雷達虛擬樣機信號級數字仿真技術

杜俊杰,張曉菲

(1.海裝駐北京地區第三軍事代表室,北京 100074;2.北京華航無線電測量研究所,北京 102445)

0 引言

隨著空天裝備技術的發展以及空天目標探測要求的不斷提高,空天雷達呈現戰術指標要求高、集成度高、綜合性強、專業耦合度高、研制周期短、成本壓縮嚴重等特點。傳統的研發手段和能力布局只支持在實物樣機上進行雷達功能和性能的測試驗證,已經不能適應新一代雷達設計研制的需求。為快速、高質量地完成雷達的研制,迫切需要采用先進的數字化研發手段。在虛擬樣機技術快速發展的背景下,建立高逼真度的雷達數字樣機,可有效支撐新一代空天雷達的設計和仿真,有助于更加科學、合理地對雷達性能進行優化改進。

1 國內外發展現狀

國外對虛擬樣機技術的研究開始較早,美國軍方在20世紀80年代就已頒布了IDEF(ICAM definition method)數字化模型標準[1]。20 世紀末,美歐部分國家和地區在雷達設計及分析領域已初步實現自動化。21世紀初至今,仿真技術已覆蓋到雷達各領域,如星載小平臺遙感系統仿真、相控陣雷達系統建模與信號處理仿真、合成孔徑雷達系統建模及成像性能仿真等。在復雜產品協同設計方面,國外學者已經取得了大量理論研究成果。GOTTLIEB等[2]對協同設計中的外部仿真工具集成方法和元模型表達方法進行了深入的研究。NINIOS等[3]對面向對象的協同仿真平臺進行了研究。

國內對虛擬樣機技術的研究起步較晚。從20世紀90年代開始,李伯虎等[4-5]經過對虛擬樣機多年的研究與實踐,提出了“復雜產品虛擬樣機工程”的概念。針對這一概念,國內學者對復雜產品虛擬樣機工程中的關鍵技術開展了大量研究,主要涉及建模方法、多學科協同仿真、一體化平臺、模型庫管理等[6-9]。雷達數字仿真領域也出現了大量研究成果。文獻[10]在Visual Studio 2010平臺上實現了完整的反艦導彈雷達導引頭系統仿真,對目標的搜索跟蹤過程進行了模擬。文獻[11]在Visual C++6.0軟件開發平臺上設計并實現了簡化的單脈沖雷達軟件仿真系統。國防科技大學開發的 KD-RTI (run time infrastructure)仿真軟件,實現了雷達和電子對抗系統在復雜電磁環境下的對抗仿真。西安科技大學基于SPW(signal processing workshop)軟件進行二次開發,對雷達模型庫進行了建立、擴充和系統仿真,取得了一定的成果。但因開發環境成本較高,該研究成果未得到有效推廣。

到目前為止,我國雷達系統的仿真主要還是基于SPW、ADS(advanced design system)、VC++、Matlab 的Simulink 等已有的軟件平臺,構建基于參數和函數的模型,完成系統的數字仿真。雖然取得了一些成果,但對高逼真度的信號級數字仿真研究較少。同時由于雷達系統較為復雜,涉及專業較多,各子系統的相互耦合影響無法有效模擬。目前我國雷達系統各專業仿真主要存在以下幾方面問題:

a) 各專業仿真軟件建模層次不一致,且均局限于本專業領域的性能仿真,對專業間的相互影響無法模擬;

b) 仿真軟件平臺兼容性不夠,使得開發的模型應用受限,無法有效支撐協同設計;

c) 仿真軟件的人機交互界面不友好,給仿真帶來不便;

d) 缺乏軟件模型和數據文件的管理維護,基礎模型查找困難且更新不便。

本文結合前期的研究成果和相關實踐,根據雷達系統的研制特點,開展數字/模擬集成電路設計、結構設計、電磁場仿真、多處理器信號協同處理等多個專業協同的雷達信號級數字建模仿真方法研究。

