一種被動相控陣?yán)走_(dá)全脈沖信號生成仿真技術(shù)

練學(xué)輝,張　然,楊玉亮,劉德虎

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003;

2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

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一種被動相控陣?yán)走_(dá)全脈沖信號生成仿真技術(shù)

練學(xué)輝1,張然2,楊玉亮2,劉德虎2

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003;

2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要:基于被動相控陣?yán)走_(dá),以給被動相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)處理提供典型測試用例為研究對象,設(shè)計(jì)了一種被動相控陣?yán)走_(dá)全脈沖生成仿真技術(shù)。該仿真技術(shù)主要完成被動探測資源調(diào)度仿真、被動全脈沖生成仿真以及仿真時序管理技術(shù)。通過在VxWorks系統(tǒng)上完成對全脈沖生成的功能仿真,為后續(xù)對被動相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)處理算法的研究奠定基礎(chǔ)。最后通過仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)了全脈沖的生成。

關(guān)鍵詞:全脈沖;被動相控陣?yán)走_(dá);VxWorks;功能仿真

0引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭的新形勢下,電子對抗是一個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域。作為雷達(dá)對抗系統(tǒng)的重要組成部分,被動雷達(dá)由于其作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速。而相控陣技術(shù)的多波束、多功能性、靈活性、高數(shù)據(jù)率等特點(diǎn)逐漸應(yīng)用到被動雷達(dá)的設(shè)計(jì)和研制中[1]。然而,在被動相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中,由于保密、經(jīng)費(fèi)、構(gòu)建實(shí)際作戰(zhàn)場景的困難性等原因,對雷達(dá)各系統(tǒng)的研究就難以做到重復(fù)測試、靈活開發(fā)。因此,系統(tǒng)仿真就成為研究雷達(dá)性能及其對抗效果的現(xiàn)實(shí)選擇[2]。目前,該技術(shù)在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用。

現(xiàn)有的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真技術(shù)基本是針對主動相控陣?yán)走_(dá),實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的功能級[3]或信號級的仿真[4]。本文結(jié)合被動相控陣?yán)走_(dá)的特點(diǎn),為了給被動數(shù)據(jù)處理提供測試用例,以艦載相控陣?yán)走_(dá)海面目標(biāo)的探測為例,設(shè)計(jì)了一種被動相控陣?yán)走_(dá)全脈沖生成仿真技術(shù)。該功能仿真重點(diǎn)完成了被動探測資源調(diào)度軟件技術(shù)、被動全脈沖生成仿真技術(shù)以及仿真時序管理技術(shù)。由于VxWorks系統(tǒng)在雷達(dá)仿真系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,本文采用VxWorks系統(tǒng)作為平臺進(jìn)行仿真,完成了被動相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的一種功能仿真。

1仿真技術(shù)概述

1.1被動相控陣?yán)走_(dá)特點(diǎn)

相控陣?yán)走_(dá)具有天線波束快速掃描能力,可以克服機(jī)械掃描天線波束指向轉(zhuǎn)換的慣性及由此帶來的對雷達(dá)性能的限制。被動相控陣?yán)走_(dá)具有多波束形成能力,依靠轉(zhuǎn)換波束控制信號,可以很方便地在一個重復(fù)周期內(nèi)形成多個指向不同的接收波束,并能擴(kuò)大空域覆蓋范圍,提高對目標(biāo)的截獲性能。

被動相控陣?yán)走_(dá)任務(wù)主要分為搜索和跟蹤,雷達(dá)本身不輻射能量,僅接收目標(biāo)輻射信號,相對主動雷達(dá)具有更好的隱蔽性。利用被動相控陣?yán)走_(dá)特點(diǎn)和輻射源信號傳輸特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度策略和輻射源傳輸仿真方法,對輻射源信號進(jìn)行截獲,從而實(shí)現(xiàn)全脈沖仿真,為被動數(shù)據(jù)處理部分提供測試用例。

1.2嵌入式VxWorks操作系統(tǒng)

VxWorks是由Wind River公司開發(fā)的一套具有微內(nèi)核、高性能、可伸縮性的實(shí)時操作系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是:微內(nèi)核結(jié)構(gòu)(最小結(jié)構(gòu)<8 kB)、高效的任務(wù)管理(多任務(wù),具有256個優(yōu)先級,優(yōu)先搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度,快速、確定的上下文轉(zhuǎn)換)、靈活的任務(wù)間通信(具有優(yōu)先級繼承的二進(jìn)制、計(jì)數(shù)、互斥信號量,以及消息隊(duì)列、套接字、共享內(nèi)存和信號異常處理)、微秒中斷處理[5]。

在眾多的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)中,VxWorks以其優(yōu)良的功能和卓越的性能成為多功能相控陣?yán)走_(dá)軟件平臺的首選。本文亦選用VxWorks操作系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)平臺,以提高仿真的通用性。

