雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真技術(shù)

杜俊杰,張曉菲

(1.海裝駐北京地區(qū)第三軍事代表室,北京 100074;2.北京華航無線電測(cè)量研究所,北京 102445)

0 引言

隨著空天裝備技術(shù)的發(fā)展以及空天目標(biāo)探測(cè)要求的不斷提高,空天雷達(dá)呈現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求高、集成度高、綜合性強(qiáng)、專業(yè)耦合度高、研制周期短、成本壓縮嚴(yán)重等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的研發(fā)手段和能力布局只支持在實(shí)物樣機(jī)上進(jìn)行雷達(dá)功能和性能的測(cè)試驗(yàn)證,已經(jīng)不能適應(yīng)新一代雷達(dá)設(shè)計(jì)研制的需求。為快速、高質(zhì)量地完成雷達(dá)的研制,迫切需要采用先進(jìn)的數(shù)字化研發(fā)手段。在虛擬樣機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的背景下,建立高逼真度的雷達(dá)數(shù)字樣機(jī),可有效支撐新一代空天雷達(dá)的設(shè)計(jì)和仿真,有助于更加科學(xué)、合理地對(duì)雷達(dá)性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究開始較早,美國(guó)軍方在20世紀(jì)80年代就已頒布了IDEF(ICAM definition method)數(shù)字化模型標(biāo)準(zhǔn)[1]。20 世紀(jì)末,美歐部分國(guó)家和地區(qū)在雷達(dá)設(shè)計(jì)及分析領(lǐng)域已初步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。21世紀(jì)初至今,仿真技術(shù)已覆蓋到雷達(dá)各領(lǐng)域,如星載小平臺(tái)遙感系統(tǒng)仿真、相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)建模與信號(hào)處理仿真、合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)建模及成像性能仿真等。在復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)方面,國(guó)外學(xué)者已經(jīng)取得了大量理論研究成果。GOTTLIEB等[2]對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)中的外部仿真工具集成方法和元模型表達(dá)方法進(jìn)行了深入的研究。NINIOS等[3]對(duì)面向?qū)ο蟮膮f(xié)同仿真平臺(tái)進(jìn)行了研究。

國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究起步較晚。從20世紀(jì)90年代開始,李伯虎等[4-5]經(jīng)過對(duì)虛擬樣機(jī)多年的研究與實(shí)踐,提出了“復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程”的概念。針對(duì)這一概念,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程中的關(guān)鍵技術(shù)開展了大量研究,主要涉及建模方法、多學(xué)科協(xié)同仿真、一體化平臺(tái)、模型庫管理等[6-9]。雷達(dá)數(shù)字仿真領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量研究成果。文獻(xiàn)[10]在Visual Studio 2010平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了完整的反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)仿真,對(duì)目標(biāo)的搜索跟蹤過程進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)[11]在Visual C++6.0軟件開發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的單脈沖雷達(dá)軟件仿真系統(tǒng)。國(guó)防科技大學(xué)開發(fā)的 KD-RTI (run time infrastructure)仿真軟件,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和電子對(duì)抗系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的對(duì)抗仿真。西安科技大學(xué)基于SPW(signal processing workshop)軟件進(jìn)行二次開發(fā),對(duì)雷達(dá)模型庫進(jìn)行了建立、擴(kuò)充和系統(tǒng)仿真,取得了一定的成果。但因開發(fā)環(huán)境成本較高,該研究成果未得到有效推廣。

到目前為止,我國(guó)雷達(dá)系統(tǒng)的仿真主要還是基于SPW、ADS(advanced design system)、VC++、Matlab 的Simulink 等已有的軟件平臺(tái),構(gòu)建基于參數(shù)和函數(shù)的模型,完成系統(tǒng)的數(shù)字仿真。雖然取得了一些成果,但對(duì)高逼真度的信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真研究較少。同時(shí)由于雷達(dá)系統(tǒng)較為復(fù)雜,涉及專業(yè)較多,各子系統(tǒng)的相互耦合影響無法有效模擬。目前我國(guó)雷達(dá)系統(tǒng)各專業(yè)仿真主要存在以下幾方面問題:

a) 各專業(yè)仿真軟件建模層次不一致,且均局限于本專業(yè)領(lǐng)域的性能仿真,對(duì)專業(yè)間的相互影響無法模擬;

b) 仿真軟件平臺(tái)兼容性不夠,使得開發(fā)的模型應(yīng)用受限,無法有效支撐協(xié)同設(shè)計(jì);

c) 仿真軟件的人機(jī)交互界面不友好,給仿真帶來不便;

d) 缺乏軟件模型和數(shù)據(jù)文件的管理維護(hù),基礎(chǔ)模型查找困難且更新不便。

本文結(jié)合前期的研究成果和相關(guān)實(shí)踐,根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的研制特點(diǎn),開展數(shù)字/模擬集成電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)仿真、多處理器信號(hào)協(xié)同處理等多個(gè)專業(yè)協(xié)同的雷達(dá)信號(hào)級(jí)數(shù)字建模仿真方法研究。

