復(fù)雜電磁環(huán)境雷達(dá)新型威脅信號建模與仿真*

歐陽志宏，李修和，丁 鋒

（電子工程學(xué)院 戰(zhàn)術(shù)系，安徽 合肥230037）

復(fù)雜電磁環(huán)境雷達(dá)新型威脅信號建模與仿真*

歐陽志宏，李修和，丁 鋒

（電子工程學(xué)院 戰(zhàn)術(shù)系，安徽 合肥230037）

復(fù)雜電磁環(huán)境中雷達(dá)新型威脅信號相對傳統(tǒng)威脅信號具有更強的相干性和隱蔽性，信號環(huán)境對雷達(dá)裝備構(gòu)成較大威脅。針對目前對該類環(huán)境信號干擾機理和數(shù)學(xué)模型欠缺系統(tǒng)性研究的問題，分析了環(huán)境的組成要素，并對典型的信號樣式建立了數(shù)學(xué)模型。最后，研制開發(fā)了雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上實現(xiàn)了信號模型的仿真驗證。仿真結(jié)果表明了模型的合理性和有效性。

雷達(dá)威脅信號環(huán)境；新型；建模；仿真

0 引言

構(gòu)建貼近實戰(zhàn)的訓(xùn)練電磁環(huán)境是開展復(fù)雜電磁環(huán)境下軍事訓(xùn)練的前提。復(fù)雜電磁環(huán)境的實裝構(gòu)建難度大、代價高，而全數(shù)字化模擬的構(gòu)建方法具有靈活性強、可操作性好、代價小等諸多優(yōu)點，是電磁環(huán)境構(gòu)建的重要手段和研究熱點，也為裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性檢驗提供了有力支持。要通過全數(shù)字化模擬的方式構(gòu)建逼真、可信的電磁環(huán)境，前提是對新型和傳統(tǒng)的環(huán)境構(gòu)成要素建立準(zhǔn)確的信號模型并仿真驗證模型的合理性[1]。

雷達(dá)新型威脅信號相對于傳統(tǒng)威脅信號具有更強的相干性和隱蔽性，信號環(huán)境對雷達(dá)裝備構(gòu)成了更大的威脅。然而，目前對于雷達(dá)新型威脅信號的干擾機理和數(shù)學(xué)模型的研究不成系統(tǒng)性，且未能突出此類信號的高威脅性，難以達(dá)到貼近實戰(zhàn)的要求。本文深入分析了雷達(dá)新型威脅信號環(huán)境的構(gòu)成要素，并對典型信號樣式進行了建模，最后搭建了雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了信號模型的仿真驗證。

1 雷達(dá)威脅信號環(huán)境分析

復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)所面臨的威脅信號環(huán)境，其主要構(gòu)成要素是敵方有意施放的干擾信號。雷達(dá)威脅信號環(huán)境模擬時，不僅要考慮模擬傳統(tǒng)的有源壓制性干擾、有源欺騙性干擾和無源干擾[2]，更要特別關(guān)注新出現(xiàn)的、對雷達(dá)威脅程度更大的干擾信號[3-4]。傳統(tǒng)的干擾樣式由于無法獲得脈沖處理增益，干擾功率利用率低，甚至不能達(dá)到有效干擾的目的。若雷達(dá)采用超低旁瓣、旁瓣對消和旁瓣匿隱等技術(shù)，更使得干擾能力大大減弱。

新型威脅信號往往兼有欺騙干擾和噪聲干擾的特點，由于采用了數(shù)字射頻存儲技術(shù)，干擾信號與目標(biāo)回波信號在時域和頻域上具有很強的相似性，可以在雷達(dá)信號處理中得到脈沖壓縮增益和相參積累增益，具有較高的干擾功率利用率。在脈沖壓縮之后可以對目標(biāo)回波形成良好的遮蓋，更能在靈活控制下產(chǎn)生密集型假目標(biāo)信號，有效并隱蔽地淹沒目標(biāo)回波，使雷達(dá)難以檢測跟蹤目標(biāo)，獲得較好的干擾效果?；谝陨戏治?，雷達(dá)威脅信號環(huán)境研究應(yīng)對新型威脅信號環(huán)境加以特別關(guān)注，其組成要素如圖1所示。

圖1 雷達(dá)威脅信號環(huán)境組成

2 新型威脅信號環(huán)境數(shù)學(xué)建模

選取新型威脅信號典型代表：基于移頻的密集假目標(biāo)干擾、前沿脈沖復(fù)制干擾、脈內(nèi)等間隔采樣干擾和卷積噪聲干擾，建立數(shù)學(xué)模型[5-6]。

