（信息与通信工程专业论文）雷达信号的传播效应分析及其建模方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 近年来随着雷达系统仿真技术的飞速发展，建立准确性高、运算效率高、适 用性强的雷达信号的传播效应模型成为关注的焦点。本文根据体系对抗条件下雷 达系统任务级仿真的需求，开展雷达信号的传播效应建模研究，具有较强的理论 和实践意义。 本文综合分析雷达信号的传播效应对雷达探测的影响，设计并建立了雷达信 号的传播效应模型，并将其应用到雷达仿真系统中去。测试和应用的结果表明， 建立的雷达信号的传播效应模型适用性强，符合体系对抗条件下雷达仿真系统的 需求，可参与体系对抗条件下雷达系统任务级仿真运行。 本文主要内容包括三个部分，具体安排如下： 第一部分介绍了雷达信号的传播效应的基本理论，分析了雷达信号的传播效 应对雷达探测的影响，针对其中影响较大的几个方面进行了具体分析，并结合雷 达系统仿真对准确性和效率的需求给出这几个方面的数学模型。 第二部分针对雷达任务级仿真需求，设计并实现了雷达信号的传播效应模型。 首先设计了大气衰减计算模块和传播因子计算模块。然后对每个部分分别就初始 化参数、设计流程、输入参数、实现步骤进行了详细的设计。最后编写出雷达信 号的传播效应的仿真软件，再用测试软件对该软件的各个模块进行了测试，得出 了的准确性较高的仿真结果。 第三部分研究了雷达信号的传播效应模型的应用问题。这部分将雷达信号的 传播效应模型应用到不同体制雷达的仿真软件中去，并根据应用和测试的结果， 直观地分析传播效应对雷达探测的影响。 主题词：雷达信号的传播效应大气衰减传播因子体系对抗雷达系统仿真建模 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n g 晰t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er a d a rs y s t e ms i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , t h ee s t a b l i s h m e n to fr a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c tm o d e lw i t hh i 曲 a c c u r a c y , h i g hc o m p u t i n ge f f i c i e n c ya n dh i g ha p p l i c a b i l i t yh a sb e c o m et h ef o c u s b a s e d o nt h er e q u i r e m e n to fr a d a rs y s t e mm i s s i o n - l e v e ls i m u l a t i o nu n d e rt h es o s ( s y s t e mo f s y s t e m s ) c o m b a tc o n d i t i o n s ，t h er e s e a r c ho fr a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c tm o d e l i n g h a sas t r o n gt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l es y n t h e t i c a l l ya n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o n e f f e c tt or a d a rd e t e c t i o n ，d e s i g n sa n dp r e s e n t st h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c tm o d e l ， t h e na p p l i e si tt or a d a rs i m u l m i o ns y s t e m t h er e s u l t so ft e s t i n ga n da p p l i c a t i o ns h o w t h a tt h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c tm o d e lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr a d a rs i m u l a t i o n s y s t e mu n d e rt h es o sc o m b a