組網(wǎng)雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計?

（中國洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003）

1 引言

組網(wǎng)雷達(dá)在增強戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力和提高武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力與戰(zhàn)場生存能力方面具有特殊優(yōu)勢，通過對各組網(wǎng)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的融合處理，可得出許多單部雷達(dá)得不到的信息［1］，有效提高對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率、跟蹤精度、識別能力等。而面對組網(wǎng)雷達(dá)，單部干擾機已很難形成有效的干擾，干擾機也走上了協(xié)同干擾的道路，其干擾效果相較于一部寬帶干擾機優(yōu)越得多［2］。

半實物仿真在電子信息裝備試驗鑒定與評估方面具有獨特優(yōu)勢，具有試驗環(huán)境逼真可控、效費比高、可重復(fù)性好、保密性好等特點［3］，是實現(xiàn)雷達(dá)組網(wǎng)對抗仿真的一種較好的策略［4］。然而傳統(tǒng)的雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)主要采用模擬電路設(shè)計，采用該架構(gòu)設(shè)計組網(wǎng)雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)硬件規(guī)模急劇增大，技術(shù)難度增加，實現(xiàn)成本高昂，且系統(tǒng)可擴展性與升級能力差。本文基于軟件無線電技術(shù)提出了一種新的仿真試驗系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)，可顯著減小系統(tǒng)硬件規(guī)模，降低系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜度與實現(xiàn)成本，增強系統(tǒng)可擴展性與功能可重構(gòu)性。

2 傳統(tǒng)的雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)架構(gòu)分析

以單部干擾機對抗單部單脈沖體制雷達(dá)為例。傳統(tǒng)的雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

其中，顯示與控制分系統(tǒng)主要完成戰(zhàn)情設(shè)計、仿真運行控制、試驗信息顯示、試驗結(jié)果評估等。雷達(dá)模擬分系統(tǒng)主要用于模擬典型作戰(zhàn)對手雷達(dá)，生成雷達(dá)發(fā)射信號，完成目標(biāo)檢測與處理等。目標(biāo)回波模擬分系統(tǒng)、雜波模擬分系統(tǒng)分別模擬生成雷達(dá)目標(biāo)回波信號、環(huán)境雜波信號。信號注入網(wǎng)絡(luò)主要模擬電磁波空間傳播特性、平臺運動特性、天線輻射特性等對信號的影響，完成信號幅度、相位、時延與多普勒頻移等調(diào)制，并模擬雷達(dá)接收通道，形成雷達(dá)和、方位差、俯仰差波束信號；時鐘與本振分系統(tǒng)提供全系統(tǒng)所需的參考時鐘與本振信號等。輔助設(shè)備主要完成數(shù)據(jù)錄取、I/O接口適配、BIT控制等。需要說明的是，為方便直觀顯示，圖中的目標(biāo)模擬分系統(tǒng)僅畫出了一路信號輸出通道，實際系統(tǒng)一般為多通道設(shè)計，干擾機也僅考慮了頻率引導(dǎo)功能，未考慮方位引導(dǎo)功能。

可以看出，傳統(tǒng)的雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)架構(gòu)存在兩個特點:一是信號的生成、傳輸、調(diào)制與處理主要在模擬域進(jìn)行，系統(tǒng)實現(xiàn)中大量采用模擬電路與模擬器件；二是需針對每一路信號（干擾、目標(biāo)回波、雜波）分別設(shè)計獨立的信號注入網(wǎng)絡(luò)，以模擬到達(dá)雷達(dá)接收機各通道的信號，所有信號經(jīng)模擬域調(diào)制并合成后，最后再采樣處理。存在一定的局限性:

1）大量采用模擬器件，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大，實現(xiàn)成本高、難度大，不利于開展大規(guī)模的體系對抗試驗；

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對固定，功能相對單一，可擴展性差，不利于后續(xù)能力擴展與升級；

3）器件性能易受環(huán)境條件的影響，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性與可靠性不佳；

4）系統(tǒng)標(biāo)校工作量大，使用維護(hù)成本高。

對于組網(wǎng)雷達(dá)協(xié)同干擾仿真，必須確保每一部組網(wǎng)雷達(dá)的發(fā)射信號能夠饋入所有干擾機的偵察接收機通道，同時每一部干擾機的干擾信號也能饋入所有模擬雷達(dá)的接收機通道。如果仍采用傳統(tǒng)的半實物仿真試驗系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)，將導(dǎo)致系統(tǒng)通道數(shù)量成倍增加，造成系統(tǒng)硬件規(guī)模龐大，實現(xiàn)成本劇增，技術(shù)實現(xiàn)難度顯著增大。

圖1 傳統(tǒng)的雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 組網(wǎng)雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成架構(gòu)

