基于SystemVue的電子偵察仿真系統設計

林 曦，任 赫，陳 研

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

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基于SystemVue的電子偵察仿真系統設計

林 曦，任 赫，陳 研

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

電子偵察系統仿真的主要目的是建立典型電子偵察系統的數學模型以及模擬電磁環境，通過射頻接收、數字處理、信號分選實現電子偵察系統功能。利用SystemVue系統仿真軟件、ADS軟件和VC軟件協同建模仿真，搭建了一套包含雷達信號生成、空間傳播、天線、接收機、處理機、顯控界面等模塊組成的典型電子偵察仿真系統，并對該系統進行了性能測試。該系統的建立，不僅能為外場試驗提供仿真數據，同時也能為電子偵察系統對抗試驗評估提供有力支撐。

SystemVue；協同仿真；ADS軟件；電子偵察

0 引 言

仿真技術是以相似原理、信息技術、系統工程為基礎，以電子計算機及相關設備(仿真器)為工具，利用模型對系統進行研究、分析和評估的多學科綜合性技術[1]。近年來，隨著建模仿真技術的進步，其在軍用和民用領域中的應用更是不斷向深度和廣度拓展[2]，同時對于仿真系統的要求也越來越高。

利用現代建模和仿真技術，構建虛擬的戰場環境，進行電子對抗的仿真，與傳統的外場實驗和實兵演習等方法相比具有費效比高、可控性強、顯示直觀、可大量重復實驗等優點[3-4]。針對典型電子戰系統及裝備，建立裝備及其作戰環境的數學模型和仿真模型，構建全數字電子戰仿真系統，實現電子戰裝備的仿真設計和作戰效能的評估，已經成為現代電子裝備研制、論證、發展建設和作戰運用研究的有效手段。

本系統以典型電子偵察裝備為出發點，建立輻射源信號、空間傳播及接收機系統、處理機系統的模型，以封裝的仿真模型和軟件模型的形式在計算機中進行功能再現；同時考慮各模塊間的協同、通訊問題，以標準的接口方式組建成完整電子戰裝備的數字樣機，使其具有正常雷達信號偵察處理顯示能力；對關鍵信號設置耦合檢測端口，實現雷達信號等的圖形化顯示并進行作戰效能的評估；完成了電子戰裝備從仿真設計、驗證到虛擬測試的任務，可用于支持靶場電子戰裝備的仿真設計、驗證和虛擬測試，為外場效應試驗方案設計提供技術支撐。

仿真采用SystemVue環境和VS環境聯合開發，發揮各自的優勢，實現電子偵察系統各部分的仿真設計，并通過通信接口和網絡接口實現環境的數據傳遞，搭建完整的典型電子偵察仿真系統。

1 系統設計

1.1 物理模型

采用波束掃描搜索體制的典型電子偵察設備主要由天線單元、接收機單元、處理機單元、主機等部分組成。其中，天線通過伺服轉動進行掃描偵收，實現360°覆蓋，在空間上、頻率上完成輻射信號的預選。接收機主要完成射頻信號的超外差變頻接收，輸出中頻信號給數字信號處理模塊，數字信號處理模塊完成信號的采樣、檢測、參數測量，并形成完整的脈沖描述字(PDW)，完成方位上的PDW的分選，將分選結果上報給主機，主機進行分批處理并顯示。

針對上述典型電子偵察設備的構成，通過構建典型偵察接收系統的電路組成模型，選取器件的典型參數，模擬典型偵察接收系統的工作過程，建立典型電子偵察仿真系統。根據設計需要，將整個仿真系統分為雷達模塊、空間傳播模塊、偵察接收天線模塊、微波接收機電路模塊、信號處理模塊、信號分選模塊、顯控界面幾大部分，如圖1所示。

