機載火控雷達抗干擾仿真系統設計

張朝豐，李少杰，張雙喜，孟 濤，梅少輝

（1.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710000；2.中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引言

雷達是通過空間目標對電磁波的反射發現并獲得其信息的。隨著時代的發展，雷達系統模擬技術隨著軍事需求的不斷提高得到了迅速發展。雷達系統模擬就是通過計算機對雷達系統進行仿真，然后在計算機上顯示雷達系統的動態工作過程。該技術主要是利用計算機來模擬目標回波信號和環境信號，并分析雷達的性能。隨著對于雷達功能要求的不斷提高，在雷達系統的設計和分析中，需要考慮大量的非線性和隨機因素。由于受人力、物力和財力資源的限制，以及自然條件的脆弱性，如果在實地進行所有試驗，開發周期將會延長。此外，實際回波的參數難以控制和量化。相比之下，采用數字模擬仿真的靈活性更高，也可以節省人力和物力資源，消除了技術、材料和環境條件對現場試驗的影響。雷達回波信號模擬器的開發已成為雷達研制工作中的重要組成部分。

火控雷達是機載火控系統傳感器的主要來源，是現代戰爭中戰斗機和轟炸機不可缺少的裝備之一。與此同時，高性能機載火控雷達模擬器的研制已成為國內外軍事研究領域的熱門課題。雷達模擬器可以根據需要模擬出各種雷達信號，能夠調節雷達信號的相關參數，例如，采樣頻率、脈沖重復周期、帶寬等，并且可以消除一些非線性因素對于雷達信號測試的影響。在國外，雷達模擬器的研究從20 世紀40 年代就開始得到迅速的發展，其中英國、美國、法國、德國在雷達回波模擬器上的研究很具有代表性，他們掌握了很多最先進的雷達模擬技術，并開發出一些比較成熟的產品：1）美國Camber 公司最具有代表性的雷達系統模擬與仿真軟件是Radar Toolkit。該 軟 件 可 以在WindosNT/XXPC 的平臺上工作，其用途也是非常廣泛，不僅可以對不同的環境進行模擬，例如，陸地、氣象和海洋等，還能對采樣頻率、干擾信號、時寬等因素進行模擬仿真。同時由于該軟件適用于20 多種雷達進行模擬與仿真，因此備受廠家的青睞，成為Camber 公司最具有代表性的雷達仿真平臺。2）英國DERA Sea Systemsss 公司研制的NaRcosiSiS 雷達系統，是著名的海軍雷達目標仿真平臺，該系統可以在HP700、PC 等平臺和Unix、Windows 等操作系統上運行。該平臺可以對各種類型的雜波進行模擬，例如，地雜波、海雜波等，并適用于多種雷達在不同環境下進行相應的性能評估與分析。3）美國ELANIX 公司研發的System View 仿真軟件是一個科學系統設計的平臺，也是可以作為雷達分析的一個可視化軟件，這款軟件的特點是它的靈活性與便捷性，使用者只需要從圖標庫中調出需要使用的圖標，然后進行參數的設置與調整，最后進行連線即可，非常便于實驗結果的分析。

我國雖然在20 世紀90 年代才開始對雷達模擬器進行大范圍的研究，但是從20 世紀90 年代到現在，已取得了非常大的成就，其中具有代表性的有以下幾個：1）西安電子科技大學研制的一種主要基于直接數字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）的雷達模擬器，即利用波形存儲和波形重放技術對脈沖雷達機的接受信號進行模擬，并可以根據雷達不同的工作狀態進行完整的分析仿真。2）國防科技大學模擬艦船雷達仿真平臺，該平臺有在線和離線2種結構，航跡的管理和對目標的探測都是由在線結構進行，不同環境對雷達性能的影響由離線結構進行分析和處理。3）北京理工大學研究的雷達回波仿真平臺采用計算機和數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）結合，利用DSP 進行目標信息的計算、雜波干擾數據輸入和測量精度的結果、收集角度信息、輸出目標信號以及雜波和噪聲信號。

除了以上的研究成果外，我國的雷達系統仿真技術也在穩步發展，例如，南京理工大學在Matlab 的平臺上，結合電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）技術建立了脈沖壓縮的仿真模型等。