1.3仿真流程

根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)的工作原理,本文的被動全脈沖仿真技術(shù)的主要仿真流程如下:首先在顯示控制模塊設(shè)置參數(shù),包括被動雷達(dá)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和輻射源目標(biāo)參數(shù),并發(fā)送搜索任務(wù)申請至資源調(diào)度模塊;其次資源調(diào)度啟動被動雷達(dá)搜索仿真,完成相控陣天線模塊仿真,產(chǎn)生波束控制參數(shù)發(fā)送至全脈沖仿真模塊;然后全脈沖仿真模塊接收來自資源調(diào)度的相控陣天線信息和來自顯控模塊的輻射源信息,并通過仿真時序管理定時模擬輻射源信息產(chǎn)生的發(fā)射信號,保證與被動相控陣?yán)走_(dá)波控信息之間的同步;最后通過對信號傳輸過程、主被動天線相互調(diào)制等相應(yīng)功能的仿真,從而完成整個仿真過程。

仿真流程如圖1所示。其中顯示控制模塊完成搜索任務(wù)申請的發(fā)送以及輻射源參數(shù)信息的配置,通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定模塊,在此不作詳細(xì)闡述。

圖1　仿真流程

2被動探測資源調(diào)度技術(shù)

本文針對資源調(diào)度模塊,主要設(shè)計(jì)了一種基于VxWorks環(huán)境下的資源調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)方法。具體調(diào)度參數(shù)的設(shè)計(jì),如雷達(dá)帶寬、搜索波位編排、駐留時間設(shè)計(jì)、調(diào)度時間片設(shè)計(jì)等,受被動雷達(dá)參數(shù)和雷達(dá)探測指標(biāo)等因素的影響,即與仿真的應(yīng)用環(huán)境有關(guān),可參閱文獻(xiàn)[6-8]等相關(guān)文獻(xiàn)的論述。

根據(jù)被動相控陣?yán)走_(dá)掃描特點(diǎn),搜索過程中采用先方位后頻率的掃描方式。在接收到搜索任務(wù)申請時,根據(jù)帶寬進(jìn)行頻率的拆分并排序,使其對應(yīng)單頻率通道;然后根據(jù)相應(yīng)頻率下的波束掃描表和被動相控陣?yán)走_(dá)同時多波束個數(shù)進(jìn)行多波束調(diào)度,覆蓋搜索區(qū)方位范圍;最后由掃描得到的同時多波束方位指向、駐留起始時間、駐留時間長度和頻率等信息得到波束控制參數(shù)。

利用VxWorks高效的任務(wù)管理機(jī)制,資源調(diào)度模塊設(shè)計(jì)了3個任務(wù):搜索接收任務(wù)、搜索拆分排序任務(wù)和主調(diào)度任務(wù)。通過共享內(nèi)存以及信號量的方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信,實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行運(yùn)行,提高程序效率。實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

3被動全脈沖生成仿真技術(shù)

被動全脈沖生成仿真技術(shù)主要涉及接收來自被動探測資源調(diào)度技術(shù)仿真的波束控制參數(shù)、信號輻射的傳輸仿真及同時多波束接收截獲仿真,從而形成全脈沖信息。具體輻射源相關(guān)參數(shù)設(shè)置、天線方向圖等劇情信息根據(jù)需求設(shè)定,即與仿真的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)。目前,仿真設(shè)計(jì)可使用的輻射源類型包括一般普通體制雷達(dá)輻射源(如常規(guī)脈沖信號、頻率捷變信號、頻率分集信號、重頻參差信號、重頻抖動信號、重頻組變信號、重頻滑變信號等),以及多種復(fù)雜體制雷達(dá)輻射源(如 相控陣體制、兩維旋轉(zhuǎn)、頻掃三坐標(biāo)等)。 波束控制參數(shù)信息的接收通過SRIO通信傳輸,輻射源及主被動天線方向圖等劇情信息通過網(wǎng)絡(luò)信息傳輸。

圖2　調(diào)度實(shí)現(xiàn)流程

3.1信號輻射傳輸仿真

信號輻射源傳輸是指輻射源信號發(fā)射功率通過被動相控陣?yán)走_(dá)接收,產(chǎn)生全脈沖信號。該仿真技術(shù)主要包括多波束控制參數(shù)接收、主動天線掃描仿真、主被動天線方向圖使用、信號傳輸過程的仿真。

首先由接收到的波束控制參數(shù)定時觸發(fā)被動全脈沖生成模塊,根據(jù)波束控制參數(shù)的到達(dá)時刻及駐留時間更新輻射源及被動雷達(dá)的位置及天線指向。然后通過對信號輻射傳輸?shù)挠?jì)算得到各天線增益及損耗,其相關(guān)信息仿真方法如下:

