虛擬雷達信號環境構建方法研究＊

湯永濤 陳 春 陶 金

（海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012）

1 引言

現代戰爭中的電磁環境十分復雜而且瞬息萬變，要確切地描述清楚是極困難的。現代電磁環境的特點是密集、復雜、交錯和多變，利用外場試驗方法，布設大量真實的電子信息系統提供所需的電磁環境已經不現實，首先一方面不可能堆積如此多的實物設備形成與實戰近似的電磁環境，另一方面，野外靶場試驗周期長，試驗費用高，受氣候和環境等因素影響大。基于上述原因，廣泛采用仿真技術實現復雜、逼真、動態的電磁環境是目前構建雷達信號環境的主流。本文中，筆者提出虛擬雷達信號環境的構建方法，構建了信號環境模型，并定量得到仿真結果，為戰場電磁環境構建提出了新的可行的方法。

2 虛擬雷達信號環境構建的方法

雷達偵察系統所面臨的典型的電磁環境將是由許多雷達輻射的脈沖序列所及交迭而成的密集的脈沖流。雷達電子戰電磁環境仿真方法主要分為兩種，一種是功能仿真，一種是信號仿真。功能仿真只仿真雷達發射、目標、回波、雜波和干擾信號的幅度信息，而信號仿真不僅包括幅度信息，而且包括相位信息［2］。

在對電磁環境進行功能仿真中，利用微機模擬雷達偵察系統截獲的雷達信號參數數據，這些參數用脈沖描述字來描述，其仿真系統方框圖如圖1所示，仿真信號直接以數字形式描述偵察系統的天線所處的電磁環境。在進行功能仿真時，并不輸出真實的射頻和視頻信號，它是利用數字模型在計算機上進行計算，產生用脈沖描述字描述的脈沖流。其特點是靈活、效費比高、實驗結果處理實時性強、能獲得比較全面的數據，其逼真度取決于數學模型建立的準確性和仿真系統設計的合理性［1］。

信號仿真即模擬包含幅度又包含相位的信號，復現這種信號的發射、在空間傳輸、經散射體反射、雜波和干擾信號疊加、在空間任一點處電磁環境特性。這一類仿真所采取的仿真方法主要包括雷達射頻信號的模擬和雷達視頻信號的模擬。

在射頻信號仿真系統中，仿真信號以射頻信號形式，經空間輻射或直接注入被測設備的射頻信號輸入端，其方框圖如圖2所示。

圖1 雷達信號環境功能仿真系統方框圖

圖2 雷達信號環境射頻仿真組成方框圖

在射頻信號仿真中，各通道收到指定的雷達參數后，按各自的時序，丟失脈沖準則和通道射頻源數目生成數字脈沖秒數字，再由各自的射頻通道產生射頻脈沖流，通過各自的功放輻射出去。射頻信號仿真能比較全面、真實地體現雷達電子戰對抗的環境特性。但是仿真需要多部射頻信號發生器及相應的平臺，一般要在暗室中進行，模擬成本很高。

雷達視頻信號的模擬主要利用微機產生相應的脈沖描述字，進而控制視頻信號發生器，模擬雷達信號的視頻脈沖序列。

3 虛擬雷達信號環境模型構建

電磁環境是全體輻射信號的集合，組成該集合的基本元素是某一時刻來在某一雷達的射頻脈沖。描述脈沖基本特征的參數通常有：脈沖前沿的到達時間（TOA）、脈沖波前到達角（AOA）、脈沖載頻（RF）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（PA），總稱為脈沖描述字，隨著對雷達信號細微特征提取技術的提高，描述參數的數量也在不斷地提高，但用PDW的集合流描述電磁環境是在功能仿真中建模的基本出發點［3］。

1）輻射源描述參數

電磁環境仿真主要考慮的因素有：輻射源天線的掃描方式；輻射源平臺位置及運動特性；輻射源與偵察系統的相對空間關系；雷達偵察系統的工作狀態；雷達偵察系統所處的典型電磁環境（傳輸介質等）。

在各類參數設置中，輻射源信號參數的描述比較困難，這主要有兩個方面的原因：輻射源信號參數容差；輻射源信號參數的變化規律的表示。輻射源參數容差指的是特定電磁信號環境中，指定的一部雷達偵察系統截獲某部指定的輻射源信號時，在適當的時間間隔內，輻射源信號參數變化的統計平均值，它決定了信號的逼真性。輻射源信號參數的變化規律的描述決定了可仿真信號的復雜性及使用的方便性。考慮系統復雜性和真實性，兩者主要通過輻射源的描述參數設置來反映［6］。

