基于SystemVue的電子偵察仿真系統(tǒng)設(shè)計

林 曦，任 赫，陳 研

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

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基于SystemVue的電子偵察仿真系統(tǒng)設(shè)計

林 曦，任 赫，陳 研

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

電子偵察系統(tǒng)仿真的主要目的是建立典型電子偵察系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及模擬電磁環(huán)境，通過射頻接收、數(shù)字處理、信號分選實現(xiàn)電子偵察系統(tǒng)功能。利用SystemVue系統(tǒng)仿真軟件、ADS軟件和VC軟件協(xié)同建模仿真，搭建了一套包含雷達(dá)信號生成、空間傳播、天線、接收機、處理機、顯控界面等模塊組成的典型電子偵察仿真系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試。該系統(tǒng)的建立，不僅能為外場試驗提供仿真數(shù)據(jù)，同時也能為電子偵察系統(tǒng)對抗試驗評估提供有力支撐。

SystemVue；協(xié)同仿真；ADS軟件；電子偵察

0 引 言

仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，以電子計算機及相關(guān)設(shè)備(仿真器)為工具，利用模型對系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析和評估的多學(xué)科綜合性技術(shù)[1]。近年來，隨著建模仿真技術(shù)的進(jìn)步，其在軍用和民用領(lǐng)域中的應(yīng)用更是不斷向深度和廣度拓展[2]，同時對于仿真系統(tǒng)的要求也越來越高。

利用現(xiàn)代建模和仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬的戰(zhàn)場環(huán)境，進(jìn)行電子對抗的仿真，與傳統(tǒng)的外場實驗和實兵演習(xí)等方法相比具有費效比高、可控性強、顯示直觀、可大量重復(fù)實驗等優(yōu)點[3-4]。針對典型電子戰(zhàn)系統(tǒng)及裝備，建立裝備及其作戰(zhàn)環(huán)境的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，構(gòu)建全數(shù)字電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)電子戰(zhàn)裝備的仿真設(shè)計和作戰(zhàn)效能的評估，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子裝備研制、論證、發(fā)展建設(shè)和作戰(zhàn)運用研究的有效手段。

本系統(tǒng)以典型電子偵察裝備為出發(fā)點，建立輻射源信號、空間傳播及接收機系統(tǒng)、處理機系統(tǒng)的模型，以封裝的仿真模型和軟件模型的形式在計算機中進(jìn)行功能再現(xiàn)；同時考慮各模塊間的協(xié)同、通訊問題，以標(biāo)準(zhǔn)的接口方式組建成完整電子戰(zhàn)裝備的數(shù)字樣機，使其具有正常雷達(dá)信號偵察處理顯示能力；對關(guān)鍵信號設(shè)置耦合檢測端口，實現(xiàn)雷達(dá)信號等的圖形化顯示并進(jìn)行作戰(zhàn)效能的評估；完成了電子戰(zhàn)裝備從仿真設(shè)計、驗證到虛擬測試的任務(wù)，可用于支持靶場電子戰(zhàn)裝備的仿真設(shè)計、驗證和虛擬測試，為外場效應(yīng)試驗方案設(shè)計提供技術(shù)支撐。

仿真采用SystemVue環(huán)境和VS環(huán)境聯(lián)合開發(fā)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)電子偵察系統(tǒng)各部分的仿真設(shè)計，并通過通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)環(huán)境的數(shù)據(jù)傳遞，搭建完整的典型電子偵察仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 物理模型

采用波束掃描搜索體制的典型電子偵察設(shè)備主要由天線單元、接收機單元、處理機單元、主機等部分組成。其中，天線通過伺服轉(zhuǎn)動進(jìn)行掃描偵收，實現(xiàn)360°覆蓋，在空間上、頻率上完成輻射信號的預(yù)選。接收機主要完成射頻信號的超外差變頻接收，輸出中頻信號給數(shù)字信號處理模塊，數(shù)字信號處理模塊完成信號的采樣、檢測、參數(shù)測量，并形成完整的脈沖描述字(PDW)，完成方位上的PDW的分選，將分選結(jié)果上報給主機，主機進(jìn)行分批處理并顯示。

