基于SystemVue的炮位偵察雷達(dá)炮彈回波信號(hào)生成

鄭昌艷， 何 強(qiáng)， 張 杰

(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003)

基于SystemVue的炮位偵察雷達(dá)炮彈回波信號(hào)生成

鄭昌艷， 何 強(qiáng)， 張 杰

(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003)

目前很多仿真軟件對(duì)于參差重頻的目標(biāo)回波信號(hào)產(chǎn)生都有一定的局限性，本文在SystemVue仿真平臺(tái)及其雷達(dá)信號(hào)處理庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)MATLAB腳本程序動(dòng)態(tài)更新模型參數(shù)解決了這一問(wèn)題。文中簡(jiǎn)要介紹了SystemVue雷達(dá)庫(kù)的基本情況和SignalX模塊的特點(diǎn)，針對(duì)一種炮位偵察雷達(dá)，在SystemVue的基礎(chǔ)上進(jìn)行了參差重頻信號(hào)生成、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標(biāo)回波生成的程序設(shè)計(jì)。SystemVue仿真軟件以其獨(dú)特的先進(jìn)性和新穎性，在雷達(dá)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中將具有很好的應(yīng)用。

SystemVue；發(fā)射信號(hào)生成；波束控制；輸出同步；炮彈彈道；回波生成

0 引言

SystemVue是美國(guó)安捷倫(Agilent)公司推出的一種電子系統(tǒng)級(jí)仿真工具軟件，主要應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域。它可以與MATLAB、C++、ADS等其他軟件協(xié)同仿真，同時(shí)具有明顯的優(yōu)越性，尤其在射頻模塊及雷達(dá)系統(tǒng)仿真方面有很好的應(yīng)用前景。

目前在雷達(dá)系統(tǒng)仿真方面，對(duì)于參差重頻信號(hào)的產(chǎn)生，很多傳統(tǒng)的仿真軟件實(shí)現(xiàn)方法都有一定的局限性，尤其在考慮波控機(jī)實(shí)時(shí)控制波束掃描和信號(hào)參差的情況下，問(wèn)題就更為明顯。這些軟件在一次運(yùn)行中只能實(shí)現(xiàn)固定脈沖重復(fù)頻率(PRF)的仿真，當(dāng)PRF改變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停下來(lái)重新調(diào)度，并且每次都需要調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較繁瑣，效率低且靈活性不足。為了解決這一問(wèn)題，用SystemVue設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真鏈路，在一次調(diào)度中就能產(chǎn)生參差重頻信號(hào)并實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)同步。

本文基于SystemVue對(duì)一種炮位偵察雷達(dá)的參差重頻發(fā)射信號(hào)、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標(biāo)的回波生成進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了SystemVue的靈活性和優(yōu)越性。

1 SystemVue在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中存在的問(wèn)題

1.1 SystemVue雷達(dá)庫(kù)的特點(diǎn)

SystemVue是以圖符化模塊構(gòu)建理論模型[1]，對(duì)電子系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，完成信號(hào)與系統(tǒng)特性的詳細(xì)分析。SystemVue中的雷達(dá)庫(kù)包括天線、陣列信號(hào)處理、環(huán)境、信號(hào)源、發(fā)射、接收、信號(hào)處理等多種模型庫(kù)[1]。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)來(lái)說(shuō)，它可以基于多樣化的場(chǎng)景，對(duì)精確運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波進(jìn)行建模，這與傳統(tǒng)的停-跳模型是不同的；同時(shí)支持多散射點(diǎn)目標(biāo)建模，支持目標(biāo)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡建模，支持起伏波動(dòng)的RCS類(lèi)型建模，支持傳播效應(yīng)的建模。所以對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真時(shí)，可以根據(jù)設(shè)定的程序和場(chǎng)景需要，從相應(yīng)的雷達(dá)模型庫(kù)中選擇相對(duì)應(yīng)的元件模塊進(jìn)行系統(tǒng)搭建，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行模擬仿真。

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)仿真中結(jié)構(gòu)變化的影響

對(duì)于一個(gè)固定的PRF[2]，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率等于整數(shù)倍PRF時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生盲速。常用解決方法是參差PRF，它能大大提高第一個(gè)盲速，使目標(biāo)的任何速度都盡可能小于這個(gè)盲速，從而解決盲速問(wèn)題且不會(huì)減小非模糊距離。同樣，當(dāng)目標(biāo)實(shí)際距離在非模糊范圍之外，就存在距離模糊，解決方法也是發(fā)射多組參差PRF的脈沖串信號(hào)，然后利用余數(shù)定理來(lái)解決距離模糊，這種方法也適用于解決速度模糊。所以，發(fā)射參差重頻的脈沖串信號(hào)可以有效解決盲速和模糊問(wèn)題。