2 雷達虛擬樣機信號級仿真技術的體系結構

2.1 信號級仿真方法分析

虛擬樣機數字仿真是一門多學科融合的技術。當前的數字仿真主要有兩類:功能級仿真和信號級仿真。二者的不同之處在于:功能級仿真只處理信號的幅度信息,適合建立高度抽象的系統級參數模型;而信號級仿真既處理信號的幅度信息又處理信號的相位信息,可表征信號處理內部信息的交互關系,適用于性能指標驗證或優化模型的建立。

數字仿真雖然逼真度略遜于半實物仿真,但具有研制經費低、使用方便靈活等特點。尤其是在方案論證和設計階段,利用數字仿真技術確定設計方案,進行最優設計是非常有效的。近年來,隨著計算機技術的發展,包括雷達、無線電通信等在內的現代電子信息系統都在向數字化方向快速發展。例如在雷達系統中,系統控制、信號處理、數據處理、顯示等功能大部分是用計算機軟件實現的。同樣,偵察接收機、輻射源信號分選處理器、干擾資源控制管理器、數字化干擾源等都采用了計算機技術。因此,利用數字仿真技術在信號及信息處理層面對雷達系統進行建模仿真,在一定程度上能夠滿足雷達系統方案設計、性能預測和效能評估的逼真度要求。

2.2 信號級仿真建模

雷達信號級仿真是對雷達系統的本質屬性、功能及性能進行分析,并獲得試驗結論的研究過程。信號級仿真建模過程由一系列基本研究步驟組成,如圖1所示。

圖1 雷達虛擬樣機信號級仿真建模步驟

第一步:仿真應用需求分析。主要針對系統的應用需求,選擇適合的建模方法及匹配的模型顆粒度。

第二步:仿真對象系統分析。通過對實際系統的詳細分析,提煉出能反映實際系統本質屬性的各種因素(性能指標參數、工作流程、工作模式、信號處理算法等)及相互關系,為下一步的系統建模奠定理論基礎。

第三步:系統仿真模型建立。根據第二步分析得到的結果,建立實際系統的仿真模型,并對仿真模型的輸入、輸出及控制數據進行梳理,用于后續模型算法和軟件的校驗和測試。同時對模型結構和模型數據采用專家評價法進行確認,以保證所建立的模型結構和數據有合理的對應關系。通常這是一個靜態的理論分析過程。

第四步:模型算法軟件編制。將上述的概念模型轉化為在計算機上運行的程序代碼,該步驟對復雜信號處理設備的仿真特別關鍵。模型算法可以采用通用語言或仿真語言編程實現。對于復雜的信號級仿真模型,應采用面向科學與工程計算的高級語言進行驗證,再進行實際工程語言實現。

第五步:模型算法校核驗證。算法校驗過程也是系統仿真中的關鍵步驟,通過校驗的算法模型可用于下一步仿真系統軟件編制。

第六步:仿真系統軟件編制。即對行為級的模型進行建模,主要有描述電磁環境對雷達系統性能影響的環境模型,以及用于雷達系統與外部環境信息交互的服務模型等。將這些模型進行有序組合,即可構成完整的仿真模型。

第七步:仿真模型確認測試。對實際系統開展研究,設計典型的真實試驗場景。對模型進行校驗與評估,特別針對顆粒度較細的信號級仿真,模型設計較為復雜,需從不同的視角,對模型進行全面測試。

最后一步:仿真系統運行結果分析。評估能否利用仿真模型代替實際系統進行仿真試驗驗證。針對仿真模型的隨機變量,采用數理統計方法對仿真結果進行統計分析,給出評估指標,支撐后續方案的迭代優化。

2.3 信號級模型劃分

雷達虛擬樣機信號級模型是建立在一個或多個不同專業領域上的模型,依賴不同子系統模型的集成,按照數據流傳輸關系,完成動態的數字仿真模擬。通過對子系統進行模塊化設計和模塊間接口的標準化設計,完成模塊間的調用及信息交互,實現協同聯合仿真,并對仿真結果進行評估,實現用戶需求的閉合。同時可與物理樣機進行對比,完成模型的校驗及迭代,最終達到模型指導物理樣機工程研制的目標。一般情況下,雷達虛擬樣機信號級模型將隨著產品研制不斷細化、迭代和完善,最終形成一套全生命周期的系統模型。雷達虛擬樣機信號級模型框架如圖2所示。