2 雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 信號(hào)級(jí)仿真方法分析

虛擬樣機(jī)數(shù)字仿真是一門多學(xué)科融合的技術(shù)。當(dāng)前的數(shù)字仿真主要有兩類:功能級(jí)仿真和信號(hào)級(jí)仿真。二者的不同之處在于:功能級(jí)仿真只處理信號(hào)的幅度信息,適合建立高度抽象的系統(tǒng)級(jí)參數(shù)模型;而信號(hào)級(jí)仿真既處理信號(hào)的幅度信息又處理信號(hào)的相位信息,可表征信號(hào)處理內(nèi)部信息的交互關(guān)系,適用于性能指標(biāo)驗(yàn)證或優(yōu)化模型的建立。

數(shù)字仿真雖然逼真度略遜于半實(shí)物仿真,但具有研制經(jīng)費(fèi)低、使用方便靈活等特點(diǎn)。尤其是在方案論證和設(shè)計(jì)階段,利用數(shù)字仿真技術(shù)確定設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)是非常有效的。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,包括雷達(dá)、無線電通信等在內(nèi)的現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)都在向數(shù)字化方向快速發(fā)展。例如在雷達(dá)系統(tǒng)中,系統(tǒng)控制、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、顯示等功能大部分是用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。同樣,偵察接收機(jī)、輻射源信號(hào)分選處理器、干擾資源控制管理器、數(shù)字化干擾源等都采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)。因此,利用數(shù)字仿真技術(shù)在信號(hào)及信息處理層面對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真,在一定程度上能夠滿足雷達(dá)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)和效能評(píng)估的逼真度要求。

2.2 信號(hào)級(jí)仿真建模

雷達(dá)信號(hào)級(jí)仿真是對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的本質(zhì)屬性、功能及性能進(jìn)行分析,并獲得試驗(yàn)結(jié)論的研究過程。信號(hào)級(jí)仿真建模過程由一系列基本研究步驟組成,如圖1所示。

圖1 雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真建模步驟

第一步:仿真應(yīng)用需求分析。主要針對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用需求,選擇適合的建模方法及匹配的模型顆粒度。

第二步:仿真對(duì)象系統(tǒng)分析。通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的詳細(xì)分析,提煉出能反映實(shí)際系統(tǒng)本質(zhì)屬性的各種因素(性能指標(biāo)參數(shù)、工作流程、工作模式、信號(hào)處理算法等)及相互關(guān)系,為下一步的系統(tǒng)建模奠定理論基礎(chǔ)。

第三步:系統(tǒng)仿真模型建立。根據(jù)第二步分析得到的結(jié)果,建立實(shí)際系統(tǒng)的仿真模型,并對(duì)仿真模型的輸入、輸出及控制數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理,用于后續(xù)模型算法和軟件的校驗(yàn)和測(cè)試。同時(shí)對(duì)模型結(jié)構(gòu)和模型數(shù)據(jù)采用專家評(píng)價(jià)法進(jìn)行確認(rèn),以保證所建立的模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)有合理的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常這是一個(gè)靜態(tài)的理論分析過程。

第四步:模型算法軟件編制。將上述的概念模型轉(zhuǎn)化為在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序代碼,該步驟對(duì)復(fù)雜信號(hào)處理設(shè)備的仿真特別關(guān)鍵。模型算法可以采用通用語言或仿真語言編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于復(fù)雜的信號(hào)級(jí)仿真模型,應(yīng)采用面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語言進(jìn)行驗(yàn)證,再進(jìn)行實(shí)際工程語言實(shí)現(xiàn)。

第五步:模型算法校核驗(yàn)證。算法校驗(yàn)過程也是系統(tǒng)仿真中的關(guān)鍵步驟,通過校驗(yàn)的算法模型可用于下一步仿真系統(tǒng)軟件編制。

