星载SAR半实物仿真系统设计

科技信息　高校理科研究　星载、ＳＡＲ半实物仿真系统设计　装备指挥技术学院　成［摘群　吴彦鸿　要］根据星载合成孔径雷达（ｓｙｎ出ｅｔｉｃ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｒａｄａｒ：ｓＡＲ）工作原理和ＳＡＰ．回波信号模型，本文提出一种基于直接数字频率　合成（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｙｎｃｈｅｔｉｃ—ＤＤＦｓ）技术产生复杂调制信号模拟ＳＡＲ目标回波信号的设计方案。　一、研究背景　其中：回波距离延时　：　【（１，　位ＩＩＪ（ｔ）＝　，　（ｔ—Ｔ）为矩形窗，方位向多普勒相　星载合成孔径雷达（ＳＡＲ）ｎ￣提供远距离、全天候的地形或地面固定　目标类似照片的高分辨力图像，对对方纵深区域实现远距离全天候成　像侦察，并具有提供地面动目标指示（ＧＭＴＩ）￣力＿ｌＪ。其特点除了分辨率　高，不受云、雾、雨、雪和黑夜条件的限制，能够全天候进行成像侦察以　Ｒ（１’ｘ’，ｙ’），仿真模拟计算集中在如何确定视线距离Ｒ（ｔ，ｘＩ，ｙ‘）　上。回波产生模块主要功能：距离延时模拟ｔ、幅度加权模拟Ｗ　（０）、多普　外，还能够透过常规伪装（树木、伪装网等）对伪装隐蔽下目标成像，甚至　可以透过干燥地表发现地下数米深的设施Ⅲ　如美国的“长曲棍球”电子　侦察卫星日夜在空间运行，对世界各地进行成像侦察，获取有关地区的　情报。　由于星载ＳＡＲ试验费用昂贵，而且效率低，现代系统仿真技术为　研究和解决复杂系统乃至巨系统问题提供了有效工具，同时也是高科　技产品从论证、设计、生产试验、训练和更新等全生命周期各个阶段不　可或缺的技术手段，而且具有低费用高效率的特点。因此有必要对星载　ＳＡＲ系统进行仿真研究。　二、国内、外研究现状　合成孑Ｌ径雷达仿真技术在合成孔径雷达的研究和研制工作中，具　有十分重要的作用。因此凡是开展合成孔径雷达系统研制工作的国家，　都对合成孔径雷达仿真技术进行了研究。　当前国内国际上对ＳＡＲ仿真主要集中在以下三个方面：　ＳＡＲ图像仿真：比较有代表性的是美国Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＫａｎｓａｓ的图像　仿真系统（Ｒａｄａｒ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ－－ＲＩＳ）。ＲＩＳ仿真图像在灰度层次、纹理、　雷达阴影和相干斑等方面与真实ＳＡＲ图像接近。在ＲＩＳ基础上，许多　研究单位做了一些修改。　ＳＡＲ系统仿真：主要代表系统有：美国ＪＰＬ实验室ｓＩＲ—ｃ仿真系　统，ＳＡＲＳＩＭ仿真系统【　，ＳｉＳＡＲ仿真系统　。　ＳＡＲ新体制仿真：合成孔径雷达技术发展到现在，已经出现多种体　制，如ｓｔｒｉｐ—ｍａｐ成像、ｓｅａｒ　ＳＡＲ成像、ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ成像、ＩｎＳＡＲ成像。Ｗｅｉ　Ｘｕ　采用已有一幅ＳＡＲ复数图像仿真得到另一幅ＳＡＲ图像；Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｅｔｔｉ采　用分布目标模型进行了ＩｎＳＡＲ图像仿真。　国内的ＳＡＲ仿真技术主要集中在ＳＡＲ回波模拟研究。主要有中科　院电子所设计实现了机载ＬＳＡＲ回波模拟源，可实现单点、两点、特殊　点阵目标的模拟回波信号；中国航天总公司设计开发了Ｃ－－ＳＡＲ演示　系统。它通过大量的并行处理机实现了实时的产生原始数据。不仅能实　现单点目标、多点目标的模拟，而且可以实现分布目标的模拟，把软件　仿真与硬件仿真结合起来。　当前ＳＡＲ的仿真研究大多精力倾注于软件仿真，半实物仿真研究　尚少，本文从半实物仿真角度出发，为ＳＡＲ技术研究提供一点点有价　值的参考。　三、星载ＳＡＲ回波模型　假设雷达发射一串相干脉冲并接收，相干接收后的视频复信号为　ｓｆ１）Ｉ　。　ｓ（ｃ）：∑０’【『（ｘｔ，ｙｔ）ｗ　ｅ）ｐＩｔ—ｎＴ　一　苎　！　］ｄｘ—ｄｙ・＋ｎ（ｔ）　：∑　（ｘ・，ｙ・）ｗ　ｏ）ｅｘｐ｛－ｊ　Ｒ（ｔ，ｘｔ，ｙ・）｝．ａ［ｔ＿ｎＴ　一　Ｒ（ｆ，　】　・ｅ　Ｐ｛一ｊ＇．ｐｌｔ—ｎＴｐａ－　ｌｘ—！　