tc o n d i t i o n s ，a n dc a nb ea p p l i e di nt h ep r o c e s so fr a d a r s y s t e mt a s k - l e v e ls i m u l a t i o n t h i sa r t i c l ei n c l u d e st h r e es e c t i o n s ，a sf o l l o w s ： t h ef i r s ts e c t i o nd e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r yo ft h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o n e f f e c t s ， a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo f r a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c t st or a d a rd e t e c t i o n , a n dc a r r i e s o u tam o r ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nm o r ei m p o r t a n tp a r t s ，t h e nd e m o n s t r a t e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，w h i c hf u l l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fh i g ha c c u r a c ya n dh i g h e f f i c i e n c yo f t h es i m u l a t i o no f t h er a d a rs y s t e m t h es e c o n ds e c t i o nd e m o n s t r a t e st h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c tm o d e lf o rt h e r e q u i r e m e n t so ft h er a d a rm i s s i o n - l e v e ls i m u l a t i o n f i r s t ，t h ec a l c u l a t i o no fa t m o s p h e r i c a t t e n u a t i o nm o d u l ea n dt h ec a l c u l a t i o no ft h ep r o p a g a t i o nf a c t o rm o d u l ea r ed e s i g n e d t h e nf o re a c hm o d u l e ，ad e t a i l e dd e s i g no ft h ei n i t i a l i z a t i o np a r a m e t e r s ，t h ed e s i g n p r o c e s s ，i n p u tp a r a m e t e r s ，a n dr e a l i z a t i o ns t e p sa r ep r e s e n t e d f i n a l l y ，t h i sa r t i c l e e s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo ft h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c t s ，t h e nt e s t s e a c hm o d u l eo ft h es o f t w a r e ，o b t a i n st h es i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c hh a sh i 曲a c c u r a c y t h et l l i r ds e c t i o ni st h ea p p l i c a t i o no ft h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c t sm o d e l i n t h i ss e c t i o n , t h er a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c