第六步:仿真系統(tǒng)軟件編制。即對(duì)行為級(jí)的模型進(jìn)行建模,主要有描述電磁環(huán)境對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能影響的環(huán)境模型,以及用于雷達(dá)系統(tǒng)與外部環(huán)境信息交互的服務(wù)模型等。將這些模型進(jìn)行有序組合,即可構(gòu)成完整的仿真模型。

第七步:仿真模型確認(rèn)測(cè)試。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)開展研究,設(shè)計(jì)典型的真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)景。對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)與評(píng)估,特別針對(duì)顆粒度較細(xì)的信號(hào)級(jí)仿真,模型設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,需從不同的視角,對(duì)模型進(jìn)行全面測(cè)試。

最后一步:仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析。評(píng)估能否利用仿真模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)仿真模型的隨機(jī)變量,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,給出評(píng)估指標(biāo),支撐后續(xù)方案的迭代優(yōu)化。

2.3 信號(hào)級(jí)模型劃分

雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)模型是建立在一個(gè)或多個(gè)不同專業(yè)領(lǐng)域上的模型,依賴不同子系統(tǒng)模型的集成,按照數(shù)據(jù)流傳輸關(guān)系,完成動(dòng)態(tài)的數(shù)字仿真模擬。通過對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和模塊間接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),完成模塊間的調(diào)用及信息交互,實(shí)現(xiàn)協(xié)同聯(lián)合仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,實(shí)現(xiàn)用戶需求的閉合。同時(shí)可與物理樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比,完成模型的校驗(yàn)及迭代,最終達(dá)到模型指導(dǎo)物理樣機(jī)工程研制的目標(biāo)。一般情況下,雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)模型將隨著產(chǎn)品研制不斷細(xì)化、迭代和完善,最終形成一套全生命周期的系統(tǒng)模型。雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)模型框架如圖2所示。

圖2 雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)模型框架

雷達(dá)虛擬樣機(jī)由電子系統(tǒng)仿真軟件和雷達(dá)系統(tǒng)模型庫兩部分組成。電子系統(tǒng)仿真軟件包括核心運(yùn)行環(huán)境及系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)模塊。通過對(duì)電路、參數(shù)及算法等進(jìn)行信號(hào)級(jí)建模,完成雷達(dá)波形、射頻系統(tǒng)及信號(hào)處理算法仿真,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)性能的定量分析和指標(biāo)評(píng)估。雷達(dá)系統(tǒng)模型庫由基礎(chǔ)模型庫、樣機(jī)模型庫、信號(hào)處理算法庫、典型測(cè)試場(chǎng)景用例庫等組成。其中,基礎(chǔ)模型庫主要用于提供雷達(dá)波形和噪聲、雜波等信號(hào)模型,以及射頻系統(tǒng)、中頻系統(tǒng)、模數(shù)變換電路等雷達(dá)子系統(tǒng)的信號(hào)級(jí)模型。通過對(duì)基礎(chǔ)模型庫的集成,可形成不同體制雷達(dá)樣機(jī)模型庫。

3 雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真支撐環(huán)境

雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真方法是通過模擬雷達(dá)、目標(biāo)、環(huán)境各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)流的處理過程,建立完整的雷達(dá)、目標(biāo)、環(huán)境間信息流動(dòng)與處理的動(dòng)態(tài)閉環(huán)仿真環(huán)境,為后續(xù)的物理樣機(jī)研制及算法研究提供支撐。

雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)建模的支撐環(huán)境應(yīng)具備下列特征:

a) 提供一個(gè)集成、開放的建模環(huán)境,在該環(huán)境下可以進(jìn)行電路級(jí)、參數(shù)級(jí)、算法級(jí)的子系統(tǒng)數(shù)字化建模,以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)級(jí)仿真及復(fù)雜場(chǎng)景的仿真;

b) 具備射頻和基帶子系統(tǒng)信號(hào)級(jí)聯(lián)合仿真能力,可綜合考慮射頻、信號(hào)處理、控制等子系統(tǒng)參數(shù)間的相互影響;

c) 提供一個(gè)開放、準(zhǔn)確、高效的仿真控制和分析平臺(tái),在該平臺(tái)上可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真時(shí)序進(jìn)行控制,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能與性能指標(biāo)的分析評(píng)估;

d) 提供一系列可用于子系統(tǒng)中各參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)交互通道,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化樣機(jī)在不同層次上的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高模型逼真度的迭代效率;

e) 提供一個(gè)集成、開放且能與不同環(huán)境或平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)互訪的數(shù)據(jù)庫,從而實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)在全生命周期內(nèi)的開放性,最大限度提高所建樣機(jī)的可操作性。