ｌＪ】｝ｄｘ＇ｄｙ’＋ｎ（ｔ）　（１）　ｔ’　式巾，　’，ｙ’）是ｘ’，Ｙ’）处散射元的散射系数，０是（ｘ’，Ｙ’）处的散射元与　天线瞄准线之间的视线夹角，ｗａ（０）是视线夹角０方向天线增益，　为雷　达工作波长，Ｒ（Ｉ，Ｘ。，Ｙ　）是（ｘ’，ｙ　）处散射元到雷达天线相位中心的距离，　（ｘ’，ｙ’）ｄｘ’ｄｙ　是（ｘ　，ｙ’）处微面积散射元的散射强度，ｎ（ｔ）是接收机系统噪声。　对单点目标回波信号，则此模型简化为：　ｓ（ｔ）＝　：Ⅱｗ　０）ａ（ｔ—Ｔ）ｅｘｐ［－ｊｔｐ（ｔ—Ｔ）］ｅｘｐｆ＿ｊ　（ｔ）｝　（２）　勒相位模拟　（ｔ）。重点仿真点目标回波信号。　四、设计方案　本系统的主要构架如下：　ｌ　仿真参蠹设置　ｌ　圆圆　ｌ　ｓ觚信号及目波产生　ｌ　信号采集　ｌ　成像处理　图ｌ系统构架　根据实际作战场景，半实物仿真系统框图可以用图２表示。　图２　ＳＡＲ系统仿真示意图　半实物仿真又称硬件在回路中仿真（Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｉｎ　Ｔｈｅ　Ｌｏｏｐ），把数学　模型、实体模型（物理效应模型）和系统的实际设备（实体）联系在一起运　转，组成仿真系统　。本仿真系统工作在中频，采用注入式仿真方案。　系统主要由：①仿真系统软件、②ｓＡＲ目标回波产生模块（硬件）、③　数据采集模块（硬件）、④控制模块和⑤信号处理成像（软件）五部分组成。　主要功能和方案概述如下：　ｆ１）仿真系统软件　提供人机交互界面，设定系统参数：雷达系统参数、卫星平台参数　和仿真场景选择。雷达系统参数：波长　、信号带宽Ｂ、脉冲宽度、脉冲重　复频率ＰＲＦ、天线尺寸；卫星平台参数：卫星轨道参数。根据以上参数可　以精确计算卫星平台与目标距离，再通过模拟算法计算得到ＣＨＩＲＰ信　号的距离延时、方位向加权、多普勒相移值，用这些值来控制回波模拟　模块工作；最后进行成像处理。　（２）ＳＡＲ目标回波信号产生模块　此模块ＤＤＳ采用ＡＤＩ公司芯片ＡＤ９８５２完成，该芯片控制简单，具　有并行和串行两种控制模式　。　（３）数据采集模块　采集ＳＡＲ回波产生模块的输出信号，量化存人计算机供成像处　理。　ｆ４）控制模块　完成与上位机通信，控制回波模拟模块和采集模块的同步。　（５）信号处理成像模块　完成ＳＡＲ成像处理，提供显示。　五、仿真与结论　一ｌ１３—　科技信患．　表１仿真参数　参数　入射角　高度　高校理科研究　数值　４５。　８Ｏ００ｍ　根据该回波生成方案，进行计算机仿真。正侧视工作模式，仿真参　数见表１。　仿真结果如图３－５。图３为仿真设置的６个点目标几何位置，纵坐　标为距离向，横坐标为方位向：图４为仿真生成的二维原始数据：图５　为采用ｃｓ算法，对仿真数据的处理结果。仿真结果表明，利用该方案，　可以实现对多个点目标的回波数据仿真输出，结果正确可行，可应用于　方位向天线孔径　３ｍ　ＳＡＲ目标仿真器的设计。　距离向天线孔径　５ｍ　Ａｆｔｅｒ　ｓｙｎｔｈｅｂｃ—ａｐｅ　ｒｔｕｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　平台速度　３９８．８ｍ／ｓ　脉冲宽度　２０ｕｓ　载频　５．３ＧＨｚ　带宽　５０ＭＨｚ　采样频率　６０ＭＨｚ　脉冲重复频率　１２ｏ０Ｈｚ　１６０９　１４００　∞１２００　＋　＋　己１Ｏ００　＆８００　星Ｂ００　斗　４００　２００　０　０　２００　４Ｏ０　６００　８∞　１∞０　１２００　Ｃｒｏｓｓ　ｒｓｒａ￣Ｉｎｐｉｘｅｌｓ　Ｃｒｏｓｓ　ｒａｎｇｅ　图３仿真点目标位置　图５成像处理输出　ＲａｗＶＰＨ　ｄａｔａ　ｐｒｉｏｒｔｏ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｌｏＲ　１６００　参考文献　１４００　［１］Ｄ．Ｃ施莱赫．《信息时代的电子战》信息产业部电子第二十九研　究所，２０００．６，ｐｐｌ０６—１　１０　１２００　［２］Ｔ．Ｋ．Ｐｉｋｅ．ＳＡＲＳＩＭ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｒａｄａｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｉｍｕｌａｉｔｏｎ　∞１０００　Ｍｏｄｅｌ　ＤＦＶＬＲ—Ｍｉｔｔｅｉｌｕｎｇ，８５—１１，１９８５　８００　１　３　ＩＦｅｒｄｉｎａｎｄ　Ｋｌａｕｓ，ＳｉＳＡＲ：Ａｄｖａｎｃｅｄ　ＳＡＰ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＳＰＩＥ，Ｖｏ１．　