t sm o d e li sa p p l i e dt ot h er a d a rs i m u l a t i o n s o f t w a r e ，t h e na c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o na n d t e s tr e s u l t s ，t h i sa r t i c l ei n t u i t i v e l y a n a l y z e st h ei m p a c to fp r o p a g a t i o ne f f e c t so nr a d a rd e t e c t i o n k e yw o r d s ：r a d a rs i g n a lp r o p a g a t i o ne f f e c t s ；a t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o n ； p r o p a g a t i o nf a c t o r ；s y s t e m o fs y s t e m s ( s o s ) c o m b a t ；r a d a rs y s t e m ； s i m u l a t i o na n dm o d e l i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 雨衰减参数1 3 表2 2 典型表面的电特性1 7 表3 1 大气衰减因子计算初始化项2 2 表3 2 传播因子计算的初始化项2 3 表3 3 雷达信号的传播效应模型的初始化参数。2 3 表3 4 大气衰减模块输入参数列表2 5 表3 5 传播因子计算模块输入参数列表。2 8 表3 6 雷达信号的传播效应模型的初始化设置3 0 表4 1 检测中的四种可能性4 4 表4 2 雷达模型交互集合列表4 6 表4 3 晴朗大气情况输入的雷达目标参数及输出结果5 0 表4 4 降雨情况输入的雷达目标参数及输出结果5 1 表4 5 云雾衰减情况输入的雷达目标参数及输出结果5 2 表4 6 沙尘衰减情况输入的雷达目标参数及输出结果5 3 表4 7 雷达目标参数输入列表5 4 表4 8 不同天气情况下衰减值列表5 4 表4 9 雷达目标参数输入列表。5 5 表4 1 0 不同天气情况下衰减值列表5 5 表4 1 l 雷达目标参数输入列表5 6 表4 1 2 不同天气情况下衰减值列表5 7 表4 1 3 单干扰源情况下考虑传播因子影响输入的雷达目标参数列表5 8 表4 1 4 三个干扰源情况下考虑传播因子影响输入的雷达目标参数列表6 0 表4 1 5 无干扰情况下考虑传播因子影响输入的雷达目标参数列表j 6 1 表4 1 6 考虑传播因子影响输入的雷达目标参数列表6 2 表4 1 7 考虑传播因子影响输入的雷达目标参数列表6 3 表4 1 8 考虑传播因子影响输入的雷达目标参数列表6 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 电波环境基础信息服务系统组成4 图1 2 雷达嵌入式电波环境实时诊断与修正系统示意图4 图2 1 表面反射效应的几何关系9 图2 2 大气层中的射线路径1 0 图3 1 雷达信号的传播效应模型的框架2 0 图3 2 大气衰减模块的设计流程j 2 4 图3 3 传播路径与气象区关系图2 4 图3 4 传播因子计算模块设计流程2 7 图3 5 雷达信号的传播效应模型测试软件3 0 图3 6 晴朗大气衰减计算输出界面31 图3 7 在海平面内晴朗大气条件下双向衰减系数与频率的关系曲线3 1 图3 8 晴朗大气双向衰减与雷达频率之间的关系曲线3 2 图3 9 晴朗大气双程衰减值与传播距离之间的关系3 2 图3 1 0 降雨衰减计算输入参数及输出结果3 3 图3 1 1 不同降雨量条件下降雨双向衰减系数与频率的关系曲线3 4 图3 1 2 降雨双程衰减与雷达频率之间的关系。3 4 图3 1 3 降雨双程衰减与传播距离之间的关系3 5 图3 1 4 降雨双程衰减与降雨强度的关系3 5 图3 15 云雾衰减输入参数及输出结果。