基于Simulink的天线扫描仿真_尹晓锋

2004年第5期ShipElectronicEngineering 108

基于Simulink的天线扫描仿真

尹晓锋 姜秋喜 毕大平 莫翠琼

(电子工程学院318教研室 合肥 230037)

*

摘 要:介绍了雷达天线的扫描特点,根据雷达搜索和跟踪的特点对扇形扫描和圆锥扫描进行了重点分析;对使用的仿真工具Simulink进行了简要说明,并在此基础上详细讨论了天线扫描特性仿真中用到的Simulink模块,给出了具体的参数设置。最后给出了扇形扫描和圆锥扫描的仿真结果。

关键词:扇形扫描;圆锥扫描;仿真;Simulink中图分类号:TP391.9

SimulationofAntennaScanBasedonSimulink

YinXiaofeng JiangQiuxi BiDaping MoCuiqiong

(Section318,ElectronicEngineeringInstituteofPLA,Hefei 230037)

Abstract:Antennascananditscharacteristicareintroducedandthesectorscanandconicalscanareanalyzedespeciallyaccord-ingtothecharacteristicofradarsearchandtrack.BasedontheexplanationofsimulationtoolSimulink,modulesofantennascansimulationusedinSimulinkarediscussedindetailandtheparametersettingsaregiven.Atlasttheresultsofthesectorscanandconicalscansimulationarealsogiven.

Keywords:sectorscan;conicalscan;simulation;SimulinkClassnumber:TP391.9

扫描、螺旋扫描、光栅扫描、圆锥扫描、相控阵扫描

0 引言

天线是雷达信号发射和接收的重要环节,分析雷达天线的扫描特性,有利于确定雷达的工作方式、工作特点和威胁等级。在雷达和雷达对抗系统的计算机仿真中,雷达天线扫描特性的计算机仿真是极为重要的一个环节,它能给侦察接收机的信号处理提供相对真实的信号环境,为整个雷达侦察系统的仿真打下良好的基础。仿真的关键是建立数学模型,在工程软件matlab的Simulink工具箱中提供了大量的数学模块,为仿真系统的设计带来了极大的便利。

等,但雷达天线的基本扫描方式是用于搜索的扇形扫描和用于跟踪的圆锥扫描。

雷达搜索的基本原理是粗略的对大空域进行快速搜索,而对目标已粗略定位的那些空域保持高分辨率的搜索。跟踪是雷达系统完成了对目标定位,在距离、方位和仰角上能跟踪移动的目标。在对目标可能出现的空域有一定的先验知识后,雷达天线搜索一般采用周期性扇形扫描方式。这种扫描方式可提供方位信息和距离信息,但不能提供仰角信息。为实现全仰角覆盖,就需要一个宽的仰角波束,而为了提供好的方位分辨力,需要一个窄的方位角波束,因此天线口径在水平方位上宽,在垂直方位上窄。仰角波束应扩展到最小有效距离上搜索时的最大高度。方位扫描速度取决于雷达所要求的性能。目标的探测能力基本上取决于照射目标的能量。对于脉冲制雷达而言,其能量与波束扫过目标时用于照射目标的脉冲数成正比。因此,

1 雷达天线基本扫描方式

雷达天线通过扫描实现雷达的搜索和跟踪。虽然雷达天线有多种扫描方式,如圆周扫描、扇形

*收稿日期:2004年2月13日,修回日期:2004年3月4日2004年第5期 舰船电子工程

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雷达的一个重要参数是每个波束宽度内的脉冲数。在扇形扫描时,该参数由下式给出:PPBW=

扫描时间@HAZ

扇扫范围@PRI

式中:PPBW=每个波束宽度内的脉冲数,

扫描时间=扫过扇扫范围所需时间HAZ=3dB波束宽度PRI=雷达脉冲重复间隔

如果雷达系统完成了对目标定位,而且在距离、方位和仰角上能跟踪移动的目标,就可以说雷

达实现了对目标的跟踪。圆锥扫描是跟踪雷达常用的扫描方式。波束在作圆锥扫描的过程中,绕着天线旋转轴旋转,因天线旋转轴方向是等信号轴方向,故在扫描过程中这个方向的天线的增益始终不变。当天线对准目标时,接收机输出的回波信号为一串等幅脉冲。

如果目标偏离等信号轴方向,则在扫描过程中波束最大值旋转在不同位置时,目标有时靠近有时远离天线最大辐射方向,这使得接收的信号幅度也产生相应的强弱变化。信号幅度近似为正弦波调制的脉冲串,其调制频率为天线的圆锥扫描频率,调制深度取决于目标偏离等信号轴方向的大小,而调制波的起始相位则由目标偏离等信号轴的方向决定。垂直于等信号轴的截面如图1所示。图中,坐标中心是雷达天线的旋转轴,A是天线波束中心,T代表目标。

Simulink提供了丰富的模型库供构建完整的系统使用。它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及其可视化等特点,可以大大提高仿真的效率和可靠性。在使用时只需根据要仿真的系统要求,选择合适的模块和参数即可搭建出满足要求的模型。运行Simulink中的执行命令,就可以研究和分析模型性能是否满足所要仿真的系统的要求。在没有现成模块的前提下,可以根据需要开发特殊的模型,并通过封装后添加到模型库中,以后就象调用Simulink自身提供的模型库一样只需简单调用就可以了。

