雷達(dá)對抗數(shù)字仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

馬 輝，孫 健，劉正堂，王 興

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

作為電子對抗的重要內(nèi)容，雷達(dá)對抗一直扮演著主角。隨著電磁技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是對作戰(zhàn)機(jī)群而言，通過多種體制雷達(dá)相互組網(wǎng)以及信息融合，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的高精度靜默偵測，大大增加了防御難度。為了有效提高電子對抗效率和效果，免于受時(shí)間、空間以及設(shè)備限制，就需要借助一種更為便捷高效的訓(xùn)練工具，即雷達(dá)對抗模擬器[1-2]。

雷達(dá)對抗模擬器的研究始于20世紀(jì)60年代初，在20世紀(jì)70年代中期，獲得了很大發(fā)展，出現(xiàn)了時(shí)間分割多輻射模擬系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用數(shù)字隨機(jī)存儲(chǔ)器和高速電壓控制振蕩器，可以對射頻單通道進(jìn)行時(shí)間分割，產(chǎn)生多達(dá)16個(gè)不同的輻射源。20世紀(jì)80年代，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用，以及系統(tǒng)集成化、微型化技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)對抗模擬器的技術(shù)水平和系統(tǒng)性能大大提高。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算機(jī)軟、硬件的不斷發(fā)展，促進(jìn)了雷達(dá)對抗模擬器的飛速發(fā)展，同時(shí)，電子戰(zhàn)裝備的發(fā)展對模擬器也有了更新的要求[3]。進(jìn)入21世紀(jì)，面對日益復(fù)雜的電磁威脅環(huán)境，雷達(dá)對抗模擬系統(tǒng)的技術(shù)要求更高，并進(jìn)入全面發(fā)展的時(shí)代。世界各國軍方已經(jīng)普遍應(yīng)用計(jì)算機(jī)化的模擬作戰(zhàn)和訓(xùn)練設(shè)備，模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和操作訓(xùn)練的各個(gè)方面，有力地促進(jìn)了電子戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展[4-5]。

現(xiàn)有的雷達(dá)對抗模擬器往往存在兩大弊端，一方面是體積過大，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的逼真重現(xiàn)，一些廠家以及研究機(jī)構(gòu)在硬件上下了很大功夫，這樣雖然能夠保證仿真及內(nèi)部運(yùn)算處理過程更貼近實(shí)際的雷達(dá)對抗過程，但帶來的最顯著的問題就是設(shè)備體積過大，龐大的機(jī)箱、機(jī)柜大大限制了實(shí)際的使用效率[6-7]；另一方面，部分雷達(dá)對抗模擬器依托的是系統(tǒng)級(jí)仿真技術(shù)，缺乏對信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真技術(shù)的深入研究，致使仿真運(yùn)算、回波生成以及多波束空間耦合等關(guān)鍵的對抗過程出現(xiàn)失真，與實(shí)際對抗結(jié)果存在較大出入，影響電子對抗戰(zhàn)力的提升。為此，本文依托信號(hào)級(jí)的數(shù)字仿真技術(shù)，著眼于實(shí)際對抗需求，從便攜好用的角度出發(fā)，探索一種雷達(dá)對抗數(shù)字仿真交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為改善電子對抗效果提供更為豐富有效的手段。

1 系統(tǒng)的架構(gòu)及主要功能

數(shù)字仿真系統(tǒng)主要由實(shí)體運(yùn)動(dòng)特性仿真、實(shí)體雷達(dá)特性仿真、雷達(dá)信息處理過程仿真、信息顯示及性能評估、框架流程控制及任務(wù)管理模塊五大部分組成。其中框架流程控制及任務(wù)管理模塊是系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)對各仿真模塊的有序調(diào)用和對仿真流程進(jìn)行控制(如仿真的開始、結(jié)束和暫停等)，此外該模塊還用于實(shí)現(xiàn)對全局?jǐn)?shù)據(jù)文件的操作和管理等。

2 關(guān)鍵仿真技術(shù)設(shè)計(jì)

1)實(shí)體運(yùn)動(dòng)特性仿真

實(shí)體運(yùn)動(dòng)特性仿真部分主要分為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性仿真、干擾運(yùn)動(dòng)特性仿真和雷達(dá)運(yùn)動(dòng)特性仿真模塊三大部分。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模塊主要根據(jù)用戶指定的仿真場景，在統(tǒng)一的三維笛卡爾坐標(biāo)系中，對目標(biāo)的六自由度運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真，輸出仿真時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)信息(如目標(biāo)的位置、速度、加速度、姿態(tài)等)。干擾運(yùn)動(dòng)模塊主要是實(shí)現(xiàn)干擾運(yùn)動(dòng)特性的仿真，如果干擾是機(jī)載干擾，此時(shí)干擾和飛機(jī)平臺(tái)具有相同的運(yùn)動(dòng)特性，那么干擾運(yùn)動(dòng)特性可以直接利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性模塊的輸出即可。雷達(dá)運(yùn)動(dòng)特性模塊則負(fù)責(zé)對導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真，在用戶指定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(如末制導(dǎo)規(guī)律等)下，生成雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)軌跡和其狀態(tài)量，如平臺(tái)的位置、速度和加速度信息等，便于計(jì)算雷達(dá)和目標(biāo)及干擾的相對狀態(tài)。

