雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的一體化模擬方法探討*

許　雄，吳若無，韓　慧，曾勇虎，汪連棟(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471003)

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雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的一體化模擬方法探討*

許雄，吳若無，韓慧，曾勇虎，汪連棟
(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471003)

摘要:針對(duì)裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)研究需求，研究了雷達(dá)類裝備面臨的信號(hào)環(huán)境，提出了一種基于信號(hào)相干特征的環(huán)境要素分類方法，并根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了一體化的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)框架，討論了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及其難點(diǎn)，為開展雷達(dá)類裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)提供了重要的理論與方法支持。

關(guān)鍵詞:復(fù)雜電磁環(huán)境;雷達(dá)信號(hào)環(huán)境;電磁環(huán)境模擬

0　引言

雷達(dá)類裝備的抗干擾性能評(píng)估以及復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，迫切需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的特性進(jìn)行深入分析，并形成一套標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)環(huán)境模擬方法。目前利用目標(biāo)回波模擬器、環(huán)境雜波模擬器、背景信號(hào)模擬器、干擾信號(hào)模擬器等四大類模擬器進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)試與評(píng)估，具有一系列問題。分析原因，主要在于對(duì)目標(biāo)回波、環(huán)境雜波、背景信號(hào)、干擾信號(hào)這四個(gè)環(huán)境要素的分解是從信號(hào)來源的角度提出的，其各個(gè)要素特性之間存在著一些相似性，導(dǎo)致考核評(píng)估時(shí)無法做到各項(xiàng)指標(biāo)具有獨(dú)立、正交、完備的特點(diǎn)。尤其以干擾信號(hào)模擬器為例，其遮蓋性干擾的特性與背景信號(hào)模擬器有部分相似，其欺騙性干擾的特性又分別與目標(biāo)回波和環(huán)境雜波模擬器有部分相似，它們之間相互交疊，無法完全獨(dú)立。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文擬對(duì)電磁環(huán)境要素進(jìn)行重新分解，以建立可相對(duì)獨(dú)立的模擬剖面，為后續(xù)開展裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)提供基礎(chǔ)理論支持。

1　雷達(dá)類裝備面臨的信號(hào)環(huán)境分析

以主動(dòng)探測(cè)的雷達(dá)裝備為研究對(duì)象，以雷達(dá)天線口面處為觀測(cè)點(diǎn)，站在雷達(dá)的角度，通常是將進(jìn)入雷達(dá)天線的信號(hào)分為兩類，第一類即發(fā)射機(jī)自己發(fā)出并被目標(biāo)反射回來的有用信號(hào);第二類就是不利于目標(biāo)探測(cè)的其它信號(hào)的總和，有時(shí)稱為噪聲，而有時(shí)稱為雜波，還有時(shí)又稱為干擾。

于是就有了信噪比、信雜比和信干比三個(gè)用于表征雷達(dá)抗干擾性能的物理量。這些物理量在分析雷達(dá)的性能時(shí)能較好地表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖，然而從實(shí)際的接收機(jī)表現(xiàn)來說卻有一定的局限性。接收機(jī)本身分不清楚什么是有用信號(hào)，什么是干擾信號(hào)，其利用變頻、濾波等技術(shù)手段，只能分清楚哪些信號(hào)與其發(fā)射的信號(hào)相關(guān)，哪些信號(hào)是不相關(guān)的。而在后續(xù)的信號(hào)處理過程中，那些相關(guān)的信號(hào)會(huì)被處理后顯示，那些不相關(guān)的信號(hào)若能量較小則被丟棄，而能量較大則同樣會(huì)被處理并直接影響所要探測(cè)的結(jié)果。

因此，若從雷達(dá)接收機(jī)的角度看外部的信號(hào)環(huán)境，環(huán)境要素不應(yīng)該分為有用的回波信號(hào)和無用的干擾信號(hào)，而應(yīng)該根據(jù)與發(fā)射信號(hào)相干與否，分解為相干類信號(hào)和非相干類信號(hào)兩大類，如圖1所示。

圖1　雷達(dá)信號(hào)環(huán)境要素的分解

相干類信號(hào)的共同特點(diǎn)就是都與雷達(dá)自身發(fā)射機(jī)所發(fā)射的信號(hào)特征具有直接的相關(guān)性，且隨著發(fā)射信號(hào)特征的變化而發(fā)生變化。而近似獨(dú)立的隨機(jī)的非相干類信號(hào)的共同特點(diǎn)，就是與雷達(dá)工作信號(hào)特征基本無關(guān)。