針對上述典型電子偵察設(shè)備的構(gòu)成，通過構(gòu)建典型偵察接收系統(tǒng)的電路組成模型，選取器件的典型參數(shù)，模擬典型偵察接收系統(tǒng)的工作過程，建立典型電子偵察仿真系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計需要，將整個仿真系統(tǒng)分為雷達(dá)模塊、空間傳播模塊、偵察接收天線模塊、微波接收機電路模塊、信號處理模塊、信號分選模塊、顯控界面幾大部分，如圖1所示。

1.2 仿真設(shè)計

本文建立的仿真系統(tǒng)基于SystemVue軟件平臺，聯(lián)合ADS軟件和VC軟件開發(fā)。SystemVue[5-11]是一款專為電子系統(tǒng)級設(shè)計的電子設(shè)計自動化(EDA)產(chǎn)品，支持射頻系統(tǒng)鏈路與數(shù)字信號處理單元協(xié)同仿真，其作為專用的電子系統(tǒng)級(ESL)設(shè)計和信號處理算法開發(fā)平臺，可以替代通用的數(shù)字、模擬和數(shù)學(xué)仿真環(huán)境。產(chǎn)品內(nèi)部搭載了詳細(xì)的雷達(dá)、電子戰(zhàn)模塊，可形成純軟件的完整的雷達(dá)對抗系統(tǒng)。它具有與外部文件相通的、開放的算法建模接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數(shù)據(jù)，可以與Matlab、C++、數(shù)字信號處理(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、ADS等其他軟件互聯(lián)使用，支持多域化模型的設(shè)計框架。基于其靈活性與拓展性，選擇SystemVue作為整個系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。

為了復(fù)現(xiàn)實際裝備的靈敏度、增益和信噪比等參數(shù)，仿真系統(tǒng)中的射頻部分必須用有熱噪聲的射頻元件搭建，這種設(shè)計方法與SystemVue的數(shù)據(jù)流仿真方法并不一致，故采用ADS軟件來進(jìn)行接收機電路的搭建。

同時，為了實現(xiàn)SystemVue軟件無法完成的復(fù)雜處理和人機交互功能，采用VC軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯控界面的開發(fā)。

綜上所述，整個系統(tǒng)的仿真分為電路仿真模塊、信號處理模塊、顯控界面三部分，基于電路仿真軟件ADS、電子系統(tǒng)級設(shè)計軟件SystemVue和VC軟件來實現(xiàn)，以完成對典型電子偵察系統(tǒng)的電路級、信號級和系統(tǒng)級操作方式的仿真，如圖2所示。電路仿真與顯控界面集成入SystemVue系統(tǒng)仿真軟件中，最后形成一個整體仿真系統(tǒng)。

首先通過VC顯控界面設(shè)置仿真場景，在電子系統(tǒng)級設(shè)計軟件SystemVue中產(chǎn)生輻射源信號，并通過空間傳播模型組到達(dá)接收天線模型，由軟件SystemVue將該復(fù)信號傳遞給電路仿真環(huán)境ADS。當(dāng)電路仿真環(huán)境ADS接收到電子系統(tǒng)級設(shè)計軟件SystemVue傳遞的經(jīng)過接收天線口面的到達(dá)射頻前端電路的復(fù)包絡(luò)信號流以后，調(diào)用包絡(luò)仿真器進(jìn)行電路輸出包絡(luò)信號的計算，然后再將響應(yīng)的復(fù)包絡(luò)信號傳遞回電子系統(tǒng)級設(shè)計軟件SystemVue，進(jìn)行模擬/數(shù)字(A/D)采樣、信號處理、信號分選，輸出分選結(jié)果并顯示。圖3為SystemVue工程整體結(jié)構(gòu)(僅作示意用)。