1.2 仿真設計

本文建立的仿真系統基于SystemVue軟件平臺，聯合ADS軟件和VC軟件開發。SystemVue[5-11]是一款專為電子系統級設計的電子設計自動化(EDA)產品，支持射頻系統鏈路與數字信號處理單元協同仿真，其作為專用的電子系統級(ESL)設計和信號處理算法開發平臺，可以替代通用的數字、模擬和數學仿真環境。產品內部搭載了詳細的雷達、電子戰模塊，可形成純軟件的完整的雷達對抗系統。它具有與外部文件相通的、開放的算法建模接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數據，可以與Matlab、C++、數字信號處理(DSP)、現場可編程門陣列(FPGA)、ADS等其他軟件互聯使用，支持多域化模型的設計框架。基于其靈活性與拓展性，選擇SystemVue作為整個系統的軟件開發平臺。

為了復現實際裝備的靈敏度、增益和信噪比等參數，仿真系統中的射頻部分必須用有熱噪聲的射頻元件搭建，這種設計方法與SystemVue的數據流仿真方法并不一致，故采用ADS軟件來進行接收機電路的搭建。

同時，為了實現SystemVue軟件無法完成的復雜處理和人機交互功能，采用VC軟件進行數據處理和顯控界面的開發。

綜上所述，整個系統的仿真分為電路仿真模塊、信號處理模塊、顯控界面三部分，基于電路仿真軟件ADS、電子系統級設計軟件SystemVue和VC軟件來實現，以完成對典型電子偵察系統的電路級、信號級和系統級操作方式的仿真，如圖2所示。電路仿真與顯控界面集成入SystemVue系統仿真軟件中，最后形成一個整體仿真系統。

首先通過VC顯控界面設置仿真場景，在電子系統級設計軟件SystemVue中產生輻射源信號，并通過空間傳播模型組到達接收天線模型，由軟件SystemVue將該復信號傳遞給電路仿真環境ADS。當電路仿真環境ADS接收到電子系統級設計軟件SystemVue傳遞的經過接收天線口面的到達射頻前端電路的復包絡信號流以后，調用包絡仿真器進行電路輸出包絡信號的計算，然后再將響應的復包絡信號傳遞回電子系統級設計軟件SystemVue，進行模擬/數字(A/D)采樣、信號處理、信號分選，輸出分選結果并顯示。圖3為SystemVue工程整體結構(僅作示意用)。

2 關鍵模型設計

電子偵察仿真系統的模型來自2種設計方法：一方面，通過分析典型電子戰裝備各部分分機、模型的數學原理和結構功能，在SystemVue軟件中通過基本元件搭建，或是采用C++編寫仿真模型；另一方面，為彌補SystemVue在復雜算法實現、仿真控制、參數設置和態勢顯示上不夠直觀和靈活的缺陷，采用VS2010環境編寫軟件模塊，并組成數據處理與顯控軟件，實現復雜的數據處理、策略分析和人機交互功能。

2.1 空間傳播模型組

空間傳播模型組包括坐標轉換模型和傳播損耗模型。坐標轉換模型用于將偵察站和雷達站的空間坐標轉化為以各站為中心的極坐標系的相對方位與俯仰，提供給各站的發射或接收天線，使得天線模型輸出的信號帶有天線方向圖調制特征。傳播損耗模型包括三維距離解算模型、大氣損耗模型和延時模型，通過計算偵察站與輻射源的實時距離，在雷達信號中附加大氣損耗和傳播延時。

2.2 微波接收機電路模型

微波接收機電路模型主要是仿真典型偵察接收機的整個電路組成，用于建構整個電路模型。由于SystemVue的主要仿真流程為數據流仿真，即根據設置的時鐘周期產生數據，鏈路上模型依次對數據進行處理。其自帶的算法庫提供了在數據流仿真狀態下的時域射頻模型，可以展示理想狀態下一些射頻元件的處理效果，但在非線性、噪聲以及泄露等射頻器件的非理想效果上表現不佳。