本文設計了機載火控雷達抗干擾仿真系統，能夠多樣化地仿真雷達干擾環境，并能夠自主選擇一種或多種抗干擾技術，準確地還原雷達抗干擾的過程以及實時采集各個關鍵環節的數據，通過數據對比，對抗干擾技術的效果進行評估分析。與國內外同類型產品相比，該系統不僅能夠進行回波信號的模擬仿真，運行相關信號處理模塊，而且能夠對各模塊進行優化設計，能夠在不同的干擾條件下，靈活地采取抗干擾技術并且優化抗干擾算法，使抗干擾效果達到最優。可靈活自由添加多種干擾信號，使該系統更切合實際雷達作戰場景等。在雷達電子對抗過程中，該系統可實時采集各關鍵環節的信號數據，進行相關性能指標的分析，同時較準確地根據不同的雜波環境在主界面上實時動畫顯示飛機航跡以及數字化實時顯示飛機運動位置及狀態，在驗證雷達抗干擾技術效果方面具有很高的應用價值。

1 需求分析

為分析研究不同抗干擾技術在不同的干擾信號下的抗干擾效果，找到特定干擾信號情況下最優的抗干擾技術，因此該系統必須滿足以下幾個條件。

1）基于干擾模型構建雷達抗干擾處理算法和抗干擾處理機理的研究模塊。通過模擬典型壓制干擾、欺騙干擾以及自定義干擾，展示雷達受干擾后，雷達信號的變化、目標顯示畫面的變化等。

2）基于數學模型構建雜波環境，產生雜波信號。根據不同的場景，通過建立數學模型，模擬產生相應環境下的雜波信號。

3）基于軟件平臺模擬能夠展示不同干擾類型下，各型機載火控雷達在各階段處理時的信號變化，且通過建立雷達抗干擾能力評價指標，對不同干擾樣式下的抗干擾能力進行評估。

4）可通過對軟件中雷達信號、波束形狀、信號/處理算法進行優化設計、調整、再編程，從而研究出雷達抗干擾能力提高的方法。

2 系統架構

為了達到該系統的設計需求，較為逼真準確地還原雷達電子對抗的過程，實時監測各個環節各信號的幅頻特性的變化，同時得到準確性更高的信號數據和抗干擾效果。采用分布式主機的架構形式，不同的主機負責相應的模塊，盡可能準確地還原雷達抗干擾的過程以及實時采集各個環節的信號數據。對于雷達干擾部分，系統具備固有的干擾形式，并且也支持重構和優化。同樣，對于抗干擾算法，系統支持優化抗干擾算法以達到最優的抗干擾效果。因此，基于該系統的設計思路所得到的信號處理環節所獲取的數據也就更加具備真實性、實時性、準確性，為機載火控雷達的戰術使用提供參考，為雷達抗干擾技術的分析改善提供了更加良好的平臺。整個系統框架采用C++編程語言實現，系統開發所需要的軟件環境見表1。

表1 開發環境Tab.1 Development environment

系統通過Matlab 對雷達目標回波信號、雜波信號、干擾信號進行建模仿真，并驗證抗干擾算法的準確性與適用性，基于Qt 平臺以及Visual Studio 2017 編譯環境，運用C++語言對軟件系統進行設計，比如登錄模塊設計、主界面模塊設計等。該系統架構設計如圖1 所示，主要包括登錄模塊、主界面模塊、回波信號建模仿真模塊、信號處理模塊等幾個模塊組成。系統中的各個模塊實現不同的功能，但模塊之間相輔相成，互相關聯，它們之間通過各模塊設置參數的關聯性，信號數據處理后的流動性以及系統功能操作有序地結合在一起。登錄模塊需要用戶輸入正確的用戶名和密碼后才能進行下一步操作。登錄系統后，進入系統主界面，在主界面上，可以實現動態鏈初始化、界面動畫的載入等功能。信號處理模塊是采用不同方法對回波信號進行處理。回波信號建模仿真模塊則是根據各種信號的數學模型以及參數設置產生不同的回波信號，然后將產生的回波信號遞送至信號處理模塊進行后續的雜波抑制、抗干擾工作。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

