基于半實(shí)物仿真系統(tǒng)的多假目標(biāo)航跡欺騙研究

張國兵 ， 郎榮玲

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100083；2.中國人民解放軍91336部隊(duì) 河北 秦皇島 066000）

雷達(dá)抗干擾技術(shù)和雷達(dá)干擾技術(shù)經(jīng)過長期的對抗與較量，使雙方都得到迅速發(fā)展，導(dǎo)致單一或簡單的雷達(dá)干擾技術(shù)已經(jīng)無法對現(xiàn)代雷達(dá)實(shí)施有效的干擾，雖然人們在不斷地探索新的干擾技術(shù)，但是目前人們主要采用多種干擾技術(shù)復(fù)合使用，對敵方雷達(dá)實(shí)施有效的干擾，以便達(dá)到一定的戰(zhàn)術(shù)或戰(zhàn)略目的。例如針對目前搜索警戒雷達(dá)，它們采用低旁瓣、頻率捷變等抗干擾技術(shù)，使得單一的距離假目標(biāo)欺騙和方位欺騙難以對其進(jìn)行有效的干擾，且干擾源容易暴露在雷達(dá)主瓣方向。而采用有源多假目標(biāo)航跡欺騙干擾技術(shù)，可以逼真地模仿目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，不容易被雷達(dá)剔除，從而增大了敵方情報(bào)系統(tǒng)的虛警率。這種干擾技術(shù)可用于掩護(hù)己方空中進(jìn)攻或撤退，也可干擾敵方并誘敵開機(jī)，暴露兵力部署。所以，研究多假目標(biāo)航跡欺騙技術(shù)具有重要的軍事價(jià)值[1]。

1 半實(shí)物仿真的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

半實(shí)物仿真是指在仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真回路中接入所研究系統(tǒng)的部分實(shí)物的仿真。與其它仿真方法相比，半實(shí)物仿真具有以下特點(diǎn)：1）在所研究系統(tǒng)中有的部分很難建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，為了保留該部分的功能、性能的準(zhǔn)確性，在半實(shí)物仿真中，該部分以實(shí)物與其它仿真分系統(tǒng)對接；2）是利用半實(shí)物仿真，還可以進(jìn)一步修正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提高數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度；3）利用半實(shí)物仿真，將更直接、客觀、有效地檢驗(yàn)系統(tǒng)各設(shè)備的功能和性能[2]。

根據(jù)半實(shí)物仿真的特點(diǎn)，半實(shí)物仿真同其它的仿真方法相比具有實(shí)現(xiàn)更高真實(shí)度的可能性，是仿真技術(shù)中置信度最高的一種方法。在使用過程中，可以固化、重復(fù)某一工作狀態(tài)，具有較高的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，而且半實(shí)物仿真具有研制周期短、經(jīng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用半實(shí)物仿真手段研究多假目標(biāo)航跡欺騙技術(shù)具有較強(qiáng)的真實(shí)性和實(shí)用性。

2 多假目標(biāo)航跡欺騙的原理

2.1 實(shí)現(xiàn)多假目標(biāo)航跡欺騙的條件

多假目標(biāo)航跡欺騙主要是針對于搜索警戒雷達(dá)實(shí)施迷惑干擾，干擾機(jī)要想在敵方一部或者多部雷達(dá)終端顯示器上形成任意想定的多假目標(biāo)航跡路線，必須滿足以下5個(gè)條件：1）干擾機(jī)的輻射功率必須足以使干擾信號從對方雷達(dá)天線旁瓣進(jìn)入；2）必須偵察分析出雷達(dá)天線的掃描規(guī)律和主波束寬度，并精確測出其參數(shù)；3）干擾機(jī)的接收靈敏度必須足以接收到雷達(dá)的旁瓣信號；4）干擾機(jī)的輻射功率、假目標(biāo)的持續(xù)時(shí)間和速度均可控，以模擬不同特征的目標(biāo)；5）能精確測定輻射源的地理位置[4]。

