雷達對抗數字仿真系統設計研究

馬 輝，孫 健，劉正堂，王 興

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

作為電子對抗的重要內容，雷達對抗一直扮演著主角。隨著電磁技術的飛速發展，尤其是對作戰機群而言，通過多種體制雷達相互組網以及信息融合，已經能夠實現對遠距離目標的高精度靜默偵測，大大增加了防御難度。為了有效提高電子對抗效率和效果，免于受時間、空間以及設備限制，就需要借助一種更為便捷高效的訓練工具，即雷達對抗模擬器[1-2]。

雷達對抗模擬器的研究始于20世紀60年代初，在20世紀70年代中期，獲得了很大發展，出現了時間分割多輻射模擬系統，這種系統采用數字隨機存儲器和高速電壓控制振蕩器，可以對射頻單通道進行時間分割，產生多達16個不同的輻射源。20世紀80年代，隨著個人計算機的開發和應用，以及系統集成化、微型化技術的發展，雷達對抗模擬器的技術水平和系統性能大大提高。進入20世紀90年代以后，計算機軟、硬件的不斷發展，促進了雷達對抗模擬器的飛速發展，同時，電子戰裝備的發展對模擬器也有了更新的要求[3]。進入21世紀，面對日益復雜的電磁威脅環境，雷達對抗模擬系統的技術要求更高，并進入全面發展的時代。世界各國軍方已經普遍應用計算機化的模擬作戰和訓練設備，模擬技術廣泛應用于武器系統和作戰系統的研究、設計、試驗和操作訓練的各個方面，有力地促進了電子戰系統的發展[4-5]。

現有的雷達對抗模擬器往往存在兩大弊端，一方面是體積過大，為了實現信號的逼真重現，一些廠家以及研究機構在硬件上下了很大功夫，這樣雖然能夠保證仿真及內部運算處理過程更貼近實際的雷達對抗過程，但帶來的最顯著的問題就是設備體積過大，龐大的機箱、機柜大大限制了實際的使用效率[6-7]；另一方面，部分雷達對抗模擬器依托的是系統級仿真技術，缺乏對信號級數字仿真技術的深入研究，致使仿真運算、回波生成以及多波束空間耦合等關鍵的對抗過程出現失真，與實際對抗結果存在較大出入，影響電子對抗戰力的提升。為此，本文依托信號級的數字仿真技術，著眼于實際對抗需求，從便攜好用的角度出發，探索一種雷達對抗數字仿真交互系統的設計方法，為改善電子對抗效果提供更為豐富有效的手段。

1 系統的架構及主要功能

數字仿真系統主要由實體運動特性仿真、實體雷達特性仿真、雷達信息處理過程仿真、信息顯示及性能評估、框架流程控制及任務管理模塊五大部分組成。其中框架流程控制及任務管理模塊是系統的核心，主要實現對各仿真模塊的有序調用和對仿真流程進行控制(如仿真的開始、結束和暫停等)，此外該模塊還用于實現對全局數據文件的操作和管理等。

2 關鍵仿真技術設計

1)實體運動特性仿真

實體運動特性仿真部分主要分為目標運動特性仿真、干擾運動特性仿真和雷達運動特性仿真模塊三大部分。目標運動模塊主要根據用戶指定的仿真場景，在統一的三維笛卡爾坐標系中，對目標的六自由度運動特性進行仿真，輸出仿真時刻目標的狀態信息(如目標的位置、速度、加速度、姿態等)。干擾運動模塊主要是實現干擾運動特性的仿真，如果干擾是機載干擾，此時干擾和飛機平臺具有相同的運動特性，那么干擾運動特性可以直接利用目標運動特性模塊的輸出即可。雷達運動特性模塊則負責對導彈的運動特性進行仿真，在用戶指定的運動規律(如末制導規律等)下，生成雷達的運動軌跡和其狀態量，如平臺的位置、速度和加速度信息等，便于計算雷達和目標及干擾的相對狀態。

2)雷達散射特性仿真

雷達散射特性部分主要由目標雷達散射特性仿真模塊、雷達干擾特性仿真模塊、雷達傳輸及處理損耗仿真模塊、熱噪聲特性仿真和雜波雷達散射特性仿真模塊五部分組成。目標雷達散射特性仿真模塊利用用戶指定的目標多散射中心配置文件(或電磁計算得到的不同方位和不同俯仰角上目標RCS數據文件)以及目標雷達的相對狀態信息生成多個脈沖的目標雷達中頻回波序列。雷達干擾特性仿真模塊根據技術文檔中設計到的各種典型干擾對雷達系統的干擾原理，并根據雷達和目標的狀態關系生成干擾信號的雷達回波。雷達傳輸及處理損耗仿真模塊主要用于對雷達傳輸過程以及下變頻、自動增益控制中涉及到的系統損耗進行定制，并將該影響加入到雷達、干擾和雜波的雷達回波的仿真中，使仿真過程更加接近實際雷達處理過程。熱噪聲特性仿真主要用于模擬指定分布的雷達接收機熱噪聲，一般認為接收機熱噪聲為高斯白噪聲。雜波雷達散射特性仿真模塊主要用于實現對地面或海面雜波的模擬，可以根據仿真速度要求選擇是網格法或統計模型法生成面雜波回波數據。

