基于SystemVue的復雜電磁環(huán)境中雷達半實物仿真

張文輝　張永寧　田雨書　陳　丁

(1.西安黃河機電有限公司　西安　710043；2.西安應用光學研究所　西安　710065； 3.西安北方光電科技防務有限公司　西安　710043；4.西安工業(yè)大學　西安　710021)

0　引言

雷達應用環(huán)境通常伴隨著較強的雜波、噪聲及干擾，這就要求雷達系統(tǒng)必須采取有效的抗干擾措施。因此，各種先進信號處理技術(shù)不斷應用于雷達設計中，也導致了雷達系統(tǒng)越來越復雜，而原先的設計及仿真手段也無法應對此局面。雖然以Simulink代表的仿真工具常被應用于雷達信號仿真中，但其缺乏專業(yè)且集成化的雷達信號模型庫，其仿真工作量、難度不亞于設計工作本身，尤其是很難生成接近于真實復雜環(huán)境中的雷達信號。為了驗證雷達的抗干擾性能，通常也只能在研制后期進行靶場實物驗證。當發(fā)現(xiàn)問題后，重新設計或改進雷達系統(tǒng)，不但延誤定型期限，增加了研發(fā)成本，甚至會增加研制失敗的風險性。因此，采用一種適用于當今雷達設計特點的仿真驗證手段是極其必要的[1-2]。

為了解決上述問題，采用了一種基于SystemVue軟件的雷達仿真方法，不但可仿真出在復雜環(huán)境下的雷達信號處理流程，且搭建了一套以通用儀器為基礎(chǔ)的半實物仿真硬件平臺輸出各處理環(huán)節(jié)的后端信號，以驗證各分系統(tǒng)功能實現(xiàn)及性能指標。

1　雷達系統(tǒng)仿真建模

SystemVue是一款系統(tǒng)級仿真設計軟件，擁有針對雷達系統(tǒng)架構(gòu)的先進仿真模型庫。模型庫提供了多達35個高度參數(shù)化的原型模塊和更高層次的參考設計，可以生成一個功能基本完整的雷達系統(tǒng)。該模型庫中諸多模塊可針對不同信號條件下的雷達性能、目標和雷達截面(RCS)場景、雜波條件、人為干擾和環(huán)境干擾以及不同信號處理算法進行驗證[3]。

1.1　雷達功能信號仿真

文中以脈沖多普勒(PD)雷達的一個相參處理間隔(CPI)的信號處理流程為例，由SystemVue建立一個典型的雷達系統(tǒng)模型如圖1所示，包含有基帶/視頻信號源、發(fā)射系統(tǒng)、天線系統(tǒng)(含T/R組件)，接收系統(tǒng)、信號處理等分系統(tǒng)(信號流的途徑)。此外，雷達射頻信號在空間傳播中還受到RCS起伏影響、雜波、噪聲、人為干擾等因素影響，這也是組成整個雷達信號處理環(huán)節(jié)中一個重要部分(RCS，雜波/干擾模型)。設置多普勒頻移fd=8169Hz，目標距離為11880m。實際工作中，雷達回波信號已經(jīng)完全淹沒在較強雜波、噪聲及干擾中，為了能精確探測到目標信息，信號處理則是雷達系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)[4]。

圖1　雷達系統(tǒng)模型組成框圖

在SystemVue通用模型庫和雷達專用模型庫中的信號源中除了有最常規(guī)的連續(xù)波、脈沖信號外，還有雷達中常見的線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、二相碼、多相碼及調(diào)頻連續(xù)波等類型。通過對信號源模塊參數(shù)的改變可以實現(xiàn)對雷達波形進行的編輯，文中的PD雷達采用的是線性調(diào)頻信號。

當今的PD雷達基本上是全相參體制，發(fā)射和接收系統(tǒng)必須采用相同的高穩(wěn)定本振信號，才能實現(xiàn)利用多普勒效應進行測速?？稍诒菊衲Ｐ瓦x項中添加相位噪聲參數(shù)，模擬出由于本振故障引起雷達測速不準的現(xiàn)象。

此外，設計人員最關(guān)心的是天線模型的S參數(shù)對雷達系統(tǒng)的影響。因此，天線系統(tǒng)的模型主要是基于一個S參數(shù)模塊進行仿真的，可以通過改變S參數(shù)了解天線主要參數(shù)對整個雷達系統(tǒng)的影響。如圖2所示，經(jīng)過天線發(fā)射的微波信號頻譜(無雜波/噪聲)。

圖2　雷達微波信號頻譜

1.2　雜波環(huán)境的回波建模

雷達的探測就是通過對一串相參脈沖的回波信號處理以獲得目標信息，回波中不但含有與目標相關(guān)的時間延遲、多普勒頻移的有用信息，而且還有傳播衰減、RCS閃爍、雜波、噪聲及干擾的無用甚至有損的信息量。回波方程：

