SystemVue在雷達系統仿真中的應用

趙 楊 尚朝軒 韓壯志

(軍械工程學院電子與光學工程系 石家莊 050003)

SystemVue在雷達系統仿真中的應用

趙 楊 尚朝軒 韓壯志

(軍械工程學院電子與光學工程系 石家莊 050003)

基于武器裝備仿真領域的現狀,根據不同的分類方法,詳細分析了現有的幾種不同的仿真手段,總結了雷達系統數字仿真領域的發展歷程,指出了傳統仿真軟件的缺點,闡述了SystemVue軟件在雷達系統仿真中的優越性。提出了使用SystemVue進行仿真建模的一般步驟,最后結合某脈沖多普勒雷達實例,介紹了主要仿真模塊,給出了仿真結果,對雷達系統仿真有一定的參考價值。

SystemVue; 雷達系統; 數字仿真; 脈沖多普勒

Class Number TN97

1 引言

根據仿真系統的不同實現形式,通?？蓪⒎抡嫦到y分為以下幾類：物理仿真、半實物仿真和數學仿真[1]。物理仿真即實物仿真,它是以物理性質和幾何形狀相似為基礎,構建實際物理模型并進行相關實驗的技術；半實物仿真,是將控制器(實物)與在計算機上實現的控制對象的仿真模型聯接在一起進行試驗的技術；數學仿真,是以數學模型為基礎的仿真,用數學模型代替實際的系統進行仿真實驗。

對比三者不難發現其中端倪。物理仿真與半實物仿真均是實時仿真,并且半實物仿真還需要解決控制器與仿真計算機接口的問題；數學仿真對實時性并沒有苛刻的要求,但不如其它兩種方式貼近實際。在實際仿真過程中,半實物仿真與數學仿真應用更為廣泛。在雷達電子戰領域,隨著計算機性能的提高及數字化裝備的普及,數學仿真逼真程度不斷提高,大有取代半實物仿真之勢。

2 數字式仿真

雷達系統的數學仿真中,數字仿真已經成為趨勢。數字仿真按仿真粒度可分為功能級仿真和信號級仿真；按仿真精細成度可分為基帶仿真和射頻仿真；按仿真引擎機制可分為數據流仿真和時間流仿真。

2.1 功能級仿真和信號級仿真

功能級仿真在雷達系統仿真中具有重要意義,它能夠利用仿真對雷達的各項性能進行評估。功能仿真常應用于模擬局部戰爭中雷達裝備的整個性能,典型的是采用HLA(高層體系結構)等仿真平臺建立分布式仿真環境[2～4],用抽象的數學模型,按照HLA規范模擬雷達等裝備的功能。由于功能級仿真中普遍存在數學模型過于簡化的問題,只能用簡單的數學方程或公式代替雷達系統的各項功能,仿真粒度過于粗糙,不能對雷達的各個模塊進行精細化的仿真。

信號級雷達系統仿真方法通過模擬雷達、目標、雜波、噪聲以及信號發射、傳輸、接收、處理等各個關鍵環節,每個環節都包含了信號在幅度與相位上的信息,建立完整的雷達、目標、環境間信息流動與信號處理的動態、閉環仿真環境,實現了對整個雷達工作過程的全過程仿真,對研究雷達威力、探測跟蹤能力、抗干擾能力有良好的參考價值,為裝備的研制、驗收、定裝提供了靈活的仿真試驗平臺。

2.2 射頻仿真和基帶仿真

現代雷達系統中,由于裝備的數字化程度和集成度很高,在仿真中基本上可以分為射頻仿真和基帶仿真。基帶仿真貫穿于雷達信號產生到信號處理結束的整個過程,主要考慮基帶矢量信號的處理過程,是雷達系統仿真的前輩們首先涉足的領域,雷達系統的基帶部分目前基本上全部數字化了,非常適于數據流仿真。射頻仿真需要充分考慮器件高頻非線性等因素,更多的需要從頻域的角度進行仿真,對雷達射頻部分的非線性特性需要有精確的掌握。

以往射頻部分一般采取功能仿真,仿真仍不夠精細,許多可能發生的非理想因素還是被忽略了,如采用ADS等專業射頻分析軟件進行協同仿真,軟件之間的互聯互通會導致運算速度很,這也影響了雷達系統仿真的進一步發展。