炮位偵察雷達(dá)有搜索和跟蹤兩種基本的工作模式[3]，處于不同的模式，雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)形式、PRF等關(guān)鍵參數(shù)是不同的，這為雷達(dá)系統(tǒng)仿真的通用性帶來(lái)不便。在參差PRF、模式轉(zhuǎn)換和多任務(wù)多功能的雷達(dá)系統(tǒng)仿真中，傳統(tǒng)的SystemVue仿真思路難以適應(yīng)。例如SystemVue現(xiàn)有的雷達(dá)庫(kù)模塊不夠靈活，大部分模塊要求固定不變的PRF，所以不能實(shí)現(xiàn)參差PRF。本文對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，較好地解決了這一問(wèn)題。

2 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)

2.1 SignalX模塊實(shí)現(xiàn)參差重頻信號(hào)

2.1.1 SignalX模塊簡(jiǎn)介

一般的信號(hào)生成模塊是根據(jù)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的波形，一旦參數(shù)固定，波形就會(huì)不變，不能實(shí)時(shí)變化。SignalX是SystemVue雷達(dá)信號(hào)處理庫(kù)中的一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)生成模塊，可以靈活地生成參差PRF信號(hào)。SignalX模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SignalX模塊結(jié)構(gòu)

2.1.2 信號(hào)生成的改進(jìn)思路

對(duì)于多脈沖串參差PRF信號(hào)的產(chǎn)生，典型的實(shí)現(xiàn)方法是進(jìn)行分塊程序設(shè)計(jì)，即不同頻率對(duì)應(yīng)不同分塊，運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同PRF調(diào)用相應(yīng)程序，這樣完成一次參差PRF的仿真，系統(tǒng)就要運(yùn)行多次，消耗時(shí)間長(zhǎng)且靈活性差。基于以上原因，本文用SystemVue來(lái)解決這一問(wèn)題。首先構(gòu)造一個(gè)靜態(tài)查詢表，在靜態(tài)查詢表中預(yù)先設(shè)置好參差PRF的相應(yīng)參數(shù)，包括PRF及其個(gè)數(shù)，然后通過(guò)查表的方式實(shí)時(shí)調(diào)用這些參數(shù)，利用RADAR-SignalX的特性可實(shí)現(xiàn)在一次仿真中產(chǎn)生參差重頻信號(hào)，而且當(dāng)波束掃描實(shí)時(shí)變化時(shí)，可根據(jù)需要產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)，靈活性更加明顯。同時(shí)SystemVue在參差重頻和波束控制的情況下還能夠解決輸出數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，這也是本文設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

2.2 該型雷達(dá)發(fā)射信號(hào)生成設(shè)計(jì)

基于SystemVue實(shí)現(xiàn)該型雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，該雷達(dá)通過(guò)天線波束控制BeamController模塊[4]在空間形成3種不同的信號(hào)波形，覆蓋方位角為-45°～+45°，俯仰角為0°～30°的全空域波束掃描。當(dāng)俯仰角小于10°時(shí)，發(fā)射信號(hào)波形定義為WaveformType0，其連續(xù)發(fā)射8個(gè)脈沖重復(fù)間隔PRI為100 μs的線性調(diào)頻信號(hào)；當(dāng)俯仰角在10°～20°時(shí)，發(fā)射信號(hào)波形定義為WaveformType1，其連續(xù)發(fā)射10個(gè)脈沖重復(fù)間隔PRI為200 μs的線性調(diào)頻信號(hào)；當(dāng)俯仰角在20°～30°時(shí)，發(fā)射信號(hào)波形定義為WaveformType2，其連續(xù)發(fā)射20個(gè)脈沖重復(fù)間隔PRI為400 μs的線性調(diào)頻信號(hào)。以上3種波形的脈寬均為20 μs，帶寬均為1 MHz，基帶采樣率均為10 MHz，其發(fā)射信號(hào)形式見(jiàn)表1。

表1 該型雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波形形式

根據(jù)發(fā)射信號(hào)的3種不同波形形式，在LookUpTable靜態(tài)查詢表中設(shè)置相應(yīng)的CPI和PRF，PRF通過(guò)Recip倒數(shù)函數(shù)模塊轉(zhuǎn)化為PRI，然后通過(guò)波束控制中發(fā)射信號(hào)的波形形式實(shí)時(shí)調(diào)用其中的CPI和PRF，獲取相應(yīng)的波形參數(shù)。WaveformType0對(duì)應(yīng)的CPI為8，PRF為10 kHz；WaveformType1對(duì)應(yīng)的CPI為10，PRF為5 kHz；WaveformType2對(duì)應(yīng)的CPI為20，PRF為2.5 kHz。將以上的脈寬、帶寬、CPI和PRI連接到RADAR-SignalX動(dòng)態(tài)信號(hào)生成模塊，可以根據(jù)波束照射情況實(shí)時(shí)靈活地產(chǎn)生相應(yīng)的波形。