Sr(t)=AkσSt(t-τ)exp[j2π(fc+fd)t]exp
[-j4πfcRo/c]+Nc(t)+Nj(t)+NN(t)

(1)

式中：Sr(t)—雷達射頻信號；A—傳播衰減；k—空間傳播常數(shù)；σ—RCS起伏；τ—延遲時間；fc—載頻；fd—多普勒頻移；Nc(t)—雜波信號；Nj(t)—干擾信號；NN(t)—噪聲。

PD雷達通過對τ與fd檢測可以獲得目標距離與速度信息，而Nc(t)、Nj(t)與NN(t)都需要在信號處理過程中被剔除掉的分量。

1.2.1RCS起伏模型

SystemVue雷達模型庫中擁有多種目標回波模塊，例如常用的RADAR_Target模塊參數(shù)設置已經(jīng)包含回波方程中全部因子。按照統(tǒng)計學描述上可分，目標起伏模型擁有Swerling0(恒定RCS)、SwerlingⅠ(每次掃描目標變化獨立，且服從自由度為2為的χ2分布)，SwerlingⅡ(每個脈沖目標變化獨立，且服從自由度為2為的χ2分布)，SwerlingⅢ(每次掃描目標變化獨立，且服從自由度為4為的χ2分布)，SwerlingⅣ(每個脈沖目標變化獨立，且服從自由度為4為的χ2分布)[5]。

1.2.2雜波/噪聲模型

SystemVue軟件的雜波/噪聲模塊主要通過概率分布函數(shù)與功率譜密度進行定義，其中概率分布函數(shù)主要有瑞利分布、對數(shù)正態(tài)分布、韋伯分布、K分布等，雜波功率譜密度主要有高斯、柯西、全極點等類型。如圖3所示，這些雜波/噪聲(高斯噪聲)疊加到雷達回波信號上，回波信號已經(jīng)完全淹沒在雜波/噪聲中。

圖3　回波淹沒在噪聲中的結(jié)果

1.3　信號處理抗干擾措施

雷達系統(tǒng)接收目標回波信號的同時，還會接收天線波束照射范圍內(nèi)各種背景干擾雜波，而且干擾雜波強度比回波信號強30dB以上，即使雜波干擾與目標回波信號在時域上是分離的，也會影響到雜波附近的目標的分辨。雷達自動門限信號檢測是利用接收信號的合理采樣數(shù)據(jù)按照某種概率準測形成的，雜波的存在影響到了目標的準確檢測，同時也造成虛警率增大。此外，遮蓋性干擾也是基于類似的原理來降低接收信號信噪比，造成雷達對目標檢測的困難。因此，保留目標回波信號而抑制各種干擾雜波是要解決的一個重要問題[6-8]。

1.3.1抗干擾工作原理

區(qū)別運動目標回波與干擾雜波的理論基礎(chǔ)是建立在兩者的速度差異上，通常固定雜波多普勒頻率fdc在0附近，運動雜波的多普勒頻率fdc與運動目標回波的多普勒頻率fd二者之間也有差異。在相參PD雷達系統(tǒng)中，利用運動回波信號與干擾雜波在頻域上的特性差異，采用雜波抑制濾波器濾除各種干擾雜波，就可從干擾雜波背景中提取運動目標回波信號，稱之為“動目標顯示”(MTI)。在利用濾波后的回波信號脈沖串匹配的多普勒濾波器組抑制雜波，改善信雜比，實現(xiàn)脈沖串的相參積累以提高信噪比，增加在雜波背景中運動目標的檢測性能。稱之為“動目標檢測”(MTD)。經(jīng)過MTI與MTD處理后，仍存在有雜波干擾會影響到雷達自動門限檢測。根據(jù)掌握的雜波干擾概率分布數(shù)學模型，利用雜波與目標回波之間能量的差異，通過恒虛警檢測技術(shù)進一步剔除雜波，輸出較為純凈的目標回波信號[6]。

1.3.2抗干擾處理過程

雷達仿真系統(tǒng)的信號處理子模塊，首先將經(jīng)過接收機輸出為多路30M和差的視頻信號，接入脈沖壓縮(PC)模塊及脈沖匹配模塊進行脈沖匹配壓縮濾波處理。脈寬被壓縮而信號幅度被調(diào)高，可以實現(xiàn)高的距離分辨能力，有利于系統(tǒng)抑制有源干擾，但實際上脈沖處理后的回波信號仍是疊加在較強雜波背景中。

經(jīng)過PC處理后信號接入MTI模塊，MTI有多個類型可選擇：一次對消、二次對消及多次對消。實際工作多采用二次對消(又稱三脈沖對消)，二次對消的阻帶凹口比一次對消寬，對一些功率譜較寬的雜波抑制性能較好，零頻附近雜波大部分被消除。但通帶幅頻響應平坦度較差，對回波信號的能量會造成損失[5-7]。