2.3 數據流仿真和時間流仿真

系統仿真軟件按照信號仿真的實現形式,可以分為時間流仿真和數據流仿真。時間流仿真系統是在仿真過程中,系統的每個模塊都用常微分數學方程建模,然后用龍格-庫塔等算法在每個時間步長求解出模塊的輸出,保證時間同步性。數據流仿真系統是在仿真過程中,各功能模塊按先后順序執行點對點的數據處理,并沒有時間上的同步。

傳統的自動控制、模擬電路等領域的仿真多是采用時間流仿真,例如單脈沖雷達的天線跟蹤伺服系統。而現代雷達系統的信號處理過程中通常沒諸多的反饋環節,尤其是相控陣體制的雷達,不需要對天線伺服系統進行仿真,因此數據流仿真在雷達系統仿真,尤其是雷達信號處理系統領域使用更為普遍。

隨著雷達裝備仿真的不斷深入,仿真程度越來越精細,以上提及的諸多方面不是完全割裂開的,在同一時間、同一地點可能需要同時用到多種屬性,這就需要仿真平臺能夠在突出自身屬性的同時兼顧到其它幾個屬性,而以往的仿真軟件則很難能夠兼顧。下面介紹幾個常用的雷達系統數字仿真平臺,進而闡述SystemVue軟件在雷達系統仿真方面的優勢。

3 雷達系統信號級數字仿真平臺

數字仿真始于20世紀70年代,80年代計算機仿真理論逐漸成熟,在90年代隨著計算機技術的飛速發展,尤其在國外計算機已經開始走進千家萬戶,雷達系統仿真得到了迅速發展。以HLA為代表的功能級仿真平臺有其優勢,但隨著數字技術的發展,信號級仿真平臺正在不斷提高自身運行速度與數據處理能力,功能級仿真平臺的優勢在不斷縮小。

3.1 早期的SPW系統仿真平臺

美國Cadence公司的SPW(Signal Processing Worksystem)軟件是最早的支持雷達系統仿真的商用電子系統級仿真平臺[5]。西安電子科技大學的雷達信號處理國家重點實驗室在SPW平臺的基礎上進行了雷達系統模型庫的開發,對部分雷達組件進行建模,取得了一定的成果。但是由于SPW軟件是基于Unix、Linux等系統,普及程度不高,應用范圍受限。2010年,CoWare公司被合并,SPW平臺中包括雷達庫在內的大量專業庫被移除,轉而專注于移動通信信號處理仿真。

3.2 廣泛應用的Matlab與Simulink仿真平臺

相對于SPW仿真平臺,Mathworks公司開發的Matlab仿真軟件在國內各個仿真及其它領域應用非常廣泛[6-7]。由于Matlab具有強大的數值計算和數據處理能力,并且有較強的圖表分析能力,編程人員能快速地對程序進行編譯和校驗,大大提高工作效率。

Simulink軟件包是Matlab工作環境下的一個仿真子平臺,適用于動態系統模型的建模和仿真,用戶能夠在相應的圖形用戶界面上,建立需要的系統仿真模型。Simulink還提供了系統函數(S函數),故用戶可使用多種高級語言實現仿真模型構建,實現自定義Simulink模塊。但是其缺點也顯而易見,比如執行速度慢,不能生成可執行文件,雷達專業模型庫極不完備,需要結合其他軟件才能實現端口控制和實時控制等。

3.3 SystemVue仿真平臺的優勢

SystemVue是Agilent公司近些年大力發展的一款電子系統級仿真工具軟件,主要針對于通信、雷達、導航和電子戰等領域。它以圖符化模塊構建理論模型,是一個適用于動態系統分析的仿真平臺,能夠對系統設計進行數字仿真,完成系統性能的合理分析和仿真評估[8]。其分析窗口可根據系統運行結果同時展現多個仿真波形圖、頻譜圖等等,方便用戶對比分析,還可以根據需要改變數據接收器的參數,快速繪制出時域、頻域等多種曲線圖。

相比較常用的幾種系統仿真軟件,SystemVue在雷達系統仿真中的優勢主要有以下幾個方面[9～11]：

1) 射頻仿真能力

傳統軟件通常缺少射頻模塊,只能用近似模塊進行代替,若要進行射頻仿真,用戶需進行大量的編程工作,導致工作量大幅提升。而SystemVue中具備射頻模塊設計資源庫,包括射頻放大器、衰減器、濾波器、旋轉開關等器件模塊。

