雷達對抗環境長時間信號模擬的方法實現

吳陽勇， 李文海， 孫偉超， 吳忠德

(海軍航空大學218實驗室， 煙臺 264001)

機載自衛電子對抗系統是作戰飛機進行電磁威脅環境態勢感知、消除或降低被敵方發現和攻擊風險的主要手段，對于提升航空兵突防、突擊作戰的成功率以及載機平臺的生存率起著至關重要的作用[1-3]。隨著飛機使用年限的增長，相對于出廠狀態，機載自衛電子對抗系統將不可避免地出現性能變化，構建貼近實戰的長時間訓練電磁環境(主要為雷達對抗環境)運用技術手段在地面準確掌握系統的實際性能狀態，能夠有效地保證對抗系統的性能及飛機的作戰能力[4]。國外在模擬仿真復雜的雷達對抗環境領域起步較早，技術也比較成熟，研究成果已經廣泛地應用于軍用及民用領域，但由于技術及高技術產品的封鎖，真正能借鑒的地方不多。中國在這方面的研究，雖然起步較晚，但是研究成果也是值得肯定的[5-6]。文獻[7]針對復雜的雷達信號環境研制和分析了環境的組成要素，開發了雷達信號環境全數字仿真模擬系統，實現了信號模型的仿真驗證。文獻[8]針對戰場復雜電磁環境試驗測試需求，基于現有的儀器和仿真軟件，搭建了戰場復雜電磁環境信號半實物激勵系統，通過軟件與雷達信號模擬器的結合生成對應的雷達信號。上述兩種方式在實現雷達環境仿真方面都取得了較好的效果。但是，兩種方式或者說現階段雷達信號生成的主流大多為通過(In-phase/Quadrature，IQ)波形來描述信號。這種生成方式雖然信號制式靈活，但是需要占用很大的內存空間，即高密度場景模擬的時間受限。上述問題極大地限制了部隊開展機載電子對抗裝備部分動態性能的檢測，使得部隊無法準確掌握裝備的實際性能，開展有效的訓練。

為解決部隊現階段機載自衛電子對抗系統測試所需長時間、高密度、逼真、可信的雷達對抗環境問題。現深入分析雷達對抗環境的構成要素，給出典型的信號樣式數學模型并通過R&S?Pulse Sequencer軟件生成各體制雷達信號的PDW文件。最終，將生成的多個脈沖描述字(pulse description word,PDW)列表組合成一個輸出信號(即復雜的雷達對抗環境信號PDW集合)，導入到雷達信號模擬器中，通過觀測頻譜儀上信號頻譜特點來實現信號模型的驗證。

相對于純硬件該方式實驗成本較低，可重復性較好，可以實現高密度雷達信號的長時間模擬。在一定程度上為現階段部隊機載自衛對抗系統的動態性能測試提供了一個有效可行的解決思路。

1 IQ調制與PDW描述信號內存對比

如上文中引言所提到的，現階段針對雷達信號的描述與存儲方式，大多數都以IQ調制波形為主。通常情況下使用IQ 波形來描述時，1個樣點通常為4 B，假設在3 GHz 帶寬內跳頻，脈沖密度為100 000脈沖/s，采樣率為10 G/s條件下。通過IQ調制方式來產生并存儲一個單脈沖調制雷達信號波形時，模擬5 s該雷達信號，需要的數據內存容量為4(B)×10(G/s)×5(s)=200 G。

可見即使模擬如此短的時間所需的內存量都是非常龐大的，這對硬件的實現提出了很高的要求，費用也是非常高的。

多種體制雷達信號的描述與存儲主要是通過借助R&S?Pulse Sequencer軟件形成信號PDW文本來實現。在R&S?Pulse Sequencer軟件中需要自己根據信號數學模型進行PDW定義，軟件中專用的PDW格式是一個固定長度的格式，每個PDW占用存儲空間為32 Byte。在相同的條件下如果采用PDW文件的方式描述上述雷達信號所需的存儲空間為32×8(B)×100 000(脈沖/s)×5(s)=128 MB。

模擬相同時間雷達信號所需的存儲空間較小，可以使信號數據傳輸與存儲的過程變得相對簡單，能夠有效地進行長時間的場景模擬。

2 多體制雷達信號模型建立

機載自衛對抗系統在執行任務過程中，會接收來自多方向、多體制高密度的雷達信號的照射，將所面對的環境稱為雷達對抗環境，如圖1所示為機載自衛對抗系統雷達對抗環境模擬圖。如果要構建逼真、可信的雷達對抗環境，必須深入分析環境中信號的構成要素并建立準確可靠的數學模型，最終通過軟件自定義生成信號數字波形PDW文件庫。