4 雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真關(guān)鍵技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種數(shù)字化的設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證手段,為突破物理樣機(jī)和仿真試驗(yàn)的快速迭代驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)提供了重要支撐。結(jié)合國(guó)內(nèi)建模仿真研究存在的主要問題,如仿真無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)則、多種開發(fā)軟件不能兼容、仿真模型的擴(kuò)展性和可維護(hù)性較差等,對(duì)雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

(1) 多專業(yè)虛擬樣機(jī)模型庫構(gòu)建技術(shù)

雷達(dá)虛擬樣機(jī)用于描述雷達(dá)客觀存在的物理特性。因雷達(dá)系統(tǒng)較為復(fù)雜,且各子系統(tǒng)相互之間耦合緊密,其模型不僅要覆蓋天線、射頻、控制、信號(hào)處理等不同專業(yè),還要考慮關(guān)鍵器件的非理想因素,如射頻損傷等。雷達(dá)系統(tǒng)模型種類復(fù)雜,精確構(gòu)建難度較大。隨著未來空天領(lǐng)域?qū)走_(dá)探測(cè)及抗干擾能力要求的不斷提升,雷達(dá)逐漸向多維度、多波段、高集成方向發(fā)展,對(duì)模型的多樣性、通用性、逼真度和構(gòu)建的便利性都提出了更高的要求。為了快速實(shí)現(xiàn)定制化系統(tǒng)模型庫,模型的描述方法研究和標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)也是模型庫構(gòu)建的一項(xiàng)大工程。

(2) 射頻和基帶信號(hào)的混合仿真技術(shù)

雷達(dá)系統(tǒng)由信號(hào)處理、射頻、天線等子系統(tǒng)構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)波形生成、射頻發(fā)射、回波生成、射頻接收、中頻接收、基帶信號(hào)處理等完整鏈路的信號(hào)級(jí)仿真,要求虛擬樣機(jī)具備基帶信號(hào)與射頻信號(hào)的混合仿真能力。電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)[12-13]提供了同步數(shù)據(jù)流仿真引擎和射頻系統(tǒng)仿真引擎,可以采用時(shí)域仿真和頻域仿真等多種技術(shù)。先進(jìn)行頻域仿真,射頻信號(hào)經(jīng)下變頻等處理后,再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)仿真,并對(duì)基帶信號(hào)處理子系統(tǒng)與微波子系統(tǒng)混合仿真的時(shí)間同步進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)基帶和射頻仿真的整合,用于評(píng)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

(3) 多平臺(tái)協(xié)同仿真技術(shù)

多平臺(tái)協(xié)同仿真技術(shù)是在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上,利用虛擬樣機(jī)一體化驗(yàn)證平臺(tái),根據(jù)仿真任務(wù)的需求,調(diào)用不同平臺(tái)模型,通過軟件提供的開發(fā)接口,按照特定控制時(shí)序,實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)協(xié)同仿真控制。因此雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)協(xié)同仿真技術(shù),不僅要實(shí)現(xiàn)接口的通用化、人機(jī)的友好交互、數(shù)據(jù)的共享訪問與傳輸,還要解決數(shù)據(jù)處理量較大模型(如雷達(dá)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)耦合模型、信號(hào)處理算法模型、雜波模型等)的時(shí)間同步問題,以免影響任務(wù)調(diào)度。

(4) 模型管理技術(shù)

雷達(dá)系統(tǒng)較為復(fù)雜,在建模仿真過程中會(huì)生成大量的數(shù)據(jù)文件。對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理,不僅能夠方便技術(shù)人員進(jìn)行模型開發(fā)以及查閱,更可為日后的數(shù)據(jù)維護(hù)和優(yōu)化提供有效保障。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)具有平臺(tái)服務(wù)器搭建、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等功能,可以實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)模型信息與仿真信息的存儲(chǔ)、共享與管理,同時(shí)形成友好的人機(jī)交互界面。