3 6 图3 1 6 云雾双程衰减系数与频率的关系曲线一3 6 图3 1 7 云雾双程衰减与雷达频率之间的关系3 7 图3 1 8 云雾双程衰减与传播距离的关系3 7 图3 1 9 沙尘衰减输入参数及输出结果3 8 图3 2 0 沙尘衰减与传播距离关系曲线3 9 图3 2 1 传播因子计算输入参数与输出结果3 9 图3 2 2 反射系数幅度4 0 图3 2 3 反射系数相位4 0 图3 2 4 粗糙表面反射因子4 l 图3 2 5 雷达垂直面威力图4 1 图3 2 6 不同仰角情况下雷达垂直威力图4 2 图3 2 7 不同波束宽度情况下雷达垂直威力图4 2 图3 2 8 综合考虑大气衰减情况下雷达垂直面威力图4 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 目标探测功能仿真方法4 5 图4 2 防空反导系统实体关系图4 6 图4 3 雷达仿真系统框架4 7 图4 4 雷达系统仿真流程4 7 图4 5 雷达仿真系统模型的测试软件显示界面4 8 图4 6 雷达干扰信号功率比输出界面4 8 图4 7 雷达探测范围显示4 9 图4 8 自由空间和考虑晴朗大气衰减两种情况下雷达探测范围对比5 0 图4 9 自由空间和考虑降雨衰减两种情况下雷达探测范围对比5 1 图4 1 0 自由空间和考虑云雾衰减两种情况下雷达探测范围对比5 2 图4 1 1 自由空间和考虑沙尘衰减两种情况下雷达探测范围对比5 3 图4 1 2 不同天气情况下雷达探测范围对比5 4 图4 1 3 不同天气情况下雷达探测范围对比5 6 图4 1 4 不同天气情况下雷达探测范围对比5 7 图4 1 5 单干扰源情况下自由空间和考虑传播因子两种情况下雷达输出干信比对比 ! ；9 图4 1 6 三个干扰源情况下自由空间和考虑传播因子两种情况下雷达输出干信比对 比6 0 图4 1 7 无干扰情况下自由空间和考虑传播因子两种情况下雷达输出干信比对比 6 1 图4 1 8 自由空间和考虑传播因子两种情况下雷达输出干信比对比6 2 图4 1 9 自由空间和考虑传播因子两种情况下雷达输出干信比对比。“ 图4 2 0 自由空间和考虑传播因子两种情况下雷达输出干信比对比。6 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 重达焦墨的佳搔熬廑金堑量建搓友洼珏究： 学位论文作者签名：圭竖 日期：m 1 年，f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：重邋曼鲍僮搔熬廛佥堑盏缱搓友洼盈究 学位论文作者签名：兰竖 储特撕张渺 日期：矽弘f 1 月f 日 日期：二力夕年，月，日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 研究背景 雷达是通过发射电磁信号，接收来自其威力覆盖范围内目标的回波，并从回波 信号中提取位置和其他信息，以用于探测、定位以及有时进行目标识别的电磁系统。 现代军事技术的一个重要特点，就是各种武器装备越来越广泛地采用和依赖无线 电子技术。各种武器装备威力的发挥，战区的监视和警戒，诸兵种协同作战的调 配等，都越来越多的依赖于雷达的效能【l 2 】。 未来信息化战争的战场环境十分复杂，现代的电子战系统已从单个电子战设 备朝着多平台、多手段、多功能的战区级综合电子战大系统方向发展，雷达电子 战也已经从一对一的设备间对抗发展到系统对系统、体系对体系的对抗。由于电 子战系统结构复杂、功能众多，与主战武器结合紧密，依靠有限的实战演习难以 综合评估雷达电子战系统在作战中的实际效能，且实战演习具有耗时长、费用高、 保密性差、易受环境制约、试验结果不可重复等缺陷。利用仿真技术，建立虚拟 战场环境，进行雷达电子战系统作战效能仿真与评估，这是一条切实可行且灵活 便捷的途径。事实上，在现有条件下，雷达电子战系统级的对抗难以靠演习、实 战去积累经验，利用现代建模仿真技术来研究雷达电子战系统对抗，这是一种“多、 快、好、省 的手段b4 。 而雷达系统是在一个特定环境中工作的，电波环境是雷达工作环境的重要组 成部分。电波环境对雷达系统性能既有抑制作用，又有相辅作用。雷达系统的设 计、研制、生产、试验和作战应用都要了解电波环境数据和状态。对电波环境状 态和数据的深入研究和掌握，将可能减小电波环境对雷达系统的抑制作用，甚至 还会使电波环境成为雷达系统性能的倍增器：同时对电波环境精细结果的深入研 究和掌握，是使雷达系统处于领先地位的重要条件之一。雷达信号的传播效应以 电波环境为基础p j 。雷达能量在空间中传播，地表和大气对雷达性能有较大的影响。 这些影响包括大气衰减、表面反射、绕射和折射等等，它们被统称为雷达的传播 效应。雷达信号的传播效应不是雷达系统的一个具体部件，但是它在雷达系统设 计和运作中起着重要作用。随着近年来雷达系统的仿真技术的飞速的发展和提高， 对雷达信号的传播效应的分析、建模成为雷达系统仿真的一个重要的方面。 目前，国内外正在积极进行体系对抗条件下雷达电子战系统仿真建模的研究。 在这种情况下，如果能针对不同体制的雷达建立通用的雷达综合传播效应的模型， 不仅可以提高雷达电子战系统仿真运算的效率，还可以满足在复杂电磁环境下对 武器系统进行试验鉴定与综合评估的需要，具有重要的理论意义和军事价值。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文结合体系对抗条件下雷达对抗仿真的需求，分析了任务级雷达对抗仿真 系统中雷达信号的传播效应模型的设计方法，建立了通用的雷达信号的传播效应 模型，介绍了雷达信号的传播效应模型仿真软件的设计方法及其实现。