相控阵雷达系统仿真模型研究

摘要：相控阵雷达为有源电子扫描阵列雷达，亦或是无源电子扫描阵列雷达，其主要是改变天线表面阵列而发出的波束合成方式，以此改变波束扫描方向的雷达，此类设计与机械扫描雷达天线不同，其无需用机械马达驱动雷达天线，便可实现大范围侦测。相控阵雷达系统庞大且复杂，该系统仿真应根据其原理、结构特点、工作方式、数据处理等方面要素，采用适当的仿真方式构建相控阵雷达系统仿真模型。本文探讨了相控阵雷达系统仿真模型研究，并提出了实用性应用措施，为相控阵雷达系统仿真模型水平提升提供参考依据。

关键词：相控阵雷达 系统仿真 仿真模型

中图分类号：TN955 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0114-01

雷达系统仿真与计算机技术密不可分，是于计算机中重现雷达系统及动态过程，调整其间各种参数，使系统反复运行，从而确保系统各项性能最优化，以此有效缩短雷达的研发时间，同时降低制造雷达所需的成本。往往雷达系统仿真为功能级仿真与信号级仿真，两者之间存在一定的不同之处，其功能级仿真是处理信号幅度信息，信号级仿真则是处理信号幅度信息，再是其信号相位信息；通常功能仿真结构简单且实时性好。随着现代化社会经济的不断发展，科学家们发表了许多相控阵雷达系统仿真研究成果，不过其间仿真模型粒度和完整性研究结果中仍存在不足之处。因此，探讨相控阵雷达系统仿真模型研究，对相控阵雷达系统的进一步发展有着极大推动作用[1]。

1 相控阵雷达系统仿真模型发展

计算机仿真技术应用于雷达中是源自上世纪70年代，而我国的雷达仿真起步晚，仿真均是基于SPW、Matlab、Simulink、ADS、HLA平台上进行的，Simulink是国内外应用十分广泛的计算机仿真工具，其可支持线性系统与非线性系统、连续及离散事件系统等类系统的仿真；ADS则可实现高频、低频、时域及频域、数字信号处理电路等仿真；SPW则多用于信号处理系统设计中，主要是强有力的软件包，其亦是广泛应用于雷达领域中；HLA可提供基于分布交互环境下仿真系统创建的通用技术支撑框架，以此可快速构建分布仿真系统；具体而言，SPW成本高，仅用于Unix操作系统，HLA通信协议十分复杂，且版本不同的RTI易产生无法通信的问题，而Simulink应用较为广泛。加上为了实现后期雷达及红外数据的充分融合，则应构建雷达模块，获取雷达数据源，而这应根据相控阵雷达工作原理，以适当的数字仿真方式，更好的仿真雷达模块[2]。

2 相控阵雷达系统仿真

2.1 相控阵雷达特点

相控阵雷达有着十分灵活的多波束指向与驻留时间、可控空间功率分配、时间资源分配，可同时完成搜索和多目标精确跟踪，可于计算机控制下改变相控阵天线中的各个天线单元信号幅度相位分布，且高速改变天线波束波瓣宽度、副瓣位置、副瓣电平、天线副瓣凹口数量及其位置，这时的相控阵雷达会有着多种工作灵活性及其自适应能力。相控阵雷达重量轻、固有冗余度、波束扫描速度快、灵活、抗干扰能力高。

2.2 相控阵雷达系统功能仿真流程

相控阵雷达系统功能仿真流程为：（1）详细计算目标与雷达的距离，其间存在的方位角与高低角；（2）确定目擞形薮嬖谟诶状锛嗖夥段内，判断雷达视距与雷达方位角及雷达高低角范围；（3）详细计算雷达视野中的雷达检测信噪比；（4）分析雷达检测信噪比及其最小检测信噪比的关系；（5）详细计算探测概率；（6）获取均匀分布变量值，详细比较相关值和探测概率的大小；（7）详细计算雷达已经发现的目标的各项参数，这里强调的是雷达距离及角度测量标准差，叠加至形成雷达测量值；（8）对目标确认、跟踪、稳定跟踪等航迹进行管理[3]。

3 相控阵雷达系统仿真模型

3.1 视距计算模型

雷达视距计算模型应严格计算直视距离、雷达天线高度、目标高度。

3.2 天线模型

平面相控阵天线功能仿真模型十分重要，在得到其仿真模型之后，再开展其他方面的计算，将会大大提升计算效率，具有非常好的应用效果，那么在具体的仿真模型确立过程中，应详细计算天线实际几何面积，并全面分析相控阵天线主瓣增益，判断相控阵天线单元数及其单元间距，且确定雷达工作波长及目标，计算出雷达相控阵天线阵面法线夹角，同时获取天线效率，在得到天线效率之后，在开展与水平天线单元间距及垂直天线单元间距有关的计算。