5 雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真應(yīng)用場(chǎng)景

結(jié)合上述虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)建模方法及關(guān)鍵技術(shù)研究成果,針對(duì)雷達(dá)、目標(biāo)和干擾環(huán)境相互耦合影響,導(dǎo)致高逼真仿真實(shí)現(xiàn)難度較大的問題,本文提出一種多專業(yè)協(xié)同的信號(hào)級(jí)仿真技術(shù),從仿真模型庫構(gòu)建、信號(hào)流仿真控制、模型分析和評(píng)估等方面,實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同的雷達(dá)虛擬樣機(jī)全流程信號(hào)級(jí)仿真。該虛擬樣機(jī)用以支撐產(chǎn)品方案論證、指標(biāo)分解優(yōu)化、整機(jī)仿真驗(yàn)證,支撐實(shí)物樣機(jī)的迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化及輔助驗(yàn)證,并支撐產(chǎn)品的快速研制,快速實(shí)現(xiàn)虛擬模型到實(shí)物樣機(jī)的轉(zhuǎn)換。

5.1 模型建立

以典型主動(dòng)雷達(dá)為例,開展虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)數(shù)字建模仿真。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求,將雷達(dá)虛擬樣機(jī)模型庫分為射頻和基帶子系統(tǒng)模型庫、目標(biāo)環(huán)境模型庫、信號(hào)處理算法模型庫、典型測(cè)試用例模型庫等,其組成如圖3所示。

圖3 典型主動(dòng)雷達(dá)虛擬樣機(jī)模型庫組成框圖

首先,進(jìn)行信號(hào)級(jí)建模,建立射頻模型、基帶子系統(tǒng)模型、目標(biāo)回波模型、干擾及雜波模型、目標(biāo)回波模型等基本模型。射頻模型為基于器件的原理性模型,模擬其硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì),主要包括頻率綜合器模型、發(fā)射機(jī)模型、天饋模型、雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、伺服系統(tǒng)模型、接收機(jī)模型等?；鶐ё酉到y(tǒng)模型包括通信接口模型和基帶數(shù)字接收模型。目標(biāo)環(huán)境模型主要包括目標(biāo)雷達(dá)散射截面積(RCS)模型、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、目標(biāo)回波模型及干擾、雜波模型等。

然后,基于多線程編程的仿真方法,模擬基于多核DSP信號(hào)處理系統(tǒng)的并行流水機(jī)制和各軟硬件耦合模塊數(shù)據(jù)通信功能,進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)序控制、檢測(cè)跟蹤等信號(hào)處理算法模型庫的建立,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè)及仿真結(jié)果上報(bào)。信號(hào)處理多線程仿真流程如圖4所示。通過對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)多處理器協(xié)同工作方式的模擬仿真,實(shí)現(xiàn)代碼的快速移植。

圖4 信號(hào)處理多線程仿真流程框圖

最后,利用Matlab軟件的界面工具,開發(fā)綜合仿真控制界面,實(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)設(shè)置、仿真控制、仿真結(jié)果后處理與顯示、仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出、仿真控制指令發(fā)送等功能,用于后續(xù)仿真結(jié)果分析。

5.2 信號(hào)流仿真控制

利用仿真平臺(tái)高性能數(shù)據(jù)流仿真引擎,建立了系統(tǒng)控制界面與射頻及信號(hào)處理等子系統(tǒng)間、時(shí)序控制模塊與信號(hào)處理子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了模擬目標(biāo)回波條件下,雷達(dá)系統(tǒng)射頻和基帶全鏈路的數(shù)字化閉環(huán)仿真。其仿真數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 仿真數(shù)據(jù)流示意圖

5.3 模型分析和評(píng)估

以方案指標(biāo)閉合迭代優(yōu)化為目標(biāo),進(jìn)行仿真模型的應(yīng)用驗(yàn)證。通過構(gòu)建典型仿真測(cè)試用例模型,包括目標(biāo)、干擾、雷達(dá)工作參數(shù)等的配置,對(duì)射頻及信號(hào)處理等子系統(tǒng)參數(shù)間的相互耦合影響關(guān)系進(jìn)行模擬。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析,可以協(xié)助方案指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

模型仿真結(jié)果正確性可以從仿真時(shí)序控制、模型參數(shù)提取、混合仿真耦合影響等方面進(jìn)行評(píng)判。通過對(duì)產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)的參數(shù)(調(diào)制脈沖寬度、距離波門寬度、脈沖重復(fù)周期等)與時(shí)序配置參數(shù)的一致性進(jìn)行對(duì)比,分析仿真時(shí)序控制的正確性。對(duì)原始目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行采樣和參數(shù)(脈寬、帶寬、幅度、信噪比等)提取,結(jié)合裝訂目標(biāo)和干擾特征參數(shù)(距離、角度、速度、雷達(dá)散射截面積、干擾類型等),分析目標(biāo)模型、干擾模型、射頻模型、信號(hào)處理目標(biāo)提取算法模型以及抗干擾流程的正確性,并將模型和流程的正確性作為信號(hào)處理仿真代碼能否在實(shí)物硬件平臺(tái)快速移植的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)射頻模型各個(gè)關(guān)鍵器件的監(jiān)測(cè)信號(hào)及目標(biāo)上報(bào)結(jié)果進(jìn)行提取,一方面分析射頻和基帶的相互影響,另一方面聯(lián)合分析整機(jī)電性能指標(biāo),如發(fā)射功率、天線增益、噪聲系數(shù)、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等的閉合性。耦合影響下指標(biāo)的閉合性將作為各射頻子系統(tǒng)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