為了彌補這一缺陷，采用頻域射頻仿真模型進行設計，利用ADS軟件進行射頻鏈路的仿真設計工作，可以真實復現實際裝備的靈敏度、增益和信噪比等參數。

在ADS軟件中，依據器件的性能搭建兩級變頻超外差接收機電路原理圖，如圖4所示。

進入接收機的微弱信號首先通過限幅器，然后經低噪聲放大器進行放大。射頻濾波器是為了抑制進入接收機的外部干擾，混頻器將雷達的射頻信號變換為中頻信號，再經中頻放大器進行中頻放大。對于不同頻率，不同頻帶的接收機都可以通過變換本振頻率，使其形成固定中頻頻率和帶寬的中頻信號。SystemVue工程中的接收機模型在仿真時會調用ADS軟件，加載該工程文件以進行接收機鏈路仿真。

2.3 數字信號處理模型

數字信號處理的任務是配合射頻接收機，實現對中頻信號的采樣、檢測和幅度、頻率等參數的測量，送脈沖字形成模塊形成脈沖描述字(PDW)。子模型包括：

(1) 表征頻率變換

為了提高仿真速率、降低帶通數字仿真系統的采樣頻率，目前的仿真軟件是以包絡信號的方式來表征帶通信號的，即用數字序列描述信號的基帶成分，用表征頻率描述信號的中心頻率。因此，包絡仿真信號的數字序列并不能通過相位變化來測量變頻之后的頻率殘余，需要將表征頻率變至0，使數字序列部分能夠完整地描述帶通信號。實現這一過程的模型是表征頻率變換模型。

(2) A/D采樣模型

雖然仿真軟件中的中頻信號仍然是時間離散的數字序列，但其幅度仍然是以精度較高的浮點數表示的。利用SystemVue自帶的A/D采樣模型，對中頻信號進行采樣，得到時域和頻率都離散的真正意義上的數字信號，此時信號幅度帶有A/D量化誤差。

(3) 數字下變頻模型

對中頻信號進行數字下變頻，將中頻信號的中心頻率變至零頻，得到I/Q兩路正交數字信號，同時采樣率降低了一半。

(4) 檢波(幅度測量)和相位測量模型

檢波的目的是得到中頻信號的視頻包絡信號，同時得到信號幅度，方法是求I、Q兩路信號幅度的平方和后開方。相位測量是測量中頻信號的相位，方法是求I/Q兩路信號比值后再求反正切。二者在SystemVue仿真中可同時實現，方法為使用SystemVue“RectToPolar”元件，將I、Q兩路信號作類型轉換得到復信號的幅度和相位。

(5) 自適應檢測模型

本模型通過對信號噪聲平均幅度的估計，結合預設的檢測信噪比，判定信號中是否存在有用成分；同時以滑窗法更新噪聲幅度的估計值，實現復雜環境下的自適應檢測。可利用反饋函數動態計算調整，實現恒虛警檢測等方式。

(6) 頻率測量模型

模型通過相差變化率即為頻率的基本原理，對相位解纏繞后求得信號頻率。

2.4 信號分選模型

信號分選主要包括預分選和主分選模型。

信號預分選是對PDW的聚類處理，將頻率、到達時間、脈寬和幅度等參數按一定門限進行相關處理，將全部參數都在某類均值的一定范圍內的PDW歸入該類中并更新均值，起到盡可能將不同輻射源的PDW區分開的作用。

針對預分選結果，主分選模型將通過最大值分選法確定目標方位[12]，通過其幅度的周期性變化，尋找幅度最大的PDW字區間，計算對應的天線方向，即得到目標方位角。下面簡述最大值分選處理流程：

(1) 掃描周期判定、數據輸出與更新。

判定當前采樣點是否位于新的掃描周期內。

如是，判斷每個信號源的脈沖是否滿包(脈沖數達到PDW_PACK_LEN)。已滿包的，計算歷史最大脈幅(PA)脈沖組的脈沖重復間隔(PRI)并輸出；未滿包的，計算當前脈沖組的PRI并輸出。輸出后清空緩存內所有變量。

(2) 采樣點有效判定

通過射頻(RF)等參數判斷當前采樣點是否為有效PDW字。如否，跳過剩余步驟，結束當前處理，進入新的處理周期，開始步驟(1)。

(3) 按RF及到達方向(DOA)進行脈沖相關處理

根據設定的RF容差與DOA容差區分來自多個信號源的脈沖。將當前有效PDW字的RF、DOA依次與緩存內各信號源的當前脈沖組平均RF、平均DOA作差比較，兩者均在容差范圍內的歸入對應信號源當前脈沖組。若未與任何信號源相關，則建立新的信號源標志，將PDW字歸入該組。相關后，計算當前組脈沖平均PA并更新。容差與測量精度相關，精度越高則容差越小。