3.3 检测信噪比计算模型

为了能够有效的提升雷达实际的检测性能，在司机通过中，可以通过目标回波功率计算模型开展相应的计算，以便于雷达接收目标回波能量能够得到有效提升，通过非相干积累与相干脉冲的积累，能够有效的提升雷达接收目标的回波功率，并且非相干脉冲的提升，在提升雷达回波能量方面的效果更加的明显，其间倍数与积累的有效分子相关，相干积累方式均是采用脉冲积累处理；还有一种方式就是噪声功率计算模型，大气噪声以及接收机工作过程中所产生的内部噪声其该模型中的接收机主要的噪声来源，在均值方差为零的正态分布当中具有很好的应用效果，在此基础上所获得的方差就是噪声的平均功率。

3.4 杂波功率计算模型

杂波功率计算模型，相控阵雷达系统功能仿真要与具体的仿真应用为基础来实现，且应全面分析仿真模型中产生的杂波功率，从而分析该功率对仿真系统带来的影响；干扰功率计算模型，通常是基于雷达方程进行的计算，从而获得相应的干扰功率；影响检测信噪比计算模型的因素诸多，比如目标回波功率与干扰功率等[4]。

4 相控阵雷达系统仿真实现

4.1 天线系统

依据相控阵雷达系统天线系统的司机特点，本次仿真设计当中所采用的天线系统为矩形阵列，其仿真模型为：

式中，表示的是天线波束指向的俯仰角；θ表示的是天线波束指向的方位角；dy表示的是阵元的纵向间距；dx表示的是阵元的横向间距；N表示的是天线的阵元数。

本次仿真过程中，设置=30°，θ=20°，阵元数为：30×30，设置垂直方向的v=sinθsin，水平方向为u=sinθcos，dy=dx=0.5λ。

4.2 信号环境

相控阵雷达依据实际情况，向地面或者是空中发射探测信号，在发现目标之后，会返回一个包含有噪声、杂波及有用信息等在内的回波信号，那么在开展信号环境仿真工作的过程中，就需要能够将噪声、杂波、有用目标等进行叠加，以便于能够对真实的信号环境进行比较准确的仿真。采用线性调频信号作为本次仿真工作中的发射信号，这种形式的信号具有匹配V波器对回波的多普勒频移不敏感的特点，也就是说，在其实际的运行过程中，即便是在回波信号当中包含有比较严重的多普勒频移，脉冲压缩工作还是能够通过同一个匹配滤波器来实现。在所发射的信号经历了过时延、多普勒频移、大气衰减等一系列的过程之后，能够形成雷达目标回波信号。对于杂波的仿真采用瑞丽杂波，可以通过无记忆非线性变化实现其仿真工作[5]。

4.3 信号处理

为了能够有效的消除雷达信号当中的噪声与杂波，需要对所反射的回波信号进行提取之后，对其实施相应的处理，通常情况下，在对雷达回波信号进行处理，常用的处理技术有：脉冲压缩技术、恒虚警检测技术、动目标显示技术等。

4.4 仿真结果与分析

在具体的仿真工作当中，除了上述仿真模型设计及信号处理方案设计之外，还需要应用到的一项非常重要的工具就是Matlab图形用户界面，实际操作过程中，需要结合雷达仿真子库来对仿真界面进行设计，设计出一个人机交互界面，方便相关操作，在该界面中应该包含参数设置单元、模块库单元、扫描界面单元等几个基本的单元。在实际的仿真工作中，要通过对仿真结果开展分析，判断其是否能够实现预期的仿真效果，需要对目标数据开展超过100次的测量，并将其与真实的测量数据进行对比分析，将二者之间的差值作为判断依据来判断相关数据是否处于合理的范围内。总体上来讲，应用相控阵雷达系统仿真模型来开展相关数据的仿真工作，能够为实际的相控阵雷达系统有关问题的分析提供重要的参考依据。

5 结语

相控阵雷达系统可用于研制工作、作战性能与效能评估等，但尽管我国相控阵雷达系统仿真发展飞速，但其间仿真模型亦存在诸多不足之处，这也说明探讨相控阵雷达系统仿真模型研究，对相控阵雷达系统的进一步发展有着极大推动作用。

参考文献

[1]高金宝，胡建波，陈信在，杨文超.浅谈舰载相控阵雷达的发展方向[J].民营科技，2015（08）.

[2]尹亮，姜秋喜，潘继飞，陈晟.一种相控阵雷达指纹特征提取技术[J].航天电子对抗，2012（05）.

[3]罗敏.多功能相控阵雷达发展现状及趋势[J].现代雷达，2011（09）.

[4]李争，郭宜忠，张鑫，秦义.一种远程相控阵雷达作战效能评估模型[J].空军雷达学院学报，2010（03）.

[5]王象，李盾，毕莉.相控阵雷达相干视频信号建模与仿真方法研究[J].系统仿真学报，2010（22）.

收稿日期：2016-08-03

作者简介：何永喜（1983―），男，河南南阳人，本科，毕业于电子工程学院，工程师，研究方向：雷达仿真。