2.2 航跡欺騙產(chǎn)生的原理

多目標(biāo)欺騙航跡模擬電路的組成如圖1所示，航跡模擬電路各點(diǎn)輸出的波形如圖2所示。T1是指接收機(jī)B收到的脈沖群，每一個(gè)脈沖延遲T1。

圖1 航跡模擬電路組成方框圖Fig.1 Composition of circuit for track simulation

TR/2代表的距離為欺騙源距雷達(dá)站的距離，ΔT1/2代表欺騙目標(biāo)可以移動到與雷達(dá)站最近的距離。

ΔT0：代表欺騙目標(biāo)可以移動的距離范圍；

快鋸齒波與慢鋸齒波兩者相交點(diǎn)表示產(chǎn)生欺騙脈沖點(diǎn)，鋸齒波的斜率代表移動脈沖的速度；

ΔT2：代表欺騙目標(biāo)航跡起始角延遲的時(shí)間；

T2：代表在雷達(dá)波束寬度內(nèi)對應(yīng)于目標(biāo)的照射時(shí)間；

T：代表雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期。

欺騙目標(biāo)航跡的產(chǎn)生過程：根據(jù)欺騙源的位置，確定脈沖的延遲時(shí)間T1，使欺騙觸發(fā)脈沖延遲到雷達(dá)脈沖第2個(gè)的后面，距第第2個(gè)脈沖為T0，用延遲了的脈沖觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生的寬度為T1，再用方波T1控制快鋸齒波的產(chǎn)生。用一個(gè)慢鋸齒與快鋸齒相交，便產(chǎn)生了移動，這個(gè)移動脈沖就是我們要產(chǎn)生的欺騙目標(biāo)。在方位上的欺騙是以收到的雷達(dá)主瓣信號為基礎(chǔ)，把它延遲ΔT2，它所延遲的角度則為：

式中θ代表雷達(dá)旋轉(zhuǎn)范圍；t0為雷達(dá)天線轉(zhuǎn)過θ角所需時(shí)間。

雷達(dá)轉(zhuǎn)過第1圈時(shí)，延遲ΔT2，出來第1個(gè)亮點(diǎn)；

當(dāng)轉(zhuǎn)過第2圈時(shí)，延遲ΔT2+ΔTi，出現(xiàn)第2個(gè)亮點(diǎn)；

當(dāng)轉(zhuǎn)過第 3圈時(shí)，延遲 ΔT2+2ΔTi，出現(xiàn)第 3個(gè)亮點(diǎn)……依次類推。產(chǎn)生角度欺騙所需的時(shí)間為：

產(chǎn)生欺騙角度θn：

產(chǎn)生欺騙距離Rn：

圖2 航跡模擬電路各點(diǎn)輸出波形關(guān)系圖Fig.2 Output waveforms form all points of circuit for track simulation

2.3 多假目標(biāo)欺騙的參數(shù)匹配

在實(shí)施多假目標(biāo)欺騙干擾時(shí)，必須對敵方搜索警戒雷達(dá)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量與分析，并依據(jù)受干擾雷達(dá)的工作參數(shù)，確定干擾機(jī)的欺騙干擾參數(shù)。下面以某型A雷達(dá)為例，其參數(shù)如表1所示，可以確定干擾機(jī)實(shí)施多假目標(biāo)欺騙的參數(shù)及數(shù)據(jù)如表 2、3、4所示。

表1 A雷達(dá)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Settings of A Radar parameters

由基本計(jì)算公式（6）、（7）。

表2 干擾機(jī)匹配參數(shù)設(shè)置Tab.2 Settings of jammer matching parameters

可解得干擾機(jī)發(fā)射等效功率，式中PjGj為發(fā)射機(jī)等效功率；Pmin為雷達(dá)接收機(jī)靈敏度（-140 dBW）；λ為工作波長（0.1 m）；Ga（θ）為雷達(dá)天線副瓣增益（-25 dB）。 解算數(shù)據(jù)見表 3，該數(shù)據(jù)為10～250 km距離假目標(biāo)所需的干擾機(jī)發(fā)射等效功率[5]。

表3 不同距離上干擾機(jī)發(fā)射等效功率Tab.3 Launch equivalent powers of jammer in different distances

