＿己口Ｉ ７年７月 第］５卷第７期 理论与方法 射频仿真目标回波的天线方向图调制方法 徐海崔连虎 （中国人民解放军９１３３６部队秦皇岛０６６３２６） 摘要：针对雷达制导射频半实物仿真试验系统目标回波模拟逼真度问题，分析了传统做法中未考虑雷达天线方向图的目标 回波模拟方法的弊端。采取利用雷达天线方向图调制目标回波功率的方法，对仿真试验系统的回波功率控制算法进行改进， 实现了更为真实的目标回波功率变化模拟。仿真结果证明，该方法有效解决了末制导雷达半实物仿真试验过程中，特别是在 多目标的环境下频繁出现的副瓣跟踪问题，大大提高了射频半实物仿真系统仿真结果的可信度。 关键词：天线方向图；雷达制导；回波模拟；射频仿真；半实物仿真 中图分类号：ＴＪ７６５．４ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５１０．１０４０ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｅｃｈｏ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａｎｔｅｎｎａ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ ＲＦ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｘｕ Ｈａｉ Ｃｕｉ Ｌｉａｎｈｕ （９１３３６ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ＰＬＡ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６３２６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｓ ａｔ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｅｃｈｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｉｄｅｌｉｔｙ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ Ｒａｄａｒ—ｇｕｉｄｅｄ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｔａｋｅ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ａｎｔｅｎｎａ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｒａｄａｒ ｅｃｈｏ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔａｒｇｅｔ ｅｃｈｏ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒａｄａｒ ａｎｔｅｎｎａ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａ ｍｏｒｅ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｅｃｈｏ ｐｏｗｅｒ ｃｈａｎｇｅ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｌｏｂｅｓ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｔａｒｇｅｔｓ ｓｉｔｕ— ａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｎｔｅｎｎａ ｐａｔｔｅｒｎ；ｒａｄａｒ ｇｕｉｄａｎｃｅ；ｔａｒｇｅｔ ｅｃｈｏ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ＲＦ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＨＷＩＬＳ 回波的模拟中，普遍重视对目标特性的研究，往往忽视了 １ 引 言 射频半实物仿真试验与数字仿真试验手段相比，由于 末制导雷达天线搜索过程带来的回波功率变化，导致仿真 结果与外场实际情况差异较大。本文从末制导雷达天线 有了实物的参与，且目标回波及干扰信号经过空间实际辐 射产生，消除了复杂建模带来的仿真结果可信度降低的影 响；而与外场试验相比，半实物仿真具有环境可控、样本量 大、安全保密性强、效费比高等优点。因此，射频半实物仿 真在雷达制导导弹的研制测试及试验鉴定中的地位和作 用发挥越来越突出，并已经得到了广泛的应用。 方向图与目标回波模拟之间的关系入手，将天线方向图的 影响叠加到目标回波功率的控制上，通过对目标回波模拟 功率变化控制算法的改进，以较小的代价提高半实物仿真 试验系统对目标模拟的逼真度。 ２射频仿真原理及回波模拟问题分析 ２．１射频仿真基本原理 然而，随着射频仿真应用的不断深入，各类型的试验 对仿真结果的可信度要求也不断提高，特别是面向未来的 作战试验应用需求，传统的忽略细节、单纯的跑流程式的 仿真试验已经远远不能满足要求。