2)雷達(dá)散射特性仿真

雷達(dá)散射特性部分主要由目標(biāo)雷達(dá)散射特性仿真模塊、雷達(dá)干擾特性仿真模塊、雷達(dá)傳輸及處理損耗仿真模塊、熱噪聲特性仿真和雜波雷達(dá)散射特性仿真模塊五部分組成。目標(biāo)雷達(dá)散射特性仿真模塊利用用戶指定的目標(biāo)多散射中心配置文件(或電磁計(jì)算得到的不同方位和不同俯仰角上目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)文件)以及目標(biāo)雷達(dá)的相對狀態(tài)信息生成多個(gè)脈沖的目標(biāo)雷達(dá)中頻回波序列。雷達(dá)干擾特性仿真模塊根據(jù)技術(shù)文檔中設(shè)計(jì)到的各種典型干擾對雷達(dá)系統(tǒng)的干擾原理，并根據(jù)雷達(dá)和目標(biāo)的狀態(tài)關(guān)系生成干擾信號(hào)的雷達(dá)回波。雷達(dá)傳輸及處理損耗仿真模塊主要用于對雷達(dá)傳輸過程以及下變頻、自動(dòng)增益控制中涉及到的系統(tǒng)損耗進(jìn)行定制，并將該影響加入到雷達(dá)、干擾和雜波的雷達(dá)回波的仿真中，使仿真過程更加接近實(shí)際雷達(dá)處理過程。熱噪聲特性仿真主要用于模擬指定分布的雷達(dá)接收機(jī)熱噪聲，一般認(rèn)為接收機(jī)熱噪聲為高斯白噪聲。雜波雷達(dá)散射特性仿真模塊主要用于實(shí)現(xiàn)對地面或海面雜波的模擬，可以根據(jù)仿真速度要求選擇是網(wǎng)格法或統(tǒng)計(jì)模型法生成面雜波回波數(shù)據(jù)。

3)雷達(dá)信息處理仿真

雷達(dá)信息處理部分主要包括和差三通道信號(hào)合成仿真模塊、雷達(dá)天線傳輸及伺服仿真模塊、雷達(dá)信號(hào)處理仿真模塊、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理仿真模塊四個(gè)子模塊。其中和差三通道信號(hào)合成仿真模塊主要完成單脈沖測角體制下雷達(dá)回波信號(hào)的和通道、方位差通道和俯仰差通道的信號(hào)生成。雷達(dá)天線傳輸及伺服仿真模塊主要用于實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)天線方向圖的模擬，以及天線伺服系統(tǒng)的簡單模擬。雷達(dá)信號(hào)處理仿真模塊主要用于完成回波信號(hào)的數(shù)字下變頻、正交化處理、數(shù)據(jù)抽取、脈沖壓縮、脈間相參積累處理、目標(biāo)檢測、目標(biāo)干擾鑒別等功能，其輸出是雷達(dá)的檢測報(bào)告。雷達(dá)信息處理部分是整個(gè)系統(tǒng)核心功能，其四個(gè)子模塊也是按信號(hào)處理流程的各環(huán)節(jié)功能近似原則而設(shè)置，數(shù)據(jù)流為層次遞進(jìn)關(guān)系。該部分的各子模塊的數(shù)據(jù)均被送入到圖形化界面顯示，可以很方便地對各部分的輸出進(jìn)行監(jiān)控。

4)仿真信息交互

信息顯示及性能評估部分主要由圖形用戶接口模塊、圖形化數(shù)據(jù)顯示模塊和干擾性能評估模塊等三個(gè)子模塊構(gòu)成。圖形用戶接口模塊提供了用戶和系統(tǒng)交互的界面，主要包括主界面及菜單、工具條、各種類型的控件和自定義的對話框等，圖形用戶接口模塊使得用戶可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)實(shí)體運(yùn)動(dòng)特性中目標(biāo)、干擾和導(dǎo)彈的初始狀態(tài)信息以及目標(biāo)和干擾的運(yùn)動(dòng)模型等。圖形用戶接口模塊還提供了對散射特性中各個(gè)子模塊特征參數(shù)的交互功能。圖形化數(shù)據(jù)顯示模塊主要用于顯示仿真過程中的各種狀態(tài)字和波形等，給用戶呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的仿真體驗(yàn)。干擾性能評估模塊則根據(jù)仿真場景中目標(biāo)干擾等的真實(shí)狀態(tài)值和經(jīng)過處理后得到的估計(jì)值之間的差異，計(jì)算性能指標(biāo)參數(shù)，干擾性能評估模塊過程可以實(shí)現(xiàn)離線或事后的數(shù)據(jù)處理。

