基于SystemVue的炮位偵察雷達炮彈回波信號生成

鄭昌艷， 何 強， 張 杰

(軍械工程學院 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003)

基于SystemVue的炮位偵察雷達炮彈回波信號生成

鄭昌艷， 何 強， 張 杰

(軍械工程學院 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003)

目前很多仿真軟件對于參差重頻的目標回波信號產(chǎn)生都有一定的局限性，本文在SystemVue仿真平臺及其雷達信號處理庫的基礎(chǔ)上，通過設計MATLAB腳本程序動態(tài)更新模型參數(shù)解決了這一問題。文中簡要介紹了SystemVue雷達庫的基本情況和SignalX模塊的特點，針對一種炮位偵察雷達，在SystemVue的基礎(chǔ)上進行了參差重頻信號生成、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標回波生成的程序設計。SystemVue仿真軟件以其獨特的先進性和新穎性，在雷達系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中將具有很好的應用。

SystemVue；發(fā)射信號生成；波束控制；輸出同步；炮彈彈道；回波生成

0 引言

SystemVue是美國安捷倫(Agilent)公司推出的一種電子系統(tǒng)級仿真工具軟件，主要應用于通信、雷達、導航和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域。它可以與MATLAB、C++、ADS等其他軟件協(xié)同仿真，同時具有明顯的優(yōu)越性，尤其在射頻模塊及雷達系統(tǒng)仿真方面有很好的應用前景。

目前在雷達系統(tǒng)仿真方面，對于參差重頻信號的產(chǎn)生，很多傳統(tǒng)的仿真軟件實現(xiàn)方法都有一定的局限性，尤其在考慮波控機實時控制波束掃描和信號參差的情況下，問題就更為明顯。這些軟件在一次運行中只能實現(xiàn)固定脈沖重復頻率(PRF)的仿真，當PRF改變時，整個系統(tǒng)就會停下來重新調(diào)度，并且每次都需要調(diào)整整個系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)起來比較繁瑣，效率低且靈活性不足。為了解決這一問題，用SystemVue設計了一個仿真鏈路，在一次調(diào)度中就能產(chǎn)生參差重頻信號并實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)同步。

本文基于SystemVue對一種炮位偵察雷達的參差重頻發(fā)射信號、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標的回波生成進行了程序設計，充分體現(xiàn)了SystemVue的靈活性和優(yōu)越性。

1 SystemVue在雷達系統(tǒng)仿真中存在的問題

1.1 SystemVue雷達庫的特點

SystemVue是以圖符化模塊構(gòu)建理論模型[1]，對電子系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)進行仿真模擬，完成信號與系統(tǒng)特性的詳細分析。SystemVue中的雷達庫包括天線、陣列信號處理、環(huán)境、信號源、發(fā)射、接收、信號處理等多種模型庫[1]。對于運動目標來說，它可以基于多樣化的場景，對精確運動目標的回波進行建模，這與傳統(tǒng)的停-跳模型是不同的；同時支持多散射點目標建模，支持目標復雜運動軌跡建模，支持起伏波動的RCS類型建模，支持傳播效應的建模。所以對雷達系統(tǒng)進行設計仿真時，可以根據(jù)設定的程序和場景需要，從相應的雷達模型庫中選擇相對應的元件模塊進行系統(tǒng)搭建，設置參數(shù)進行模擬仿真。

1.2 雷達系統(tǒng)仿真中結(jié)構(gòu)變化的影響

對于一個固定的PRF[2]，當運動目標的多普勒頻率等于整數(shù)倍PRF時，就會產(chǎn)生盲速。常用解決方法是參差PRF，它能大大提高第一個盲速，使目標的任何速度都盡可能小于這個盲速，從而解決盲速問題且不會減小非模糊距離。同樣，當目標實際距離在非模糊范圍之外，就存在距離模糊，解決方法也是發(fā)射多組參差PRF的脈沖串信號，然后利用余數(shù)定理來解決距離模糊，這種方法也適用于解決速度模糊。所以，發(fā)射參差重頻的脈沖串信號可以有效解決盲速和模糊問題。

