目标散射回波本身就
6、是频率、极化、时间和姿态的复杂函数。通常，在确定好雷达站位置和雷达参数后，将实验测量的飞行状态或理论计算的飞行状态转换到雷达坐标系中进行计算分析。无论是实验测量还是理论计算，都要从以下的几个主要因素来考虑，分析如下：1）目标散射原理与雷达截面积 2理论计算和实验测量均表明，在高频区，运动目标总的电磁散射可以认为是某些局部位置上的电磁散射的合成，这些局部性的散射源通常被称为等效多散射中心，或简称多散射中心。目标散射中心是目标在高频区散射的基本特征之一。雷达技术的发展，使得人们能够利用宽带信号技术来获得目标散射中心在径向距离上的高分辨率，从而得到赖以对多散射中心目标进行分类的大量信息，依据一定的分
7、类识别算法就可以对这些目标进行分类。雷达运动目标回波的强弱主要取决于雷达散射截面积(Radar Cross Section) （亦称为雷达截面积） 的大小。对单个目标来说， 可以看作是当发生各向同性的散射时与接受到的实际目标产生相同能量回波的假想拦截面积。雷达截面积是下列因素的函数：（1）目标结构；（2）频率；（3）入射场极化形式；（4）接受天线极化形式；（5）目标对于来波方向的角向位置。因此，一般来说， 可以表示为 ij(,),式中 i 和 j 表示入射场和接受天线的极化方向，而(,) 则表示球坐标下的视角。通常，雷达在探测运动目标时(如飞机)，最关心飞机的前端视向（目标飞近） 。飞机的雷达
8、截面积测量值表格中有时给出其前向、尾向和侧面三个数值。如果截面积数值是在动态下（动目标）测得的，那么这个值是一般都是在某段时间内起伏数值的平均值；否则，就是某一特定视向上的静态值。2）雷达截面积（RCS）的起伏由于目标的瞬间截面积是视角的函数，而运动目标的视向是随机变化的，所以它的截面积也将随时间随机的起伏。要正确地描述雷达截面积起伏，必须知道它的概率密度函数（它与目标的类型、典型的航路有关）和相关函数。但是，运动目标十分复杂而且多种多样，很难准确地得到各种目标截面积的概率分布和相关函数。研究表明，可以用一个接近而又合理的模型来估计起伏的影响并进行数学上的分析。通常飞机幅度起伏模型为 Swer
9、ling I 型，其概率密度函数为： （式中的 是平均截面积） 。/1()pe3) RCS 的计算分析原则上，所有求解电磁场散射的理论和方法都可能用于雷达截面积的分析计算。对于处于高频区的动目标，由局部场原理可知，通过计算雷达所照射到的构成散射体的各散射中心的截面积，可以得到总的散射截面积。根据电磁场理论，每个散射中心都相当于斯特拉顿- 丘（ Stratton-Chu）积分中的一个数学不连续处。从几何观点来分析，就是一些曲率不连续处与表面不连续处，它们可以应用物理光学和几何光学法来求解。然而，对于实际雷达而言，其回波的强弱变化不仅取决于构成目标散射中心所形成的雷达截面积，而且与雷达的分辨率直接
10、有关。对于脉冲式雷达来说，分辨率与雷达的脉冲宽度成反比。如果雷达发射的脉冲宽度不足够窄，分辨长度大于任意两散射中心的距离，则散射体的雷达回波可以通过计算各分辨单元的散射来获得。在实际计算中，一般将目标沿雷达入射方向根据雷达分辨率划分成多个分辨单元，每个分辨单元可以包含一个或多个散射中心。通过估算每个分辨单元雷达截面积的大小，最终可以得到所有分辨单元合成的雷达截面积。当然，这种合成必须考虑各分辨单元相对位置不同而引入的相位变化。其计算公式如下：（ p） 1/2exp(jp) 2 式中 p是第 p 个分辨单元的散射截面， p是该分辨单元的相对相位，它取决于该单元在空间的实际位置。具体计算 RCS
11、时，还是一个比较复杂的过程。大多是根据目标的散射模型，选择合理的分析方法，近似求出。2.2 动目标回波的相位特性相位特性表征动目标的多普勒频移，可由发射站到目标的距离 Rt 加上由目标到接收站的距离 Rr 随时间变化求得， （其中 Rt 和 Rr 都是时间的函数） 。在单基()1trdf地雷达情况下，引起 fd 的是动目标与雷达的相对速度 Vr。当目标与雷达站存在相对运动时，回波载频就发生变化。雷达由测量到的多普勒频移 fd，来确定目标于雷达之间的相对速度。目前，多普勒频移已被广泛地应用于动目标显示（MTI） 、脉冲多普勒（PD）等雷达中以区分运动目标回波和杂波。2.3 飞行随机抖动t 为运动
12、目标的飞行随机抖动。目标的飞行随机抖动比较复杂，尤其是环境因素千变万化，是一个随机过程。飞行环境扰动可同时考虑快速和慢速两种扰动，其主要影响是会造成动目标姿态的扰动，从而在目标回波中产生附加的调制频谱分量。随机抖动的影响最终可归结为在目标飞行坐标系中目标的俯仰和方位角的抖动。这里提供一种飞行扰动模型如下 3。112()ttttrant式中 ， 为 t+1 时刻在飞行坐标系中方位角和府仰角的扰动量；1tt， 为取样间隔，T 为目标扰动周期；exp(/)tt， 为服从-1,+1上的正态分布；1rant2(1rt， 为目标在飞行坐标系中方位和俯仰方向各自的扰动方差。3 运动目标回波的模拟分析 由于实