圖2 雷達虛擬樣機信號級模型框架

雷達虛擬樣機由電子系統仿真軟件和雷達系統模型庫兩部分組成。電子系統仿真軟件包括核心運行環境及系統軟件基礎模塊。通過對電路、參數及算法等進行信號級建模,完成雷達波形、射頻系統及信號處理算法仿真,實現雷達系統性能的定量分析和指標評估。雷達系統模型庫由基礎模型庫、樣機模型庫、信號處理算法庫、典型測試場景用例庫等組成。其中,基礎模型庫主要用于提供雷達波形和噪聲、雜波等信號模型,以及射頻系統、中頻系統、模數變換電路等雷達子系統的信號級模型。通過對基礎模型庫的集成,可形成不同體制雷達樣機模型庫。

3 雷達虛擬樣機信號級仿真支撐環境

雷達虛擬樣機信號級仿真方法是通過模擬雷達、目標、環境各個關鍵環節對雷達信號的數據流的處理過程,建立完整的雷達、目標、環境間信息流動與處理的動態閉環仿真環境,為后續的物理樣機研制及算法研究提供支撐。

雷達虛擬樣機信號級建模的支撐環境應具備下列特征:

a) 提供一個集成、開放的建模環境,在該環境下可以進行電路級、參數級、算法級的子系統數字化建模,以實現雷達系統信號級仿真及復雜場景的仿真;

b) 具備射頻和基帶子系統信號級聯合仿真能力,可綜合考慮射頻、信號處理、控制等子系統參數間的相互影響;

c) 提供一個開放、準確、高效的仿真控制和分析平臺,在該平臺上可以對復雜系統的仿真時序進行控制,并實現系統功能與性能指標的分析評估;

d) 提供一系列可用于子系統中各參數優化設計的數據交互通道,從而實現數字化樣機在不同層次上的優化設計,提高模型逼真度的迭代效率;

e) 提供一個集成、開放且能與不同環境或平臺進行數據互訪的數據庫,從而實現虛擬樣機在全生命周期內的開放性,最大限度提高所建樣機的可操作性。

4 雷達虛擬樣機信號級仿真關鍵技術

虛擬樣機技術作為一種數字化的設計、開發、驗證手段,為突破物理樣機和仿真試驗的快速迭代驗證設計技術提供了重要支撐。結合國內建模仿真研究存在的主要問題,如仿真無統一的標準化設計規則、多種開發軟件不能兼容、仿真模型的擴展性和可維護性較差等,對雷達虛擬樣機信號級仿真方法的關鍵技術進行總結。

(1) 多專業虛擬樣機模型庫構建技術

雷達虛擬樣機用于描述雷達客觀存在的物理特性。因雷達系統較為復雜,且各子系統相互之間耦合緊密,其模型不僅要覆蓋天線、射頻、控制、信號處理等不同專業,還要考慮關鍵器件的非理想因素,如射頻損傷等。雷達系統模型種類復雜,精確構建難度較大。隨著未來空天領域對雷達探測及抗干擾能力要求的不斷提升,雷達逐漸向多維度、多波段、高集成方向發展,對模型的多樣性、通用性、逼真度和構建的便利性都提出了更高的要求。為了快速實現定制化系統模型庫,模型的描述方法研究和標準化接口設計也是模型庫構建的一項大工程。

(2) 射頻和基帶信號的混合仿真技術

雷達系統由信號處理、射頻、天線等子系統構成。為了實現波形生成、射頻發射、回波生成、射頻接收、中頻接收、基帶信號處理等完整鏈路的信號級仿真,要求虛擬樣機具備基帶信號與射頻信號的混合仿真能力。電子系統仿真平臺[12-13]提供了同步數據流仿真引擎和射頻系統仿真引擎,可以采用時域仿真和頻域仿真等多種技術。先進行頻域仿真,射頻信號經下變頻等處理后,再進行數字信號仿真,并對基帶信號處理子系統與微波子系統混合仿真的時間同步進行分析,實現基帶和射頻仿真的整合,用于評測雷達系統的性能。

