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毫米波近程探测系统仿真

刘清成  
【摘要】: 毫米波近程探测系统仿真是以毫米波作为载波,在不同连续波近程探测体制以及相应的目标模型基础之上,运用ADS、Matlab和Lab VIEW软件构建的闭合回路行为级的系统仿真,具有节点数据的可检验性以及射频模块的非线性分析能力。毫米波近程探测系统仿真作为一种数字仿真方式,与传统的物理仿真和半实物仿真相比,不仅具有软件优势互补的数字仿真能力,而且具有嵌入相关测试仪器以及器件模块的半实物仿真功能,能够大幅度提高近程探测系统的评估能力,极大地减轻试验人员的负担,节省了试验成本的开销。 本文主要对不同体制连续毫米波近程探测系统进行仿真研究,主要工作和研究成果如下: (1)研究了毫米波近程探测系统仿真的一般框架。首先,分析了现有的仿真平台包括ADS、Matlab和Lab VIEW软件在仿真毫米波近程探测系统存在的不足,提出以ADS为主,Matlab和LabVIEW为辅的混合仿真方法,同时解析了探测系统参数的选取原则。然后,根据目标的近远场变换法则将目标划分为小面元,运用物理光学(PO)、物理绕射理论(PTD)和弹跳射线法(SBR)对目标的高频近场散射进行了预估,同时也分析了天线方向图对目标高频近场散射的影响。最后,对外弹道超音速天线罩由于激波引起罩壁温度升高导致信号传输功率衰减的问题进行了分析,阐述了超音速天线罩在恶劣环境下对近程探测系统的影响。 (2)在多普勒毫米波体制下,研究了连续波近程探测系统的仿真。首先,在分析探测系统发射机、接收机、天线方向图以及多普勒目标模型的基础上,建立了毫米波多普勒近程探测系统的ADS仿真链路,并通过运动的点目标检验了系统的可行性。然后,以某武装直升机为例,利用UG5.0软件对其进行建模,并以λ/16面元间距进行划分,应用高频混合方法对直升机的近场RCS进行计算,建立了该直升机的多普勒回波信号模型,经过载波和探测器相关参数补偿后,即可运用Matlab_M构建一个可嵌入ADS的目标模块,与探测器模块一起组成毫米波近程探测系统的ADS行为级仿真链路。最后,在混频器输出线上设置节点探针,运用可以嵌套调用Matlab的LabVIEW虚拟仪器软件对该混频器输出信号进行时频处理,得到可直观的该直升机多普勒时频谱图。 (3)在三角波线性调频毫米波体制下,研究了连续波近程探测系统的仿真。首先,分析了该近程探测系统的测距原理以及系统模型的参数,构建出该探测系统的ADS行为级仿真模型,通过对系统进行自检分析,验证了该探测系统模型的正确性。此外,以某武装直升机为例,建立了该直升机的目标模型,并将其嵌入LFMCW调频探测系统仿真中,运用LabVIEW软件对系统混频器输出信号进行时域、频域和短时傅里叶变换(STFT)仿真分析,表明混频器差频信号不仅真实地反映了弹目视在距离的变化,而且还较详细刻画出该直升机的时频谱图,提高了系统仿真的智能化。 (4)在伪码调相复合周期方波毫米波体制下,研究了连续波近程探测系统的仿真。首先,分析了该探测体制模糊图的测距测速性能,论述了该探测系统码宽、方波周期等参数的选择原则,同时建立发射机、接收机以及目标模型的ADS系统仿真链路,并以简单实例进行自检验证。然后,以某巡航导弹为例,运用LabVIEW软件对混频器输出信号进行时域、频域以及短时傅里叶变换(STFT)信号仿真分析,结果表明该方法不仅能够增加收发隔离度,而且也具有良好的测距测速性能,它有较强的抗干扰能力,具有广阔的工程应用前景。 (5)在锥扫主被动毫米波体制下,研究了连续波近程探测系统的仿真。根据主动调频测距和被动辐射计径向定位的特点,基于最少二次扫描原则,提出三波束辐射计探测器转速、降速以及天线夹角等关键指标参数,构建了主被动探测系统的ADS行为级仿真链路。然后,利用LabVIEW软件对探测器处于某一高度时的检波信号进行仿真分析,结果表明该方法不仅可以进行精确测距,而且极大地提高了目标的径向定位精度,为工程实用化作出了有益的探索。


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