2 關(guān)鍵模型設(shè)計

電子偵察仿真系統(tǒng)的模型來自2種設(shè)計方法：一方面，通過分析典型電子戰(zhàn)裝備各部分分機、模型的數(shù)學(xué)原理和結(jié)構(gòu)功能，在SystemVue軟件中通過基本元件搭建，或是采用C++編寫仿真模型；另一方面，為彌補SystemVue在復(fù)雜算法實現(xiàn)、仿真控制、參數(shù)設(shè)置和態(tài)勢顯示上不夠直觀和靈活的缺陷，采用VS2010環(huán)境編寫軟件模塊，并組成數(shù)據(jù)處理與顯控軟件，實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、策略分析和人機交互功能。

2.1 空間傳播模型組

空間傳播模型組包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型和傳播損耗模型。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型用于將偵察站和雷達(dá)站的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為以各站為中心的極坐標(biāo)系的相對方位與俯仰，提供給各站的發(fā)射或接收天線，使得天線模型輸出的信號帶有天線方向圖調(diào)制特征。傳播損耗模型包括三維距離解算模型、大氣損耗模型和延時模型，通過計算偵察站與輻射源的實時距離，在雷達(dá)信號中附加大氣損耗和傳播延時。

2.2 微波接收機電路模型

微波接收機電路模型主要是仿真典型偵察接收機的整個電路組成，用于建構(gòu)整個電路模型。由于SystemVue的主要仿真流程為數(shù)據(jù)流仿真，即根據(jù)設(shè)置的時鐘周期產(chǎn)生數(shù)據(jù)，鏈路上模型依次對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其自帶的算法庫提供了在數(shù)據(jù)流仿真狀態(tài)下的時域射頻模型，可以展示理想狀態(tài)下一些射頻元件的處理效果，但在非線性、噪聲以及泄露等射頻器件的非理想效果上表現(xiàn)不佳。

為了彌補這一缺陷，采用頻域射頻仿真模型進(jìn)行設(shè)計，利用ADS軟件進(jìn)行射頻鏈路的仿真設(shè)計工作，可以真實復(fù)現(xiàn)實際裝備的靈敏度、增益和信噪比等參數(shù)。

在ADS軟件中，依據(jù)器件的性能搭建兩級變頻超外差接收機電路原理圖，如圖4所示。

進(jìn)入接收機的微弱信號首先通過限幅器，然后經(jīng)低噪聲放大器進(jìn)行放大。射頻濾波器是為了抑制進(jìn)入接收機的外部干擾，混頻器將雷達(dá)的射頻信號變換為中頻信號，再經(jīng)中頻放大器進(jìn)行中頻放大。對于不同頻率，不同頻帶的接收機都可以通過變換本振頻率，使其形成固定中頻頻率和帶寬的中頻信號。SystemVue工程中的接收機模型在仿真時會調(diào)用ADS軟件，加載該工程文件以進(jìn)行接收機鏈路仿真。

2.3 數(shù)字信號處理模型

數(shù)字信號處理的任務(wù)是配合射頻接收機，實現(xiàn)對中頻信號的采樣、檢測和幅度、頻率等參數(shù)的測量，送脈沖字形成模塊形成脈沖描述字(PDW)。子模型包括：

(1) 表征頻率變換

為了提高仿真速率、降低帶通數(shù)字仿真系統(tǒng)的采樣頻率，目前的仿真軟件是以包絡(luò)信號的方式來表征帶通信號的，即用數(shù)字序列描述信號的基帶成分，用表征頻率描述信號的中心頻率。因此，包絡(luò)仿真信號的數(shù)字序列并不能通過相位變化來測量變頻之后的頻率殘余，需要將表征頻率變至0，使數(shù)字序列部分能夠完整地描述帶通信號。實現(xiàn)這一過程的模型是表征頻率變換模型。

(2) A/D采樣模型

雖然仿真軟件中的中頻信號仍然是時間離散的數(shù)字序列，但其幅度仍然是以精度較高的浮點數(shù)表示的。利用SystemVue自帶的A/D采樣模型，對中頻信號進(jìn)行采樣，得到時域和頻率都離散的真正意義上的數(shù)字信號，此時信號幅度帶有A/D量化誤差。