(1) 對于輻射源信號的天線掃描模塊的仿真,通過天線掃描模塊模擬仿真出天線的機(jī)械環(huán)掃、扇掃、定位、停止功能。被動相控陣?yán)走_(dá)由于其天線指向靈活及波束可移動的特點(diǎn),不能通過有規(guī)律的仿真實(shí)現(xiàn)天線掃描,故需要通過資源調(diào)度的波束控制參數(shù)更新天線指向及波束寬度等信息。

(2) 對于主被動天線方向圖的使用,仿真中使用了以下兩種方式:

(a)根據(jù)相控陣天線陣面的形狀、陣元的個數(shù)和排列方式、陣元間距以及陣元幅度加權(quán)方式等相關(guān)參數(shù)來計(jì)算模擬相控陣天線方向圖特性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算天線增益:

(1)

式中,G為當(dāng)前天線指向?qū)?yīng)的增益,Gmax為天線最大增益,k是天線角度偏移與半波束寬度的比值。

(b)對于主動天線方向圖,事先建立天線方向圖數(shù)據(jù)庫,仿真時以數(shù)據(jù)文件的方式進(jìn)行預(yù)先裝載,然后查表調(diào)用數(shù)據(jù)庫內(nèi)所對應(yīng)的數(shù)值。

(3) 在信號輻射傳輸過程中對流層傳輸損耗一般較大,不易摧毀,所以需要考慮對流層散射帶來的損耗。對流層散射傳輸損耗與下列因素有關(guān):通信距離、工作頻率、散射角、大氣折射指數(shù)、天線的增益和架設(shè)高度、地形的幾何形狀等。散射傳輸損耗的計(jì)算多采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式。根據(jù)引起散射損耗的原因,將傳輸損耗分為若干個獨(dú)立項(xiàng)分別計(jì)算,主要包括自由空間傳輸損耗、基本散射損耗、大氣吸收損耗、天線低架損耗、天線介質(zhì)耦合損耗、天線偏移損耗等。本文在仿真設(shè)計(jì)中根據(jù)引起散射損耗的原因?qū)鬏敁p耗計(jì)算公式簡化如下[9]:

(2)

式中,Lbf為自由空間傳輸損耗,Ls為基本散射損耗,LA為大氣吸收損耗,Lr為天線低架損耗,Lc為天線介質(zhì)耦合損耗,Lo為天線偏移損耗。

3.2同時多波束接收截獲仿真

同時多波束接收截獲仿真是指在當(dāng)前波控任務(wù)駐留時刻采用時間步進(jìn)的方式定時獲取當(dāng)前輻射源的脈沖、位置、以及天線方位信息。根據(jù)資源調(diào)度波控參數(shù)、被動雷達(dá)位置等,通過主被動天線方向圖計(jì)算當(dāng)前增益,最后根據(jù)相關(guān)門限截獲得到符合要求的全脈沖信息。

理論上被動相控陣多波束方位及輻射源信號到達(dá)并被接收截獲的脈沖幅度如圖3所示。

圖3　理論上某方位波束及探測脈沖幅度示意圖

計(jì)算步驟如下:

(1) 輻射源天線指向相對于輻射源目標(biāo)方位的偏差:△方位= 180°-目標(biāo)方位 + 輻射源天線指向;

(2) 被動同時多波束天線指向相對于輻射源目標(biāo)方位的偏差:△方位=目標(biāo)方位-被動天線波束指向;

(3) 輻射源天線增益:見公式(1),或者用天線方向圖查表;

(4) 被動同時多波束主天線增益:見公式(1),或者用天線方向圖查表;

(5) 對流層散射傳輸損耗:見公式(2);

(6) 門限1:接收機(jī)靈敏度/輻射源天線最大增益+輻射源天線增益+被動主天線增益-對流層散射傳輸損耗;

(7) 輔助天線增益:根據(jù)被動輔助天線方位偏差對應(yīng)輔助天線方向圖查表得到輔助天線增益;

(8) 門限2/3:接收機(jī)靈敏度/輻射源天線最大增益+輻射源天線增益+被動輔助天線增益-對流層散射傳輸損耗;

(9) 當(dāng)前PDW幅度:輻射源天線最大增益+輻射源天線增益+被動天線增益-對流層散射傳輸損耗+接收機(jī)增益。

4仿真時序管理技術(shù)

利用VxWorks靈活的任務(wù)間通信和微秒中斷處理實(shí)現(xiàn)對仿真時序的控制。首先利用看門狗定時驅(qū)動調(diào)度執(zhí)行產(chǎn)生波束控制參數(shù),再將波束控制參數(shù)發(fā)送至全脈沖仿真模塊驅(qū)動全脈沖的生成,具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4　仿真時序流程圖