(1)基于移頻的密集假目標(biāo)干擾

基于移頻的密集假目標(biāo)干擾是通過疊加多個移頻干擾信號實現(xiàn)密集假目標(biāo)干擾。通過控制每個移頻干擾脈沖的移頻量可以控制干擾信號脈壓后的峰值位置，從而產(chǎn)生多個相鄰的假目標(biāo)。為了使脈壓后的峰值具有隨機性，可以用噪聲對移頻干擾脈沖的幅度進行調(diào)制。以線性調(diào)頻信號為例，建立基于移頻的密集假目標(biāo)干擾的時域數(shù)學(xué)模型，表達(dá)式如下：

式中，A為干擾信號幅度；μi為服從 0～1均勻分布的調(diào)制噪聲；f0為信號中心頻率；T為雷達(dá)信號脈沖寬度；k= B/T為線性調(diào)頻斜率；B為調(diào)頻帶寬；Δfi為每個移頻干擾脈沖的移頻量；N為疊加的移頻干擾脈沖數(shù)量。

(2)前沿脈沖復(fù)制干擾

前沿脈沖復(fù)制干擾較好地解決了全脈沖干擾要求存儲容量大和最小延遲時間長的問題，實現(xiàn)了收發(fā)隔離。該干擾樣式只復(fù)制從脈沖前沿開始的脈寬內(nèi)部分雷達(dá)信號，然后連續(xù)地循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)。通過控制復(fù)制脈沖寬度的大小，可以控制假目標(biāo)出現(xiàn)的個數(shù)和位置。以線性調(diào)頻信號為例，建立前沿脈沖復(fù)制干擾的時域數(shù)學(xué)模型，表達(dá)式如下：

式中，τ為復(fù)制脈寬；t mod(τ）表示t取τ的余數(shù)。

(3)脈內(nèi)等間隔采樣干擾

脈內(nèi)等間隔采樣干擾是在雷達(dá)信號的一個脈沖寬度內(nèi)，通過交替的接收和轉(zhuǎn)發(fā)來完成對雷達(dá)的干擾，這也是解決收發(fā)隔離問題的一種技術(shù)方案。相對于前沿脈沖復(fù)制干擾，其具有更好的相干性，對雷達(dá)的欺騙作用更大。以線性調(diào)頻信號為例，建立脈內(nèi)等間隔采樣干擾的時域數(shù)學(xué)模型，表達(dá)式如下：

式中，τ為取樣時間間隔；u(t)是幅度為 1、脈寬為 τ、重復(fù)周期為2τ的矩形脈沖函數(shù)。

(4)卷積噪聲干擾

目前的數(shù)字射頻存儲器件在實現(xiàn)寬帶雷達(dá)干擾、高密度假目標(biāo)干擾和連續(xù)波噪聲干擾等方面存在著多種困難，卷積噪聲干擾可以產(chǎn)生可控的高密度、多假目標(biāo)干擾。該干擾不僅具有噪聲干擾特性，而且在時域和頻域上對目標(biāo)回波產(chǎn)生重疊和覆蓋，從而大大提高對新體制雷達(dá)的干擾效率。建立卷積噪聲干擾的時域數(shù)學(xué)模型，表達(dá)式如下：

式中，S(t)代表雷達(dá)信號；U(t)是調(diào)制噪聲。

3 信號仿真系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗

3.1 雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)

基于HLA開發(fā)了雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)[7-8]。該系統(tǒng)既能夠作為雷達(dá)信號環(huán)境的仿真平臺單機運行，又可以作為復(fù)雜電磁環(huán)境下武器裝備體系對抗仿真的子系統(tǒng)運行，為環(huán)境信號顯示、綜合態(tài)勢顯示、雷達(dá)作戰(zhàn)效能與干擾效能評估等提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)包括的聯(lián)邦成員有8類：雷達(dá)信號環(huán)境、干擾信號環(huán)境、雜波噪聲信號環(huán)境、信號時頻特性、場景設(shè)置、綜合態(tài)勢、評估和聯(lián)邦控制。雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真聯(lián)邦結(jié)構(gòu)如圖2所示。

仿真聯(lián)邦成員的主要功能如表1所示。系統(tǒng)作為復(fù)雜電磁環(huán)境下武器裝備體系對抗仿真的子系統(tǒng)運行時，包含了單機運行的全部功能，仿真的基本過程是：

(1)從仿真資源庫的部隊編制中選擇所需部署的雷達(dá)裝備和雷達(dá)干擾裝備，按照一定的作戰(zhàn)目的和部署原則進行裝備配置，設(shè)置裝備參數(shù)，同時部署雷達(dá)目標(biāo)；

圖2 雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真聯(lián)邦結(jié)構(gòu)圖

表1 雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真聯(lián)邦成員功能表

(2)設(shè)置一定的作戰(zhàn)場景，包括設(shè)置各成員的運動路線和編隊組成；

(3)按照預(yù)設(shè)任務(wù)，雷達(dá)對目標(biāo)實施探測，接收回波進行信號處理；同時干擾方接收到雷達(dá)信號，處理分析后選擇合適的干擾樣式，設(shè)置干擾參數(shù)，實施雷達(dá)干擾；

