虛擬雷達信號環(huán)境構建方法研究＊

湯永濤 陳 春 陶 金

（海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012）

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的電磁環(huán)境十分復雜而且瞬息萬變，要確切地描述清楚是極困難的?，F(xiàn)代電磁環(huán)境的特點是密集、復雜、交錯和多變，利用外場試驗方法，布設大量真實的電子信息系統(tǒng)提供所需的電磁環(huán)境已經(jīng)不現(xiàn)實，首先一方面不可能堆積如此多的實物設備形成與實戰(zhàn)近似的電磁環(huán)境，另一方面，野外靶場試驗周期長，試驗費用高，受氣候和環(huán)境等因素影響大?；谏鲜鲈?，廣泛采用仿真技術實現(xiàn)復雜、逼真、動態(tài)的電磁環(huán)境是目前構建雷達信號環(huán)境的主流。本文中，筆者提出虛擬雷達信號環(huán)境的構建方法，構建了信號環(huán)境模型，并定量得到仿真結果，為戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建提出了新的可行的方法。

2 虛擬雷達信號環(huán)境構建的方法

雷達偵察系統(tǒng)所面臨的典型的電磁環(huán)境將是由許多雷達輻射的脈沖序列所及交迭而成的密集的脈沖流。雷達電子戰(zhàn)電磁環(huán)境仿真方法主要分為兩種，一種是功能仿真，一種是信號仿真。功能仿真只仿真雷達發(fā)射、目標、回波、雜波和干擾信號的幅度信息，而信號仿真不僅包括幅度信息，而且包括相位信息［2］。

在對電磁環(huán)境進行功能仿真中，利用微機模擬雷達偵察系統(tǒng)截獲的雷達信號參數(shù)數(shù)據(jù)，這些參數(shù)用脈沖描述字來描述，其仿真系統(tǒng)方框圖如圖1所示，仿真信號直接以數(shù)字形式描述偵察系統(tǒng)的天線所處的電磁環(huán)境。在進行功能仿真時，并不輸出真實的射頻和視頻信號，它是利用數(shù)字模型在計算機上進行計算，產(chǎn)生用脈沖描述字描述的脈沖流。其特點是靈活、效費比高、實驗結果處理實時性強、能獲得比較全面的數(shù)據(jù)，其逼真度取決于數(shù)學模型建立的準確性和仿真系統(tǒng)設計的合理性［1］。

信號仿真即模擬包含幅度又包含相位的信號，復現(xiàn)這種信號的發(fā)射、在空間傳輸、經(jīng)散射體反射、雜波和干擾信號疊加、在空間任一點處電磁環(huán)境特性。這一類仿真所采取的仿真方法主要包括雷達射頻信號的模擬和雷達視頻信號的模擬。

在射頻信號仿真系統(tǒng)中，仿真信號以射頻信號形式，經(jīng)空間輻射或直接注入被測設備的射頻信號輸入端，其方框圖如圖2所示。

圖1 雷達信號環(huán)境功能仿真系統(tǒng)方框圖

圖2 雷達信號環(huán)境射頻仿真組成方框圖

在射頻信號仿真中，各通道收到指定的雷達參數(shù)后，按各自的時序，丟失脈沖準則和通道射頻源數(shù)目生成數(shù)字脈沖秒數(shù)字，再由各自的射頻通道產(chǎn)生射頻脈沖流，通過各自的功放輻射出去。射頻信號仿真能比較全面、真實地體現(xiàn)雷達電子戰(zhàn)對抗的環(huán)境特性。但是仿真需要多部射頻信號發(fā)生器及相應的平臺，一般要在暗室中進行，模擬成本很高。