(3) 多平臺協同仿真技術

多平臺協同仿真技術是在數字建模的基礎上,利用虛擬樣機一體化驗證平臺,根據仿真任務的需求,調用不同平臺模型,通過軟件提供的開發接口,按照特定控制時序,實現不同平臺的靜態和動態協同仿真控制。因此雷達虛擬樣機信號級協同仿真技術,不僅要實現接口的通用化、人機的友好交互、數據的共享訪問與傳輸,還要解決數據處理量較大模型(如雷達與目標運動耦合模型、信號處理算法模型、雜波模型等)的時間同步問題,以免影響任務調度。

(4) 模型管理技術

雷達系統較為復雜,在建模仿真過程中會生成大量的數據文件。對模型數據進行有效的管理,不僅能夠方便技術人員進行模型開發以及查閱,更可為日后的數據維護和優化提供有效保障。數字化協同設計平臺具有平臺服務器搭建、數據庫設計等功能,可以實現虛擬樣機模型信息與仿真信息的存儲、共享與管理,同時形成友好的人機交互界面。

5 雷達虛擬樣機信號級仿真應用場景

結合上述虛擬樣機信號級建模方法及關鍵技術研究成果,針對雷達、目標和干擾環境相互耦合影響,導致高逼真仿真實現難度較大的問題,本文提出一種多專業協同的信號級仿真技術,從仿真模型庫構建、信號流仿真控制、模型分析和評估等方面,實現多專業協同的雷達虛擬樣機全流程信號級仿真。該虛擬樣機用以支撐產品方案論證、指標分解優化、整機仿真驗證,支撐實物樣機的迭代設計優化及輔助驗證,并支撐產品的快速研制,快速實現虛擬模型到實物樣機的轉換。

5.1 模型建立

以典型主動雷達為例,開展虛擬樣機信號級數字建模仿真。根據實際應用需求,將雷達虛擬樣機模型庫分為射頻和基帶子系統模型庫、目標環境模型庫、信號處理算法模型庫、典型測試用例模型庫等,其組成如圖3所示。

圖3 典型主動雷達虛擬樣機模型庫組成框圖

首先,進行信號級建模,建立射頻模型、基帶子系統模型、目標回波模型、干擾及雜波模型、目標回波模型等基本模型。射頻模型為基于器件的原理性模型,模擬其硬件平臺的設計,主要包括頻率綜合器模型、發射機模型、天饋模型、雷達平臺運動學模型、伺服系統模型、接收機模型等。基帶子系統模型包括通信接口模型和基帶數字接收模型。目標環境模型主要包括目標雷達散射截面積(RCS)模型、目標運動學模型、目標回波模型及干擾、雜波模型等。

然后,基于多線程編程的仿真方法,模擬基于多核DSP信號處理系統的并行流水機制和各軟硬件耦合模塊數據通信功能,進行信號處理時序控制、檢測跟蹤等信號處理算法模型庫的建立,實現目標的檢測及仿真結果上報。信號處理多線程仿真流程如圖4所示。通過對信號處理系統多處理器協同工作方式的模擬仿真,實現代碼的快速移植。

圖4 信號處理多線程仿真流程框圖

最后,利用Matlab軟件的界面工具,開發綜合仿真控制界面,實現仿真參數設置、仿真控制、仿真結果后處理與顯示、仿真數據導入與導出、仿真控制指令發送等功能,用于后續仿真結果分析。

5.2 信號流仿真控制

利用仿真平臺高性能數據流仿真引擎,建立了系統控制界面與射頻及信號處理等子系統間、時序控制模塊與信號處理子系統間的數據交互機制,實現了模擬目標回波條件下,雷達系統射頻和基帶全鏈路的數字化閉環仿真。其仿真數據流如圖5所示。