2）傳輸環境模型［7］

傳輸環境模型如圖3所示。

圖3 傳輸環境模型

在仿真中如下假設。

（1）輻射源天線波束在雷達偵察系統方向上的增益取值可分為以下三種。

①雷達偵察系統在大氣層外

GSLH為高副瓣增益；GSLL為低副瓣增益；u1為［0，1］區間均勻分布的獨立隨機數。

②雷達偵察系統在大氣層中

GMLH為高副瓣增益；GMLL為低副瓣增益。

③雷達偵察系統在地面上

a為地面雷達權值；b為機載雷達權值。

（2）傳輸煤質設為大氣，對脈沖波形不產生影響；

（3）接收天線為全向天線，且覆蓋全頻段。

3）坐標轉換模型

在仿真中，采用的是以觀測點為坐標原點的空間直角坐標系，其y軸與原點的法線方向重合，指向地球外，x軸指向大地北方向，z軸與x、y構成右手坐標系［4］。一般雷達裝備一級接收機的位置信息由地理緯度、經度、海拔高度來確定，采用的是 WGS84坐標（地心坐標）。在進行計算時，需要進行必要的坐標轉換。由地心坐標轉換為大地空間直角坐標系，再轉換成所需要的以觀測點為原點的空間直角坐標系（垂直坐標系），其過程如下。

（1）從地心坐標（L，B，H）轉換成空間大地直角坐標（X，Y，Z）

式中，

（2）雷達、雷達偵察系統所在垂線坐標系中的坐標（Xc、Yc、Zc）

式中λ0、φ0為觀測點的天文經緯度；XD0、YD0、ZD0為觀測點的空間直角坐標。

天文經緯度可以用大地經緯度L0、B0代替，即

式中ζ0、η0分別為垂線偏差的子午圈分量和卯酉圈分量。

4）載頻模型

載頻模型迭代公式：

本次脈沖的載頻

式中NRF為一個周期中的頻率個數；n為電子信息系統發射的脈沖序列；j（n－1）為上一個脈沖載頻所處的狀態；j（n）為本脈沖的載頻工作狀態；fRFj（n）為載頻中心頻率；△fRFj（n）為變頻范圍；NFj（n）為該載頻值上發射的工作脈沖數；NLFn－1為在該狀態下的剩余工作脈沖數；NLFn為在脈沖發射后的剩余工作脈沖數［9］。

5）脈寬模型

脈沖寬度模型迭代公式：

初始狀態下

本脈沖的寬度：

式中NPW為一個周期中的脈寬值個數；k（n－1）為上一個脈沖脈寬所處的狀態；k（n）為本脈沖的脈寬工作狀態；τPWk（n）為中心脈寬；△τPWk（n）為脈寬變化范圍；NWk（n）為該脈寬值上發射的工作脈沖數；NLWn－1為在該狀態下的剩余工作脈沖數；NLWn為在脈沖發射后的剩余工作脈沖數；γ為均值為0、方差為1的正態隨機數。

6）到達時間和重頻模型

重頻模型迭代公式為

式中NPRI為一個周期中的脈沖間隔值個數；i（n－1）為上一個脈沖脈沖重復間隔所處的狀態；i（n）為本脈沖脈沖重復間隔工作狀態；NLPn－1為在該狀態下的剩余工作脈沖數；為NLPn為本脈沖發射后的剩余工作脈沖數；NPi（n）為該脈沖重復間隔值上發射的工作脈沖數。

初始狀態下

本次脈沖的脈沖重復間隔

式中tPRIi（n）為中心脈沖重復間隔；△tPRIi（n）為脈沖重復間隔變化范圍。

本脈沖的發射時間

式中t（n－1）為上一個脈沖的發射時間；t（n）為本脈沖的發射時間。

到達時間為

式中c為光速；R為偵察平臺到雷達平臺的直線距離。

R的計算：在法線測量坐標系中，雷達坐標為（Xr、Yr、Zr）、目標坐標為（Xt、Yt、Zt）：

7）幅度模型

計算公式：

式中Pt為雷達輻射源的峰值功率；δP為功率起伏。

8）脈沖到達角模型

在法線測量坐標系中，雷達坐標為（Xr、Yr、Zr）、雷達偵察系統坐標為（Xt、Yt、Zt）：

式中θAOA為脈沖發射時刻雷達平臺相對于偵察系統平臺的方位。

9）脈沖排序

（1）脈沖排序算法

在數學仿真中，所有雷達脈沖的PDW形成后，按照脈沖tTOA進行排序，排序算法有許多種，如冒泡法排序、兩分法、快速排序法等。隨著元素數目的增加，快速排序法是最快的排序方法之一。

（2）同時到達脈沖處理

現代電磁環境是一個密集而復雜的信號環境。就脈沖信號而言，其密度已達（50～100）萬脈沖／秒，甚至更高，同一時間可能有多個信號同時出現，出現信號的時間重疊。表現在PDW上將出現多個tTOA相同或相近的脈沖［5］。