(3) 數(shù)字下變頻模型

對中頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻，將中頻信號的中心頻率變至零頻，得到I/Q兩路正交數(shù)字信號，同時采樣率降低了一半。

(4) 檢波(幅度測量)和相位測量模型

檢波的目的是得到中頻信號的視頻包絡(luò)信號，同時得到信號幅度，方法是求I、Q兩路信號幅度的平方和后開方。相位測量是測量中頻信號的相位，方法是求I/Q兩路信號比值后再求反正切。二者在SystemVue仿真中可同時實現(xiàn)，方法為使用SystemVue“RectToPolar”元件，將I、Q兩路信號作類型轉(zhuǎn)換得到復(fù)信號的幅度和相位。

(5) 自適應(yīng)檢測模型

本模型通過對信號噪聲平均幅度的估計，結(jié)合預(yù)設(shè)的檢測信噪比，判定信號中是否存在有用成分；同時以滑窗法更新噪聲幅度的估計值，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)檢測。可利用反饋函數(shù)動態(tài)計算調(diào)整，實現(xiàn)恒虛警檢測等方式。

(6) 頻率測量模型

模型通過相差變化率即為頻率的基本原理，對相位解纏繞后求得信號頻率。

2.4 信號分選模型

信號分選主要包括預(yù)分選和主分選模型。

信號預(yù)分選是對PDW的聚類處理，將頻率、到達(dá)時間、脈寬和幅度等參數(shù)按一定門限進(jìn)行相關(guān)處理，將全部參數(shù)都在某類均值的一定范圍內(nèi)的PDW歸入該類中并更新均值，起到盡可能將不同輻射源的PDW區(qū)分開的作用。

針對預(yù)分選結(jié)果，主分選模型將通過最大值分選法確定目標(biāo)方位[12]，通過其幅度的周期性變化，尋找幅度最大的PDW字區(qū)間，計算對應(yīng)的天線方向，即得到目標(biāo)方位角。下面簡述最大值分選處理流程：

(1) 掃描周期判定、數(shù)據(jù)輸出與更新。

判定當(dāng)前采樣點是否位于新的掃描周期內(nèi)。

如是，判斷每個信號源的脈沖是否滿包(脈沖數(shù)達(dá)到PDW_PACK_LEN)。已滿包的，計算歷史最大脈幅(PA)脈沖組的脈沖重復(fù)間隔(PRI)并輸出；未滿包的，計算當(dāng)前脈沖組的PRI并輸出。輸出后清空緩存內(nèi)所有變量。

(2) 采樣點有效判定

通過射頻(RF)等參數(shù)判斷當(dāng)前采樣點是否為有效PDW字。如否，跳過剩余步驟，結(jié)束當(dāng)前處理，進(jìn)入新的處理周期，開始步驟(1)。

(3) 按RF及到達(dá)方向(DOA)進(jìn)行脈沖相關(guān)處理

根據(jù)設(shè)定的RF容差與DOA容差區(qū)分來自多個信號源的脈沖。將當(dāng)前有效PDW字的RF、DOA依次與緩存內(nèi)各信號源的當(dāng)前脈沖組平均RF、平均DOA作差比較，兩者均在容差范圍內(nèi)的歸入對應(yīng)信號源當(dāng)前脈沖組。若未與任何信號源相關(guān)，則建立新的信號源標(biāo)志，將PDW字歸入該組。相關(guān)后，計算當(dāng)前組脈沖平均PA并更新。容差與測量精度相關(guān)，精度越高則容差越小。

(4) 滿包判定

脈沖相關(guān)后，針對相關(guān)的信號源判斷當(dāng)前組中脈沖數(shù)是否滿包。若當(dāng)前組滿包，計算組內(nèi)平均PA，與歷史最大PA脈沖組的平均PA比較。若當(dāng)前組的PA均值較大，用當(dāng)前組覆蓋歷史最大組。無論比較結(jié)果如何，清空當(dāng)前組內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，以容納后續(xù)相關(guān)脈沖。