然后将雷 达信号的传播效应模型仿真软件应用到雷达模型中去，并给出仿真结果。 1 2 研究现状 雷达在二战期间发挥了巨大作用之后，国际上就对影响雷达探测性能的环境 传播因素进行连续不断的研究，并取得了很多成果【6 】o 1 - 2 1 国外发展现状 美国学者从普遍的传播机制入手，研制了通用的大气环境对无线电系统工作 性能影响的评估应用系统，并利用此系统，指导无线电系统在工作环境中充分利 用环境效应，发挥出系统的最大潜能p j 。从2 0 世纪7 0 年代海军数值海洋学中心 ( f n o c ) 和海军环境预报研究所( n e p r f ) 合作设计出的耦合型大气海洋预报系 统开始，美国的研究呈现了这类系统系列化发展的状态。目前主要的无线电传播 预测评估系统有：2 0 世纪8 0 年代投入使用的海军海洋系统中心研制的i r e p s 系 统，j h u a p l 研制的e m p e 系统，9 0 年代海军海洋研究院的r p o 系统等。现在， 流行的是一种更先进的覆盖v h f 以上整个微波频段的无线电性能预测评估系统 a r e p s 。研究此预测评估系统的理论方法基础是抛物方程( p e ) 方法【6 】。参考文 献【7 】- 【1 7 】也介绍了一些雷达波传播的相关理论和研究方法。 下面分别介绍几个有代表性的确定雷达信号的传播效应的软件程序。这些程 序主要由军方用来确定在非标准传播条件下他们的雷达的实际作用范围。 i r e p s 首批之中一个能运行的基于计算机的传播预测程序就是i r e p s ，它是 i n t e r g r a t e dr e f r a c t i o ne f f e c t sp r e d i c t i o ns y s t e m 的缩写，即综合折射影响预测系统。 它由s p a w a r 系统中心研发，用来作为美国海军作战评估的工具，且被安装在舰 队的主要舰船上【1 8 】。它用在p c 上，拥有互动显示。i r e p s 能对从1 0 0 m h z 到2 0 g h z 的频率做出传播预测【1 9 】。 t e s s 即t a c t i c a le l e c t r o n i cs u p p o r ts y s t e m ( 战术电子支援系统) 。这是为海 军战术决策设计的。与i r e p s 类似，即它应用同样的基本传播评估模型和显示器， 但它拥有较好的环境信息和一些改进的传播模型。例如，它使用混合r p o ( 无线 电物理光学) 模型，以便考虑随距离而定的折射影响。它利用实时卫星数据并且 有把这些数据覆盖在其他气象分析和预报上的能力。t e s s 为拥有多名接受过环境 科学培训的军官的水面舰船而设计，包括航空母舰及两栖战舰。 e r e p s 即e n g i n e e r sr e f r a c t i v ee f f e c t sp r e d i c t i o ns y s t e m 【2 0 j ( 工程师折射影 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 响预测程序) 。这也是从i k e p s 演化出来的，但它是为工程师应用的，而不是为海 军战术决策者应用而设计的。e r e p s 增加了用户编辑各种参数并且决定如何改变 影响雷达性能的参数的能力，这方面要较i r e p s 灵活的多。它也允许高保真度的 随距离而变的传播模型如r p o 程序的应用，包括与由r p o 程序产生的作为距离函 数的传播衰减的二进制文件的应用。 a r e p p 即a d v a n c e dr e f r a c t i v ee f i e c t sp r e d i c t i o np r o g r a m ( 高级折射影响预 测程序) 。此软件程序是i r e p s 的先进版本，它用来计算和显示雷达的探测概率、 电子支援措施( e s m ) 的可伤害性、u h f v h f 通信能力以及同时雷达探测和e s m ( 截获) 的可伤害性【2 l 】。这种软件是基于w i n d o w s 的，它可以从s p a w a r 系统中 心获取光碟或从因特网上得到。 其他基于计算机的传播预测方法的版本已由f e r r a n t i l 2 2 1 计算机系统有限公司瞄】 和乌克兰i 2 4 j 报道过。最早的f e r r a n t i 系统称为i m p 即i d e n t i f i c a t i o no fm i c r o w a v e p r o p a g a t i o n 微波传播识别系统1 2 5 1 。 