3 雷達(dá)對抗仿真模型構(gòu)建

1)目標(biāo)回波模型

雷達(dá)目標(biāo)回波模型為：

(1)

式中，Ls為雷達(dá)系統(tǒng)綜合損耗，包括發(fā)射綜合損耗、接收綜合損耗、大氣損耗、脈壓損耗以及雙程波束損耗等；gvt(θ)為發(fā)射天線方向圖；gvr(θ)為接收天線方向圖；σ為目標(biāo)RCS；b為調(diào)頻斜率；f0為雷達(dá)工作頻率；Tr為脈沖重復(fù)間隔；Tp為脈沖寬度；Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率；ARF為射頻濾波放大系數(shù)；R(t)為目標(biāo)與雷達(dá)的瞬時(shí)距離；fm為捷變頻增量；fd為多普勒頻率；R0目標(biāo)與雷達(dá)的初始距離。

雷達(dá)接收機(jī)信號(hào)模型為：

在時(shí)刻t上，目標(biāo)與雷達(dá)斜距為R(t)，在很短的時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度是勻速的，雷達(dá)在一個(gè)波束駐留時(shí)間內(nèi)發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)為N，則第k個(gè)脈沖，雷達(dá)接收到的射頻信號(hào)為：

(2)

2)噪聲干擾模型

壓制式干擾中的噪聲干擾是具有多種干擾效果樣式的干擾方式，主要可分為寬帶阻塞式噪聲干擾和窄帶瞄準(zhǔn)式噪聲干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到強(qiáng)的干擾功率以壓制和掩蓋雷達(dá)信號(hào)，多采用噪聲調(diào)制干擾。

設(shè)干擾信號(hào)為寬帶噪聲信號(hào)，發(fā)射功率為Pj，中心頻率為fi，帶寬為Bj。雷達(dá)接收機(jī)的帶寬為Br。由于是寬帶噪聲信號(hào)，則Bj≥Br，該過程可以認(rèn)為是白噪聲通過窄帶系統(tǒng)的過程。因此雷達(dá)接收機(jī)的干擾信號(hào)可用一個(gè)窄帶隨機(jī)過程表示。雷達(dá)接收機(jī)中放輸出端的干擾信號(hào)可以表示為：

Gv(θJ)GJAJ(t)exp(j2πfIFt+?(t))KRFGIFLIF

(3)

噪聲調(diào)幅干擾對雷達(dá)的作用：其對雷達(dá)系統(tǒng)起兩部分作用，一是載波功率，它的干擾作用相當(dāng)于正弦波干擾，即引起波形的畸變，壓制弱信號(hào)，造成接收機(jī)過載；二是起伏功率，它的干擾作用相當(dāng)于純噪聲干擾，即輸出起伏噪聲掩蓋目標(biāo)信號(hào)。由于噪聲調(diào)幅干擾的帶寬僅為調(diào)制噪聲的2倍，而調(diào)制噪聲的帶寬一般為5～10 MHz，所以干擾帶寬約為10～20 MHz，這只能成為瞄準(zhǔn)式干擾機(jī)。由于帶寬窄，所以對頻率瞄準(zhǔn)精度要求高，當(dāng)瞄準(zhǔn)誤差大于干擾帶寬的一半時(shí)，載波能量將不能進(jìn)入接收機(jī)，干擾效果將大為下降，鑒于上述原因，噪聲調(diào)幅干擾的運(yùn)用極為有限。

3)典型目標(biāo)模擬

典型目標(biāo)模擬模塊仿真雷達(dá)典型目標(biāo)及其目標(biāo)特性，模擬對抗時(shí)，在任務(wù)設(shè)置過程中可設(shè)置不同目標(biāo)作為對抗任務(wù)目標(biāo)，為雷達(dá)回波信號(hào)仿真生成提供目標(biāo)特性輸入，支持配置或?qū)肽繕?biāo)的電磁散射特性數(shù)據(jù)，如RCS、散射點(diǎn)、成像數(shù)據(jù)等，如表1、圖1所示。

表1 單站RCS導(dǎo)入格式

圖1 飛機(jī)目標(biāo)RCS空間分布

4 結(jié)束語

本文借助信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真技術(shù)，提出了一種雷達(dá)對抗數(shù)字仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能。以此為基礎(chǔ)，對實(shí)體運(yùn)動(dòng)特性仿真、雷達(dá)散射特性仿真、雷達(dá)信息處理仿真以及仿真信息交互等內(nèi)部關(guān)鍵仿真部分進(jìn)行了具體的技術(shù)設(shè)計(jì)，并分別建立了回波模型、干擾模型以及典型目標(biāo)模型。在提升便攜性的同時(shí)，通過內(nèi)部信號(hào)級(jí)仿真運(yùn)算，提高實(shí)際仿真逼真性，為電子對抗效果的改善提供更為豐富有效的手段和工具。■