炮位偵察雷達有搜索和跟蹤兩種基本的工作模式[3]，處于不同的模式，雷達系統(tǒng)的信號形式、PRF等關(guān)鍵參數(shù)是不同的，這為雷達系統(tǒng)仿真的通用性帶來不便。在參差PRF、模式轉(zhuǎn)換和多任務多功能的雷達系統(tǒng)仿真中，傳統(tǒng)的SystemVue仿真思路難以適應。例如SystemVue現(xiàn)有的雷達庫模塊不夠靈活，大部分模塊要求固定不變的PRF，所以不能實現(xiàn)參差PRF。本文對此進行了改進，較好地解決了這一問題。

2 雷達發(fā)射信號設計

2.1 SignalX模塊實現(xiàn)參差重頻信號

2.1.1 SignalX模塊簡介

一般的信號生成模塊是根據(jù)參數(shù)產(chǎn)生相應的波形，一旦參數(shù)固定，波形就會不變，不能實時變化。SignalX是SystemVue雷達信號處理庫中的一個動態(tài)信號生成模塊，可以靈活地生成參差PRF信號。SignalX模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SignalX模塊結(jié)構(gòu)

2.1.2 信號生成的改進思路

對于多脈沖串參差PRF信號的產(chǎn)生，典型的實現(xiàn)方法是進行分塊程序設計，即不同頻率對應不同分塊，運行時根據(jù)不同PRF調(diào)用相應程序，這樣完成一次參差PRF的仿真，系統(tǒng)就要運行多次，消耗時間長且靈活性差?；谝陨显?，本文用SystemVue來解決這一問題。首先構(gòu)造一個靜態(tài)查詢表，在靜態(tài)查詢表中預先設置好參差PRF的相應參數(shù)，包括PRF及其個數(shù)，然后通過查表的方式實時調(diào)用這些參數(shù)，利用RADAR-SignalX的特性可實現(xiàn)在一次仿真中產(chǎn)生參差重頻信號，而且當波束掃描實時變化時，可根據(jù)需要產(chǎn)生不同頻率的信號，靈活性更加明顯。同時SystemVue在參差重頻和波束控制的情況下還能夠解決輸出數(shù)據(jù)同步問題，這也是本文設計的主要目標。

2.2 該型雷達發(fā)射信號生成設計

基于SystemVue實現(xiàn)該型雷達的發(fā)射信號，該雷達通過天線波束控制BeamController模塊[4]在空間形成3種不同的信號波形，覆蓋方位角為-45°～+45°，俯仰角為0°～30°的全空域波束掃描。當俯仰角小于10°時，發(fā)射信號波形定義為WaveformType0，其連續(xù)發(fā)射8個脈沖重復間隔PRI為100 μs的線性調(diào)頻信號；當俯仰角在10°～20°時，發(fā)射信號波形定義為WaveformType1，其連續(xù)發(fā)射10個脈沖重復間隔PRI為200 μs的線性調(diào)頻信號；當俯仰角在20°～30°時，發(fā)射信號波形定義為WaveformType2，其連續(xù)發(fā)射20個脈沖重復間隔PRI為400 μs的線性調(diào)頻信號。以上3種波形的脈寬均為20 μs，帶寬均為1 MHz，基帶采樣率均為10 MHz，其發(fā)射信號形式見表1。

表1 該型雷達發(fā)射信號波形形式

根據(jù)發(fā)射信號的3種不同波形形式，在LookUpTable靜態(tài)查詢表中設置相應的CPI和PRF，PRF通過Recip倒數(shù)函數(shù)模塊轉(zhuǎn)化為PRI，然后通過波束控制中發(fā)射信號的波形形式實時調(diào)用其中的CPI和PRF，獲取相應的波形參數(shù)。WaveformType0對應的CPI為8，PRF為10 kHz；WaveformType1對應的CPI為10，PRF為5 kHz；WaveformType2對應的CPI為20，PRF為2.5 kHz。將以上的脈寬、帶寬、CPI和PRI連接到RADAR-SignalX動態(tài)信號生成模塊，可以根據(jù)波束照射情況實時靈活地產(chǎn)生相應的波形。