2.3 BeamController波控設(shè)計(jì)

當(dāng)前在雷達(dá)系統(tǒng)參差重頻信號(hào)生成的仿真中，很少考慮波控機(jī)對(duì)波束掃描和信號(hào)產(chǎn)生的影響。為了實(shí)現(xiàn)控制波束掃描和信號(hào)參差的目的，在仿真鏈路中加入波控模塊，由波束位置控制產(chǎn)生不同重復(fù)頻率的信號(hào)。另外通過(guò)波控模塊輸出的波形編號(hào)和波位，統(tǒng)一調(diào)度雷達(dá)資源，進(jìn)行全局指揮。

BeamController波束控制是一個(gè)子網(wǎng)模塊，可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生波束掃描，靈活控制雷達(dá)系統(tǒng)。其子網(wǎng)框圖如圖2所示。

圖2 波控子網(wǎng)

圖3 波束掃描

全空域波束掃描在MATLAB中的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，波束會(huì)在10°和20°處有不同波形的變化，程序代碼根據(jù)每個(gè)波位處的波束高度進(jìn)行累加，當(dāng)波束掃描到俯仰角10°和20°時(shí)，根據(jù)波束中心在它們上下的位置選擇相應(yīng)的波形。

2.4 DistributorM同步設(shè)計(jì)

2.4.1 同步數(shù)據(jù)流

同步數(shù)據(jù)流(Synchronous Data Flow，SDF)是指保持一個(gè)數(shù)據(jù)流或者不同數(shù)據(jù)流之間的時(shí)間關(guān)系，是一個(gè)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣泛的計(jì)算模型，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能部件的緩存優(yōu)化，還能減少系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。

同步數(shù)據(jù)流在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中可使系統(tǒng)在時(shí)間上保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，這對(duì)系統(tǒng)仿真而言至關(guān)重要。對(duì)于固定重復(fù)頻率的信號(hào)易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于參差重頻信號(hào)不容易實(shí)現(xiàn)，因此就需要針對(duì)不同的情況設(shè)計(jì)仿真鏈路。本文通過(guò)具體的方法在該雷達(dá)參差重頻發(fā)射信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)輸出數(shù)據(jù)同步進(jìn)行設(shè)計(jì)，使DistributorM模塊每次輸入輸出的數(shù)據(jù)流大小相同，達(dá)到數(shù)據(jù)同步的目的，同時(shí)也為后續(xù)的多路信號(hào)處理帶來(lái)方便。

2.4.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

DistributorM是一個(gè)子網(wǎng)模塊，子網(wǎng)中C1、C2和C3為3個(gè)常數(shù)控制源，分別對(duì)應(yīng)于CPI1、CPI2和CPI3的采樣點(diǎn)數(shù)，且每個(gè)采樣點(diǎn)處的值均為0。定義C1、C2和C3的輸出值分別為波形ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3， RADAR-SignalX為Input。當(dāng)波束為WaveformType0時(shí)，3個(gè)輸出接口Output1～Output3輸出的波形分別為Input、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3；當(dāng)波束為WaveformType1時(shí)，3個(gè)輸出接口輸出的波形分別為ZerosWaveform1、Input和ZerosWaveform3；當(dāng)波束為WaveformType2時(shí)，3個(gè)輸出接口輸出的波形分別為ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和Input。

這樣做的原因就是當(dāng)波束為不同的WaveformType時(shí)，3個(gè)輸出接口Output1～Output3每次輸出的總采樣點(diǎn)數(shù)是一致的，即輸入輸出數(shù)據(jù)流一樣。這是為了保證在后續(xù)的多路信號(hào)接收處理過(guò)程中的時(shí)間相同，使整個(gè)系統(tǒng)在每次處理時(shí)保持同步狀態(tài)。

2.5 目標(biāo)回波生成設(shè)計(jì)

2.5.1 炮彈彈道設(shè)計(jì)

把炮彈作為目標(biāo)，然后定義炮彈的參數(shù)，仿真其自由彈道軌跡(拋物線)情況。在MathLang數(shù)學(xué)語(yǔ)言模塊中的Equations中編寫(xiě)炮彈發(fā)射的彈道軌跡程序代碼，并在I/O輸入輸出接口中建立需要的輸出接口。程序中定義雷達(dá)波束的方位角為0°，即炮彈正對(duì)于雷達(dá)進(jìn)行發(fā)射，炮彈和雷達(dá)的距離為10 km，炮彈的初始速度為300 m/s，發(fā)射角度為70π/180。參數(shù)定義是靈活多變的，可以修改程序代碼來(lái)改變炮彈的發(fā)射方向、角度、初始速度和距離等相關(guān)信息，也可以根據(jù)需要設(shè)置多發(fā)炮彈。