2) 完備的模型庫

SystemVue具有完備的雷達、電子戰資源庫,覆蓋了雷達、電子戰系統仿真的方方面面,為用戶提供了便利條件,用戶能夠集中時間用于關鍵模塊設計上。

3) 面向對象的模塊化界面

SystemVue具有模塊化結構,仿真系統更加貼近裝備實際,這種模塊化的結構也是現代武器裝備結構的發展趨勢。而且設計者還能夠根據自己的需求對相應功能模塊進行優化和改進,創造新的功能模塊。

4) 與常用軟件的交互能力

系統仿真過程中常會運用到大量信號處理算法,以往這些較為成熟的算法通常是利用Matlab等軟件進行編譯的,最新版本的SystemVue可以完全兼容Matlab。其中的Matlab模塊不僅具有調用m文件的能力,并且可以根據用戶的需要,設置輸入和輸出端口的數量以及數據格式等,在算法實現部分可大量調用模塊。

5) 豐富的用戶自定義功能

在SystemVue的雷達庫模型中,大多數模塊都擁有用戶自編輯的功能,用戶可以在系統模型的基礎上對其進行更改,或者直接編輯產生需要的模塊,既方便了用戶的編輯,又拓展了該模塊的功能,能夠滿足特定用戶的特殊要求。

6) 可擴充可重用可嵌套

SystemVue軟件可以通過建立子系統,實現無限層的嵌套、擴充。該軟件能夠對復雜雷達系統的仿真。這種子系統結構實際上是將復雜系統按照一定的層級關系進行分層,使得仿真系統中各個仿真單元清晰化,這樣的結構設計能夠使用戶在短時間內清晰地了解一個龐大復雜的仿真系統。

4 SystemVue仿真設計流程

SystemVue仿真平臺憑借著其圖符化、模塊化的設計,順應現代雷達電子裝備模塊化、數字化的趨勢,非常符合雷達電子戰領域設計人員的認識,在仿真實現上易懂易行。簡言之,利用SystemVue仿真平臺進行雷達系統仿真設計時,由上而下進行設計,由下而上進行實現。

4.1 頂層構建

仿真系統的實現,需要明確整個仿真系統的架構。這里又分幾個小步驟。

4.1.1 確定層級

頂層構建首先需要明確該仿真系統分為幾層。整個系統的實現不應當把所有的模塊都堆積到顯示屏幕上,即使精心布局的連線也會導致仿真界面不夠簡潔,甚至引起誤連、混連。故分層尤其重要,充分利用SystemVue平臺可重復、多層嵌套的功能。

4.1.2 劃分功能模塊

確定層級之后,需要根據仿真對象的側重,劃分功能模塊。通常雷達仿真系統可以分為：平臺位置模塊、天線控制模塊、射頻傳遞模塊、信號處理模塊；在特殊的平臺設計,比如多基地雷達系統的設計中,可能還會涉及到坐標轉換模塊等。

4.1.3 明確自定義模塊

在動手仿真之前,用戶要根據自身需要,明確自身需要構建哪些功能模塊,哪些模塊需要調用C++或者Matlab進行實現。用戶應當盡量充分利用SystemVue中的雷達庫模塊,既節省自身時間,又能提高仿真速度,進而集中精力完善自定義模塊。

4.2 底層實現

在頂層設計完畢后,即需要用戶由下向上,從最底層開始逐步向上完成仿真平臺的搭建。每做好一層,便對該層進行測試,測試結果符合預期,即可完成該層的封裝,進而轉向上一層的仿真,最后完成整個仿真系統的搭建。

5 基于SystemVue的脈沖多普勒雷達系統仿真

5.1 某型脈沖多普勒雷達

SystemVue中的雷達庫主要是面向雷達和電子戰系統仿真,下面以脈沖多普勒雷達(PD-Radar)為例,對其仿真過程加以介紹。其框圖如圖1所示。

該仿真系統按順序主要包括脈沖信號產生器、上變頻器、射頻發射器、天線、雜波、射頻接收器、包絡信號轉換器、動目標檢測(MTD)、恒虛警率(CFAR)處理器、信號檢測以及各自對應的數據接收器等模塊。脈沖信號經上變頻調制后,通過發射機將脈沖信號從天線發射出去,加入雜波,產生的回波信號經接收機接收后進行數字下變頻,然后在零中頻上對回波信號做MTD以及CFAR等處理。