圖1 機載自衛對抗系統雷達對抗環境模擬圖Fig.1 A simulation of the airborne defense countermeasures system radar against the environment

根據前期部隊的機載自衛對抗裝備調研情況，目前機載對抗系統在雷達對抗空間中遭遇的雷達信號體制主要包括以下幾種類型:常規脈沖調制信號、重頻參差雷達信號、重頻抖動雷達信號、脈沖壓縮雷達信號、捷變頻雷達信號和相位編碼脈沖信號模型等[9]。

2.1 常規脈沖調制信號模型

常規脈沖調制信號(簡單脈沖信號)是指載頻、脈沖重復間隔和脈沖寬度均固定不變的信號[10]。從目前的雷達信號體制使用情況來看，在相參脈沖串信號中，該體制信號是最常用的雷達脈沖信號。常規脈沖調制信號的時域模型為

(1)

(2)

常規脈沖雷達信號的脈沖重復間隔(PRI)可表示為

PRI1=PRI2=PRI3=…=PRIn=固定值

(3)

PRI的變化范圍滿足條件為

(4)

2.2 重頻參差雷達信號模型

重頻參差雷達信號具有反偵察能力，與常規脈沖調制雷達相比不會產生距離和速度模糊，重頻參差雷達信號在雷達對抗環境中也是應用最為常見的一種信號[11]。其數學表達式為

(5)

式(5)中：k為信號不同脈沖重復間隔數目；l為自然數；作為k的倍乘數，i為第i個脈沖。若參差雷達信號中存在k個確定的脈沖重復間隔，可記為(PRI1,PRI2,…，PRIk)。脈沖重復間隔也可稱為信號幀周期，在重頻參差雷達信號中，幀的周期以及幀的子周期是其信號的兩個重要的參量。子周期表示幀周期之間的小間隔PRIi，PRIi的和等于幀周期。

重頻參差信號的實現方式主要可以分為固定值參差和成組參差兩種。在實際進行雷達對抗環境仿真過程中，為了方便PDW文件定義，通過幾個固定的PRI值來定義該體制雷達信號。脈沖到達時間計算準確與否是定義該體制雷達信號的關鍵。通常可以通過信號脈沖之間的PRI來得到第n個脈沖的脈沖到達時間TOA為

TOAn=TOAn-1+PRIn-1

(6)

2.3 重頻抖動雷達信號模型

重頻抖動體制雷達信號的應用也十分廣泛，其信號的主要特點為信號PRI的大小以一個中心值為中心，在一定的范圍內隨機抖動變化[12]。信號數學模型可建立為

PRIi=PRI0+γPRI0rand(-1,1)

(7)

式(7)中：PRI0為信號PRI的中心值；γ為最大抖動量，一般取值為5%以內。

2.4 線性調頻脈沖壓縮雷達信號模型

脈沖壓縮雷達信號不僅能提高雷達的作用距離，還能增強其距離分辨率。采用脈沖壓縮體制的雷達一般采用較大的脈沖寬度來提高發射信號的平均功率，從而能保證雷達具有足夠大的探測距離；在接收信號回波時，對相應的信號采取脈沖壓縮算法獲得窄脈沖，來提高雷達的距離分辨率，能夠很好地解決該體制雷達的作用距離與距離分辨率之間的矛盾。

在接收雷達脈沖信號時采用匹配濾波器(matched filter)進行線性調頻(linear frequency modulation,LFM)來壓縮脈沖，這也是最常用的調制方式[13]。

LFM脈沖壓縮雷達信號(也稱chirp 信號)的數學模型可建立為

(8)

s(t)=S(t)ej2πfct

(9)

式(9)中：S(t)為信號s(t)的復包絡。通過傅里葉變換可以計算得到兩者具有相同幅頻特性，只有中心頻率不相同，所以在進行該體制雷達信號PDW文件定義時，只需要考慮S(t)，即僅對復包絡進行參數的分解與定義。S(t)表達式為

(10)

2.5 脈沖頻率捷變信號模型

脈沖頻率捷變雷達信號的載頻變化的方式與線性調頻信號在脈內對載頻直接進行調制的方式不同，而是在脈沖或者多個脈組之間在一定的范圍里隨機變化，或者滿足一定的變化規律[14]為f(t)=f0+N0，其中f0表示信號的中心頻率，N0在一定范圍內服從均勻分布隨機序列。