以N部組網(wǎng)干擾機對抗M部組網(wǎng)雷達(dá)為例，組網(wǎng)雷達(dá)對抗半實物仿真系統(tǒng)基本組成架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)主要由仿真主控分系統(tǒng)、對抗仿真分系統(tǒng)（M個）、組網(wǎng)融合中心及輔助設(shè)備等組成。其中，仿真主控分系統(tǒng)主要完成戰(zhàn)情設(shè)計、仿真運行控制、態(tài)勢顯示、時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)管理、試驗結(jié)果評估等。M個對抗仿真分系統(tǒng)功能完全相同，每個分系統(tǒng)具備組網(wǎng)模式與獨立模式兩種工作模式，既可組網(wǎng)協(xié)同工作，也可獨立工作。組網(wǎng)融合中心主要是接收M個模擬雷達(dá)上報的點跡、航跡等，完成數(shù)據(jù)融合處理及對各模擬雷達(dá)的控制。輔助設(shè)備主要完成試驗數(shù)據(jù)錄取、I/O接口適配、BIT控制等。各分系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)開展信息交互，反射內(nèi)存網(wǎng)用于動態(tài)試驗戰(zhàn)情等實時性信息的交互，以太網(wǎng)用于初始戰(zhàn)情、仿真運行控制命令等非實時性信息的交互。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)

軟件無線電技術(shù)的基本思想是將寬帶的A/D及D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近射頻天線，即盡可能早地將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最大程度上通過軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能［5～6］。軟件無線電強調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)新的功能［7］?，F(xiàn)階段，由于受各種關(guān)鍵器件，特別是受模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器采樣速率、工作帶寬、器件處理速度的限制，射頻端對信號進(jìn)行數(shù)字化處理存在一定難度，數(shù)字中頻軟件無線電成為理想軟件無線電的一種經(jīng)濟、適用的折中方案［8］。

為此，在系統(tǒng)設(shè)計中引入軟件無線電技術(shù)，采用“先射頻采樣，后數(shù)字域合成”設(shè)計理念。其核心思想是盡可能早地對干擾信號進(jìn)行下變頻與A/D采樣，重點立足在數(shù)字域?qū)Σ蓸雍蟮男盘栠M(jìn)行調(diào)制與處理，最后通過數(shù)字域信號合成獲得所需的信號形式。以單個獨立的雷達(dá)對抗半實物仿真分系統(tǒng)為例，其典型實現(xiàn)架構(gòu)如圖3所示。

可以看出，采用新的技術(shù)架構(gòu)后，對干擾信號的調(diào)制與處理、干擾激勵信號的生成與調(diào)制、目標(biāo)回波與雜波信號的生成以及信號的最終合成等主要在數(shù)字域進(jìn)行，模擬域的傳輸鏈路很短，主要是完成信號的頻譜搬移。相對于傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)，新架構(gòu)具有以下優(yōu)點。

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，硬件規(guī)模小，實現(xiàn)成本低，有利于開展大規(guī)模的體系對抗試驗；

圖2 組網(wǎng)雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)基本組成架構(gòu)示意圖

圖3 組網(wǎng)雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)典型實現(xiàn)架構(gòu)示意圖

2）系統(tǒng)功能易于擴展，不需要改變系統(tǒng)硬件電路，只需通過靈活加載不同的處理算法，即可實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能，便于系統(tǒng)能力擴展與升級；

3）系統(tǒng)工作頻段可擴展性好，通過更換變頻模塊、本振模塊可方便實現(xiàn)系統(tǒng)工作頻段的拓展；

4）系統(tǒng)通道可擴充性好，在系統(tǒng)運算能力允許的前提下，只需增加少量硬件電路，即可實現(xiàn)系統(tǒng)通道數(shù)量的拓展；

5）受環(huán)境條件影響小，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性與可靠性較好；

6）系統(tǒng)標(biāo)校工作量小，使用維護(hù)成本低。

軟件無線電的硬件體系結(jié)構(gòu)按照物理介質(zhì)可以劃分三種:基于通用處理器GPP的體系結(jié)構(gòu)、基于DSP的體系結(jié)構(gòu)和基于FPGA的體系結(jié)構(gòu)?；贒SP和FPGA設(shè)計的系統(tǒng)通用性、靈活性較好，開發(fā)調(diào)試比較容易，性能較好［9］。但對系統(tǒng)開發(fā)人員要求較高，需要系統(tǒng)開發(fā)人員熟練掌握FPGA和DSP開發(fā)專業(yè)知識與專業(yè)技能，不便于用戶二次開發(fā)與系統(tǒng)能力升級。隨著GPU（Graphic Processing Unit，圖形處理器）通用運算能力、并行處理能力與可編程能力的不斷提升，基于CPU+GPU的協(xié)同處理架構(gòu)通過將CPU和GPU兩種不同架構(gòu)的處理器結(jié)合在一起，組成硬件上的協(xié)同并行模式，同時在應(yīng)用編程上實現(xiàn)GPU與CPU協(xié)同配合的協(xié)同并行計算（CPC），使其成為了最優(yōu)秀的超級計算平臺之一，CPU主要負(fù)責(zé)邏輯運算與事務(wù)處理，GPU負(fù)責(zé)并行化程度較高的數(shù)據(jù)運算［10］。因此，本系統(tǒng)考慮采用基于GPP的體系結(jié)構(gòu)，利用CPU+GPU異構(gòu)計算平臺承擔(dān)部分仿真模型運算與信號處理工作，充分發(fā)揮CPU+GPU的協(xié)同并行運算處理優(yōu)勢［11］。硬件平臺采用高性能服務(wù)器，操作系統(tǒng)采用實時Linux系統(tǒng)。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在:

1）可基于Visual C++、QT等常用應(yīng)用程序開發(fā)工具進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，開發(fā)難度小，開發(fā)周期短；

2）軟件可實現(xiàn)跨平臺移植，便于后期維護(hù)、升級與擴展；

3）可方便實現(xiàn)多任務(wù)并行，具有極高的吞吐量，適于計算密集型系統(tǒng)開發(fā)。如雷達(dá)目標(biāo)回波信號與雜波信號的并行模擬；多路徑效應(yīng)與天線方向圖的并行計算等；

4）GPU功耗低、性價比高［12］。

3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

采用新架構(gòu)后，大大降低了系統(tǒng)的硬件規(guī)模與實現(xiàn)難度，提高了系統(tǒng)可重構(gòu)與可擴充能力，增強了系統(tǒng)的可靠性與靈活性，但同時也對系統(tǒng)的多通道時間同步控制能力、幅相一致性控制能力以及高速信號采集傳輸能力等提出了較高的要求。

1）多通道高精度時間同步技術(shù)

由于系統(tǒng)采用先對多路干擾信號分別進(jìn)行獨立采樣與數(shù)字域調(diào)制后，再進(jìn)行多路干擾信號、目標(biāo)回波信號、雜波信號的合成。因此，多路干擾機信號采樣通道之間必須保持嚴(yán)格的時間同步。干擾激勵信號輸出通道亦如此。具體可從三方面解決:一是采用高精度高穩(wěn)定時鐘源；二是確保多塊采集卡采用同一個高精度時鐘源，并調(diào)節(jié)時鐘源至各采集板卡的傳輸線長度，確保各采集卡時鐘同步；三是對各采樣通道的采樣起始觸發(fā)脈沖進(jìn)行精確調(diào)整，確保嚴(yán)格同步起始。另外，對干擾激勵信號輸出通道，還可進(jìn)一步從數(shù)字域?qū)Ω髀沸盘柕妮敵鰰r延進(jìn)行精確校正。

2）多通道幅相一致性控制技術(shù)

對于雷達(dá)來說，其接收到的多部干擾機的干擾信號分別通過不同的射頻通道進(jìn)行采樣后再進(jìn)行合成，那么通道之間的幅相一致性差異將直接影響著信號合成的效果和最終的試驗結(jié)果。因此，必須對各通道的幅相一致性進(jìn)行精確校準(zhǔn)與控制。多路干擾激勵信號輸出通道亦如此。校準(zhǔn)工作可以在數(shù)字域?qū)嵤＞唧w方法:試驗前，利用高精度儀表或測量電路對各通道的幅相特性進(jìn)行精確測量與標(biāo)定，形成通道幅相特性校正表格存儲于本地；試驗中，通過實時查詢表格獲取各通道幅相特性校正數(shù)據(jù)，基于數(shù)字域?qū)Σ蓸拥玫降幕鶐?shù)字干擾信號（或干擾激勵信號）進(jìn)行相應(yīng)的幅度、相位校正與補償。理論上，基于數(shù)字域的幅相校正可以做到很高的精度，校正誤差主要取決于通道幅相測量設(shè)備的測量精度。

3）高速信號采集傳輸技術(shù)

為確保干擾信號采樣不失真、大動態(tài)和高采樣分辨率，要求ADC具有較高的采樣率和有效位數(shù)，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)量較大，尤其當(dāng)干擾信號帶寬較大時，這對系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)傳輸、存儲與實時處理能力提出了較高的要求。需要綜合利用高速A/D采樣技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)、高速總線技術(shù)、并行計算技術(shù)等多種手段，并合理設(shè)計系統(tǒng)中頻，實現(xiàn)信號的高速高精度采集與處理。

4 結(jié)語

新架構(gòu)設(shè)計顯著降低了組網(wǎng)雷達(dá)對抗半實物仿真試驗系統(tǒng)的硬件規(guī)模，提高了系統(tǒng)的可重構(gòu)能力和可擴展能力，增強了系統(tǒng)的可靠性與靈活性，降低了系統(tǒng)實現(xiàn)成本。加以推廣，該架構(gòu)可用于構(gòu)建大規(guī)模的體系對抗仿真試驗系統(tǒng)，開展基于復(fù)雜場景設(shè)計的體系對抗仿真試驗。未來，隨著射頻直接采樣技術(shù)的成熟與應(yīng)用，該架構(gòu)硬件規(guī)模將進(jìn)一步得到縮減，可重構(gòu)與可擴展能力進(jìn)一步得到提升，實現(xiàn)真正意義上的通用化、軟件化仿真系統(tǒng)架構(gòu)。