雷達(dá)探測(cè)的過程，就是通過信號(hào)處理的手段，從上述兩大類信號(hào)環(huán)境中提取所需的目標(biāo)回波信號(hào)。從抗干擾的角度來說，要想從相干類信號(hào)環(huán)境中提取目標(biāo)回波，必須使信號(hào)處理具有較強(qiáng)的目標(biāo)回波特征識(shí)別和提取能力;而要想從非相干類信號(hào)環(huán)境中提取目標(biāo)回波，則需要提高目標(biāo)回波的能量值。從電磁環(huán)境適應(yīng)性的角度來說，在雷達(dá)所能適應(yīng)的相干類信號(hào)環(huán)境中，目標(biāo)一定有區(qū)別于其它信號(hào)特性的獨(dú)特特征;而在雷達(dá)所能適應(yīng)的非相干類信號(hào)環(huán)境中，環(huán)境的最高能量值一定不超過雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)能量積累后的檢測(cè)值。

2　一體化的模擬系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的模擬可以從兩個(gè)獨(dú)立的方面入手，一方面要模擬雷達(dá)接收機(jī)能夠收到的相干類的信號(hào)環(huán)境;另一方面要模擬能夠進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的非相干類的信號(hào)環(huán)境。那么從模擬器的角度來說就需要相干類信號(hào)模擬器和非相干類信號(hào)模擬器。這兩類模擬器的最大區(qū)別在于是否利用了雷達(dá)所發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)，其相似處在于都具有波形生成和信號(hào)發(fā)射部分。現(xiàn)實(shí)中，一部雷達(dá)工作時(shí)，必然從接收機(jī)同時(shí)接收到兩種類型的信號(hào)，即必然會(huì)同時(shí)用到兩種模擬器。因而，從一體化模擬需求的角度說，這兩類模擬器的基本硬件架構(gòu)應(yīng)該盡量在統(tǒng)一的模擬系統(tǒng)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，最終只是體現(xiàn)在軟件操作的不同上面。綜合分析現(xiàn)行的技術(shù)條件，本文認(rèn)為這樣的一體化需求是可實(shí)現(xiàn)的。

2．1系統(tǒng)架構(gòu)

一種可行的一體化模擬系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2所示，主要包含天線陣列、射頻通道和數(shù)字信號(hào)處理機(jī)三個(gè)部分。而相對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主要包括信號(hào)存儲(chǔ)、特征提取、信號(hào)相關(guān)、輸出控制及各類數(shù)據(jù)庫等。

圖2　一體化模擬系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

圖3　一體化模擬系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

在該軟硬件架構(gòu)中，硬件系統(tǒng)擁有四個(gè)通道的輸入和六個(gè)通道的輸出。其中最上面兩個(gè)通道的輸入和輸出可用于產(chǎn)生有源欺騙類的相干干擾信號(hào)，可專門用于產(chǎn)生角度欺騙。中間兩個(gè)通道的輸入和輸出可用于產(chǎn)生交叉極化、雜波、目標(biāo)回波等相干類信號(hào)。最下面兩個(gè)通道主要用于產(chǎn)生噪聲干擾、背景信號(hào)等非相干類信號(hào)。而高速FPGA和高性能DSP主要用來完成軟件框圖中的特征提取和信號(hào)相關(guān)等功能。這部分軟件不僅包含對(duì)被試?yán)走_(dá)發(fā)射信號(hào)參數(shù)的采集存儲(chǔ)、特征提取等處理過程，還包括根據(jù)所采集到的信息對(duì)各個(gè)模型庫作相關(guān)處理。這也是產(chǎn)生相干類信號(hào)環(huán)境的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)庫方面則主要包含目標(biāo)模型庫、雜波模型庫、欺騙策略庫，以及常用波形庫。其中常用波形庫中應(yīng)該包括各種噪聲及其調(diào)制的信號(hào)波形，以及常見的一些脈沖信號(hào)波形，以用來產(chǎn)生非相干類信號(hào)環(huán)境。

針對(duì)被動(dòng)探測(cè)的雷達(dá)類裝備以及信號(hào)偵察類裝備的試驗(yàn)需求，可以參照上述這個(gè)系統(tǒng)框架，基本只利用其中的常用波形庫和信號(hào)發(fā)射通道即可。

2．2關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)上述一體化的系統(tǒng)架構(gòu)，必須解決以下若干關(guān)鍵技術(shù):

從硬件角度來說，首先要解決寬帶的信號(hào)接收、采集的技術(shù)，這個(gè)可以參考當(dāng)前的偵察接收機(jī)的技術(shù)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)所發(fā)射信號(hào)的頻譜特征、極化特征、波形特征、指紋特征的提取，要求對(duì)相應(yīng)特征提取的精度要足夠高，為滿足模擬的高逼真度提供前提條件。

