基于PDW的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境建模與仿真研究

盧小勇，閆抒升，王曉軍，俞志強(qiáng)

（1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì)，湖北武漢430019；2.空軍預(yù)警學(xué)院預(yù)警模擬訓(xùn)練中心，湖北武漢430019；3.空軍預(yù)警學(xué)院二系，湖北武漢430019）

0 引言

隨著電子裝備的廣泛使用，電子對(duì)抗日趨激烈。大功率輻射源之間電磁輻射的相互干擾，使得電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。運(yùn)用實(shí)裝模擬復(fù)雜電磁環(huán)境成本高、復(fù)雜程度低和技術(shù)可行性受限，為此常采用電磁環(huán)境模擬仿真技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外都很重視運(yùn)用模擬仿真方法進(jìn)行復(fù)雜電磁環(huán)境下的訓(xùn)練，目的是使作戰(zhàn)指揮員能熟練掌握戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)［1］，以便提高指揮員指揮決策能力。本文采用基于功能仿真的方法對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行仿真，對(duì)RF、PW、PRI三項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一建模，設(shè)計(jì)以Matlab為仿真平臺(tái)的PDW模型體系框架，模擬生成了以Microsoft Access 2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)支撐PDW的脈沖數(shù)據(jù)流。

1 電磁環(huán)境特征分析

1.1 電磁環(huán)境的構(gòu)成分析

電磁環(huán)境由三個(gè)要素組成，分別是人為電磁輻射、自然電磁輻射和輻射傳播因素［2］。電磁環(huán)境特性分析主要從空域、時(shí)域、頻域和能量域四個(gè)構(gòu)成方面［1－3］展開(kāi)。電磁環(huán)境的空域特性表現(xiàn)在電磁信號(hào)在空間分布呈立體多向、縱橫交錯(cuò)的電磁輻射態(tài)勢(shì)。電磁環(huán)境的時(shí)域特性表現(xiàn)在電磁輻射信號(hào)隨機(jī)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)變化。電磁環(huán)境在頻域特性表現(xiàn)為頻譜互相重疊，密集度高。電磁環(huán)境在能量域特性上表現(xiàn)為電磁信號(hào)功率強(qiáng)弱變化和能量密度分布不均。電磁環(huán)境的復(fù)雜性取決于以上四域交集組合的復(fù)雜程度，因此，對(duì)電磁環(huán)境的模擬，需要從四域進(jìn)行模擬，通過(guò)不同模擬組合，構(gòu)成復(fù)雜電磁環(huán)境。

1.2 電磁環(huán)境仿真方法

對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真，主要是為指揮人員建立一個(gè)盡量逼真的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。復(fù)雜電磁環(huán)境模擬有可視化顯示方法和定量分析方法［1］。復(fù)雜電磁環(huán)境可視化的表述形式采用圖形、語(yǔ)音、文字?jǐn)?shù)據(jù)等基本描述方法。該方法可照電磁輻射源、電磁輻射范圍、電磁傳播環(huán)境和電磁頻譜全景等功能展開(kāi)研究。定量方法主要是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上電磁輻射源數(shù)量、電磁信號(hào)強(qiáng)度、電磁信號(hào)密度和電磁信號(hào)參數(shù)等給出具體的數(shù)據(jù)，使指揮員更精確地掌握戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境信息資源?？梢暬椒ê投糠椒ǜ饔袃?yōu)缺點(diǎn)，最好的方法是兩種結(jié)合起來(lái)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

雷達(dá)電磁環(huán)境主要采用某一點(diǎn)（陸、海、空、天）處接收到的雷達(dá)脈沖信號(hào)的特征及其脈沖流密度來(lái)描述。對(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境仿真的方法可分信號(hào)仿真和功能仿真［2－3］。信號(hào)仿真模擬雷達(dá)發(fā)射、回波和干擾等信號(hào)［4－5］的幅值信息和相位信息，而功能仿真只模擬幅值信息。兩種仿真的逼真度都主要取決于數(shù)學(xué)模型建立的準(zhǔn)確性以及仿真設(shè)計(jì)的合理性。但功能仿真以其易實(shí)現(xiàn)、成本低、較靈活和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛運(yùn)用。對(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境進(jìn)行功能仿真，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電磁環(huán)境數(shù)學(xué)模型，產(chǎn)生用PDW描述的電磁環(huán)境脈沖數(shù)據(jù)流，并不產(chǎn)生真實(shí)的視頻信號(hào)和射頻信號(hào)，而是以數(shù)據(jù)形式描述電磁環(huán)境。