在实际应用中,可以使用Simulink库中的模块搭建出具有特殊功能的模型,也可以使用Simulink支持的S-函数格式,用MATLAB或C语言写出描述过程的程序,构成S-函数模块,然后像标准的Simulink模块那样直接调用。S-函数有固定的格式,用MATLAB语言可以编写S-函数,此外还允许采用C语言、C++语言、Fortan和Ada等语言编写,用这些语言编写程序时,需要用编译器生成动态链接库(DLL)文件,可以在Simulink中直接调用。但是用MATLAB语言按照S-函数的格式来编写的S-函数只能用于Simulink的仿真,不能转换成独立于MATLAB的独立程序。

3 雷达天线扫描特性仿真

天线扫描特性仿真框图和在Simulink模型如图2、图3所示:

图1 垂直于等信号轴的截面图

2 Simulink工具箱的使用

Matlab是Mathworks公司推出的当今国际上最为流行的用于科学工程计算的软件之一,它提供了功能强大的矩阵运算、数据处理能力。Matlab还提供了众多的工具箱,Simulink是Matlab的主要工具箱之一,其主要的功能是预先对动态系统进行仿真和分析,从而在形成实际系统之前,能进行适时的修正,以减少系统反复修改的时间,实现高效开发系统的目的。图2 天线扫描特性仿真框图

根据天线扫描模拟框图和Simulink模型分别对各个模块进行模拟和介绍。

3.1信号产生模块

线性调频信号能够较好的解决雷达作用距离和分辨力之间的矛盾,是雷达发射常用的信号,在Simulink中的DSPBlockset中DSPSource库中提供了Chirp信号模块,以此模块为基础来说明信号产生模块。脉冲重复频率则利用Simulink中的Source库中的PulseGenerator模块进行模拟。在 110 尹晓锋等:基于Simulink的天线扫描仿真 总第143期

置如图4、5所示。3.2雷达天线扫描模块

雷达天线扫描模块在Simulink中没有现成可

用的模块,必须根据不同的扫描编写不同的S)函数,S)函数的编写规则可以参看Matlab的帮助文档。以扇形扫描和圆锥扫描为例模拟雷达天线的扫描。扇扫天线的方向图采用sinc函数近似,其表达式为:

sinbHbH

2P360bb==

HH3dB(rad)3dB(deg)

G(H)U

图3 扇形扫描的Simulink模型图

式中,H3dB为半功率波束宽度。

圆锥扫描天线方向图采用以下表达式:

G(H)=

sin(0.866PH)

H3dBH0.866P

H3dB

2

式中,H3dB为半功率波束宽度。

3.3环境噪声模块

环境噪声模块需要考虑电磁波的传播衰减、多路径效应、遮挡效应等。不同的环境有不同的环境噪声,它可以用S)函数编写,也可以用Simulink中的现成模块搭建。在没有设定具体仿真环境条件下,为不失一般性,环境噪声模块用Simulink中的RandomNumber来代替,RandomNumber模块

图4 线性调频信号参数设置

可以产生均匀分布且不相关的随机数,可根据需要来设置其均值,方差,和采样频率,其参数设置如图6所示。

图6 噪声参数设置

图5 脉冲产生器参数设置

3.4信号调制模块

信号调制模块则相对简单,用Math库中的Product模块即可。

(下转第138页)

Chirp模块中要设置初始和终止频率,频扫时间,采样频率等参数,在PulseGenerator中要设置脉冲幅度,周期,脉宽,采样频率等参数,它们的参数设

138 顿贺:中国古代造船业对世界的贡献与影响(连载五) 总第143期社,1991

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(上接第110页)脉冲重频为1KHz,而且没有加入噪声。

扇扫和圆锥扫描的结果分别如图7、8所示:从扇扫的仿真演示结果中可以清楚的看到当

雷达天线扫过目标时,信号幅度达到最大值,且呈现周期性。但需要注意的是,当目标恰好在扇扫范围的中心或在扇扫的边缘时,扇扫只出现一个峰值,和圆周扫描所呈现的规律相同。

在圆锥扫描的仿真演示结果中,可以看到信号幅度明显受近似正弦波调制,调制频率为天线的圆锥扫描频率,调制深度取决于目标偏离等信号轴方向的大小。

4 仿真结果演示

假设扇扫的方位角范围是-60b~+60b,目标位于偏离扫描中心30b处,扇扫速度是P弧度/秒,每个波束宽度内大约有6个脉冲。

假设圆锥扫描的角速度是2P弧度/秒,目标偏离等信号轴的角度为0.5度,等信号轴偏离波束最大值的角度为0.5度,天线的半功率波束宽度为

5 结论

从整个仿真过程可以看出,相对比传统的仿真模型建立方法,利用Simulink仿真可使各模块物理意义清楚,含义清晰,直观且易于调试。而且matlab强大的计算功能,极大的减轻了仿真运算量。总之,Simulink是一种开放性的,用来模拟线性或非线性的以及连续或离散的或两者混合的动

图7 扇形扫描仿真演示

态系统的系统级仿真工具,它非常适合系统的动态仿真。

参考文献

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图8 圆锥扫描仿真演示

BoresightMeasurements[J].IEEETRANSACTIONSONAEROSPACEANDELECTRONICSYSTEMS,1997,33(4)

1.2度。为更好的表现目标偏离等信号轴是受近似正弦波调制的情形,信号产生模块采用简单脉冲,