(4) 滿包判定

脈沖相關后，針對相關的信號源判斷當前組中脈沖數是否滿包。若當前組滿包，計算組內平均PA，與歷史最大PA脈沖組的平均PA比較。若當前組的PA均值較大，用當前組覆蓋歷史最大組。無論比較結果如何，清空當前組內的所有數據，以容納后續相關脈沖。

2.5 數據處理與顯控模塊

為了實現SystemVue軟件無法完成的復雜處理和人機交互功能，需要通過編寫顯控和數據處理軟件來進行數據處理和顯示控制，其與SystemVue的數據傳遞是通過通信口和網絡端口實現的。圖5為該電子偵察仿真系統配套的顯控軟件界面。可在參數設置頁進行仿真場景和仿真參數的設置，通過SystemVue提供的通信接口實現對模型和數字樣機的參數設置和仿真控制。仿真產生的數據可由SystemVue網絡發送方式實時獲取。

3 模型功能測試

在建立了典型電子偵察系統仿真模型之后，需要對其功能進行驗證。本文通過驗證系統建立的數據測試節點輸出進行信號圖形化顯示。典型電子偵察仿真系統正常工作時接收到雷達信號，信號經由這些模型的變化過程如圖6和圖7所示。圖中分別給出了在1.2 μs和0.081 μs時間區域內，信號經由天線調制、混頻到中頻輸出，至A/D量化后的各端口波型。信號波形符合預期，與實際樣機類似。

設輻射源與接收機距離為150 km，接收機天線增益18 dB，仿真系統信號偵察仿真分析見表1。通過設置不同的雷達發射功率，功率大小由74 dBm減至28 dBm，經過偵察仿真系統，分選結果如表1所示。由表1可知，系統具有正常的雷達信號偵察能力。當發射功率降至34 dBm時，收到脈沖個數較少，分選結果受到影響。通過計算可知，此時接收口面信號大小在-73 dBm左右，接近系統靈敏度，與實際樣機吻合，整個電子偵察仿真模型的等效性較好。

表1 系統信號偵察仿真分析

4 結束語

本文利用SystemVue協同ADS、VC軟件，針對實際典型電子偵察系統仿真分析需求，建立了一套典型電子偵察仿真系統，并詳細闡述了該系統的組成結構及重要模型實現方法。通過對搭建系統各關鍵輸出節點及系統關鍵指標的測試，表明系統具備了典型電子偵察系統仿真模擬的能力。該仿真系統具有較強的靈活性與拓展性，它使用功能模型去描述程序，可方便地完成各種模型的設計與仿真，快速建立和修改模型，訪問與調整參數，能為真實電子設備的研發提供全新的數字化設計方法，亦可驗證真實樣機的功能與性能。在全系統仿真效能評估方面有極大的應用前景。

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DesignofElectronicReconnaissanceSimulationSystemBasedonSystemVue

LIN Xi,REN He,CHEN Yan
(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

The main purpose of electronic reconnaissance system simulation is to establish mathematical models of typical electronic reconnaissance system and simulate electromagnetic environment.Through radio frequency reception,digital processing and signal sorting,the function of electronic reconnaissance system is realized.A set of typical electronic reconnaissance simulation system including radar signal generation module,space broadcast module,antenna module,receiver module,processor module and display and control interface module,etc. is constructed by means of the collaborative modeling and simulation of system simulation software SystemVue,ADS software and VC software,and the performance test to the system is performed.The established system not only provides the simulation data for the outfield experiment but also provides the powerful support for the countermeasure test assessment of electronic reconnaissance countermeasure system.

SystemVue;co-simulation;ADS software;electronic reconnaissance

2017-03-15

TN971

：A

：CN32-1413(2017)03-0092-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.023