从上面的例子可以看出，国外对传播效应的研究做得比较全面，多采用软硬 件相结合的设计方式，系统具有很强大的功能，涵盖范围广，但是系统庞大，操 作复杂。 1 2 2 国内发展现状 近年，在“信息系统武器化 推动下，我国电波环境信息技术在系统级电波 环境基础信息服务系统、嵌入式电波环境实时诊断与修正系统( 即装备系统自适 应硬件分系统) 和人工电波环境技术系统( 环境武器) 三个方面均得到了发展与 完善瞄1 。 系统级电波环境基础信息服务系统f 2 7 】 以电波环境基础信息为基础，为雷达设计、研制、生产、试验和作战提供的 电波环境基础信息服务系统，包括电波环境数据库、远程查询服务单元、信息发 布服务单元、环境特征提取与可视化单元及数据库管理系统，如图1 1 所示。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 电波环境数据库 环萼赣琵攀凳与h 电鎏磊雾蓁囊信h 数据库管理系统 远程查询服务单元卜叫信息发布服务单元 各种数据信息查询 效应预报l | 数据参数 图i i 电波环境基础信息服务系统组成 数据库主要包括原始数据及模型、电波环境效应、预测模式及效应修正计算 方法等，各数据库由多种表格、公式、可视图形和曲线组成。 远程查询服务单元由多个网页组成，向用户提供方便易用的查询界面，并把 查询结果以及各种形式通过网页显示给用户，并可以实现保存和打印功能。 信息发布服务单元的功能主要是通过有线和无线通信、因特网，甚至是专业 媒体如广播、电视向用户或大众发布。 数据库管理系统的功能主要包括数据库修改、添加、备份、恢复等。 我国第一个系统级电波环境基础信息服务系统电波环境信息实时查询 系统( 1 o ) 版已经由中国电波传播研究所研制成功，并在专门网站发布。查询 内容包括：电离层突然骚扰和电离层暴的预报；全国短波通信电路实时通信频率； 全国电离层参数实时分布；短波通信电路通信频率和电路性能长期预测；卫星通 信系统电路设计圆】。 嵌入式电波环境实时诊断与修正系统 电波环境信息技术作为一个硬件为雷达提供嵌入式电波环境实时诊断与修正 系统。它包括电波环境的实时信息收集、分析、预测、重构，实时工作参数修正 及信息传输单元等，如图1 2 所示。现在已经能为不同途、不同体制、不同经度 要求的雷达，建立嵌入式电波环境实时诊断与修正系统。 实 h 时 斟传输、分发 j_ c l 应用系统 修 l 二j l 竺j l j 正 图1 2 雷达嵌入式电波环境实时诊断与修正系统示意图 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 嵌入式电波环境实时诊断与修正系统的各模块功能如下。 测量模块：以诊断电波环境状态及效应的传感器，实施信息的实时采集和入 库。 模块化模块：按不同系统、不同精度要求对电波环境数据分析与建模，包括 建立电波环境模型效应、预测和修正模式等。 电波环境重构模块：建立多维( 经度、纬度、距离、高度、时间等) 电波环 境信息数据栅网式表格、可视化图形等。 实时修正模块：根据不同体制应用系统的需求和电波环境效应及预测模式， 运用电波环境效应修正计算方法，实时给出应用系统工作参数的修正量，使系统 与电波环境匹配，实现性能倍增。 传输、分发模块：与应用系统的联结，信息分发。 具有电波环境实时诊断与修正系统的典型雷达就是高频天线超视距雷达。该 雷达有三个工作通道：目标检测通道、地球物理检测通道和干扰监测通道，而后 两者就是嵌入式电波环境实时诊断与修正系统。 人工电波环境技术系统 人工电波环境技术是指采用人工控制手段，局部改变地球大气层、电离层、 磁层、地表面和地下的物理参数，为军事系统提供一种人工电波环境，以延伸我 方系统作用距离，增强对抗与反对抗的能力，缩减敌方系统作用距离，压制和抵 消其电子对抗能力【2 5 1 。将来可望逐步实现人工电波环境武器系统，如环境武器或 地球物理武器。 近年来，人工电波环境不少报道引起人们广泛关注。按人工控制的环境和地 层的不同，它大体有人工控制海洋环境、气象、大气层、电离层、太阳辐射和地 磁等。 从以上的例子可以看出无论国外国内，都将提升传播系统的性能、增大系统 的适应性与共享性作为研究的重点，导致研制的系统体系庞大、运用复杂、运算 效率低下。所以，能够针对雷达系统仿真需要建立出准确性高、运算效率高、适 用性强的雷达信号的传播效应模型成为各方面关注的焦点。 1 3 本文结构 为了建立出准确性高、运算效率高、适用性强的雷达信号的传播效应模型， 本文根据体系对抗条件下雷达系统任务级仿真的需求，设计并建立适合不同体制 雷达的通用的雷达信号的传播效应模型，具有较强的理论和实践意义。 