雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境建模與模擬軟件設(shè)計(jì)

賀 彬，韓英永，崔 瑞，沈愛(ài)國(guó)

（1.電子工程學(xué)院電子對(duì)抗系，安徽合肥 230037；2.安徽省電子制約技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230037）

雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境建模與模擬軟件設(shè)計(jì)

賀 彬1，2，韓英永1，2，崔 瑞1，2，沈愛(ài)國(guó)1，2

（1.電子工程學(xué)院電子對(duì)抗系，安徽合肥 230037；2.安徽省電子制約技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230037）

模擬訓(xùn)練是提高部隊(duì)訓(xùn)練水平的重要手段，雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境模擬軟件是雷達(dá)對(duì)抗模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分。介紹了雷達(dá)對(duì)抗模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組成，探討了構(gòu)建雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境所涉及的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，包括雷達(dá)信號(hào)模型、雷達(dá)天線掃描模型和有源干擾信號(hào)模型，研究了雷達(dá)電磁環(huán)境模擬軟件重要模塊的工作流程。

雷達(dá)對(duì)抗；電磁環(huán)境；建模；模擬

隨著雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)的飛速發(fā)展，新型雷達(dá)對(duì)抗裝備不斷投入部隊(duì)使用。新型裝備的操作訓(xùn)練是裝備戰(zhàn)斗力形成的重要環(huán)節(jié)。實(shí)裝訓(xùn)練存在裝備數(shù)量少、裝備損耗大、缺少?gòu)?fù)雜電磁環(huán)境等問(wèn)題。模擬訓(xùn)練以其經(jīng)濟(jì)、可控、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)以及訓(xùn)練的高效率等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在雷達(dá)對(duì)抗裝備訓(xùn)練中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于雷達(dá)對(duì)抗裝備模擬訓(xùn)練，能否構(gòu)建接近戰(zhàn)場(chǎng)條件的雷達(dá)對(duì)抗電磁信號(hào)環(huán)境是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境模擬軟件模擬復(fù)雜、密集、多變的雷達(dá)對(duì)抗信號(hào)環(huán)境，以訓(xùn)練操作員信號(hào)偵測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用的能力［1－4］。

1 系統(tǒng)組成

雷達(dá)對(duì)抗裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)對(duì)抗裝備及雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境的仿真模擬。系統(tǒng)由1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、5臺(tái)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，如圖1所示。5臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝相應(yīng)軟件完成電磁環(huán)境及裝備的模擬功能。

圖1 雷達(dá)對(duì)抗裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成示意圖

天線模擬席、接收機(jī)模擬席、干擾控制模擬席和指揮控制模擬席4個(gè)席位完成對(duì)一套雷達(dá)對(duì)抗裝備的模擬，其席位功能與界面操作和實(shí)裝對(duì)應(yīng)分機(jī)一致。

電磁環(huán)境模擬席模擬產(chǎn)生系統(tǒng)所需的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和電磁信號(hào)環(huán)境，在電子地圖背景完成對(duì)訓(xùn)練想定預(yù)案的制作、導(dǎo)入和導(dǎo)調(diào)，對(duì)公用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，預(yù)案形成的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠地分發(fā)到模擬系統(tǒng)的各個(gè)席位。

2 仿真建模

雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境模擬軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境數(shù)學(xué)模型的建立，由于構(gòu)建的電磁環(huán)境是用于雷達(dá)對(duì)抗裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的，因此，只考慮雷達(dá)對(duì)抗裝備所能感知的信號(hào)環(huán)境。根據(jù)需求，模擬軟件需要建立雷達(dá)信號(hào)、雷達(dá)天線掃描和干擾信號(hào)3種類型的數(shù)學(xué)模型。

2.1 雷達(dá)信號(hào)模型

雷達(dá)信號(hào)按技術(shù)體制可分為常規(guī)脈沖、頻率捷變、頻率分集、重頻抖動(dòng)、重頻跳變、脈沖壓縮、脈沖多普勒等，雷達(dá)電磁環(huán)境模擬軟件根據(jù)技術(shù)體制建立了完備的雷達(dá)信號(hào)模型。本文分析幾種常見的復(fù)雜體制雷達(dá)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。