本程序炮彈彈道設(shè)計(jì)的子網(wǎng)框圖和MATLAB仿真結(jié)果分別如圖4和5所示。

圖4 炮彈子網(wǎng)

圖5 炮彈彈道

2.5.2 炮彈回波生成

將上述產(chǎn)生的實(shí)時(shí)矩陣波形送入DynamicUnpack-M動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將矩陣數(shù)據(jù)按照行最大的形式依次取出數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)10 MHz的SetSampleRate采樣模塊進(jìn)行采樣，變?yōu)殡x散化的信號(hào)后，再送入Sink數(shù)據(jù)接收器處理即可產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。將發(fā)射信號(hào)送入Cx-To-Env模塊進(jìn)行載波調(diào)制，將轉(zhuǎn)換后的上變頻信號(hào)送入RADAR-Antenna-Tx天線發(fā)射模塊進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，再接入RADAR-Target目標(biāo)模塊，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即對(duì)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生目標(biāo)回波。將產(chǎn)生的回波信號(hào)送入RADAR-Antenna-Rx天線接收模塊，再將接收到的回波信號(hào)通過(guò)Env-To-Cx轉(zhuǎn)換模塊將上變頻信號(hào)變?yōu)閺?fù)合信號(hào)，最后送入Sink數(shù)據(jù)接收器中產(chǎn)生模擬的回波生成信號(hào)。其中天線發(fā)射模塊和接收模塊的波束方位角及高低角統(tǒng)一由BeamController波控模塊進(jìn)行同步控制，目標(biāo)方位角及高低角統(tǒng)一由CannonBall炮彈模塊控制。

這里需要說(shuō)明的是，回波生成很復(fù)雜，回波信號(hào)中應(yīng)該包含發(fā)射信號(hào)、雜波、干擾和目標(biāo)信號(hào)，而且雜波又分為多種類(lèi)型，同時(shí)還需考慮天線方向圖等綜合因素。所以本文為了說(shuō)明SystemVue能根據(jù)波束控制靈活實(shí)時(shí)地生成參差重頻的脈沖串信號(hào)并產(chǎn)生目標(biāo)回波，并沒(méi)有加入雜波，只是針對(duì)炮彈目標(biāo)進(jìn)行回波生成。以后會(huì)逐步加入雜波并考慮天線轉(zhuǎn)動(dòng)等因素，全面分析回波信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

SystemVue[5]是一款能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流仿真的信號(hào)級(jí)仿真軟件，并且應(yīng)用于射頻方面很有優(yōu)勢(shì)，能夠達(dá)到良好的射頻仿真效果。本文對(duì)一種炮位偵察雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和無(wú)雜波炮彈目標(biāo)的回波生成進(jìn)行了程序設(shè)計(jì),以后還將繼續(xù)基于SystemVue的仿真優(yōu)勢(shì)加入雜波和天線因素進(jìn)行回波生成、回波接收和信號(hào)處理等方面的工作，建立一個(gè)完整的雷達(dá)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，為雷達(dá)系統(tǒng)性能評(píng)估提供一個(gè)全面合理的仿真環(huán)境。

[1] 林森,高明明.SystemVue環(huán)境下M-Link的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息,2008(23):91，93.

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[3] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理(第3版)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[4] 章琴,劉以安.基于改進(jìn)的Morlet小波變換的雷達(dá)信號(hào)特征提取[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(10):70-73.

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The cannonball echo signal generation of an artillery locating radar based on SystemVue

Zheng Changyan, He Qiang, Zhang Jie

(Department of Electronics and Optics Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

At present, many simulation softwares have some limitations to the generation of target echo for staggered pulse repetition frequency signal. This problem can be solved by the design of MATLAB scripts for the updated dynamically model parameters based on the SystemVue simulation platform and radar signal processing library. In this paper, the basic situation on SystemVue radar library and features of SignalX model are briefly introduced, and aiming at an artillery locating radar, the procedures on the generation of its staggered pulse repetition frequency signal, beam controls, synchronization, cannonball trajectory and no clutter cannonball target echo generation waveform are designed based on SystemVue. Owing to the uniquely advanced and creative property, the emulation server of SystemVue will have a spacious and important application in the simulation domain for the radar system.

SystemVue; transmitted signal generation; beam controls; synchronization; cannonball trajectory; echo generation

TN971；TP391.9

A

1674- 7720(2016)03- 0081- 03

鄭昌艷，何強(qiáng)，張杰. 基于SystemVue的炮位偵察雷達(dá)炮彈回波信號(hào)生成[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(3)：81- 83，95.

2015-09-04)

鄭昌艷(1990-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)處理及仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)。