圖5 仿真數據流示意圖

5.3 模型分析和評估

以方案指標閉合迭代優化為目標,進行仿真模型的應用驗證。通過構建典型仿真測試用例模型,包括目標、干擾、雷達工作參數等的配置,對射頻及信號處理等子系統參數間的相互耦合影響關系進行模擬。通過對仿真結果的分析,可以協助方案指標優化設計。

模型仿真結果正確性可以從仿真時序控制、模型參數提取、混合仿真耦合影響等方面進行評判。通過對產生的時序信號的參數(調制脈沖寬度、距離波門寬度、脈沖重復周期等)與時序配置參數的一致性進行對比,分析仿真時序控制的正確性。對原始目標回波信號進行采樣和參數(脈寬、帶寬、幅度、信噪比等)提取,結合裝訂目標和干擾特征參數(距離、角度、速度、雷達散射截面積、干擾類型等),分析目標模型、干擾模型、射頻模型、信號處理目標提取算法模型以及抗干擾流程的正確性,并將模型和流程的正確性作為信號處理仿真代碼能否在實物硬件平臺快速移植的評判標準。對射頻模型各個關鍵器件的監測信號及目標上報結果進行提取,一方面分析射頻和基帶的相互影響,另一方面聯合分析整機電性能指標,如發射功率、天線增益、噪聲系數、靈敏度、動態范圍等的閉合性。耦合影響下指標的閉合性將作為各射頻子系統迭代優化設計的依據。

對典型主動雷達系統進行虛擬樣機信號級建模,并對仿真模型進行了分析和評估。結果表明,該方案解決了不同專業仿真平臺的聯合仿真問題,具有射頻和基帶混合仿真能力,可以實現射頻和基帶、目標和干擾之間相互耦合影響的信號級模擬。通過對射頻模型進行器件級原理性仿真建模,并形成通用的基礎模型庫,可以有效指導物理樣機的研制。采用多線程編程技術,可以有效模擬多處理器信號處理系統,實現軟件代碼在硬件平臺上的快速移植。通過對仿真結果的提取,可以協助不同專業設計人員協同完成方案指標的閉合分析。

6 結束語

雷達虛擬樣機信號級仿真技術可以解決多專業聯合仿真的問題,消除各子系統數據孤島。通過內場場景構建,可以協助設計人員完成對雷達方案性能指標的評估及優化。目前建立的干擾、目標回波等模型比較單一,且逼真度不夠,導致虛擬樣機對抗干擾算法的驗證優化作用受限。因此,在虛擬樣機應用時,需結合國內外先進虛擬樣機技術成果和空天雷達的發展趨勢,在以下幾個方面開展深入研究。

(1) 考慮力、熱、電耦合的建模技術

雷達虛擬樣機的信號級仿真是對射頻和基帶模型進行電路級、參數級建模,但對于對力、熱環境因素等較為敏感的系統,如伺服系統、頻率綜合器等,應從建模原理和建模方法等方面對建模的有效性進行研究。

(2) 高逼真度回波建模技術

初期信號級仿真模型一般用于基本電性能指標評估,若回波模型逼真度不夠,在抗干擾算法迭代優化的應用上會存在不足。雷達面臨的目標和干擾類型眾多,場景復雜,同時目標RCS和極化等電磁特性受外界環境、雷達視線方向等因素影響較大。如何精準地構建高逼真度回波模型,消除耦合因素的影響,進而實現雷達探測的精準仿真仍是一個難題。后續應從多學科角度綜合考慮,開展動態回波模型設計。

(3) 仿真效率優化技術

隨著模型的復雜度越來越高,模型的計算量越來越大,對仿真的速度及效率提出了更高的要求。設計合理的多學科建模及交互方法是提高虛擬樣機仿真速度的有效途徑。

綜上所述,虛擬樣機信號級仿真技術作為一種新的產品設計、開發和驗證手段,可較真實地模擬、評估雷達系統各項性能指標,為產品的方案論證、系統設計、樣機研制提供有效指導。隨著雷達面臨的電磁環境日益復雜,復雜電子設備的系統級虛擬樣機建模需求將越來越大。研究不同層次的高逼真度的數字仿真模型,可以為雷達系統的研制、生產和性能評估提供有效的技術支撐。