從軟件角度來說，要解決信號(hào)相關(guān)處理的技術(shù)，即根據(jù)所采集到的特征信息對(duì)各個(gè)模型庫作快速相關(guān)處理，如根據(jù)目標(biāo)模型嵌入信號(hào)的頻譜參數(shù)和極化參數(shù)等，并在相關(guān)處理的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行合成。

同時(shí)，關(guān)于目標(biāo)模型庫、雜波模型庫、欺騙策略庫以及常用波形庫等數(shù)據(jù)庫的建設(shè)也是關(guān)鍵的。模型庫的逼真性直接決定了信號(hào)環(huán)境模擬的有效性。具體針對(duì)試驗(yàn)評(píng)估的需求，在模型設(shè)計(jì)方面需要重點(diǎn)配置各個(gè)模型中相應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)的潛在變化范圍。對(duì)于相干類信號(hào)，需重點(diǎn)配置欺騙策略庫，并能夠給出欺騙類信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)的特征值差異區(qū)間。而對(duì)于非相干類信號(hào)，則需重點(diǎn)配置噪聲和雜亂脈沖的波形特征，給出相應(yīng)能量值的連續(xù)變化區(qū)間。

3　具體實(shí)現(xiàn)中的難點(diǎn)討論

一體化的雷達(dá)信號(hào)模擬系統(tǒng)框架是針對(duì)雷達(dá)類裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)需求而提出的，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室層面對(duì)雷達(dá)類裝備進(jìn)行有效的試驗(yàn)與評(píng)估。但是要實(shí)現(xiàn)有效的評(píng)估，還需要解決以下若干基礎(chǔ)理論問題，主要涉及到如何來確定環(huán)境要素的輸入?yún)?shù)指標(biāo)，如何設(shè)置試驗(yàn)內(nèi)容，以及如何針對(duì)具體的試驗(yàn)內(nèi)容開展定量的環(huán)境要素模擬等。其中，最關(guān)鍵的是輸入?yún)?shù)指標(biāo)問題，即如何針對(duì)相干類信號(hào)環(huán)境，確定欺騙類信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)的特征值差異區(qū)間，以及如何針對(duì)非相干類信號(hào)環(huán)境，設(shè)置能量值區(qū)間與信號(hào)類型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

分析原因，主要是這些值與多種物理量關(guān)系密切卻又不呈一一對(duì)應(yīng)的顯性關(guān)系，致使沒有現(xiàn)成的函數(shù)關(guān)系能夠表達(dá)，而是依賴各種主觀的定性認(rèn)識(shí)，且針對(duì)各種具體的情況有不同的表象。

針對(duì)相干類信號(hào)環(huán)境，考慮的不僅是能量值，更多的是信號(hào)之間的特征差異。由于信號(hào)的特征即包含了信號(hào)所要反映的信息，于是信息的差異就是信號(hào)的特征差異。例如欺騙類信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)的特征差異主要表現(xiàn)在信號(hào)所要反映的位置、速度以及表示的目標(biāo)數(shù)量等信息方面的不同。這些信息變換成信號(hào)特征參數(shù)則為脈沖時(shí)延、多普勒頻移、脈內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)等。于是問題可以描述為如何針對(duì)一個(gè)具體應(yīng)用，設(shè)置一定的脈沖時(shí)延、多普勒頻移、脈內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)等取值范圍。

針對(duì)非相干類信號(hào)環(huán)境，從雷達(dá)接收天線口面處看，其接收到的能量值不僅與頻帶有關(guān)，還與信號(hào)到達(dá)角及其極化匹配程度等有關(guān)系。同一個(gè)能量值可以對(duì)應(yīng)不同的頻帶、到達(dá)角和極化匹配度，即其函數(shù)關(guān)系不是一一對(duì)應(yīng)的。同時(shí)，即使這三類參數(shù)都一致的情況下，同一個(gè)能量值可以對(duì)應(yīng)不同的脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率和脈沖峰值功率等脈沖波形參數(shù)。于是問題可以描述為如何針對(duì)一個(gè)具體應(yīng)用，設(shè)置在一定頻帶、到達(dá)角、極化匹配度、脈沖波形參數(shù)等取值范圍內(nèi)的能量值區(qū)間。