雷達視頻信號的模擬主要利用微機產(chǎn)生相應的脈沖描述字，進而控制視頻信號發(fā)生器，模擬雷達信號的視頻脈沖序列。

3 虛擬雷達信號環(huán)境模型構建

電磁環(huán)境是全體輻射信號的集合，組成該集合的基本元素是某一時刻來在某一雷達的射頻脈沖。描述脈沖基本特征的參數(shù)通常有：脈沖前沿的到達時間（TOA）、脈沖波前到達角（AOA）、脈沖載頻（RF）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（PA），總稱為脈沖描述字，隨著對雷達信號細微特征提取技術的提高，描述參數(shù)的數(shù)量也在不斷地提高，但用PDW的集合流描述電磁環(huán)境是在功能仿真中建模的基本出發(fā)點［3］。

1）輻射源描述參數(shù)

電磁環(huán)境仿真主要考慮的因素有：輻射源天線的掃描方式；輻射源平臺位置及運動特性；輻射源與偵察系統(tǒng)的相對空間關系；雷達偵察系統(tǒng)的工作狀態(tài)；雷達偵察系統(tǒng)所處的典型電磁環(huán)境（傳輸介質等）。

在各類參數(shù)設置中，輻射源信號參數(shù)的描述比較困難，這主要有兩個方面的原因：輻射源信號參數(shù)容差；輻射源信號參數(shù)的變化規(guī)律的表示。輻射源參數(shù)容差指的是特定電磁信號環(huán)境中，指定的一部雷達偵察系統(tǒng)截獲某部指定的輻射源信號時，在適當?shù)臅r間間隔內，輻射源信號參數(shù)變化的統(tǒng)計平均值，它決定了信號的逼真性。輻射源信號參數(shù)的變化規(guī)律的描述決定了可仿真信號的復雜性及使用的方便性。考慮系統(tǒng)復雜性和真實性，兩者主要通過輻射源的描述參數(shù)設置來反映［6］。

2）傳輸環(huán)境模型［7］

傳輸環(huán)境模型如圖3所示。

圖3 傳輸環(huán)境模型

在仿真中如下假設。

（1）輻射源天線波束在雷達偵察系統(tǒng)方向上的增益取值可分為以下三種。

①雷達偵察系統(tǒng)在大氣層外

GSLH為高副瓣增益；GSLL為低副瓣增益；u1為［0，1］區(qū)間均勻分布的獨立隨機數(shù)。

②雷達偵察系統(tǒng)在大氣層中

GMLH為高副瓣增益；GMLL為低副瓣增益。

③雷達偵察系統(tǒng)在地面上

a為地面雷達權值；b為機載雷達權值。

（2）傳輸煤質設為大氣，對脈沖波形不產(chǎn)生影響；

（3）接收天線為全向天線，且覆蓋全頻段。

3）坐標轉換模型

在仿真中，采用的是以觀測點為坐標原點的空間直角坐標系，其y軸與原點的法線方向重合，指向地球外，x軸指向大地北方向，z軸與x、y構成右手坐標系［4］。一般雷達裝備一級接收機的位置信息由地理緯度、經(jīng)度、海拔高度來確定，采用的是 WGS84坐標（地心坐標）。在進行計算時，需要進行必要的坐標轉換。由地心坐標轉換為大地空間直角坐標系，再轉換成所需要的以觀測點為原點的空間直角坐標系（垂直坐標系），其過程如下。

（1）從地心坐標（L，B，H）轉換成空間大地直角坐標（X，Y，Z）

式中，

（2）雷達、雷達偵察系統(tǒng)所在垂線坐標系中的坐標（Xc、Yc、Zc）

式中λ0、φ0為觀測點的天文經(jīng)緯度；XD0、YD0、ZD0為觀測點的空間直角坐標。

天文經(jīng)緯度可以用大地經(jīng)緯度L0、B0代替，即

式中ζ0、η0分別為垂線偏差的子午圈分量和卯酉圈分量。

4）載頻模型

載頻模型迭代公式：

本次脈沖的載頻

式中NRF為一個周期中的頻率個數(shù)；n為電子信息系統(tǒng)發(fā)射的脈沖序列；j（n－1）為上一個脈沖載頻所處的狀態(tài)；j（n）為本脈沖的載頻工作狀態(tài)；fRFj（n）為載頻中心頻率；△fRFj（n）為變頻范圍；NFj（n）為該載頻值上發(fā)射的工作脈沖數(shù)；NLFn－1為在該狀態(tài)下的剩余工作脈沖數(shù)；NLFn為在脈沖發(fā)射后的剩余工作脈沖數(shù)［9］。