本文根据项目研究内容，综合考虑雷达信号的传播效应对雷达探测的影响， 首先介绍雷达信号的传播效应，针对其中对雷达探测影响较大的几个方面进行了 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 具体分析，并结合雷达系统仿真对准确性和效率的需求给出这几个方面的数学模 型；然后针对雷达系统任务级仿真需求，设计雷达信号的传播效应模型，并给出 仿真结果：最后，将雷达信号的传播效应模型应用到雷达仿真系统中去，直观地 分析传播效应对雷达探测的影响。 论文各章具体内容介绍如下： 第一章介绍课题背景和国内外研究现状，提出文章的研究思路。 第二章介绍了雷达信号的传播效应的基本理论，通过分析雷达方程分析了雷 达信号的传播效应对雷达探测的影响，针对其中影响较大的几个方面进行了具体 分析，并结合雷达系统仿真对准确性和效率的需求给出这几个方面的数学模型。 第三章针对雷达任务级仿真需求，设计并实现了雷达信号的传播效应模型。 首先设计了大气衰减计算模块和传播因子计算模块。然后对每个部分分别就初始 化参数、设计流程、输入参数、实现步骤进行了详细的设计。最后编写出雷达信 号的传播效应的仿真软件，再用测试软件对该软件的各个模块进行了测试，得出 了的准确性较高的仿真结果。 第四章研究了雷达信号的传播效应模型的应用问题。这部分将雷达信号的传 播效应模型应用到雷达仿真软件中去，并根据应用和测试的结果，直观地分析传 播效应对雷达探测的影响。 最后，结束语对全文进行总结，归纳了论文主要工作和创新点，探讨了后续 研究方向。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章雷达信号的传播效应分析 雷达是通过发射电磁信号，接收来自其威力覆盖范围内目标的回波，并从回波 信号中提取位置和其他信息，以用于探测、定位以及有时进行目标识别的电磁系统。 雷达信号的传播效应可能极大地提高或减小雷达的作用距离。 实战系统由雷达、目标、连接这两者的传播路径，以及各种外部噪声和干扰 源组成。基本的雷达方程将回波信号的能量与雷达、传播路径和目标参数关联起 来。在良好条件下，这一关系扩展成表示在雷达接收机输出端处的信号功率与噪 声功率之比( 简称s n r 或信噪比) ，并且正是通过这一信噪比，可估算出雷达作 为一种探测或测量装置预期的性能。 雷达信号的传播效应对雷达探测性能的影响以损耗因素的形式体现在雷达方 程中。这些因素往往具有统计特性。由于实战系统的不完善和不确定性，因此， 分析雷达信号的传播效应这些损耗因素的统计特性是评估雷达系统性能的一个重 要方面。 本章首先介绍雷达信号的传播效应基本理论，然后通过分析雷达系统功能仿 真的基础雷达方程，来分析雷达信号的传播效应对雷达探测性能的影响。然 后根据任务级雷达对抗仿真需求，介绍雷达信号的传播效应中对雷达探测性能影 响最大的几个方面，分析其统计特性，并给出相应的数学模型。 2 1 雷达信号的传播效应 由于雷达信号的传播效应改变了自由空间中雷达的性能，预估雷达性能时， 考虑传播效应是很重要的。雷达信号的传播效应一般分为以下几个方面 6 1 1 2 9 1 ： 1 大气衰减：由于传播媒质( 如空气、云层和降水) 的吸收作用而造成的雷 达能量的损耗。同时也对噪声温度造成影响。 2 表面反射：地表引起的雷达能量的反射，它在某些仰角上提高了辐射能量 而在其他仰角上减小了辐射能量。 3 绕射：雷达波沿地表或障碍物附近通过时，电磁波不再以直线方式传播， 会发生绕射。 4 折射：地球大气引起的雷达能量折射( 弯曲) ，它导致雷达能量偏离直线 传播。 2 1 1 大气衰减 大气衰减主要包括晴朗大气衰减和气象衰减。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 1 1 晴朗大气衰减 雷达波通过大气时，大气中的分子，主要是水汽和氧气分子，会吸收电波能 量而产生能级跃迁，从而引起电波衰减。 雷达波在晴朗大气中的衰减，在最低的雷达频率上是可以忽略的，但在微波 波段将变得明显，而在毫米波波段将会严重限制雷达的工作。 大气衰减随海拔高度的增加而逐渐减小( 海拔高度越增加，吸收雷达能量的 分子越少) 。当天线波束指向某一仰角时，必须考虑衰减随海拔高度的变化以确 定沿传播路径总的衰减量。对于陆基雷达来说，天线指向地平线方向时衰减最大， 指向天顶方向时最小。 2 1 1 2 气象衰减 前面讨论的大气衰减是晴空时的大气衰减，是由气体分子引起的。若大气中 的水分呈液态形式，也就是下雨，则会出现更大的衰减。雨的衰减中一部分由雨 滴的吸收引起，一部分由散射引起。散射掉的能量对向前传送的相干的波来说是 “损失 掉的，因此像吸收一样产生衰减。就雨衰减与频率的关系及其与含水量 的关系来看，雨衰减与分子吸收大不相同；然而他们都是频率和总含水量的函数， 这方面却又是相同的，只是雨衰减没有明显的水蒸汽谐振的极大值。 云雾、沙尘衰减与雨衰减类似，是云雾和沙尘粒子对电波吸收和散射所致。 云雾和沙尘的粒子都很小，服从r a y l e i g h 散射。这些气象因素是雷达方程中应该 考虑的因素。 