圖1 為該系統架構圖。該系統由登錄模塊、主界面模塊、信號處理模塊、回波信號建模仿真模塊、飛機軌道演示模塊、雜波特性分析模塊、用戶設置模塊組成。其中，登錄模塊以及用戶設置模塊主要用于用戶登錄系統及保存用戶相關信息；主界面模塊主要用于各個模塊的選擇以及系統運行流程的確定，例如，通過選擇回波信號建模仿真模塊對不同參數的回波信號進行建模仿真后，在信號處理模塊中選擇合適的抗干擾算法，抗干擾算法主要包括旁瓣相消（采樣矩陣求逆（Sample Matrix Inversion，SMI）算法、最小二乘濾波（Recursive Least Square，RLS）算法和最小均方（Least Mean Square，LMS）算法）、旁瓣匿影、動目標檢測/動目標顯示（Moving Target Display/Moving Target Detection，MTD/MTI 處理）、脈沖壓縮、恒虛警檢測（CFAR 檢測）對回波信號進行相關處理，并在性能檢測分析模塊上對回波信號的性能指標進行分析；雜波特性分析模塊主要用于通過設置不同統計分布的雜波信號，確定不同回波信號仿真的環境。

在該系統中，雷達回波信號建模仿真模塊和信號處理模塊是重要部分。其中，雷達回波信號建模仿真模塊包括目標回波信號建模仿真、雜波信號建模仿真、干擾信號建模仿真，利用相應的模塊可對目標參數、目標所處環境、干擾形式進行建模仿真，以及設置雷達的工作參數，進行相應的信號處理后以產生雷達對抗過程中各環節信號數據。雷達干擾信號的產生模塊能夠模擬典型壓制干擾、速度/距離欺騙干擾以及自定義干擾，也可以將噪聲干擾信號與目標回波信號經過卷積、放大形成靈巧式干擾。可支持干擾樣式產生及干擾機理的研究，也可通過對干擾算法進行優化設計再編程產生各種新的雷達干擾樣式。

3 系統運行流程

首先，在系統運行前，根據需要對系統各模塊工作參數進行設置，主要包括雷達天線方向圖設置、載機參數設置、發射信號參數設置等；其次，設置目標參數和環境參數，包括目標航跡規劃、雜波環境、干擾信號環境等，或者讀取已設置好的目標以及環境參數，也可以把之前進行仿真實驗后的參數保存下來，方便于其他所需實驗的使用；最后，系統開始運行，運行流程如圖2 所示，在雷達電子對抗的過程進行的同時，實時采集各環節的信號數據以及信號處理后的評估指標，對于驗證抗干擾效果以及選擇更為準確的抗干擾措施，則采用回波信號數據比對的方式分析抗干擾效果并進行相應的選擇，如果系統運行過程中出現操作不當，則需重新對各個部分進行設置，直到滿足需求為止。

圖2 系統處理流程Fig.2 System processing flow

4 關鍵技術

4.1 數據庫存儲管理技術

主要是用于保存編輯好的各個環節參數或者保存固有的應用實例，主要目的是為了便于復現一些特定的雷達電子對抗過程。

4.2 時空關聯性技術[15]

時間和空間是仿真實驗中非常重要的因素，不論是在現實機載火控雷達的使用，還是在系統仿真實驗的運行中，都必須具有相關性和一致性。目標物體空間位置的改變必然有著時間的伴隨性，從而造成雷達電子對抗以及電磁環境的變化；對于機載雷達來說，高速的物體隨著時間的推進，必然會發生空間位置的變化，具體目標的位置和時間是直接相關的。在該系統中為體現時空的關聯性，采取時間延遲等效空間模型。

4.3 實測數據導入技術[16]

為了進一步提高該系統的全面性以及更加符合實際情況，得到更加真實的仿真實驗數據，該系統可支持不同數學模型的導入，復現外場的某一特定環境，以及根據外場實測數據對已有的數學模型進行修正以達到更高的準確性和真實性。例如導入不同類型的雜波信號、各種干擾信號，以及不同的目標回波等數據，使該系統雷達抗干擾效果更加真實有效。

5 系統應用模式

系統的應用主要是為了分析驗證雷達抗干擾技術的效果以及選擇最優解，因此從2 個方面進行分析研究：1）從抗干擾技術的基本原理、不同抗干擾技術所涉及的關鍵技術入手，了解不同的抗干擾技術所適合應用的干擾方式以及在具體抗干擾技術算法上，對其進行改進和優化以達到更好的抗干擾效果；2）對于某種特定的干擾信號，比如有源壓制干擾信號、欺騙干擾信號等，采用不同抗干擾技術后信號數據比對的方法，找出對于特定干擾信號的最優的抗干擾技術。評價指標主要為實施抗干擾措施前后，目標信號發現概率和信噪比等。