2.3 BeamController波控設計

當前在雷達系統(tǒng)參差重頻信號生成的仿真中，很少考慮波控機對波束掃描和信號產(chǎn)生的影響。為了實現(xiàn)控制波束掃描和信號參差的目的，在仿真鏈路中加入波控模塊，由波束位置控制產(chǎn)生不同重復頻率的信號。另外通過波控模塊輸出的波形編號和波位，統(tǒng)一調(diào)度雷達資源，進行全局指揮。

BeamController波束控制是一個子網(wǎng)模塊，可以實時產(chǎn)生波束掃描，靈活控制雷達系統(tǒng)。其子網(wǎng)框圖如圖2所示。

圖2 波控子網(wǎng)

圖3 波束掃描

全空域波束掃描在MATLAB中的運行結(jié)果如圖3所示，波束會在10°和20°處有不同波形的變化，程序代碼根據(jù)每個波位處的波束高度進行累加，當波束掃描到俯仰角10°和20°時，根據(jù)波束中心在它們上下的位置選擇相應的波形。

2.4 DistributorM同步設計

2.4.1 同步數(shù)據(jù)流

同步數(shù)據(jù)流(Synchronous Data Flow，SDF)是指保持一個數(shù)據(jù)流或者不同數(shù)據(jù)流之間的時間關(guān)系，是一個在系統(tǒng)設計中應用很廣泛的計算模型，它可以實現(xiàn)對系統(tǒng)功能部件的緩存優(yōu)化，還能減少系統(tǒng)反應時間。

同步數(shù)據(jù)流在雷達系統(tǒng)仿真中可使系統(tǒng)在時間上保持數(shù)據(jù)同步，這對系統(tǒng)仿真而言至關(guān)重要。對于固定重復頻率的信號易于實現(xiàn)，但對于參差重頻信號不容易實現(xiàn)，因此就需要針對不同的情況設計仿真鏈路。本文通過具體的方法在該雷達參差重頻發(fā)射信號的基礎(chǔ)上對輸出數(shù)據(jù)同步進行設計，使DistributorM模塊每次輸入輸出的數(shù)據(jù)流大小相同，達到數(shù)據(jù)同步的目的，同時也為后續(xù)的多路信號處理帶來方便。

2.4.2 設計實現(xiàn)

DistributorM是一個子網(wǎng)模塊，子網(wǎng)中C1、C2和C3為3個常數(shù)控制源，分別對應于CPI1、CPI2和CPI3的采樣點數(shù)，且每個采樣點處的值均為0。定義C1、C2和C3的輸出值分別為波形ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3， RADAR-SignalX為Input。當波束為WaveformType0時，3個輸出接口Output1～Output3輸出的波形分別為Input、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3；當波束為WaveformType1時，3個輸出接口輸出的波形分別為ZerosWaveform1、Input和ZerosWaveform3；當波束為WaveformType2時，3個輸出接口輸出的波形分別為ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和Input。

這樣做的原因就是當波束為不同的WaveformType時，3個輸出接口Output1～Output3每次輸出的總采樣點數(shù)是一致的，即輸入輸出數(shù)據(jù)流一樣。這是為了保證在后續(xù)的多路信號接收處理過程中的時間相同，使整個系統(tǒng)在每次處理時保持同步狀態(tài)。

2.5 目標回波生成設計

2.5.1 炮彈彈道設計

把炮彈作為目標，然后定義炮彈的參數(shù)，仿真其自由彈道軌跡(拋物線)情況。在MathLang數(shù)學語言模塊中的Equations中編寫炮彈發(fā)射的彈道軌跡程序代碼，并在I/O輸入輸出接口中建立需要的輸出接口。程序中定義雷達波束的方位角為0°，即炮彈正對于雷達進行發(fā)射，炮彈和雷達的距離為10 km，炮彈的初始速度為300 m/s，發(fā)射角度為70π/180。參數(shù)定義是靈活多變的，可以修改程序代碼來改變炮彈的發(fā)射方向、角度、初始速度和距離等相關(guān)信息，也可以根據(jù)需要設置多發(fā)炮彈。

本程序炮彈彈道設計的子網(wǎng)框圖和MATLAB仿真結(jié)果分別如圖4和5所示。

圖4 炮彈子網(wǎng)