2.5 數(shù)據(jù)處理與顯控模塊

為了實現(xiàn)SystemVue軟件無法完成的復(fù)雜處理和人機交互功能，需要通過編寫顯控和數(shù)據(jù)處理軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示控制，其與SystemVue的數(shù)據(jù)傳遞是通過通信口和網(wǎng)絡(luò)端口實現(xiàn)的。圖5為該電子偵察仿真系統(tǒng)配套的顯控軟件界面?？稍趨?shù)設(shè)置頁進(jìn)行仿真場景和仿真參數(shù)的設(shè)置，通過SystemVue提供的通信接口實現(xiàn)對模型和數(shù)字樣機的參數(shù)設(shè)置和仿真控制。仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可由SystemVue網(wǎng)絡(luò)發(fā)送方式實時獲取。

3 模型功能測試

在建立了典型電子偵察系統(tǒng)仿真模型之后，需要對其功能進(jìn)行驗證。本文通過驗證系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)測試節(jié)點輸出進(jìn)行信號圖形化顯示。典型電子偵察仿真系統(tǒng)正常工作時接收到雷達(dá)信號，信號經(jīng)由這些模型的變化過程如圖6和圖7所示。圖中分別給出了在1.2 μs和0.081 μs時間區(qū)域內(nèi)，信號經(jīng)由天線調(diào)制、混頻到中頻輸出，至A/D量化后的各端口波型。信號波形符合預(yù)期，與實際樣機類似。

設(shè)輻射源與接收機距離為150 km，接收機天線增益18 dB，仿真系統(tǒng)信號偵察仿真分析見表1。通過設(shè)置不同的雷達(dá)發(fā)射功率，功率大小由74 dBm減至28 dBm，經(jīng)過偵察仿真系統(tǒng)，分選結(jié)果如表1所示。由表1可知，系統(tǒng)具有正常的雷達(dá)信號偵察能力。當(dāng)發(fā)射功率降至34 dBm時，收到脈沖個數(shù)較少，分選結(jié)果受到影響。通過計算可知，此時接收口面信號大小在-73 dBm左右，接近系統(tǒng)靈敏度，與實際樣機吻合，整個電子偵察仿真模型的等效性較好。

表1 系統(tǒng)信號偵察仿真分析

4 結(jié)束語

本文利用SystemVue協(xié)同ADS、VC軟件，針對實際典型電子偵察系統(tǒng)仿真分析需求，建立了一套典型電子偵察仿真系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及重要模型實現(xiàn)方法。通過對搭建系統(tǒng)各關(guān)鍵輸出節(jié)點及系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)的測試，表明系統(tǒng)具備了典型電子偵察系統(tǒng)仿真模擬的能力。該仿真系統(tǒng)具有較強的靈活性與拓展性，它使用功能模型去描述程序，可方便地完成各種模型的設(shè)計與仿真，快速建立和修改模型，訪問與調(diào)整參數(shù)，能為真實電子設(shè)備的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計方法，亦可驗證真實樣機的功能與性能。在全系統(tǒng)仿真效能評估方面有極大的應(yīng)用前景。

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DesignofElectronicReconnaissanceSimulationSystemBasedonSystemVue

LIN Xi,REN He,CHEN Yan
(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

The main purpose of electronic reconnaissance system simulation is to establish mathematical models of typical electronic reconnaissance system and simulate electromagnetic environment.Through radio frequency reception,digital processing and signal sorting,the function of electronic reconnaissance system is realized.A set of typical electronic reconnaissance simulation system including radar signal generation module,space broadcast module,antenna module,receiver module,processor module and display and control interface module,etc. is constructed by means of the collaborative modeling and simulation of system simulation software SystemVue,ADS software and VC software,and the performance test to the system is performed.The established system not only provides the simulation data for the outfield experiment but also provides the powerful support for the countermeasure test assessment of electronic reconnaissance countermeasure system.

SystemVue;co-simulation;ADS software;electronic reconnaissance

2017-03-15

TN971

：A

：CN32-1413(2017)03-0092-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.023