5）脈寬模型

脈沖寬度模型迭代公式：

初始狀態(tài)下

本脈沖的寬度：

式中NPW為一個周期中的脈寬值個數(shù)；k（n－1）為上一個脈沖脈寬所處的狀態(tài)；k（n）為本脈沖的脈寬工作狀態(tài)；τPWk（n）為中心脈寬；△τPWk（n）為脈寬變化范圍；NWk（n）為該脈寬值上發(fā)射的工作脈沖數(shù)；NLWn－1為在該狀態(tài)下的剩余工作脈沖數(shù)；NLWn為在脈沖發(fā)射后的剩余工作脈沖數(shù)；γ為均值為0、方差為1的正態(tài)隨機數(shù)。

6）到達時間和重頻模型

重頻模型迭代公式為

式中NPRI為一個周期中的脈沖間隔值個數(shù)；i（n－1）為上一個脈沖脈沖重復間隔所處的狀態(tài)；i（n）為本脈沖脈沖重復間隔工作狀態(tài)；NLPn－1為在該狀態(tài)下的剩余工作脈沖數(shù)；為NLPn為本脈沖發(fā)射后的剩余工作脈沖數(shù)；NPi（n）為該脈沖重復間隔值上發(fā)射的工作脈沖數(shù)。

初始狀態(tài)下

本次脈沖的脈沖重復間隔

式中tPRIi（n）為中心脈沖重復間隔；△tPRIi（n）為脈沖重復間隔變化范圍。

本脈沖的發(fā)射時間

式中t（n－1）為上一個脈沖的發(fā)射時間；t（n）為本脈沖的發(fā)射時間。

到達時間為

式中c為光速；R為偵察平臺到雷達平臺的直線距離。

R的計算：在法線測量坐標系中，雷達坐標為（Xr、Yr、Zr）、目標坐標為（Xt、Yt、Zt）：

7）幅度模型

計算公式：

式中Pt為雷達輻射源的峰值功率；δP為功率起伏。

8）脈沖到達角模型

在法線測量坐標系中，雷達坐標為（Xr、Yr、Zr）、雷達偵察系統(tǒng)坐標為（Xt、Yt、Zt）：

式中θAOA為脈沖發(fā)射時刻雷達平臺相對于偵察系統(tǒng)平臺的方位。

9）脈沖排序

（1）脈沖排序算法

在數(shù)學仿真中，所有雷達脈沖的PDW形成后，按照脈沖tTOA進行排序，排序算法有許多種，如冒泡法排序、兩分法、快速排序法等。隨著元素數(shù)目的增加，快速排序法是最快的排序方法之一。

（2）同時到達脈沖處理

現(xiàn)代電磁環(huán)境是一個密集而復雜的信號環(huán)境。就脈沖信號而言，其密度已達（50～100）萬脈沖／秒，甚至更高，同一時間可能有多個信號同時出現(xiàn)，出現(xiàn)信號的時間重疊。表現(xiàn)在PDW上將出現(xiàn)多個tTOA相同或相近的脈沖［5］。