現實中雷達偵察系統處理同時到達脈沖的方式比較復雜。在數學仿真實現時，其解決方法為：將相鄰的tTOA進行比較，若tTOAi＋1≤tTOAi＋tzc（tzc可由雷達偵察系統對同時到達信號的處理能力來定，默認值為7μs），即相鄰脈沖到達時間相差足夠小，則認為其在時間上是重疊的，將tTOAi＋1這個脈沖去掉，tTOAi脈沖的參數為所有該時刻到達脈沖中脈寬最大的那個脈沖的參數。

4 仿真實現及結果分析

圖4 雷達信號環境仿真流程圖

1）仿真流程

仿真軟件主要用來描述某一點（地面、空中、星載）處接收機所面臨的電磁環境。電磁環境是由該點處接收到的雷達脈沖信號的特征及其脈沖流密度來描述的。一般雷達與雷達之間的脈沖發射是獨立進行的，偵察系統接收機是按時間順序接收脈沖而不管是哪部雷達發射的。因此計算過程為，在仿真時間內依次計算每部雷達的脈沖參數，將脈沖存儲起來，最后按達到該點的時間進行排序，最后得到整個仿真時間內按到達時間排序的PDW脈沖流，從而得到多部雷達的脈沖信號［8］，見圖4所示。

在仿真中電子戰作戰區域已確定，作戰區域的電子信息系統的配置和性能參數已確定，設定了幾種典型的作戰戰情，生成了雷達偵察系統面臨的幾種典型電磁環境。

仿真程序依照典型電磁環境的設置，從戰情庫中調用各雷達位置信息和運動形式，并從雷達參數數據庫中調用雷達參數信息，通過脈沖產生模型計算每部雷達的脈沖串［11］。

2）雷達脈沖描述字的產生

（1）初始脈沖發射時間的產生：每部雷達初始脈沖發射時間是從0到tPRI之間的一個隨即值。

（2）每部雷達的tPRI、fPF、τPW參數有各自的變化周期，分別保存在不同的數組中，計算時參照tPRI、fPF、τPW參數仿真模型，首先判斷各參數在本次脈沖計算中的狀態，再分別提取相應的tPRI、fPF、τPW參數值進行計算。

（3）計算APA時，需要根據雷達相對雷達偵察系統的相對位置并由接收機的靈敏度判斷該信號能否被接收到來進行。

3）仿真試驗結果

仿真初始條件選擇：選擇典型電磁環境；雷達偵察系統放置在地面上，其位置的經度119.998126°；緯度24.884439°，海拔高度609.292000m；參加仿真的雷達波段為P、L、S、C和X波段；接收機靈敏度為－60dBW；取100次仿真試驗結果的統計平均值。

仿真結果：脈沖流的信號密度為220256個脈沖／秒。見表1～表5。

表1 工作頻率—脈沖數分布特性

表2 脈沖重復間隔區間—脈沖數分布特性

表3 脈寬區間—脈沖數分布特性

表4 功率密度—脈沖數分布特性

表5 到達角—脈沖數分布特性

5 結語

科學構建戰場電磁環境系統一直是戰爭仿真的難點。本文提出的數字仿真定量研究構建戰場大區域、雷達信號輻射源的電磁環境構建方法，依據雷達脈沖描述字的產生原理，特別是引入地理信息系統后，加強了本方法的實際應用價值。實驗結果表明，該方法切實可行，具有實際意義。

［1］王國玉，汪連棟.雷達電子戰系統數學仿真與評估［M］.北京：國防工業出版社，2004，06.

［2］孫國至，劉尚合，陳京平，等.戰場電磁環境效應對信息化戰爭的影響［J］.軍事運籌與系統工程，2006，20（3）：43－47.

［3］王汝群，胡以華，談何易，等.戰場電磁環境［M］.北京：解放軍出版社，2006.

［4］LEVYMF.Parabolic Equation Methods for Electromag—netic Wave Propagation［M］.London：lEE Press，2000.

［5］KUTTLERJR，DOCKERY G D.Theoretical Description of the Parabolic Approximation／Fourier Split StepMethod of Representing Electromagne Propagation in the Troposphere［J］.Radio Science，1991，26（2）：381－393.

［6］ITU—R.Electrical Characteristics of the Surface of theEarth［R］.ITU—R Rec.P.527－3，2003.

［7］焦培南，張忠志.雷達環境與電波傳播特性［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［8］王晶，李智，來嘉哲，等.虛擬戰場電磁環境構建方法研究［J］.現代防御技術，2009，06.

［9］唐波.雷達信號環境動態場景仿真數學模型［J］.電子對抗技術，1999，14（6）.

［10］顧晶，何昇澮.一種基于形態學濾波的雷達目標檢測方法［J］.計算機與數字工程，2012（2）.

［11］孫志信.電磁環境及仿真技術指標分析［J］.航天電子對抗，2000（1）.