面向干擾/抗干擾技術研究的雷達建模方法探討

安 紅，張雁平，楊 莉，張 朔

（電子信息控制重點實驗室，四川 成都610036）

0 引言

隨著技術的不斷進步，現代雷達與雷達對抗裝備之間的競爭與對抗性愈演愈烈，正如張錫祥院士說過的“沒有干擾不了的雷達，也沒有抗不了的干擾”，雷達與雷達對抗裝備在相互博弈進而相互促進的過程中，系統性能都得到了螺旋式的提升。雷達干擾與抗干擾的斗爭，沒有絕對的優勢和劣勢，關鍵在于掌握多高的技術、擁有多大的資源，只有在平時積累更多的干擾和抗干擾技術，戰時才會有主動權[1]。雷達和雷達對抗裝備作為典型的電子信息裝備，信號/數據處理是其核心，因此圍繞裝備的信號發射與接收處理過程進行信號級的細粒度建模，逼真再現裝備與環境之間、裝備與裝備之間，以及裝備內部的信息交互與處理流程，能夠比較真實地反映裝備在復雜電磁環境下的系統性能及作戰效能。本文以雷達干擾/抗干擾技術研究為應用需求牽引，首先針對2 類仿真方法涉及的四種模型粒度，分別給出了優缺點和用途分析，然后在此基礎上介紹了雷達信號級建模基本流程，重點討論了雷達信號級建模逼真度問題，最后對雷達信號級模型驗證方法進行了分析。

1 電子信息裝備仿真方法分析

將電子信息裝備信號處理過程建模的細致度作為裝備仿真方法分類的基本依據，目前在業界已達成共識，即分為功能級仿真和信號級仿真2 大類[2]。以雷達電子戰領域應用為例，表1 給出了2 類仿真方法結合四種模型粒度的優缺點及用途的分析。表中，系統參數模型是指根據雷達或雷達對抗裝備系統內在固有參數和與場景相關的動態信息，完成基于能量方程或檢測算法的模型解算；脈沖數據模型是指能根據場景信息以脈沖描述字方式對每個雷達輻射源仿真其發射的信號特征；基帶信號模型是指能根據雷達原始視頻信號（即零中頻基帶復信號，亦稱相干視頻信號）的數字采樣來實現對雷達信號處理和數據處理過程的仿真；中頻信號模型是指能根據雷達中頻信號的數字采樣來實現對雷達接收機、信號處理和數據處理過程的仿真。但無論是基帶信號模型，還是中頻信號模型，仿真中都要考慮信號發射頻率和場景信息對目標探測性能的影響。從對比中可見，對于雷達干擾和雷達抗干擾技術研究而言，應采用信號級仿真方法，建立雷達和雷達對抗裝備基于信號/數據流處理的全流程仿真模型，然后通過對雷達與雷達對抗裝備之間信息交互關系的數字化映射，構建雷達電子戰數字仿真系統，通過設置仿真場景開展對抗試驗，真實重現電子戰與雷達、干擾和抗干擾之間相互作用的閉環回路，可以為雷達干擾和抗干擾技術研究提供仿真分析與試驗驗證的手段[3]。

表1 雷達電子戰裝備仿真方法分析

2 雷達信號級建模方法探討

與雷達系統的功能級仿真相比，對雷達系統進行信號級仿真要復雜得多，這不僅是因為需要深入了解和全面掌握被仿真雷達從信號發射到接收處理整個流程的技術細節，還因為要逼真復現目標、環境等對雷達所接收的各類信號模型的影響，以及雷達對這些信號進行接收處理與檢測跟蹤等各個環節的逼真建模，所以信號級雷達模型設計難度和研制工作量都很大。