S(t)=A(t)cos(2πf(t)+φ0)

(11)

式(11)中：A(t)為信號包絡；f(t)為捷變頻率。

脈間及脈組的頻率捷變信號的模型可表示為

(12)

式(12)中：fk為信號的捷變頻率；Tr為脈沖重復間隔。

2.6 相位編碼脈沖信號模型

相位編碼脈沖調制信號在雷達信號調制類型分類中，屬于非線性的相位調制。相位編碼信號按相位取值數目可分為二相碼和多相碼。其中二相碼是目前研究最為廣泛的一類相位編碼信號，其主要的體現形式包括巴克碼、m序列、L序列碼等形式[15]。該體制雷達信號在發射的過程中具有隨機性，這也使該體制雷達信號具有較強的抗干擾性以及距離、速度分辨率。其數學模型可建立為

S(t)=μ(t)ej2πf0t=a(t)ejφ(t)+2πf0t

(13)

式(13)中:μ(t)=ejφ(t)為信號的復包絡；φ(t)為信號的相位調制函數；a(t)為信號的幅度調制函數。二相編碼，相位調制函數φ(t)取值可用集合φk={0,π}，或集合ck={+1,-1}來表示，當μ(t)=ejφ(t)為矩形包絡輸出時，則可得到信號的復包絡模型及子脈沖函數為

(14)

k為脈沖編號，子脈沖函數為

(15)

a(t)的表達式為

(16)

式(16)中：W為信號脈沖寬；P為信號碼長度；Δ=PW為編碼信號的長度。

3 雷達信號PDW生成及仿真

雷達信號生成的步驟主要有單體制及多體制雷達信號PDW文件生成、信號生成、信號驗證三大塊，其具體流程及步驟如圖2所示。

圖2 雷達信號模擬流程圖Fig.2 Radar signal simulation flow chart

3.1 單體制雷達信號PDW文件

在實際應用中，R&S?Pulse Sequencer軟件的信號庫有限，無法直接利用軟件簡單的設置參數來生成雷達對抗環境特殊體制信號PDW文件。通過軟件中信號自建庫custom窗口根據信號數學模型的特點，分別生成所需要的PDW文件。在此過程中，需要對參數及模型進行不斷的調試與修改，直至得到最終所需要的PDW文件。

圖3所示為自定義創建某體制雷達信號數據源；是基于軟件信號庫的原有信號形式的二次開發，通過不斷地與原有庫進行比對，加入特殊體制信號的一些特殊參數如頻段、寬度等，生成的文件可存儲于軟件中。

圖3 自定義單體制雷達信號PDW文件創建Fig.3 Custom single system radar signal PDW file creation process

圖4 雷達信號PDW文件列表Fig.4 List of radar signal PDW files

根據不同的雷達體制信號的特征參數的數學模型二次開發定義并生成的脈沖描述字文件列表如圖4所示，TXT文件為描述信號特征的數據文件；pdwt文件為用于解釋、帶有數據通信協議的模板文件，根據預設定的信號場景自行定義得到，并對軟件函數信號庫信號特征及參數進行了補充。

在生成文件過程中必須嚴格按照軟件手冊中的PDW專用格式，文件中每個PDW占用一行，進行信號脈沖描述字各參數的排列。每個PDW基本參數包括脈沖到達時間(TOA)、脈沖寬度(PW)、脈沖調制頻率(Freq)、脈沖調制類型(MOP)、脈沖幅度(PA)、脈沖到達角(Phase)[16]。

3.2 單體制雷達信號生成

通過二次開發自定義生成的信號PDW文件由于參數的改變是無法通過R&S?Pulse Sequencer軟件進行有效的識別。軟硬件數據兼容性問題也會導致產生所需要雷達信號的PDW文件，無法直接通過網線或數據傳輸線導入數據直接觸發雷達信號模擬器生成對應雷達射頻信號。通過充分解析雷達信號模擬器與軟件之間的傳輸協議，生成PDW文件的導入模板。

圖5所示為PDW輸出文件形成流程圖；圖6所示為在軟件中通過自定義信號PDW文件及自定義描述模塊形成雷達信號模擬器可識別文件。

圖6 單體制雷達信號PDW文件生成圖Fig.6 PDW file generation diagram of single system radar signal