因此，对于射频半实物 仿真系统而言，也不再仅仅要求其试验回路可以闭环，还 要求其对目标以及干扰信号具有更加精细化的模拟，尽可 能地接近外场实际辐射环境。而在射频仿真系统对目标 导弹制导射频半实物仿真试验系统主要由微波暗室、 指挥控制系统、目标模拟系统、试验转台、仿真计算机、接 口及数据采集设备、数据库以及通信网络等组成。其中， 目标模拟系统是整个射频半实物仿真系统中最关键、最复 杂、也是难度最大的部分，主要由射频信号生成系统、阵列 馈电系统以及目标阵列组成。在仿真过程中，末制导雷达 收稿日期：２０１７—０３ 中国科技核心期刊 国外电子测量技术 一３１— 理论与方法 发射的射频信号通过空间辐射或者注入的方式，作为射频 信号生成系统的激励信号，射频信号生成系统对接收到的 ２０ Ｉ ７年７月 第］５卷第７期● 激励信号进行存储转发，并对信号的距离延时信息、多普 勒频率信息、幅度变化信息等进行调制，再经由阵列馈电 系统控制角度变化信息并通过目标阵列向微波暗室中进 行辐射，最后被末制导雷达接收，从而为末制导雷达模拟 出目标的回波信息，实现末制导雷达对目标搜索跟踪的射 频半实物仿真 。图１所示为射频仿真的基本原理（重 点突出目标模拟系统原理，部分环节已经略去）。 图３仿真系统模拟的目标回波 ａ）雷达波束照射到目标 （ｂ）雷达波柬未照射到目抓 波 波的始终存在，导致了按照雷达主瓣解算生成的目标回波 能量会从雷达天线的副瓣进入并被雷达接收，因此容易产 生目标的增批现象。严重时还会出现副瓣跟踪，使雷达跟 踪角度出现错误。特别是在进行多目标以及箔条质心干 扰试验中，受副瓣进入的能量影响，极易产生错误的质心 跟踪结果，严重影响了仿真系统的可信度，甚至导致在某 图１射频仿真基本原理 些战情想定下仿真结果完全不可用 。。因此，射频仿真 系统在目标回波模拟上的这一问题必须得到重视并加以 解决。 ２．２天线方向图对目标回波模拟影响分析 基于上述射频仿真的基本原理，仿真系统模拟产生的 目标回波，其功率主要是利用雷达方程，根据需要模拟的 目标实际距离（弹目距离）进行计算并折算到内场条件进 行等效，其实现方法已经十分成熟，在文献［６］中也有所阐 述，在此不作赘述。然而，这种单纯的依靠距离进行回波 模拟功率解算的方法，在仿真过程中，与真实的末制导雷 达搜索过程存在着较大的差异。 末制导雷达多采用单脉冲测角体制，其天线的波束是 具有一定宽度的，末制导雷达在角度上的搜索过程实际上 ３ 目标回波的天线方向图调制方法 由于仿真系统的特性，目标回波并非由目标实际的反 射生成，上述问题的产生，归根结底是目标回波功率的变 化问题。因此要解决该问题，需要从仿真系统的目标回波 生成人手，将末制导雷达天线的搜索过程映射到仿真系统 并利用其对模拟的目标回波功率进行控制 ３．１ 目标回波模拟 。 就是波束的搜索过程，只有在雷达波束照射到目标时，目 标才会产生回波．并被雷达接收，如图２所示。 由２．２节的分析不难发现，假设目标距离不变．当末 制导雷达天线波束正好照射到目标时，即天线的主波束的 最大增益处对准目标时，目标的回波功率达到最大值，设 此时通过射频信号生成系统解算出的目标回波功率为 Ｐ…，在射频仿真系统中Ｐ…通常解算为用ｄＢ表示的到 目标回波 达末制导雷达天线口面处的功率。按照传统的不考虑天 线方向图的方法，仅仅将目标的距离变化当作变量，而将 末制导雷达天线的增益Ｇ当作固定值来处理。据此，只要 目标距离不发生变化，解算出的回波功率就始终为Ｐ…。 【ａ）雷达波束照射到目标 （ｂ）雷达波束未照射到目标 这样．虽然在对单个目标的稳定跟踪状态下．目标回波功 率的模拟是正确的，即为Ｐ…；但是在雷达的搜索状态下， 图２真实情况下的目标回波 则无法体现出天线“增益”的变化，即无法体现出目标回波 然而在仿真系统中，往往没有考虑到波束宽度这一要 素，即没有考虑到天线方向图对回波功率模拟的影响。在 末制导雷达的搜索过程中，仍单纯采用距离解算的功率结 果进行回波模拟，这就会导致无论雷达波束是否照射到目 功率随着天线指向的变化而变化的过程，所以才会导致 ２．２节中问题的发生。因此，在仿真系统中计算目标回波功 率时，有必要将末制导雷达天线的增益看作随着搜索过程 而变化的变量来进行处理，即要考虑天线方向图的影响。 ３．２天线方向图 标。仿真系统始终会依据目标距离产生一定功率的目标回 波，如图３所示。 以单平面工作的末制导雷达为例，通常采用振幅等信 号法测角的方式，利用两个相同而且彼此部分重叠的波束 从图２和３中可以看出，仿真系统模拟的目标回波与 真实情况存在着较大的差异。在仿真系统中，由于目标回 合成和、差两路波束，以完成对目标角度的测量，其中与目 中国科技核心期刊 ３２一 国外电子测量技术 一２ｔ－Ｉ Ｉ ７年７月 第］６卷第７期 标回波功率相关的是和波束，代表着天线的方向性，是本 文重点研究的对象。天线的方向性可用其方向性函数或 根据方向性函数画出的方向图表示，由于天线的方向性函 。 。ｇ 。理论与方法 ： ！ ， 数较为复杂，为便于工程计算，常用一些简单的函数来近 似，如余弦函数、高斯函数以及辛格函数等，也可以采用实 测天线方向图进行更为真实的模拟。