圖5 炮彈彈道

2.5.2 炮彈回波生成

將上述產(chǎn)生的實時矩陣波形送入DynamicUnpack-M動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將矩陣數(shù)據(jù)按照行最大的形式依次取出數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)流經(jīng)過10 MHz的SetSampleRate采樣模塊進行采樣，變?yōu)殡x散化的信號后，再送入Sink數(shù)據(jù)接收器處理即可產(chǎn)生發(fā)射信號。將發(fā)射信號送入Cx-To-Env模塊進行載波調(diào)制，將轉(zhuǎn)換后的上變頻信號送入RADAR-Antenna-Tx天線發(fā)射模塊進行信號發(fā)射，再接入RADAR-Target目標模塊，設置相應的參數(shù)，即對發(fā)射信號產(chǎn)生目標回波。將產(chǎn)生的回波信號送入RADAR-Antenna-Rx天線接收模塊，再將接收到的回波信號通過Env-To-Cx轉(zhuǎn)換模塊將上變頻信號變?yōu)閺秃闲盘?，最后送入Sink數(shù)據(jù)接收器中產(chǎn)生模擬的回波生成信號。其中天線發(fā)射模塊和接收模塊的波束方位角及高低角統(tǒng)一由BeamController波控模塊進行同步控制，目標方位角及高低角統(tǒng)一由CannonBall炮彈模塊控制。

這里需要說明的是，回波生成很復雜，回波信號中應該包含發(fā)射信號、雜波、干擾和目標信號，而且雜波又分為多種類型，同時還需考慮天線方向圖等綜合因素。所以本文為了說明SystemVue能根據(jù)波束控制靈活實時地生成參差重頻的脈沖串信號并產(chǎn)生目標回波，并沒有加入雜波，只是針對炮彈目標進行回波生成。以后會逐步加入雜波并考慮天線轉(zhuǎn)動等因素，全面分析回波信號。

3 結(jié)束語

SystemVue[5]是一款能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流仿真的信號級仿真軟件，并且應用于射頻方面很有優(yōu)勢，能夠達到良好的射頻仿真效果。本文對一種炮位偵察雷達的發(fā)射信號、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和無雜波炮彈目標的回波生成進行了程序設計,以后還將繼續(xù)基于SystemVue的仿真優(yōu)勢加入雜波和天線因素進行回波生成、回波接收和信號處理等方面的工作，建立一個完整的雷達系統(tǒng)仿真平臺，為雷達系統(tǒng)性能評估提供一個全面合理的仿真環(huán)境。

[1] 林森,高明明.SystemVue環(huán)境下M-Link的應用[J].中國科技信息,2008(23):91，93.

[2] RICHARDS M A. Fundamentals of radar signal processing[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理(第3版)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[4] 章琴,劉以安.基于改進的Morlet小波變換的雷達信號特征提取[J].微型機與應用,2015,34(10):70-73.

[5] 程文清.基于SystemVue的無線通信原理仿真實驗教學研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(13)：50-53.

The cannonball echo signal generation of an artillery locating radar based on SystemVue

Zheng Changyan, He Qiang, Zhang Jie

(Department of Electronics and Optics Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

At present, many simulation softwares have some limitations to the generation of target echo for staggered pulse repetition frequency signal. This problem can be solved by the design of MATLAB scripts for the updated dynamically model parameters based on the SystemVue simulation platform and radar signal processing library. In this paper, the basic situation on SystemVue radar library and features of SignalX model are briefly introduced, and aiming at an artillery locating radar, the procedures on the generation of its staggered pulse repetition frequency signal, beam controls, synchronization, cannonball trajectory and no clutter cannonball target echo generation waveform are designed based on SystemVue. Owing to the uniquely advanced and creative property, the emulation server of SystemVue will have a spacious and important application in the simulation domain for the radar system.

SystemVue; transmitted signal generation; beam controls; synchronization; cannonball trajectory; echo generation

TN971；TP391.9

A

1674- 7720(2016)03- 0081- 03

鄭昌艷，何強，張杰. 基于SystemVue的炮位偵察雷達炮彈回波信號生成[J].微型機與應用，2016,35(3)：81- 83，95.

2015-09-04)

鄭昌艷(1990-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：信號處理及仿真、機器學習。