模板的主要作用為對軟件生成PDW文件進行解析，包括文件頭、正文、結尾。

將經過自定義導入模塊生成的PDW數據通過數據傳輸線導入到雷達信號模擬器中，在模擬器顯示界面得到如圖7所示的PDW文件信號參數界面，即通過模板文件已將PDW文件轉化為模擬器可識別文件，以生成線性調頻脈沖壓縮信號為例。

圖5 單體制雷達PDW文件導入流程圖Fig.5 Flowchart of single system radar PDW file import

設置頻譜分析儀中心頻率為98 MHz，得到10個射頻信號頻譜圖及光譜圖如圖8所示，上半部分為射頻信號頻譜圖，下部分為信號光譜圖。

為了驗證波形的正確性，以信號帶寬B為30 MHz；周期T為20 μs；采樣率Fs為1 GHz；載波頻率f0=100 MHz；信號的幅值A=1；通過MATLAB2014a軟件對信號進行仿真，其時、頻域圖如圖9所示。

圖7 PDW文件雷達信號模擬器參數顯示圖Fig.7 PDW file radar signal simulator parameter display

圖8 脈沖壓縮雷達信號頻譜圖及光譜圖Fig.8 Spectrum and spectrum of pulse compression radar signal

圖9 MATLAB軟件信號時頻域圖Fig.9 MATLAB software signal time-frequency domain diagram

通過比對同種體制信號數學模型分別在MATLAB軟件及頻譜儀中得到的信號頻譜圖分析單體制雷達信號的模型及PDW生成信號的方法是可行的。

3.3 多體制雷達疊加信號生成

以線性調頻壓縮體制雷達信號及帶有測角功能的單脈沖雷達信號(帶有天線掃描及常規雷達信號)，在R&S?Pulse Sequencer軟件中PDW List(collection)場景，導入自定義的兩個體制PDW文件。得到如圖10所示的合并數據列表，說明根據PDW文件定義的模板文件及數據傳輸協議是正確的。列表中數據會出現如圖10所示的脈沖丟失現象。原因在于兩個信號在該點處脈沖到達時間相同，導致信號重疊脈沖丟失，最終導致信號失真。

為了解決上述問題，需要在導入文件時設置信號優先級及延時控制。延時控制，主要是調整信號的脈沖到達時間來減少脈沖交疊概率，如圖11所示。

在多個PDW文件疊加生成信號的時，按照信號PDW文件設置的優先級，遵循如圖12所示的疊加原理，當多個脈沖的脈沖到達時間(TOA)相同時，根據信號定義的優先級進行信號的取舍。

將合成的兩種體制雷達信號的PDW文件，通過數據傳輸線導入到雷達信號模擬器生成對應的雷達射頻信號，截取頻譜儀中200 μs時間的脈沖信號的頻譜如圖13所示。

由圖13可知，仿真結果與理論分析是一致的，建立的數學模型及自定義的PDW文件在一定的誤差范圍內是準確的，通過信號PDW格式進行雷達對抗環境模擬具有較大的應用價值。

4 結論

主要針對用于檢測現階段部隊機載自衛對抗系統動態性能的雷達對抗環境的生成方式，通過分析現階段環境生成方法上存在的不足(長時間環境模擬限制)。提出了通過軟硬件結合的方式，采用PDW描述波形的方式解決了長時間的環境模擬的難題。主要工作總結如下。

圖10 兩種體制PDW合成參數列表Fig.10 Two systems PDW synthesis parameter list

圖11 PDW導入優先級與延時設置Fig.11 PDW import priority and delay Settings

圖12 優先級設置疊加原理Fig.12 Priority setting superposition principle

圖13 200 μs射頻信號頻譜圖及光譜圖Fig.13 200 μs radio frequency signal spectrum diagram and spectrum diagram

(1)深入分析雷達對抗環境信號特點，建立多體制雷達信號模型。

(2)基于 R&S?Pulse Sequencer軟件對其信號庫進行二次開發，定義并生成了相應體制雷達信號的PDW文件及描述文件，并進行單體制雷達信號仿真。

(3)通過傳輸協議生成的自定義模板文件解決了二次開發信號庫軟硬件不兼容無法匹配的問題，將兩種體制PDW文件按照優先級進行合并后仿真。

最終在信號仿真中獲得了較好的實驗結果，為實現模擬真實、逼真的雷達對抗環境提供了一個有效的實現方法。本文方法主要適用于高密度、長時間雷達對抗環境的模擬與仿真應用場合。不足之處在于仿真實驗主要是在理想無噪聲條件下進行。因此，針對加入噪聲后期的信號惡化解決方面的研究，將是接下來的研究重點。