實驗最后都會應用于實踐，因此需要該系統能夠提高飛機在不同干擾環境下的適應能力，做到對于敵方不同的干擾信號能夠自主地選擇最優的抗干擾技術進行抑制。首先，利用回波信號建模仿真模塊設置雷達相關參數及目標回波參數；其次，模擬各種具體的干擾信號，采取不同抗干擾技術，研究相應的抗干擾效果；最終，通過仿真效果評估分析，在不同干擾信號下，根據所采取抗干擾技術后的目標回波信號進行分析，找出相應最優的抗干擾技術。例如，對于有源壓制式干擾，一般使用自適應零陷措施比較合理；對于一些海雜波、地雜波等信號，一般采取動目標檢測、雜波圖等抗干擾技術。總之不同干擾信號下，應采取相應的抗干擾技術，以達到最優的抗干擾效果。

6 系統界面設計

設計的系統主界面如圖3 所示，主要包括各參數設置模塊、信號處理模塊、數據處理和性能評估模塊，以及一些典型的案例可以直接運行。對于設置好的參數，主界面可以顯示出對應的飛機動畫演示以及部分實時的目標數據，可方便更好地觀察分析。

圖3 系統主界面Fig.3 Main interface of the system

干擾信號參數設置界面如圖4 所示。用戶可選擇的干擾類型有瞄準式干擾、脈沖干擾、阻塞式干擾、應答式欺騙干擾、掃頻式干擾、切片重構干擾、間歇采樣轉發干擾、靈巧干擾。用戶可添加多個干擾。點擊添加按鈕即可實現，已添加的干擾會在界面右側顯示。選中特定的干擾，可對其實施參數修改、刪除等操作。

圖4 干擾信號參數界面Fig.4 Interference signal parameter interface

信號處理界面如圖5 所示，可供選擇的方法有旁瓣相消、旁瓣匿影、MTI/MTD 處理、脈沖壓縮、恒虛警檢測（Constant False Alarm Rate，CFAR）。其中旁瓣相消有3 種權值算法可供選擇，分別是采樣SMI 算法、RLS 算法和LMS 算法。用戶點擊相應的算法，再點擊導入按鈕，可自行定義算法的使用順序。已選擇的算法可在界面右側顯示。用戶對已選擇的算法可進行修改和刪除操作。對于一些特定的雜波或者干擾，可以使用相應的抗干擾措施進行效果分析以驗證抗干擾性能；對于未知干擾的抗干擾措施，需要采用逐次替換抗干擾措施的方法，通過采取方法后的數據比較，確定在特定干擾環境下的最優抗干擾措施，這也是該系統最大的優點。

圖5 信號處理界面Fig.5 Diagram of the signal processing interface

對壓制式干擾信號（噪聲調頻干擾信號）及自適應零陷抗干擾方式進行了仿真，未加噪聲調頻干擾信號以及疊加噪聲調頻干擾信號后的回波信號幅度如圖6 和圖7 所示。采取自適應零陷抗干擾后的回波幅度如圖8 所示。

圖6 未加干擾的回波幅度Fig.6 Echo amplitude without interference

圖7 加干擾后的回波時域Fig.7 Echo time domain diagram with interference

圖8 抗干擾前后的回波幅度Fig.8 Echo amplitudes before and after anti-interference

圖6 和圖7 給出了有無干擾信號條件下的回波信號幅度。從兩圖對比可以看出，加干擾信號后，回波信號被有效地淹沒在干擾信號中，無法有效地辨別出真實的回波信號。圖8 給出了對于加干擾信號后的回波信號實施抗干擾技術后的回波幅度，從圖中可以清楚看出，不實施抗干擾技術時，出現了2 個目標，無法辨別出真實目標，實施抗干擾技術后，可以準確地辨別出真實目標，達到較好的抗干擾效果。

7 結束語

本文設計的機載火控雷達抗干擾仿真系統，能夠構建不同條件下的實驗分析環境以及支持外部實驗環境的導入，形成準確的雷達電子對抗動態過程，實時采集各關鍵環節的實驗數據，有助于特定抗干擾技術的分析和研究，也使整個過程更加直觀，便于更好地理解，具有一定的實用價值。但本文未考慮一些其他因素下的雷達抗干擾效果，后續將研究不同體制雷達以及更多因素下的抗干擾效果評估。