天线方向图 “ 的 。∈［。，堡 ］ 主要技术指标是半功率波束宽度以及副瓣电平，在常用的 函数中，辛格函数可同时对主瓣和副瓣进行较好的描述。 等～ ㈤ 因此，认为末制导雷达的和波束天线方向图的变化规律近 似符合辛格函数，见式（１），可以其为基础通过拟合的方式 对天线方向图进行模拟。 刚）≈ （１） ３．３ 目标回波的天线方向图调制 在射频仿真系统中，对目标回波功率的控制主要是由 射频信号生成系统完成的，回波功率的解算主要是依赖软 件算法，再通过程控衰减器实现。因此只要对射频信号生 成系统中的相关软件算法进行改造即可实现对目标回波 的天线方向图调制。即，需要在原有算法计算得出的Ｐ… 基础上进一步考虑天线的功率方向图Ｇ（日）（单位为ｄＢ）， 从而得到通过天线方向图调制后的目标回波功率Ｐ 一 Ｐ…＋Ｇ（ ），这样只需把重点放在对Ｇ（目）的求解上，对原 有系统的改动最小。 如采用实测天线方向图，只需将实测天线方向图数据 以查表的方式在仿真过程中对Ｇ（ ）进行赋值即可，在此 不作详细阐述。 用辛格函数对天线方向图进行模拟，其重点是要尽可 能真实的体现出被模拟的天线方向图的半功率波束宽度 以及第一副瓣电平，因此可采用分段拟合的方法。 设在仿真过程中，经过弹目相对空间位置关系解算得 到了目标相对天线指向的夹角为 ，天线半功率波束宽度 为 ，ｋ为拟合系数，因此当 一 ． ／２时，式（１）的值应该 为其最大值的４￣－／２倍 ，即： ｓｉｎ（志譬） （２） … … 中国科技核心期刊 眦 。 一（ ］ 在仿真过程中，只需要根据被试末制导雷达天线的基 本参数进行设定，并实时获取末制导雷达的天线框架角参 与解算，利用式（４）即可解算出更为真实的目标回波功率。 同样，对于双平面雷达也可用类似方法进行拟合。 ４仿真验证 根据式（４）对射频仿真系统中的射频信号生成系统软 件代码进行改造，用某型末制导雷达模拟器并开展半实物 仿真试验验证。假设被试末制导雷达天线的半功率波束 宽度为４。，零功率波束宽度为８。，第一副瓣位置为６。，第一 副瓣电平为一２０ ｄＢ，设置单目标闭环仿真试验态势，模拟 导弹向目标逼近过程中的开机搜索及跟踪全过程，并增加 噪声压制干扰，以延长末制导雷达的搜索时间，便于验证。 分别记录改造前后射频仿真系统生成的目标回波功率进行 比对。图４所示为根据上述末制导雷达天线的基本参数利 用式（４）拟合出的天线方向图，图５所示为仿真系统改造前 后目标回波功率随着弹目逼近仿真过程的变化曲线对比。 角度 。） 图４利用天线基本参数拟合的天线方向 可见，在改造前目标回波功率只随着弹目距离的变化 而变化，不能体现出末制导雷达的搜索过程；改造后目标 回波功率在受弹目距离影响的同时，在搜索过程中还受到 天线波束扫描位置变化的影响，其曲线能够较为近似的反 映出天线方向图的实际形状。仿真结果证明，该方法能够 利用天线方向图的关键参数并实时根据天线波束的扫描 位置对射频仿真系统目标回波功率进行有效的调制，使目 标回波功率的模拟更加真实可靠。 （下转第３７页） 国外电子测量技术 一３３— ２Ｅｌ ｌ ７年７月 第３Ｂ卷第７期 方法及其测量不确定度评定［Ｊ］．中国计量，２００９（７）： ９３－９５． 理论与方法 量功能的实现ＥＪ］．机械工程，２００９（８）：１４２—１４３． Ｅ２ｏ］ 潘芳煜，白跃伟，聂黎，等．三坐标测量机几何误差的 建模及测量［Ｊ］．上海第二工业大学学报，２０１７（１）： ３７—４２． Ｅｌ６］ 朱建荣，胡学刚．大螺距螺纹及多头螺纹的检测方法 探讨［Ｊ］．工业计量，２０１７（２）：２５—２８． ［１７］ 仇谷烽，余景池，黄启泰，等．接触式三坐标测量自由曲 面轮廓的数据处理模型［Ｊ］．光学精密工程，２０１３（１１）： ２８１３－２８２０． 作者简介 张欣，１９８３年出生，天津大学工程硕士，天津市计量 监督检测科学研究院工程师，主要从事几何量计量工作。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｊｊｌｙｚｈａｎｇｘｉｎ＠１２６．ｃｏｒｎ ［１８］ 欧协峰．螺纹检测技术的发展趋势［Ｊ］．中国计量，２０１４（１）：６８—７Ｏ． Ｅ１９］ 刘力岩，郎岩梅，刘琦，等．基于轮廓扫描法的螺纹测 （上接第３３页） 扰性能测试方法研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１６， ３５（６）：１２７７—１２８２． ［３］ 顾振杰．反舰导弹导引头仿真试验电磁环境模拟方法 研究［Ｊ］．雷达与对抗，２０１５，３５（３）：８－１１． Ｅ４］ 王永青．基于ＤＲＦＭ的雷达目标回波信号模拟器设 计ＥＪ］．电子信息与计算科学，２０１４，（６）：９－１１． ［５］ 赵立，谢军伟，盛川．基于数字射频存储的雷达干扰环 境仿真Ｉ－Ｊ］．计算机仿真，２０１４，３１（１ｏ）：３５—３９． Ｅ６３ 刘宇，顾振杰．阵列式射频仿真系统中目标特性仿真 与实现［Ｊ］．火控雷达技术，２０１３，４２（３）：５２—５６． 仿真时间／ｓ Ｅ７１ 曲长文，李亚南．箔条对毫米波末制导雷达波束的切 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