2 雷達(dá)電磁環(huán)境建模與仿真

描述雷達(dá)脈沖特征的參數(shù)一般采用以下幾項(xiàng)參數(shù)［6－7］：脈沖載頻（RF）、脈沖寬度（PW）、脈沖重復(fù)間隔（PRI）、脈沖幅度（PA）、脈沖的到達(dá)角（AOA）等，總稱為脈沖描述字（PDW）。即PDW的組成為：PDW＝（RF，PW，PRI，PA，AOA），當(dāng)然，隨著信息處理技術(shù)不斷發(fā)展，描述雷達(dá)脈沖的參數(shù)在增加。由于對(duì)PA和AOA的研究較成熟［2－3，6］，而RF、PW、PRI研究較復(fù)雜，下面著重研究這三項(xiàng)參數(shù)模型。

2.1 雷達(dá)信號(hào)特征參數(shù)模型

雷達(dá)脈沖模型一般可從空域、時(shí)域、頻域和能量域等方面進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)其中頻域載頻RF、時(shí)域的脈寬PW和脈沖重復(fù)間隔PRI三項(xiàng)參數(shù)［2－3，6－7］統(tǒng)一建模如下。

式中，k（1）＝1，nxij＝0

本脈沖的x數(shù)學(xué)模型可建立為：

式中，x∈（RF，PRI，PW）表示脈沖載頻、重復(fù)間隔、脈寬的數(shù)學(xué)模型。n為脈沖序列，δx為x的容差范圍，此參數(shù)通常由實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)中獲得；r為均值為0、方差為1的正態(tài)隨機(jī)數(shù)；П（－1，1）為［－1，1］區(qū)間均勻分布的獨(dú)立隨機(jī)數(shù)。表1給出了載頻RF、脈寬PW和脈沖重復(fù)間隔PRI的常見(jiàn)工作模式。

以x為脈沖寬度為例，對(duì)以上模型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。PW有5種常見(jiàn)的變化模式，即i∈（1，2，3，4，5）5種變化模式，具體如表1所示。

Mi為以i變化模式時(shí)的PW值個(gè)數(shù)；

Nxij為當(dāng)前信號(hào)在PW值上發(fā)射的脈沖總數(shù)；

nxij為該信號(hào)在PW值上發(fā)射的脈沖數(shù)；

k（n）為本脈沖的PW的工作狀態(tài)；

k（n＋1）為下一個(gè)脈沖的PW的工作狀態(tài)；

xij為以i變化模式時(shí)的第j個(gè)PW值，則有1＜j＜Mi；

xij0為以i變化模式時(shí)的中心PW；

Δxi為當(dāng)前PW模式對(duì)應(yīng)的PW變化范圍，除捷變模式，其他模式Δxi＝0。

表1 部分參數(shù)的常見(jiàn)工作模式

2.2 仿真體系設(shè)計(jì)

雷達(dá)源環(huán)境仿真子系統(tǒng)包括雷達(dá)實(shí)體模型、雷達(dá)信號(hào)樣式模型、基礎(chǔ)模型。各模型與雷達(dá)源環(huán)境仿真子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次圖關(guān)系如圖1所示。

首先，在最底層即數(shù)據(jù)層之上，是基礎(chǔ)模型層，該層是該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)與核心，為整個(gè)系統(tǒng)提供模型支撐，提供基礎(chǔ)模型為信號(hào)樣式模型層調(diào)用，基礎(chǔ)模型包括載頻模型、脈寬模型、重頻模型、到達(dá)時(shí)間模型、到達(dá)角模型、幅值模型等；基礎(chǔ)模型層之上是信號(hào)樣式模型層，該層的信號(hào)模型需要基礎(chǔ)模型層提供基礎(chǔ)模型支撐，規(guī)劃信號(hào)樣式模型，為雷達(dá)實(shí)體模型層提供信號(hào)模型庫(kù)以供調(diào)用；最后是雷達(dá)實(shí)體模型層，實(shí)體模型是對(duì)實(shí)體雷達(dá)裝備的模擬，該層在仿真控制層的控制下，規(guī)劃和管理下層的模型庫(kù)。

圖1 仿真模型體系結(jié)構(gòu)圖

2.3 仿真流程設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境仿真流程如圖2所示。先對(duì)電磁環(huán)境脈沖描述字的單個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述，然后再?gòu)膯尾坷走_(dá)到多部雷達(dá)進(jìn)行描述，從而模擬出復(fù)雜的雷達(dá)電磁環(huán)境信號(hào)脈沖數(shù)據(jù)流。