2 1 2 表面反射 根据电磁波传输理论，雷达电子战系统的电磁波发射接收或经目标反射接收 地点是在非自由空间的地球表面上进行的，由于地表、地形与地物等因素的影响， 接收到的电磁波是由直射波和经地表地物反射的多个路径传输来的电磁波形成的 合成波，即多路径传输。一般情况下，尤其是在雷达工作频段，除直射波以外， 对合成波影响最大的是地表反射路径形成的电磁波。 表面反射( 或多路径) 传输的几何关系如图2 3 所示。当雷达发射的电磁波 经两条不同路径到达目标时，两路电磁波所通过的距离不同，因此，他们之间有 相位差，并将产生干涉。在反射过程中，还会产生另外的相移。当相位差大于 刀r 2 r a d 而小于3 万2 r a d 时干涉会造成相消，合成波的幅度可能小于两个干涉波中 的强者；如果相位差为z c r a d ，且两个干涉波幅度相等，则完全抵消，合成波的幅 度小于任何一个干涉波的幅度；当相位差小于x 2 r a d ，则干涉波形成相加，合成 波的幅度大于任何一个干涉波的幅度；当相位差等于零时，合成波的幅度等于干 涉波的幅度的算术和。当相位差比上述各值大2 ，r r a d 的整数倍时情况类似。这种由 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 多路径传输造成干涉合成波而使电磁波传输功率与距离的关系违背二次方反比定 律的现象称为电磁波的表面反射( 或多路径传输) 效应。 天线 2 1 3 绕射 c 图2 3 表面反射效应的几何关系 地球表面 在弯曲地球表面附近传播的雷达波与表面相互作用降低了场强，即使射线未 从表面反射回来或被表面阻挡。当反射直射路径差降低到2 6 以下时，表面反射 状态变化为从表面反射状态到绕射状态的过渡状态。就像光被直棱绕射的方式一 样，无线电波在弯曲的地面周围被绕射。电磁波以绕射的方式在地平线以外传播 的能力依赖于频率( 频率越低绕射传播能力越强) 。 从绕射区到反射区之间有个过渡区。直射反射路径差在2 6 左右时，传播因 子为绕射因子和反射因子之间的插值f 2 9 】。 2 1 4 折射 穿过地球大气层的雷达波由于对流层折射指数的改变而变得向下弯曲。这就 产生了一个角度误差，天线出的射线角稍大予到目标的直达路径角，如图2 4 所 示。通视还产生了一个附加时延，给出一个比真实距离大的距离读数。折射指数 的随机变化在所测量的坐标中产生较小的随机误差。在对流层，主要存在的兰种 效应： 1 规则折射：是由于折射指数随高度逐渐减小而导致的结果，并且造成仰角 和距离的偏黄误差： 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 对流层起伏：是由本地折射指数的随机变化造成的，并且导致所有被测量 的坐标中的误差慢慢改变； 3 大气波导：是由折射指数的陡的梯度( 通常在表面附近) 造成的，产生低 损耗传播路径到远离正常地平线的低空目标，并在波导上方目标的探测范围内留 下间隙。 j ， ， 目标 图2 4 大气层中的射线路径 2 2 雷达信号的传播效应对雷达探测性能的影响 雷达方程是雷达系统功能仿真的基础。一般雷达的探测能力和精度取决于给 定的信噪比。当采用匹配滤波器时，在接收机输出端就可获得最大信噪比。对于 宽度为r 的单个脉冲，实战系统中，该信噪比为 ( s n ) 吖= 急= 一 ， 式中，信号能量巨= 斯。 通常定义有效可检测性因子见来代替互o ，对于n 个脉冲的非相干处理， 给出了雷达最大探测距离 碟= 一 ( 2 2 ) 式中，d 。( 玎) 表示向n 个脉冲非相干积累器馈电的接收机输出端的每个脉冲的要求。 由上式可见，主要影响真实雷达系统探测能力的4 种因素为f 2 9 】： 1 发射线损耗厶。发射线损耗是指在通常定义c 的发射机输出端和定义g f 的 发射天线端之间的损耗厶。仿真中，厶通常可设为固定常数。 2 大气衰减。双程损耗厶作为一个独立项包含在雷达方程中。 3 表面反射和绕射效应。波瓣传播因子f 用以考虑单程场强与适用于沿天线 波束轴进行自由空间传播的值的差别。单基地雷达的雷达方程中一般不区分e 2 和 砰的值，这两项的乘积统一写为f 4 ，表示传播因子对接收功率的影响。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4 极化因子。在接收回波没有被天线有效捕获时，凡2 因子对目标r c s 进行 修正，以考虑发射和接收天线的极化。通常，该极化因子设为l 并在距离方程中 略去。 在雷达系统功能仿真中，要是仿真效果更加逼真，以上这4 种因素不可或缺。 由上一节雷达信号的传播效应的理论可知，这第2 、3 项因素即雷达信号的传播效 应中大气衰减、表面反射、绕射。因此根据任务级雷达对抗仿真需求，本文从雷 达信号的传播效应这三个因素着手，分析并建立体系对抗条件下通用的雷达信号 的传播效应模型。 2 3 雷达信号的传播效应的数学模型 根据上一节的分析雷达信号的