現(xiàn)實中雷達偵察系統(tǒng)處理同時到達脈沖的方式比較復雜。在數(shù)學仿真實現(xiàn)時，其解決方法為：將相鄰的tTOA進行比較，若tTOAi＋1≤tTOAi＋tzc（tzc可由雷達偵察系統(tǒng)對同時到達信號的處理能力來定，默認值為7μs），即相鄰脈沖到達時間相差足夠小，則認為其在時間上是重疊的，將tTOAi＋1這個脈沖去掉，tTOAi脈沖的參數(shù)為所有該時刻到達脈沖中脈寬最大的那個脈沖的參數(shù)。

4 仿真實現(xiàn)及結果分析

圖4 雷達信號環(huán)境仿真流程圖

1）仿真流程

仿真軟件主要用來描述某一點（地面、空中、星載）處接收機所面臨的電磁環(huán)境。電磁環(huán)境是由該點處接收到的雷達脈沖信號的特征及其脈沖流密度來描述的。一般雷達與雷達之間的脈沖發(fā)射是獨立進行的，偵察系統(tǒng)接收機是按時間順序接收脈沖而不管是哪部雷達發(fā)射的。因此計算過程為，在仿真時間內依次計算每部雷達的脈沖參數(shù)，將脈沖存儲起來，最后按達到該點的時間進行排序，最后得到整個仿真時間內按到達時間排序的PDW脈沖流，從而得到多部雷達的脈沖信號［8］，見圖4所示。

在仿真中電子戰(zhàn)作戰(zhàn)區(qū)域已確定，作戰(zhàn)區(qū)域的電子信息系統(tǒng)的配置和性能參數(shù)已確定，設定了幾種典型的作戰(zhàn)戰(zhàn)情，生成了雷達偵察系統(tǒng)面臨的幾種典型電磁環(huán)境。

仿真程序依照典型電磁環(huán)境的設置，從戰(zhàn)情庫中調用各雷達位置信息和運動形式，并從雷達參數(shù)數(shù)據(jù)庫中調用雷達參數(shù)信息，通過脈沖產(chǎn)生模型計算每部雷達的脈沖串［11］。

2）雷達脈沖描述字的產(chǎn)生

（1）初始脈沖發(fā)射時間的產(chǎn)生：每部雷達初始脈沖發(fā)射時間是從0到tPRI之間的一個隨即值。

（2）每部雷達的tPRI、fPF、τPW參數(shù)有各自的變化周期，分別保存在不同的數(shù)組中，計算時參照tPRI、fPF、τPW參數(shù)仿真模型，首先判斷各參數(shù)在本次脈沖計算中的狀態(tài)，再分別提取相應的tPRI、fPF、τPW參數(shù)值進行計算。

（3）計算APA時，需要根據(jù)雷達相對雷達偵察系統(tǒng)的相對位置并由接收機的靈敏度判斷該信號能否被接收到來進行。

3）仿真試驗結果

仿真初始條件選擇：選擇典型電磁環(huán)境；雷達偵察系統(tǒng)放置在地面上，其位置的經(jīng)度119.998126°；緯度24.884439°，海拔高度609.292000m；參加仿真的雷達波段為P、L、S、C和X波段；接收機靈敏度為－60dBW；取100次仿真試驗結果的統(tǒng)計平均值。

仿真結果：脈沖流的信號密度為220256個脈沖／秒。見表1～表5。

表1 工作頻率—脈沖數(shù)分布特性

表2 脈沖重復間隔區(qū)間—脈沖數(shù)分布特性

表3 脈寬區(qū)間—脈沖數(shù)分布特性

表4 功率密度—脈沖數(shù)分布特性

表5 到達角—脈沖數(shù)分布特性

5 結語

科學構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境系統(tǒng)一直是戰(zhàn)爭仿真的難點。本文提出的數(shù)字仿真定量研究構建戰(zhàn)場大區(qū)域、雷達信號輻射源的電磁環(huán)境構建方法，依據(jù)雷達脈沖描述字的產(chǎn)生原理，特別是引入地理信息系統(tǒng)后，加強了本方法的實際應用價值。實驗結果表明，該方法切實可行，具有實際意義。

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