對(duì)典型主動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)建模,并對(duì)仿真模型進(jìn)行了分析和評(píng)估。結(jié)果表明,該方案解決了不同專業(yè)仿真平臺(tái)的聯(lián)合仿真問題,具有射頻和基帶混合仿真能力,可以實(shí)現(xiàn)射頻和基帶、目標(biāo)和干擾之間相互耦合影響的信號(hào)級(jí)模擬。通過對(duì)射頻模型進(jìn)行器件級(jí)原理性仿真建模,并形成通用的基礎(chǔ)模型庫,可以有效指導(dǎo)物理樣機(jī)的研制。采用多線程編程技術(shù),可以有效模擬多處理器信號(hào)處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)軟件代碼在硬件平臺(tái)上的快速移植。通過對(duì)仿真結(jié)果的提取,可以協(xié)助不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員協(xié)同完成方案指標(biāo)的閉合分析。

6 結(jié)束語

雷達(dá)虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真技術(shù)可以解決多專業(yè)聯(lián)合仿真的問題,消除各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤島。通過內(nèi)場(chǎng)場(chǎng)景構(gòu)建,可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員完成對(duì)雷達(dá)方案性能指標(biāo)的評(píng)估及優(yōu)化。目前建立的干擾、目標(biāo)回波等模型比較單一,且逼真度不夠,導(dǎo)致虛擬樣機(jī)對(duì)抗干擾算法的驗(yàn)證優(yōu)化作用受限。因此,在虛擬樣機(jī)應(yīng)用時(shí),需結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)虛擬樣機(jī)技術(shù)成果和空天雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),在以下幾個(gè)方面開展深入研究。

(1) 考慮力、熱、電耦合的建模技術(shù)

雷達(dá)虛擬樣機(jī)的信號(hào)級(jí)仿真是對(duì)射頻和基帶模型進(jìn)行電路級(jí)、參數(shù)級(jí)建模,但對(duì)于對(duì)力、熱環(huán)境因素等較為敏感的系統(tǒng),如伺服系統(tǒng)、頻率綜合器等,應(yīng)從建模原理和建模方法等方面對(duì)建模的有效性進(jìn)行研究。

(2) 高逼真度回波建模技術(shù)

初期信號(hào)級(jí)仿真模型一般用于基本電性能指標(biāo)評(píng)估,若回波模型逼真度不夠,在抗干擾算法迭代優(yōu)化的應(yīng)用上會(huì)存在不足。雷達(dá)面臨的目標(biāo)和干擾類型眾多,場(chǎng)景復(fù)雜,同時(shí)目標(biāo)RCS和極化等電磁特性受外界環(huán)境、雷達(dá)視線方向等因素影響較大。如何精準(zhǔn)地構(gòu)建高逼真度回波模型,消除耦合因素的影響,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)的精準(zhǔn)仿真仍是一個(gè)難題。后續(xù)應(yīng)從多學(xué)科角度綜合考慮,開展動(dòng)態(tài)回波模型設(shè)計(jì)。

(3) 仿真效率優(yōu)化技術(shù)

隨著模型的復(fù)雜度越來越高,模型的計(jì)算量越來越大,對(duì)仿真的速度及效率提出了更高的要求。設(shè)計(jì)合理的多學(xué)科建模及交互方法是提高虛擬樣機(jī)仿真速度的有效途徑。

綜上所述,虛擬樣機(jī)信號(hào)級(jí)仿真技術(shù)作為一種新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證手段,可較真實(shí)地模擬、評(píng)估雷達(dá)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo),為產(chǎn)品的方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制提供有效指導(dǎo)。隨著雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境日益復(fù)雜,復(fù)雜電子設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)虛擬樣機(jī)建模需求將越來越大。研究不同層次的高逼真度的數(shù)字仿真模型,可以為雷達(dá)系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)和性能評(píng)估提供有效的技術(shù)支撐。