1）頻率捷變雷達(dá)信號(hào)的一般表達(dá)式為

其中A（t）為信號(hào)包絡(luò)，fn為第n個(gè)（或組）脈沖的頻率。

2）頻率分集雷達(dá)信號(hào)的一般表達(dá)式為

其中m為頻率分集數(shù)，ti為第i個(gè)子信號(hào)的發(fā)射延時(shí)時(shí)間，fi為第i個(gè)子信號(hào)的載頻。

3）線性調(diào)頻雷達(dá)信號(hào)的一般表達(dá)式為

其中k＝B／T為調(diào)頻斜率，B為調(diào)頻帶寬，T為脈沖寬度。

4）相位編碼雷達(dá)信號(hào)的一般表達(dá)式為

其中φ（t）為相位調(diào)制函數(shù)，若φ（t）取0，π值，則為二相編碼信號(hào)，若φ（t）取2個(gè)以上值時(shí)，則稱為多相碼，如四相、八相編碼。

2.2 雷達(dá)天線掃描模型

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，以辛格函數(shù)和高斯函數(shù)作為雷達(dá)天線方向圖形狀的代表。辛格函數(shù)天線方向圖模型為，其中為零功率波束寬度。高斯函數(shù)天線方向圖模型為其中θ0.5為半功率波束寬度，G0為天線增益。

雷達(dá)天線錐掃時(shí)，雷達(dá)對(duì)抗裝備偵收到的脈沖幅度為

其中F（θh）為被偵收?qǐng)A錐掃描波束的水平波束增益函數(shù)值，Tsb為截獲點(diǎn)處波束運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水平波束重復(fù)周期，A0為在圓錐掃描波束工作截獲點(diǎn)上的脈沖幅度標(biāo)準(zhǔn)值，Ch為截獲圓錐掃描脈沖的系統(tǒng)幅度穩(wěn)定系數(shù)。

雷達(dá)天線扇掃時(shí)，雷達(dá)對(duì)抗裝備偵收到的脈沖幅度為

其中Ts為圓周掃描周期。

2.3 干擾信號(hào)模型

雷達(dá)對(duì)抗裝備不僅能接收雷達(dá)信號(hào)，同時(shí)也能接收雷達(dá)干擾裝備發(fā)射的雷達(dá)干擾信號(hào)，因此，雷達(dá)電磁其中Tsf為扇形波束的掃描周期，Ta為扇掃波束到達(dá)極限位置的回掃時(shí)間間隔，Cj為截獲扇形掃描脈沖的系統(tǒng)幅度穩(wěn)定系數(shù)。

雷達(dá)天線圓掃時(shí)，雷達(dá)對(duì)抗裝備偵收到的脈沖幅度為環(huán)境模擬軟件需要構(gòu)建雷達(dá)干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，軟件模擬了3種典型的干擾：射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)頻干擾和距離欺騙干擾。

白噪聲經(jīng)帶通濾波、放大得到的有限頻帶噪聲，稱為射頻噪聲，射頻噪聲干擾信號(hào)表達(dá)形式為

其中包絡(luò)函數(shù)Un（t）服從瑞利分布，相位函數(shù)φ（t）服從［0，2π］均勻分布，ωj為載頻。

如果載波的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制電壓的變化而變化，而振幅保持不變，則這種調(diào)制稱為調(diào)頻。當(dāng)調(diào)制電壓為噪聲時(shí)，則稱其為噪聲調(diào)頻，其信號(hào)表達(dá)式為

其中kFM為比例系數(shù)，表示單位調(diào)制信號(hào)強(qiáng)度所引起的頻率變化。

射頻噪聲和噪聲調(diào)頻均屬于有源壓制性干擾，另一類有源干擾為有源欺騙干擾，應(yīng)用最為廣泛的是距離欺騙干擾，即利用干擾信號(hào)將雷達(dá)距離波門拖離目標(biāo)回?fù)堋Ｆ湫盘?hào)表達(dá)式為

其中ωc為雷達(dá)信號(hào)頻率，ωd為模擬目標(biāo)的多普勒頻率，R（t）為目標(biāo)與雷達(dá)的距離，Δt為距離拖引信號(hào)相對(duì)于目標(biāo)的正常回波信號(hào)的延遲時(shí)間。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

從軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)考慮，把一個(gè)龐大的應(yīng)用程序分成多個(gè)模塊，每一個(gè)模塊保持一定的功能獨(dú)立性，在協(xié)同工作時(shí)，通過(guò)相互之間的接口來(lái)完成實(shí)際任務(wù)。這些模塊可以單獨(dú)開發(fā)、單獨(dú)編程和測(cè)試。當(dāng)所有的模塊開發(fā)完成后，組合在一起就得到了完整的應(yīng)用程序。雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境模擬軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)軟件功能需求進(jìn)行模塊化劃分，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境模擬軟件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)輸入模塊完成對(duì)模型及實(shí)例參數(shù)的錄入，將數(shù)據(jù)寫入公用數(shù)據(jù)庫(kù)；想定輸入模塊完成雷達(dá)部署、運(yùn)動(dòng)航跡設(shè)置、雷達(dá)參數(shù)設(shè)置、雷達(dá)對(duì)抗偵察與干擾裝備設(shè)置；電磁環(huán)境導(dǎo)調(diào)模塊對(duì)敵我雙方設(shè)備參數(shù)進(jìn)行控制，隨時(shí)改變戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境；電磁環(huán)境生成模塊想定生成電磁信號(hào)環(huán)境數(shù)據(jù)流，包括雷達(dá)信號(hào)描述字生成、雷達(dá)脈沖描述字?jǐn)?shù)據(jù)生成、干擾信號(hào)描述字生成，并完成電磁信號(hào)環(huán)境時(shí)間序列合成；生成的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)由電磁環(huán)境顯示模塊完成態(tài)勢(shì)顯示，由數(shù)據(jù)分發(fā)模塊完成向相應(yīng)席位分配電磁環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.2 軟件流程