2.4 多目標(biāo)欺騙航跡的數(shù)據(jù)預(yù)算

干擾機(jī)在偵察分析出A雷達(dá)的工作參數(shù)后，依照多目標(biāo)欺騙航跡模擬的原理，預(yù)先產(chǎn)生多批假目標(biāo)欺騙航跡的數(shù)據(jù)，對A雷達(dá)實(shí)施多批假目標(biāo)欺騙干擾，多批假目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原理相同，下面以兩批假目標(biāo)欺騙航跡數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明。

確定A雷達(dá)的工作參數(shù)后，將干擾機(jī)的干擾參數(shù)初始化，其具體參數(shù)如下：

1） 天線旋轉(zhuǎn)周期 6 s；Δθ=10°；T2=0.033 3 s；ΔTi=0.02 s；ΔRi=1 km；Δθi=1.2°；R=80 km 將它們代入公式（9）：

算得一組想定數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制成圖2中的航跡a。

2） 天線旋轉(zhuǎn)速度 6 s；Δθ=20°；T2=0.066 6 s；ΔTi=0.025 s；ΔRi=2 km；Δθi=1.5°；R=150 km 將其代入公式（9），算得一組想定數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制成圖3中的航跡b。

圖3 兩批假目標(biāo)航跡圖Fig.3 Two group of false tracks

3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

本半實(shí)物仿真系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微波技術(shù)和數(shù)學(xué)建模技術(shù)對雷達(dá)和雷達(dá)干擾機(jī)以及它們之間的對抗過程進(jìn)行等效仿真模擬。其構(gòu)成框圖如圖4所示，主要由雷達(dá)模擬分系統(tǒng)、雷達(dá)干擾模擬分系統(tǒng)兩部分組成，雷達(dá)模擬和雷達(dá)干擾模擬兩個(gè)分系統(tǒng)之間采用射頻注入方式進(jìn)行對接，而雷達(dá)模擬分系統(tǒng)和雷達(dá)干擾機(jī)的收發(fā)天線以及收發(fā)功率都是采用物理等效的方式進(jìn)行動態(tài)天線方向圖仿真模擬，這種實(shí)現(xiàn)方式不僅使雷達(dá)與雷達(dá)干擾機(jī)之間的對抗空間按等效原理縮小，而且嚴(yán)格保證了它們之間的時(shí)空一致性。

圖4 半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.4 Hardware-in-the-loop simulation system structure

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為了保證系統(tǒng)功能和性能的真實(shí)性，并且能夠?yàn)槔走_(dá)干擾及抗干擾技術(shù)研究提供有力的驗(yàn)證依據(jù)，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面盡量采用實(shí)際裝備的硬件結(jié)構(gòu)，只有目標(biāo)、雜波環(huán)境模擬和收發(fā)天線模擬采用仿真的手段進(jìn)行天線方向圖模擬。系統(tǒng)的這種硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)確保了系統(tǒng)各個(gè)層次處理信息的真實(shí)性、完整性。

雷達(dá)模擬分系統(tǒng)可以模擬多種體制雷達(dá)，因此分系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面比較有顯著特點(diǎn)是數(shù)字波形產(chǎn)生模塊和信號處理模塊。數(shù)字波形產(chǎn)生模塊采用了PC104+FPGA的模式，利用控制軟件可對目標(biāo)屬性、目標(biāo)環(huán)境和調(diào)制方式進(jìn)行建模，以及設(shè)置的雷達(dá)工作參數(shù)，在FPGA中進(jìn)行綜合處理，以產(chǎn)生相應(yīng)的雷達(dá)信號數(shù)據(jù)；信號處理模塊采用了FPGA和DSP及SRAM結(jié)合的硬件處理結(jié)構(gòu)，通過軟件編程對其進(jìn)行控制，可以使信號處理模塊進(jìn)行重構(gòu)，構(gòu)成不同的信號處理模式。兩個(gè)模塊都具有靈活多變，適合多種工作模式的特點(diǎn)[6]。