MTD是PD雷達信號處理中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，經(jīng)過MTI后數(shù)據(jù)以一個CPI為單位存儲于數(shù)據(jù)矩陣中，含有回波信號距離與速度兩維信息?？v向各個點之間跨度代表相同的距離通道，橫向兩點寬度等于脈沖重復頻率。MTD處理通常采用濾波器組或FFT組進行距離-多普勒的兩維信號處理，采用的是FFT組對每一行的數(shù)據(jù)(距離相同，速度不同)依次進行處理得到多普勒頻移fd，對每一列數(shù)據(jù)(速度相同，距離不同)依次進行處理可以獲得延遲τ。經(jīng)過MTD處理后降低了雜波強度，同時信號幅度得到增強，信噪比得到了極大提高，也有利于運動雜波改善因子的提高。如圖4所示是經(jīng)過MTD處理后的回波圖。

圖4　MTD處理的結(jié)果

經(jīng)過MTD后的雜波被極大地削弱，但依然會影響到雷達自動門限檢測，必須采用恒虛警(CFAR)處理控制雷達虛警率(通常在10-6以下)。雷達模型庫中的CFAR模塊有CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR、WCA-CFAR等類型選項。CFAR可在時域或頻率上進行處理，文中的PD采用的在頻率上處理的CA-CFAR(平均單元)。CA-CFAR是在距離或多普勒間隔上進行的，以被檢測單元(CUT)為中心，兩側(cè)選取等數(shù)量的參考單元。為了防止參考單元內(nèi)出現(xiàn)目標，應在被檢測單位與參考單位之間保留一些保護單元。求得兩側(cè)參考單元的均值作為檢測門限與被檢測單元進行比較后輸出結(jié)果。仿真中可以改變CA-CFAR的檢測單元、保護單元與參考單元的選項設置來驗證CFAR效果，以便得到最優(yōu)化的CFAR參數(shù)設置值。如圖5為CFAR后的結(jié)果[6-7]。

圖5　CFAR處理后的結(jié)果

2　半實物仿真系統(tǒng)

半實物仿真系統(tǒng)(如圖6所示)以安裝有SystemVue軟件的計算機為控制核心，SystemVue軟件不但可以實現(xiàn)雷達功能和信號處理算法驗證，還可將每個處理環(huán)節(jié)輸出仿真數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口導出下載至儀器設備中產(chǎn)生真實的雷達信號。半實物仿真系統(tǒng)有雙通道(IQ基帶)與單通道(基帶射頻)兩種工作模式。雙通道模式是將仿真數(shù)據(jù)導入M890A任意波形發(fā)生器產(chǎn)生I、Q兩路基帶信號，利用E8267D矢量信號發(fā)生器的寬帶外部調(diào)制功能生成雷達信號。生成雷達信號(含有雜波)輸出給被測部件(如T/R組件、接收機、信號處理機等)，DUT處理后的信號輸出給實時信號分析儀N9030A進行信號各項指標的分析，以考評DUT抗干擾信號處理效果。單通道模式與雙通道唯一的不同是將雷達仿真數(shù)據(jù)直接下載至E8267D中直接調(diào)制出射頻信號，在軟件中將任意波形發(fā)生器下載端子屏蔽掉。此外，也可將仿真數(shù)據(jù)結(jié)果直接輸出到安裝矢量信號分析軟件VSA89600的實時信號分析儀中顯示雷達信號各項分析結(jié)果[8-9]。

圖6　半實物仿真系統(tǒng)組成框圖

3　結(jié)束語

采用SystemVue軟件是實現(xiàn)對現(xiàn)代雷達系統(tǒng)設計與仿真的一種高效的手段，不但實現(xiàn)雷達系統(tǒng)功能與信號處理算法的仿真，還可以將仿真數(shù)據(jù)下載至通用儀器搭建的半實物仿真系統(tǒng)中產(chǎn)生復雜環(huán)境中的較為真實的雷達信號。半實物仿真系統(tǒng)輸出頻率范圍涵蓋目前常規(guī)雷達的各波段，信號調(diào)制寬帶也遠遠超過目前產(chǎn)品的信號帶寬，尤其是輸出信號的品質(zhì)遠遠優(yōu)于雷達系統(tǒng)本身產(chǎn)生的各類信號。設計人員可以快速方便采用新穎的信號處理方法，并全面地評估雷達系統(tǒng)抗干擾的效果，縮短了研制周期，降低研發(fā)成本和風險，在研制方案論證，設計改進，系統(tǒng)測試及產(chǎn)品校驗等環(huán)節(jié)中起到關(guān)鍵性的作用。