雷達(dá)對(duì)抗電磁環(huán)境模擬軟件包括多個(gè)功能模塊，其中想定輸入和電磁環(huán)境生成是2個(gè)重要模塊，由于篇幅有限，僅給出這2個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程。

3.2.1 想定輸入流程（見圖3）

1）若雷達(dá)為固定站，需要配置其地理坐標(biāo)經(jīng)、緯度和高度；若雷達(dá)平臺(tái)為機(jī)載、艦載或車載，需要配置運(yùn)動(dòng)航跡、航速、高度等。

2）選擇雷達(dá)工作的技術(shù)體制，設(shè)置雷達(dá)信號(hào)技術(shù)參數(shù)，包括信號(hào)幅度PA、脈沖載頻RF、脈沖寬度PW、脈沖重復(fù)間隔PRI等。

3）選擇雷達(dá)天線掃描樣式，設(shè)置天線掃描參數(shù)，如天線掃描速度、扇掃中心、扇掃范圍等。

4）若雷達(dá)干擾設(shè)備為固定站，需要配置其地理坐標(biāo)經(jīng)緯度和高度；若雷達(dá)干擾設(shè)備平臺(tái)為機(jī)載、艦載或車載，需要配置運(yùn)動(dòng)航跡、航速、高度等。

5）選擇雷達(dá)干擾樣式，設(shè)置干擾參數(shù)，如：干擾功率、干擾頻率、干擾帶寬、拖引距離等。

6）將想定配置數(shù)據(jù)保存到公用數(shù)據(jù)庫(kù)，以便想定執(zhí)行時(shí)調(diào)用。

3.2.2 電磁環(huán)境生成流程（見圖4）

1）根據(jù)雷達(dá)技術(shù)體制和參數(shù)，生成雷達(dá)脈沖描述字。

2）根據(jù)雷達(dá)天線掃描方式，對(duì)雷達(dá)脈沖序列進(jìn)行包絡(luò)調(diào)制。

3）環(huán)境中配置有源欺騙干擾時(shí)，根據(jù)距離欺騙參數(shù)生成干擾PDW；環(huán)境中配置有源壓制干擾時(shí)，形成壓制干擾描述字。

4）將生成的多個(gè)雷達(dá)PDW序列和雷達(dá)欺騙干擾PDW序列合并，并根據(jù)TOA排序，完成脈沖序列時(shí)序整理。

5）將雷達(dá)和雷達(dá)干擾設(shè)備的發(fā)射功率折算為雷達(dá)對(duì)抗裝備的接收功率，再由接收功率轉(zhuǎn)換為接收信號(hào)幅度。

圖3 想定輸入模塊流程

圖4 電磁環(huán)境生成模塊流程

4 結(jié) 語(yǔ)

雷達(dá)對(duì)抗模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是根據(jù)部隊(duì)訓(xùn)練需求而設(shè)計(jì)的，通過(guò)電子對(duì)抗在部隊(duì)的實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到了良好的訓(xùn)練效果，特別是電磁環(huán)境模擬席的加入，使得訓(xùn)練更具針對(duì)性、復(fù)雜性和靈活性，彌補(bǔ)了實(shí)裝訓(xùn)練的不足。

［1］ 王國(guó)玉，汪連棟，王國(guó)良，等.雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真與評(píng)估［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［2］ 王汝群.戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境［M］.北京：解放軍出版社，2006.

［3］ 高 巖，于 博.復(fù)雜電磁環(huán)境特性［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2008（1）：19-21.

［4］ 蒙 潔.雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)電磁環(huán)境仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004（12）：21-24.

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1008-1542（2011）07-0038-04

2011-06-20；責(zé)任編輯:王海云

賀 彬（1973-），男，四川綿陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事雷達(dá)對(duì)抗信號(hào)處理與系統(tǒng)仿真方面的研究。