干擾模擬分系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面主要采用了PC104+DRFM技術(shù)，基于DRFM的干擾設(shè)備能夠?qū)孬@的雷達(dá)信號能進(jìn)行高精度的保存并能進(jìn)行逼真的復(fù)制，同樣能將信號的相參信息保留和復(fù)制，通過適當(dāng)?shù)母蓴_調(diào)制就能產(chǎn)生與雷達(dá)信號相參的欺騙信號，從而可以對相參雷達(dá)形成有效的航跡欺騙干擾。

3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與硬件緊密結(jié)合，甚至硬件軟件化，彌補(bǔ)了硬件設(shè)計(jì)中的不足，使整個(gè)系統(tǒng)靈活可控，可重復(fù)，可重構(gòu)，工作模式可固化，并且具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析功能，能夠直觀地檢測和分析各個(gè)層次信號的變化情況。系統(tǒng)軟件的這種設(shè)計(jì)思想有利于雷達(dá)干擾技術(shù)的研究。數(shù)據(jù)庫技術(shù)[7]的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)化管理。采用數(shù)據(jù)庫對雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)環(huán)境參數(shù)、干擾航跡參數(shù)進(jìn)行量化、層次化、簡單化管理，有利于系統(tǒng)應(yīng)用軟件對組態(tài)化參數(shù)進(jìn)行加載，可以快速構(gòu)成復(fù)雜、多變的雷達(dá)干擾過程。

4 多假目標(biāo)航跡欺騙在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

圖5 航跡產(chǎn)生原理示意圖Fig.5 Principle of generating tracks

如圖5所示，在雷達(dá)的作用距離范圍內(nèi)的任意方位，預(yù)先假定一條假目標(biāo)運(yùn)動的航線S（t），當(dāng)雷達(dá)的主瓣在tAN時(shí)刻與航線S（t）相交時(shí)，干擾機(jī)發(fā)射干擾信號，從雷達(dá)副瓣進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，在相交點(diǎn)形成假目標(biāo)航跡點(diǎn)。時(shí)間tAN的預(yù)測是航線欺騙干擾的關(guān)鍵。

根據(jù)航跡產(chǎn)生原理，圖3中的兩批假目標(biāo)在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的效果如圖6所示，與理論仿真航跡基本一致。

圖6 雷達(dá)終端顯示的假目標(biāo)航跡Fig.6 False tracks display in Radar terminal

航跡產(chǎn)生原理：在進(jìn)行航跡欺騙模擬時(shí)，需要由雷達(dá)干擾模擬分系統(tǒng)的接收單元完成對雷達(dá)模擬分系統(tǒng)的掃描周期等參數(shù)的測量，并在進(jìn)行干擾模擬時(shí)，實(shí)時(shí)測量雷達(dá)天線主瓣的方向。一般情況下，雷達(dá)天線主瓣中包含較多的雷達(dá)信號脈沖，因此，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)主瓣的信號照射到預(yù)想的目標(biāo)上時(shí)，便可以產(chǎn)生假目標(biāo)信號，此時(shí)干擾模擬分系統(tǒng)便根據(jù)當(dāng)前天線指向干擾模擬分系統(tǒng)的天線副瓣方向，向雷達(dá)模擬分系統(tǒng)輸出假目標(biāo)信號，信號功率則根據(jù)所模擬目標(biāo)信號的特點(diǎn)、距離、副瓣與主瓣的增益比等參數(shù)決定。在進(jìn)行干擾信號模擬時(shí)，需要由控制單元實(shí)時(shí)對雷達(dá)模擬天線主瓣位置進(jìn)行預(yù)測和估計(jì)以提前對DRFM進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)全主瓣寬度內(nèi)的假目標(biāo)模擬。

5 結(jié)束語

在滿足雷達(dá)對抗干擾條件下，該半實(shí)物仿真系統(tǒng)不僅可以對多批假目標(biāo)的任意航跡欺騙進(jìn)行模擬，而且還可以對其他有源干擾樣式進(jìn)行模擬，構(gòu)成逼真的雷達(dá)對抗動態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)針對性地研究。因此，根據(jù)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)對雷達(dá)對抗各種干擾技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)效果的研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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