６００　２５８４，１９９５：３９１—３９９　４００　［４］魏钟铨．《合成孔径雷达卫星》科学出版社，２００１．２，ｐｐ１３８—１４５　２００　［５］康凤举《现代仿真技术与应用》．国防工业出版社，２００１．９，ｐｐ９—　１０　２００　４００　６００　８００　’０００　１２００　Ｃｒｏｓｓ　ｒａｎｇｅ　［６］Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｃ．ＣＭＯＳ　３００　ＭＳＰＳ　Ｃｏｍｐｌｅｔｅ—ＤＤＳ　Ｓｙｎｔｈｅ—　图４仿真原始数据　ｓｉｚｅｒ　ＡＤ９８５２　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ，２００１　（上接第１１１页）　文献［７】等计算的结果相比较，对比结果如表１　ｃｈａｒｃａｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｐｒｃｅｄｕｒｅｓ　ｌＪ　ｊ．ＳｌＡＭ　Ｊ　所示。　Ｎｕｍｅｒ　Ａｎａｌ，１９８２，１９（５）：８７１—８８５　从表１中可以看出，在同一误差水平下，ＡＤＩ方法比两重网格算法　［２］陆金甫，关治偏微分方程数值解法（第二版）［Ｍ］．北京：清华大学　具有计算速度更快的优点，更适合用于对流扩散方程的求解。　出版社．２００３　４．结论　［３］张廷芳计算流体力学［Ｍ］．大连：大连理工大学出版社，２００７：　本文利用ＡＤＩ方法来求解二维对流扩散方程，并结合实例验证了　２５７－２５９　此方法的有效性。通过上述讨论及与前人结果对比可知：ＡＤＩ方法其关　『４］张文生．科学计算中的偏微分方程有限差分法［Ｍ］．北京：高等教　键就在于“交替方向”，因为其将要解的系数矩阵为宽带状的线性方程　育出版社，２００６：２５８—２６１，３１２－３１４　组转换成了容易求解的系数矩阵为三对角矩阵的线性方程组，故而提　［５］袁兆鼎，费景高，刘德贵剧性常微分方程初值问题的数值解法　高了计算速度，是解对流扩散方程的一种稳定性好、消除了数值震荡等　［Ｍ］北京：科学出版社，１９８７　现象、计算速度快的方法，是一种值得推广的稳定、高效的算法。　［６］李庆扬，王能超，易大义．数值分析（第四版）［Ｍ］．北京：清华大学　出版社．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ出版社，２００１　参考文献　［７］秦新强，党发宁，龚春琼等．二维非线性对流扩散方程的特征混合　［１］Ｄｏｕｇｌａｓ　ＪＪ　Ｒ，Ｒｕｓｓｅｌ　Ｔ　Ｆ．Ｎｕｍｅｆｉｃ￣ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｖｅｃ—　有限元两重网格算法［Ｉ］．计算机技术及发展，２００９，１９ｆｆ）：１３７—１４０　ｉｆｏｎ－ｄｏｍｉｎａｍｄ　ｄｉｆｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ￣ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　（上接第１１２页）　关断逆变信号控制，进行报警。　［４］刘敬海编．《激光器件与技术》．北京理工大学出版社，１９９５　［５］（美）ＲＦ格拉夫ｗ希茨著．《电子电路百科全书》．科学出版社，　参考文献　１９９７　［１］梁国忠，梁作亮著《激光电源电路》．兵器工业出版社，１９８９　［６］Ｈｉｇｈ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｌａｓｅｒ　Ｗｅａｐｏｆｉ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ａｐｐｈｃａｎｏｎｓ　Ｓｃｉｅｎｓｅ　Ｂｏａｒｄ　［２］电子工业部第１１所《高频大功率激光器电源设计报告》．１９９６　Ｔａｓｋ　Ｆｏｒｃｅｄｕｎｗ　２００１：３４　［３］电子变压器专业委员会编．《电子变压器手册》．辽宁科学技术出　ｌ　７］ＪＲ　Ｗａｌｌ，Ａ　Ｗ＆ＳＴ，Ｊａｎｕａｒｙｌ，２００１：５７　版社．１９９８