數(shù)字技術(shù)模擬雷達(dá)信號(hào)環(huán)境方法研究

田益明

摘要：本文針對(duì)外場(chǎng)測(cè)試中微波器件模擬產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)環(huán)境成本較大這一問題，首先以雷達(dá)有源壓制干擾為例介紹了雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的一種典型數(shù)學(xué)模型，然后分析了雷達(dá)信號(hào)環(huán)境構(gòu)建的需求和基本原則，最后梳理了數(shù)字技術(shù)模擬雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)信號(hào)環(huán)境；數(shù)字技術(shù)模擬；環(huán)境構(gòu)建

中圖分類號(hào)：TN955 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）10-0064-02

目前實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬主要有兩種方式：一種是通過大型微波器件模擬產(chǎn)生環(huán)境態(tài)勢(shì)，這種方式產(chǎn)生的環(huán)境態(tài)勢(shì)真實(shí)，但微波器件都比較昂貴，且在空間構(gòu)建精細(xì)信號(hào)環(huán)境時(shí)受影響的因素較多，在需要多種環(huán)境態(tài)勢(shì)多樣本的測(cè)試中成本較大；另一種是通過計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)仿真構(gòu)建環(huán)境，這種方式只需要計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)模擬，雖然技術(shù)要求高，但成本較低。為了給測(cè)試對(duì)象提供真實(shí)有效的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境，又能將成本降到最低，需要研究數(shù)字技術(shù)模擬雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的數(shù)學(xué)模型和關(guān)鍵技術(shù)。

1 雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬的數(shù)學(xué)模型

為了給測(cè)試對(duì)象構(gòu)建逼真的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境，首先需要測(cè)試對(duì)象所在環(huán)境的電磁信號(hào)環(huán)境組成和典型特征進(jìn)行分析，從而明確電磁信號(hào)環(huán)境的構(gòu)建需求，并采用相應(yīng)的技術(shù)手段來產(chǎn)生滿足構(gòu)建需求的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境。

以雷達(dá)有源干擾環(huán)境構(gòu)建中需要的壓制式干擾方式數(shù)學(xué)模型為例。壓制式干擾通過降低雷達(dá)接收機(jī)輸出信號(hào)質(zhì)量達(dá)到其干擾目的，包括阻塞式、瞄準(zhǔn)式、掃頻式等干擾方式，在通信和雷達(dá)干擾等方面應(yīng)用較為廣泛。為了降低目標(biāo)雷達(dá)的輸出信噪比，可以用調(diào)幅噪聲充滿雷達(dá)接收機(jī)的帶寬，干擾機(jī)通常采用噪聲調(diào)幅的基本干擾樣式。通過對(duì)噪聲調(diào)幅干擾進(jìn)行數(shù)字化建模，完成對(duì)干擾信號(hào)的模擬，當(dāng)用低頻正弦信號(hào)對(duì)高頻振蕩進(jìn)行調(diào)幅時(shí)，已調(diào)波的表達(dá)式為：

（1）

其中，分別為載波的振幅、角頻率和初相角；分別為調(diào)制信號(hào)的振幅、角頻率和初相角；為調(diào)幅系數(shù)，且。

干擾機(jī)一般采用視頻噪聲來調(diào)制高頻信號(hào)，白噪聲為正態(tài)分布，其功率譜為矩形頻譜，功率譜密度為一常數(shù)：

（2）

其中，為調(diào)制噪聲的帶寬，為調(diào)制噪聲消耗在1Ω電阻中的功率。

晶體管、電子管等器件的噪聲，導(dǎo)線、電阻里的熱噪聲，都是由大量相互無關(guān)的極窄電流（電壓）脈沖合成的，由于該類噪聲具有較均勻的功率譜密度，所以一般稱為白噪聲，其電壓瞬時(shí)值為：

（3）

2 環(huán)境構(gòu)建需求

構(gòu)建測(cè)試對(duì)象所需的電磁信號(hào)環(huán)境需要重點(diǎn)考慮的要素主要包括：任務(wù)剖面的影響、平臺(tái)及搭載的輻射源特征以及干擾環(huán)境等。具體構(gòu)建需求主要有：

2.1 要融入任務(wù)剖面背景中

電磁信號(hào)環(huán)境的生成和變化都和任務(wù)剖面直接相關(guān)，只有把所構(gòu)設(shè)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境融入到實(shí)際的任務(wù)背景之中，才能正確反映不同任務(wù)背景下雷達(dá)電磁信號(hào)環(huán)境的規(guī)律和特點(diǎn)，體現(xiàn)出戰(zhàn)術(shù)意圖。

2.2 體現(xiàn)所處平臺(tái)特點(diǎn)

裝備平臺(tái)是任務(wù)運(yùn)用執(zhí)行載體和工具，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)航跡和運(yùn)動(dòng)方式以及平臺(tái)上搭載輻射源的使用均具體體現(xiàn)了任務(wù)需求。同時(shí)電磁環(huán)境應(yīng)該以測(cè)試對(duì)象所在平臺(tái)為中心進(jìn)行構(gòu)建。

2.3 重視干擾環(huán)境構(gòu)建

干擾環(huán)境作為戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)環(huán)境的一個(gè)重要組成部分，在進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)環(huán)境構(gòu)建時(shí)也應(yīng)該有所體現(xiàn)，對(duì)于如海雜波、有源干擾等干擾環(huán)境可以采用硬件去數(shù)字技術(shù)去模擬；對(duì)于不能采用硬件實(shí)現(xiàn)模擬的，應(yīng)在環(huán)境評(píng)估中有所體現(xiàn)。