(1) 使用看門狗定時器實(shí)現(xiàn)調(diào)度時間片的控制,定時釋放信號量,驅(qū)動主調(diào)度任務(wù)按時間片進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度;

(2) 主調(diào)度任務(wù)接收到信號量,對調(diào)度當(dāng)前時刻T進(jìn)行維護(hù),每次T=T+50(時間片長度);

(3) 主調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時,有滿足執(zhí)行條件的任務(wù)申請時填寫波束控制參數(shù),將調(diào)度執(zhí)行的任務(wù)申請(搜索或跟蹤)駐留起始時刻填寫為當(dāng)前時刻,駐留時間長度填為任務(wù)申請的時間長度;

(4) 主調(diào)度任務(wù)當(dāng)前時間片結(jié)束,釋放信號量驅(qū)動波束控制參數(shù)發(fā)送至全脈沖仿真模塊;

(5) 全脈沖仿真模塊接收到波束控制參數(shù),根據(jù)任務(wù)的駐留起始時刻更新輻射源信息,并按駐留時間長度進(jìn)行全脈沖仿真生成。

5仿真結(jié)果

5.1仿真環(huán)境

(1) 硬件環(huán)境見表1。

表1　硬件環(huán)境

(2)軟件環(huán)境見表2。

表2　軟件環(huán)境

5.2仿真場景

(1) 設(shè)被動相控陣?yán)走_(dá)天線掃描范圍為±50°,掃描頻率范圍為0～10 GHz,掃描帶寬為60 MHz;

(2) 設(shè)調(diào)度片為70 ms,搜索任務(wù)駐留時間20 ms,方位可同時八波束駐留;

(3) 仿真以普通體制輻射源常規(guī)信號為例,仿真所發(fā)射的信號為線性調(diào)頻信號。輻射源相對被動雷達(dá)方位為45°,距離150 km;輻射源天線進(jìn)行環(huán)掃,其轉(zhuǎn)速為90°/s,波束寬度1.5°,天線峰值功率250 kW;頻率950 MHz,重復(fù)周期900 μs;

(4) 輻射源天線最大增益30 dB,被動天線最大增益20 dB;接收機(jī)靈敏度-67 dBm,接收機(jī)增益30 dB。

5.3仿真結(jié)果

根據(jù)仿真環(huán)境,常規(guī)信號輻射源可以準(zhǔn)確地被掃描出來并生成符合真實(shí)場景的全脈沖信息。由于輻射源天線掃描速度與被動探測雷達(dá)天線掃描速度的不一致和時間上的不相關(guān),兩者天線方向圖之間的互相調(diào)制將不可避免地導(dǎo)致被動雷達(dá)截獲的輻射源脈沖幅度起伏加劇,從而導(dǎo)致接收到的最大幅度所對應(yīng)的方位不一定就是輻射源的真實(shí)方位。通過對實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)場景進(jìn)行分析,仿真目標(biāo)完全在劇情信息的合理范圍內(nèi)。

6結(jié)束語

由于被動相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)實(shí)際作戰(zhàn)場景搭建困難,給被動數(shù)據(jù)處理算法的研究帶來很大限制。針對這一問題,本文設(shè)計(jì)了一種被動相控陣?yán)走_(dá)全脈沖生成仿真技術(shù),并在VxWorks環(huán)境下對本文仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),逼真地模擬了被動相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)下的全脈沖仿真。仿真結(jié)果的分析充分表明了該仿真技術(shù)的可行性和有效性,為研究被動相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理提供了仿真依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)平臺。通過應(yīng)用本文仿真技術(shù)對被動數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行研究,不僅能夠保證結(jié)果的正確、可靠,同時可以提高效率、節(jié)約成本,具備很好的工程實(shí)用價值。

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A simulation technology of full-pulse signal generation for passive phased array radar

LIAN Xue-hui1, ZHANG Ran2, YANG Yu-liang2, LIU De-hu2

(1.Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003；2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In order to supply typical test cases to the data processing of the passive phased array radar, a simulation technology of the full-pulse signal generation is designed, which mainly accomplishes the passive detection resource scheduling simulation, the full-pulse passive signal generation simulation, and the simulation sequential management technology. The functional simulation of the full-pulse signal generation is performed via the VxWorks system, laying the foundation for the future research of the data processing algorithm of the passive phased array radar. Finally, the full-pulse generation is realized through the simulation environment.

Keywords:full pulse; passive phased array radar; VxWorks; functional simulation

中圖分類號:TN958.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)01-0036-05

作者簡介:練學(xué)輝(1965-)，男，高級工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)；張然(1989-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；楊玉亮(1987-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)資源調(diào)度；劉德虎(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

收稿日期:2016-01-08；修回日期：2016-01-20