3)雷達信息處理仿真

雷達信息處理部分主要包括和差三通道信號合成仿真模塊、雷達天線傳輸及伺服仿真模塊、雷達信號處理仿真模塊、雷達數據處理仿真模塊四個子模塊。其中和差三通道信號合成仿真模塊主要完成單脈沖測角體制下雷達回波信號的和通道、方位差通道和俯仰差通道的信號生成。雷達天線傳輸及伺服仿真模塊主要用于實現對雷達天線方向圖的模擬，以及天線伺服系統的簡單模擬。雷達信號處理仿真模塊主要用于完成回波信號的數字下變頻、正交化處理、數據抽取、脈沖壓縮、脈間相參積累處理、目標檢測、目標干擾鑒別等功能，其輸出是雷達的檢測報告。雷達信息處理部分是整個系統核心功能，其四個子模塊也是按信號處理流程的各環節功能近似原則而設置，數據流為層次遞進關系。該部分的各子模塊的數據均被送入到圖形化界面顯示，可以很方便地對各部分的輸出進行監控。

4)仿真信息交互

信息顯示及性能評估部分主要由圖形用戶接口模塊、圖形化數據顯示模塊和干擾性能評估模塊等三個子模塊構成。圖形用戶接口模塊提供了用戶和系統交互的界面，主要包括主界面及菜單、工具條、各種類型的控件和自定義的對話框等，圖形用戶接口模塊使得用戶可以設置運動實體運動特性中目標、干擾和導彈的初始狀態信息以及目標和干擾的運動模型等。圖形用戶接口模塊還提供了對散射特性中各個子模塊特征參數的交互功能。圖形化數據顯示模塊主要用于顯示仿真過程中的各種狀態字和波形等，給用戶呈現動態的仿真體驗。干擾性能評估模塊則根據仿真場景中目標干擾等的真實狀態值和經過處理后得到的估計值之間的差異，計算性能指標參數，干擾性能評估模塊過程可以實現離線或事后的數據處理。

3 雷達對抗仿真模型構建

1)目標回波模型

雷達目標回波模型為：

(1)

式中，Ls為雷達系統綜合損耗，包括發射綜合損耗、接收綜合損耗、大氣損耗、脈壓損耗以及雙程波束損耗等；gvt(θ)為發射天線方向圖；gvr(θ)為接收天線方向圖；σ為目標RCS；b為調頻斜率；f0為雷達工作頻率；Tr為脈沖重復間隔；Tp為脈沖寬度；Pt為雷達發射機峰值功率；ARF為射頻濾波放大系數；R(t)為目標與雷達的瞬時距離；fm為捷變頻增量；fd為多普勒頻率；R0目標與雷達的初始距離。

雷達接收機信號模型為：

在時刻t上，目標與雷達斜距為R(t)，在很短的時間內可以認為目標的運動速度是勻速的，雷達在一個波束駐留時間內發射脈沖個數為N，則第k個脈沖，雷達接收到的射頻信號為：

(2)

2)噪聲干擾模型

壓制式干擾中的噪聲干擾是具有多種干擾效果樣式的干擾方式，主要可分為寬帶阻塞式噪聲干擾和窄帶瞄準式噪聲干擾。在實際應用中，為得到強的干擾功率以壓制和掩蓋雷達信號，多采用噪聲調制干擾。

設干擾信號為寬帶噪聲信號，發射功率為Pj，中心頻率為fi，帶寬為Bj。雷達接收機的帶寬為Br。由于是寬帶噪聲信號，則Bj≥Br，該過程可以認為是白噪聲通過窄帶系統的過程。因此雷達接收機的干擾信號可用一個窄帶隨機過程表示。雷達接收機中放輸出端的干擾信號可以表示為：

Gv(θJ)GJAJ(t)exp(j2πfIFt+?(t))KRFGIFLIF

(3)

噪聲調幅干擾對雷達的作用：其對雷達系統起兩部分作用，一是載波功率，它的干擾作用相當于正弦波干擾，即引起波形的畸變，壓制弱信號，造成接收機過載；二是起伏功率，它的干擾作用相當于純噪聲干擾，即輸出起伏噪聲掩蓋目標信號。由于噪聲調幅干擾的帶寬僅為調制噪聲的2倍，而調制噪聲的帶寬一般為5～10 MHz，所以干擾帶寬約為10～20 MHz，這只能成為瞄準式干擾機。由于帶寬窄，所以對頻率瞄準精度要求高，當瞄準誤差大于干擾帶寬的一半時，載波能量將不能進入接收機，干擾效果將大為下降，鑒于上述原因，噪聲調幅干擾的運用極為有限。

3)典型目標模擬

典型目標模擬模塊仿真雷達典型目標及其目標特性，模擬對抗時，在任務設置過程中可設置不同目標作為對抗任務目標，為雷達回波信號仿真生成提供目標特性輸入，支持配置或導入目標的電磁散射特性數據，如RCS、散射點、成像數據等，如表1、圖1所示。

表1 單站RCS導入格式

圖1 飛機目標RCS空間分布

4 結束語

本文借助信號級數字仿真技術，提出了一種雷達對抗數字仿真系統的設計方法，給出了系統架構和主要功能。以此為基礎，對實體運動特性仿真、雷達散射特性仿真、雷達信息處理仿真以及仿真信息交互等內部關鍵仿真部分進行了具體的技術設計，并分別建立了回波模型、干擾模型以及典型目標模型。在提升便攜性的同時，通過內部信號級仿真運算，提高實際仿真逼真性，為電子對抗效果的改善提供更為豐富有效的手段和工具。■