3 環(huán)境構(gòu)建原則

雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的構(gòu)建，需要對(duì)目前和今后電磁環(huán)境有一個(gè)比較清楚的認(rèn)識(shí)。特別是在測(cè)試過程中，應(yīng)盡量構(gòu)建一個(gè)比較真實(shí)的電磁環(huán)境。首先應(yīng)進(jìn)行任務(wù)剖面的研究，以此來提高測(cè)試的針對(duì)性和有效性，通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的分析，梳理測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)，提出雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的設(shè)計(jì)框架。電磁環(huán)境是否復(fù)雜主要是與在電磁環(huán)境中工作的裝備能力相關(guān)聯(lián)，不能僅僅用脈沖密度等簡(jiǎn)單概念來定義雷達(dá)信號(hào)環(huán)境。

3.1 貼近任務(wù)需求原則

實(shí)際的電磁環(huán)境并不一定都是非常復(fù)雜，有時(shí)可能還非常簡(jiǎn)單，關(guān)鍵的問題是要研究測(cè)試對(duì)象任務(wù)需求的各種可能情況，分析對(duì)方的裝備情況，分析戰(zhàn)爭(zhēng)的規(guī)模和布局，才能設(shè)置與實(shí)戰(zhàn)接近的環(huán)境。

3.2 逼真原則

逼真性主要體現(xiàn)在環(huán)境態(tài)勢(shì)設(shè)置時(shí)的載頻分布、信號(hào)時(shí)域和頻域類型、信號(hào)數(shù)量、信號(hào)時(shí)域和頻域參數(shù)、信號(hào)功率幅度、天線掃描速度和搜索跟蹤體制、對(duì)抗態(tài)勢(shì)和裝備能力等方面，要和任務(wù)剖面的各方裝備情況盡量貼近，信號(hào)多并不完全代表復(fù)雜，信號(hào)參數(shù)多變，交迭才真正體現(xiàn)出電磁環(huán)境的復(fù)雜性。

3.3 科學(xué)實(shí)用原則

在設(shè)計(jì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境時(shí)，不需要死板地去要求環(huán)境的復(fù)雜性，要考慮測(cè)試對(duì)象的具體情況，將裝備使用的環(huán)境條件作為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，不能超出裝備的使用邊界；也要避免環(huán)境設(shè)置的單一化。所以，環(huán)境設(shè)置必須符合測(cè)試對(duì)象的實(shí)用要求，保證環(huán)境設(shè)置的科學(xué)性。

3.4 高性價(jià)比原則

對(duì)于環(huán)境的構(gòu)建，為了確保測(cè)試任務(wù)的順利開展嗎，必須注重效益，不能拋開歷史數(shù)據(jù)完全重建，還要充分利用一切已有環(huán)境數(shù)據(jù)資源，與以往積累的外場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，使數(shù)字模擬環(huán)境的成本降低。

4 環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 環(huán)境場(chǎng)景與仿真資源映射方法

該方法主要是為了完成兩個(gè)方面的功能：一是環(huán)境場(chǎng)景中平臺(tái)位置分布與仿真資源的空間位置的映射，使數(shù)字技術(shù)模擬的電磁信號(hào)環(huán)境盡量與設(shè)計(jì)和規(guī)劃的場(chǎng)景產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系；其二是實(shí)現(xiàn)環(huán)境場(chǎng)景中的信號(hào)特征和屬性與數(shù)字技術(shù)模擬資源中的硬件設(shè)備的控制設(shè)置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而控制硬件資源產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)環(huán)境。

4.2 雷達(dá)信號(hào)模擬技術(shù)

現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)模擬技術(shù)從其實(shí)現(xiàn)原理上分可以分為：數(shù)字頻率綜合技術(shù)、數(shù)字壓控振蕩器技術(shù)兩種主要類型。其中數(shù)字頻率綜合技術(shù)以數(shù)字直接頻率合成為核心器件，具有模擬體制多樣、模擬精度高、置頻時(shí)間極短等有點(diǎn)，一般可以用于電磁信號(hào)環(huán)境中的重點(diǎn)信號(hào)或高威脅信號(hào)的數(shù)字模擬。而數(shù)字壓控振蕩器技術(shù)用于其外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)低廉適合于實(shí)現(xiàn)大量輻射通道，從而實(shí)現(xiàn)大量背景信號(hào)的數(shù)字技術(shù)模擬產(chǎn)生。

4.3 干擾信號(hào)的產(chǎn)生

由于微波暗室空間具有較高電磁潔凈度，在以微波暗室的空間而形成的電磁信號(hào)環(huán)境往往相對(duì)于實(shí)際的電磁信號(hào)環(huán)境過于“干凈”，所以要在模擬是應(yīng)該適當(dāng)增加干擾信號(hào)通道。其中應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下兩種類型的干擾信號(hào)，一是能夠使雷達(dá)偵察設(shè)備產(chǎn)生增批的干擾信號(hào)，如由于多路徑現(xiàn)象造成的干擾信號(hào)；二是能夠使接收機(jī)通道產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象的干擾信號(hào)，如連續(xù)波體制的干擾信號(hào)。另外海雜波信號(hào)也可以作為一種干擾信號(hào)加入到電磁信號(hào)環(huán)境的數(shù)字技術(shù)模擬中。

5 結(jié)語

目前，雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的構(gòu)建需求已經(jīng)存在于感知、對(duì)抗和系統(tǒng)協(xié)同等各個(gè)方面，對(duì)測(cè)試工作的進(jìn)程存在廣泛而深刻的影響。本文對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索性的研究，希望可以對(duì)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境構(gòu)建方案設(shè)計(jì)者有所啟發(fā)。

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