13、际情况的限制，对雷达回波的研究主要采用模拟仿真的方法，以便建立动目标回波数据库，供雷达数字信号处理系统进行调试和试验，提高雷达检测目标和抗干扰的能力。动目标回波的模拟要用相干视频模拟法，即模拟出回波的幅度和相位信息。3.1 动目标模型的建立 雷达回波的目标模型包括目标距离、回波幅度、幅度起伏、多普勒频率、散射中心数目等参数，每个参数都要分别模拟。通常采用点散射体模型来对动目标建模，因为点散射体模型相对简单，容易对具有某些轨迹（如直线或圆形轨迹）的运动目标进行模拟仿真。3.2 动目标模拟的实现实现动目标模拟 4的方法有两种：全模拟实现和数字实现法。模拟法原理简单，没有数字法中由于抽样、量化以及存
14、储量限制等因素造成的问题。但模拟实现法中所存在的最大问题就是不灵活，参数修改困难。对于多种参数要求的功能，模拟法只能通过增加设备量来解决问题。而数字法实现的优点是参数修改灵活，因此对具有多种复杂功能的回波模拟是适合的。图 1 是一个典型的数字雷达目标模拟框图。参数 回波 实时 视频 中频设置 数据 数据 信号 模拟信号中频载频 图 1 典型的数字雷达动目标模拟系统图在数字实现法中，数据调度的功能是缓冲存储从 PC 内存调入数据，并按照雷达系统的定时关系把数据输出到 DAC，它主要影响模拟实现的速度和灵活性，因此，使用合适的数据调度方法很关键。常用的方法为：（1）由数字信号处理器（DSP）电路实
15、现数据调度。这种方案的优点是速度快，可以实现各种复杂的时序电路；其缺点是设计、实现复杂。（2）由通用计算机直接进行数据调度。这种方案的主要优点是硬件实现简单，只要有一个缓冲存储器就可完成数据调度。为了适应不同的雷达体制，我们一般用通用计算机实现数据调度。4 一个实例 对于普通的运动目标，国内外的许多专家和学者都作了深入的研究，成果显著。然而，隐身目标的出现以及在海湾战争和科索沃战争中 F117 隐身战斗机的成功运用，表明隐身技术已成为现代战争中最重要、最有效的突防战术技术之一，同时也将反隐身这个任务摆在我们的面前。所谓隐身（Stealth）是指使雷达无法探测到或难以探测到的目标。由于雷达是靠目
16、标发射信号产生的后向散射信号发现目标的，故隐身技术的核心是减少目标的后向散射截面积（RCS） 。目前，国内主要是通过对隐身飞机的仿真模型进行雷达散射特性测试与分析，来提出反隐身方案的设想。文献5中给出了一个隐身飞行器（F117A ）缩尺模型的雷达截面积扫频测试结果。它已被换算成真实的雷达散射截面值，如图 2 所示。测试频率为 10GHz，府仰角为 0,方位角为 0180。从图中可见，在 048的区域内，RCS 值很低，其平均值约为-13dB 左右，其它方位角的 RCS 就增大。即隐身性能是一定条件下的低可见性，并不是数据生成中频振荡数据调度 D/A 混频一切条件下皆探测不到。前向雷达隐身性能佳
17、，侧向和后向隐身性能便欠佳，难以兼顾到雷达的全向隐身性能。当隐身飞机或导弹正对着雷达飞行时，反向波最小，即 RCS 最小。而从目标的两侧、上下观测时，其 RCS 便会明显增大，这样就给不同站点的雷达观测留有空间窗口，因此可采用雷达组网技术来改变雷达对隐身目标的探测视角，利用雷达组网中多部雷达的数据进行融合，便能获得隐身目标的飞行航迹。5 结束语本文系统分析了动目标回波的复杂性、动目标回波的模拟方法，并以隐身目标为例，给出了隐身目标的回波特性，为隐身目标的建模提供了比较实用的理论基础；对研究雷达探测和抗干扰有一定的参考价值。作为深入研究，RCS 的计算和反隐身技术需要进一步分析。图 2 不同方位
18、角下的雷达散射截面测试结果参考文献1 张有为，李少洪 雷达系统分析 北京航空学院：国防工业出版社， 19812 阮颖铮 雷达截面与隐身技术 北京：国防工业出版社，19983 罗宏 动态雷达目标的建模与识别研究D 航天总公司第二研究院博士论文，1999，34 R.L. 米切尔 雷达系统模拟 北京：科学出版社，1982 5 何国瑜，王振荣 隐身飞机雷达目标特性初探 现代雷达，1992 ，14（3）：1023作者简介：许正荣（1974 年 6 月） 女 合肥工业大学 电路与系统专业 2001 级硕士通信地址：合肥工业大学 661#信箱 许正荣（收）邮 编：230009联系电话：13856942390电子信箱：zhengrong_