圖1 PD雷達仿真系統

以脈沖信號產生器為例,其實現模塊如圖2所示；圖3所示為線性調頻信號模塊,SystemVue中還有很多復雜的信號產生模塊,比如參差重頻等模塊等,在此不一一列舉。

圖2 脈沖信號產生

圖3 線性調頻信號產生

仿真系統中大部分模塊還包括底層實現模塊。以雜波模塊為例,其底層模塊如圖4所示。

圖4 雜波底層模塊

其余模塊如MTD以及CFAR等模塊的底層實現,可仿照雜波模塊,用雷達庫中的模塊進行構建；也可以根據自身需要調用Matlab等模塊協助實現。在SystemVue的最新版本中已經完全兼容Matlab以及C++,用戶可以方便地把設計好的程序移植到仿真系統當中。

5.2 仿真測試結果

圖5 回波信號

圖6 1點MTD

圖7 32點MTD

圖8 CFAR處理結果

該雷達系統的仿真結果如下圖所示,圖5為接收機接收到的帶有雜波的混合信號,目標信號被淹沒在雜波中。圖6為經過1點MTD處理后的回波信號,回波信號仍然淹沒在雜波之中；圖7為經過32點MTD處理之后的回波信號,目標信號淹沒在雜波中,但其幅度大于雜波信號；圖8為經過CFAR處理后的清晰可見的目標信號。

6 結語

在雷達系統仿真中,不同的仿真軟件都有各自的優勢。而SystemVue是一款基于數據流又能控制時間、強在基帶處理但射頻部分同樣完備、可實現功能仿真又能深入到信號層面的集大成者,在雷達系統仿真領域已經得到了越來越多的重視。本文介紹了用SystemVue仿真的基本流程,以簡單的脈沖多普勒雷達實例,講述了SystemVue軟件在雷達系統仿真上的應用,并展示了其仿真結果。SystemVue仿真軟件以其獨特的新穎性以及完備的雷達模型庫,將在雷達系統仿真領域中擁有更為廣闊的發展空間。

[1] 馮德軍,王雪松,肖順平.現代雷達電子戰系統建模與仿真[M].北京:電子工業出版社,2010.

[2] 李彥志,候慧群,蘆建輝,等.基于HLA的機載PD雷達系統仿真[J].系統仿真學報,2008(24):6654-6663.

[3] 孫琪.基于HLA的雷達對抗系統仿真[D].西安:西安電子科技大學,2013.

[4] 李連軍,甘斌,郝佳新.基于HLA的雷達組網仿真及應用研究[J].系統仿真學報,2013(s1):162-166.

[5] 劉鈺英,尚朝軒,何強等.基于SPW平臺的逆合成孔徑雷達成像[J].現代電子技術,2006,29(5):1-3.

[6] 王桃桃.基于Matlab/Simulink的機載相控陣雷達系統的仿真研究[D].南京:南京航空航天大學,2014.

[7] 楊琪,鄧彬,王宏強,等.基于Simulink的太赫茲雷達系統仿真[J].太赫茲科學與電子信息學報,2013(2):73-78.

[8] 金德鵬,吳昊,肖振宇,等.基于SystemVue的單載波超寬帶系統仿真[J].傳感器與微系統,2012,31(4):7-13.

[9] David L, Anurag B. Radar system design and interference analysis using agilent SystemVue[Z]. Agilent Technologies Application Note,2010.

[10] Using Agilent SystemVue to create realistic scenarios for radar and EW applications[Z]. Agilent Technologies Application Note,2012.

[11] Using SystemVue’s radar library to generate signals for radar design and verification[Z]. Agilent Technologies Application Note, 2011.

An Application for Radar System Simulation Based on SystemVue

ZHAO Yang SHANG Chaoxuan HAN Zhuangzhi

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

According to the different classification methods, based on the status of weapons and equipment simulation, a detailed analysis of the existing several different means of simulation is conducted, the development in the field of radar system digital simulation is summarized, the shortcomings of the traditional simulation software are pointed out and the superiority of the SystemVue software in radar system simulation is put out. The general procedure of using SystemVue is came up with, finally combining with an instance of a pulse doppler radar, this paper introduces the main simulation module, gives the simulation results, which has certain reference value in radar system simulation.

SystemVue, radar system, digital simulation, pulse doppler

2016年7月9日,

2016年8月26日

趙楊,男,碩士研究生,研究方向:電子對抗,射頻隱身。尚朝軒,男,博士,教授,研究方向:電子對抗,雷達信號處理。韓壯志,男,博士,副教授,研究方向:電子對抗,雷達信號處理。

TN97

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.019