在試驗(yàn)內(nèi)容上，傳統(tǒng)的做法基本是按照循序漸進(jìn)的原則，首先是進(jìn)行回波模擬，其次是回波+雜波模擬，之后分別是回波+雜波+壓制干擾模擬和回波+雜波+假目標(biāo)欺騙模擬，最后是回波+雜波+壓制干擾+假目標(biāo)欺騙綜合模擬。這種試驗(yàn)內(nèi)容的安排會(huì)造成本文引言中所述的評(píng)估要素不獨(dú)立等問題。

而根據(jù)本文對(duì)信號(hào)的分類思想，可以建立新的一種可行的做法，即:

首先，對(duì)相干類信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一度量，可建立一個(gè)用于表征相干類信號(hào)與目標(biāo)回波相似程度的稱為“信號(hào)相似度”的物理量，進(jìn)而通過對(duì)信號(hào)相似度的取值區(qū)間進(jìn)行劃分規(guī)范，作為評(píng)價(jià)雷達(dá)裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性的一個(gè)重要依據(jù)。換言之，相干類信號(hào)與真實(shí)的目標(biāo)回波越相似，雷達(dá)越容易受騙，環(huán)境適應(yīng)性越差。而若雷達(dá)可在具有高等級(jí)的信號(hào)相似度的電磁環(huán)境中正常工作并識(shí)別出正確的目標(biāo)，則說明雷達(dá)具有更好的電磁環(huán)境適應(yīng)性。那么模擬的時(shí)候則是先單獨(dú)進(jìn)行回波模擬，再根據(jù)信號(hào)相似度的取值區(qū)間統(tǒng)一模擬雜波與假目標(biāo)欺騙干擾信號(hào)。

其次，針對(duì)非相干類信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一度量，可在其與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)具有一定相關(guān)性的前提下，建立一個(gè)用于表征非相干類信號(hào)與目標(biāo)回波能量差異程度的稱為“相關(guān)強(qiáng)度比”的物理量，進(jìn)而通過對(duì)

相關(guān)強(qiáng)度比的取值區(qū)間進(jìn)行劃分規(guī)范，作為評(píng)價(jià)雷達(dá)裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性的另一個(gè)重要依據(jù)。換言之，雷達(dá)可在具有高等級(jí)的相關(guān)強(qiáng)度比的電磁環(huán)境中正常工作并識(shí)別出正確的目標(biāo)，則說明雷達(dá)具有更好的電磁環(huán)境適應(yīng)性。那么模擬的時(shí)候也是先單獨(dú)進(jìn)行回波模擬，再根據(jù)相關(guān)強(qiáng)度比的取值區(qū)間統(tǒng)一模擬背景信號(hào)與各類噪聲壓制干擾信號(hào)。

此外，在系統(tǒng)控制方面，還需要確定相干類信號(hào)與非相干類信號(hào)的比例關(guān)系，進(jìn)而在信號(hào)的輸出控制上根據(jù)實(shí)際的場(chǎng)景進(jìn)行一定的時(shí)序控制和分布控制等。而這也是目前還沒有獲得統(tǒng)一認(rèn)識(shí)的地方，是又一個(gè)難點(diǎn)。

因而，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)上述的三類難點(diǎn)進(jìn)行深入研究，以獲得相應(yīng)的理論突破，為實(shí)現(xiàn)定量化、一體化的電磁環(huán)境模擬奠定基礎(chǔ)。

4　結(jié)束語

本文針對(duì)裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求，基于一體化的設(shè)計(jì)思想，從分析雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的本質(zhì)屬性出發(fā)，提出一種一體化的信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)框架，并指出實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)，以及目前所面臨的難點(diǎn)。相關(guān)的討論將為裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究提供一定的參考。

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Discussion on integrated simulation method for radar signal environment

Xu Xiong，Wu Ruowu，Han Hui，Zeng Yonghu，Wang Liandong
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，Luoyang 471003，Henan，China)

Abstract:Aiming at the experimental investigation demand of complex electromagnetic environment effect for equipment，the signal environment faced by radar equipment is studied，and an analysis method based on signal correlation characteristics is proposed．Then the radar signal environment simulation system frame is designed，and the relative key technique and embarrassment are discussed．It can provide important theoretical method support for radar equipment complex electromagnetic environment adaptability test．

Key words:complex electromagnetic environment; radar signal environment; electromagnetic environment simulation

作者簡(jiǎn)介:許雄(1985－)，男，博士，助理研究員，研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬、雷達(dá)導(dǎo)引頭、雷達(dá)對(duì)抗試驗(yàn)技術(shù)。

收稿日期:2015－12－03; 2016－01－05修回。

*基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M542452) ;電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(CEMEE2012Z0103B)。

中圖分類號(hào):TN971

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A