圖2 電磁環(huán)境仿真流程圖

2.4 生成數(shù)據(jù)處理

電磁環(huán)境是由該點(diǎn)處接收到的雷達(dá)脈沖特征以及脈沖流密度來(lái)描述的。在仿真時(shí)間內(nèi)依次計(jì)算每部雷達(dá)的脈沖各參數(shù)數(shù)學(xué)模型，將生成的脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，最后按到達(dá)時(shí)間進(jìn)行排序，得到整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)的PDW流，從而得到多部雷達(dá)的脈沖信號(hào)。

1）排序處理

多部雷達(dá)的脈沖信號(hào)生成后，再將多路脈沖序列融合成一路有序的脈沖序列。不同雷達(dá)脈沖的到達(dá)時(shí)間有先有后，要融合成一路脈沖，需要按脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）的先后順序?qū)Χ嗦访}沖序列進(jìn)行排序。具體方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)［8］中的歸并排序的PDW排序算法和快速排序的PDW排序算法。

2）重疊處理

現(xiàn)代電子戰(zhàn)，雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境極為復(fù)雜，雷達(dá)脈沖密度可高達(dá)每秒數(shù)百萬(wàn)個(gè)脈沖。模擬如此高密度的脈沖發(fā)生脈沖重疊的概率非常大，脈沖丟失現(xiàn)象也很嚴(yán)重。一般按某一參數(shù)（脈寬、重頻、功率、到達(dá)時(shí)間）優(yōu)先級(jí)進(jìn)行取舍處理。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

利用仿真模型對(duì)某想定下的雷達(dá)電磁環(huán)境進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，采用Matlab作為軟件仿真平臺(tái)，以Microsoft Access 2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)支撐。對(duì)多部雷達(dá)形成的復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行模擬，分別存入一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，最后把數(shù)據(jù)表融合成為一個(gè)數(shù)據(jù)總表，對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行排序、重疊處理后，即可得到一個(gè)描述電磁環(huán)境PDW數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 仿真結(jié)果與分析

下面以想定某型雷達(dá)的參數(shù)RF、PW、PRI的生成為例，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。RF、PW、PRI在對(duì)于變化模式下的模擬數(shù)據(jù)直方圖如圖3～6所示。

圖3 RF捷變模式模擬數(shù)據(jù)

圖4 PW固定／捷變模式模擬數(shù)據(jù)

圖3為RF在捷變模式下模擬生成數(shù)據(jù)圖，橫坐標(biāo)為脈沖序列，縱坐標(biāo)為RF值，它的頻率值個(gè)數(shù)以及在每個(gè)頻率值上工作脈沖個(gè)數(shù)都可以通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置。以上模擬數(shù)據(jù)是中心頻率在8000MHz，設(shè)置8個(gè)頻率值，在每個(gè)頻率值有4～8個(gè)隨機(jī)生成的脈沖。

圖4給出了PW的固定和捷變兩種模式的模擬數(shù)據(jù)圖。橫坐標(biāo)為脈沖序列，縱坐標(biāo)為PW值，它的PW值個(gè)數(shù)以及在每個(gè)PW值上工作脈沖個(gè)數(shù)都可以在人機(jī)交互界面設(shè)置。以上模擬數(shù)據(jù)是中心脈寬在3μs的固定和捷變模式下的模擬數(shù)據(jù)。

圖5 PRI參差模式模擬數(shù)據(jù)

圖6 PRI分組模式模擬數(shù)據(jù)

圖5～6給出了PRI的參差和分組兩種模式的模擬數(shù)據(jù)圖。橫坐標(biāo)為脈沖序列，縱坐標(biāo)為PRI值，它的PRI值個(gè)數(shù)和在每個(gè)PRI值上工作脈沖個(gè)數(shù)都可以在人機(jī)交互界面設(shè)置。其中圖5為PRI參差模式，有5個(gè)PRI值組成的參差模式；圖6為PRI分組模式，包括8個(gè)PRI值，每個(gè)PRI上包括6個(gè)脈沖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以電磁環(huán)境模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究需求為背景，從空域、時(shí)域、頻域、能量域四個(gè)構(gòu)成方面分析電磁環(huán)境特性。采用PDW對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行描述，以功能仿真的方法對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行仿真，歸納了PDW部分參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，給出電磁環(huán)境PDW仿真流程，設(shè)計(jì)了基于PDW的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)模型框架結(jié)構(gòu)，采用Matlab作為仿真平臺(tái)，模擬生成了以Microsoft Access 2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)支撐PDW的脈沖數(shù)據(jù)流。在電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)中，生成的PDW數(shù)據(jù)流用于引導(dǎo)干擾信號(hào)的仿真?！?/p>

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