(4)雷達(dá)被干擾后，出現(xiàn)被壓制或欺騙的情況，探測能力下降；

(5)對雷達(dá)作戰(zhàn)效能和干擾效能進行評估，得出量化指標(biāo)，提出相應(yīng)的結(jié)論和建議。

仿真過程中的信號時頻特性顯示界面如圖3所示。

圖3 雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)信號時頻特性顯示界面

3.2 仿真分析

運用雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)分別對一個脈沖寬度內(nèi)的基于移頻的密集假目標(biāo)干擾信號和脈內(nèi)等間隔采樣干擾信號的時域波形及頻譜圖進行了仿真分析。公共參數(shù)設(shè)置如下：雷達(dá)信號為線性調(diào)頻信號，脈沖幅度A=1 V，載頻f0=10 MHz，脈沖寬度T=10 μs，調(diào)頻帶寬B=2 MHz，采樣頻率fS=40 MHz。

(1)實驗1：基于移頻的密集假目標(biāo)干擾信號仿真

參數(shù)設(shè)置：移頻干擾脈沖數(shù) N=10，均勻移頻量 Δfi= 0.1×i MHz，i=1…N。仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，基于移頻的密集假目標(biāo)干擾信號在時域上以 t=T/2為中心成對稱分布，在頻域上以 f0= 10 MHz為中心頻率，完全覆蓋了線性調(diào)頻信號帶寬。

(2)實驗 2：脈內(nèi)等間隔采樣干擾信號仿真

參數(shù)設(shè)置：取樣時間間隔τ=T/10。仿真結(jié)果如圖 5所示。

圖4 基于移頻的密集假目標(biāo)干擾信號時域波形及頻譜圖

圖5 脈內(nèi)等間隔采樣干擾信號時域波形及頻譜圖

從圖5可以看出，脈內(nèi)等間隔采樣干擾信號是對原雷達(dá)信號進行多次局部抽樣所得的部分原信號；在頻域上的頻率覆蓋范圍跨度超過原雷達(dá)信號帶寬，但頻譜內(nèi)容是原雷達(dá)信號帶寬內(nèi)的一部分。

綜合以上的仿真分析，得出結(jié)論：仿真結(jié)果與理論分析是一致的，干擾信號可以對目標(biāo)回波形成良好的遮蓋，產(chǎn)生的密集假目標(biāo)能夠有效并隱蔽地淹沒目標(biāo)，建立的數(shù)學(xué)模型是正確、可信的。

4 結(jié)論

本文建立的雷達(dá)威脅信號環(huán)境模型體系完整地覆蓋了復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)所面臨的威脅信號種類，分析了雷達(dá)新型威脅信號的干擾機理，突出了雷達(dá)新型威脅信號環(huán)境的重要地位，建立的數(shù)學(xué)模型是對復(fù)雜電磁環(huán)境全數(shù)字模擬構(gòu)建的有力支撐。研制開發(fā)的雷達(dá)信號環(huán)境全數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)為復(fù)雜電磁環(huán)境信號級仿真提供了數(shù)據(jù)支持和實現(xiàn)方法。

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圖6 故障保護的示意圖

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(收稿日期：2014-09-25)

作者簡介：

孫斌（1971-），男，碩士，副教授，主要研究方向：激光應(yīng)用、光電控制。

初華（1985-），通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：激光應(yīng)用、光電控制，E-mail：chuhua666@126.com。

黎偉（1983-），男，碩士，講師，主要研究方向：激光應(yīng)用、光電控制。

Modeling and simulation for radar new menace signal environment in complex electromagnetic environment

Ouyang Zhihong，Li Xiuhe，Ding Feng
(Dept.of Tactics，Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China)

Because of better coherence and covertness,the environment made up of new radar jamming signals shows greater menace than the traditional radar menace signal environment.In order to researching on it systematically,the elements of the environment and interference mechanism were analyzed firstly,and then the representations were modeled.Finally,a simulation system for radar signal environment was designed.Meanwhile,the simulations of the representations were carried out on this system.The results show the validity and effectiveness of the models.

radar menace signal environment；new；modeling；simulation

TN95

：A

：0258-7998(2015)03-0147-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.039

2014-11-08)

歐陽志宏(1983－)，男，碩士，講師，主要研究方向：雷達(dá)對抗、復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建。

李修和(1975－)，男，博士，副教授，主要研究方向：組網(wǎng)雷達(dá)對抗、信息戰(zhàn)作戰(zhàn)效能評估。

丁鋒(1978－)，男，博士，講師，主要研究方向：雷達(dá)對抗、組網(wǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)融合。

安徽省自然科學(xué)基金（1308085QF105）