2.1 雷達信號級建模的基本流程

要實現對具體型號或體制雷達系統的信號級建模，首先必須全面掌握被仿真的雷達系統使命任務、系統組成、工作流程、主要技術戰術性能、工作模式及控制策略、抗干擾措施、信號波形設計、信號/數據處理算法及其參數等詳細技術資料，雷達技術資料掌握得越深入，則對該雷達建模的逼真度就越能夠得到保證。然后在此基礎上，對該雷達進行基于信號/數據流處理過程的數字建模，實現對該雷達從信號發射到回波信號接收處理、目標點跡檢測與航跡跟蹤濾波的全過程仿真，如圖1 所示，從而在源頭上保證對雷達的信號與信息處理過程的高逼真建模。

圖1 雷達信號級仿真處理流程圖

2.2 雷達信號級建模的問題討論

在圖1 所示的雷達信號級建模過程中，雖然核心模型是信號級模型，但同時也包含了多種粒度的仿真模型，例如電磁信號空間傳播仿真中使用的大氣衰減模型、目標回波信號仿真中使用的目標起伏模型、環境雜波信號仿真中使用的雜波模型、雷達接收通道熱噪聲仿真中使用的噪聲模型等都是統計模型；對雷達發射/接收天線的仿真，可根據實際情況，或者選擇實測天線方向圖數據擬合模型（即數據模型），或者選擇數學公式擬合模型（即解析模型）；對雷達發射機、接收機等射頻前端的仿真，考慮到在數字域上仿真實現的難度，可采用簡化模型，但要將射頻前端的誤差影響添加到雷達發射信號和接收信號中去；對雷達信號處理、數據處理、資源調度的仿真，應盡可能采用實際雷達系統中的相應處理算法模型。圖1 中，目標回波信號、環境雜波信號、電子干擾信號各自經過雷達接收天線方向圖調制后，在時域上進行線性疊加以形成混合信號作為接收機仿真模型輸入信號，接收機仿真模型經過中放帶通濾波、相干檢波處理后，將輸入的中頻實信號轉換為零中頻的基帶復信號（即相干視頻信號），因此后續的雷達信號處理算法仿真都是在信號復數域上進行。

2.2.1 中頻信號仿真的必要性分析

對雷達進行信號級建模時，選擇基帶信號仿真，還是中頻信號仿真，應根據具體應用需求而定。以機載PD 火控雷達信號級建模為例，其模型基本邏輯組成如圖2 所示。

圖2 中，接收機模型主要模擬雷達的接收機部分，包含中放、相干檢波和A/D 采樣處理。中放處理主要是中頻放大和帶通濾波；相干檢波包括正交混頻和低通濾波，相干檢波實現中頻信號到正交基帶信號的變換；A/D 采樣處理實現對信號的降采樣和量化。由于雷達射頻頻率太高，如果模擬射頻部分則相應的信號采樣率也很高，導致計算的數據量太大，仿真運行會非常緩慢，所以雷達接收機的仿真可從中放處理開始，而且從射頻信號到中頻信號的變換過程是信號頻譜搬移的過程，在此過程中信號的幅度和相位信息并沒有損失，所以從中頻開始仿真也可以比較真實地反映信號射頻處理的基本特性。

基于中頻信號的仿真主要是考慮雷達在頻域上的一些抗干擾措施，例如掩護脈沖等，必須要有頻率信息，而且雷達接收機中放處理中包含了帶通濾波器，經過帶通濾波后的目標回波信號波形本身也會發生一些微小的變化，而且帶通濾波器可以濾除帶外的信號，當干擾信號帶寬大于雷達信號帶寬時，帶外部分的干擾信號被濾除。特別是當干擾信號波形比較復雜時，例如DDS 噪聲+DRFM 噪聲+假目標等組合干擾樣式信號，是無法在干擾仿真模型中等效雷達接收機帶通濾波的效果，所以當研究雷達干擾效果或雷達抗干擾效果時，都需要從中頻開始仿真，而不能直接從基帶開始仿真。

圖3 是雷達接收機輸入信號和經中放處理后的輸出信號波形，從圖中可見，脈沖信號經中放處理后，脈沖包絡變得圓滑，脈沖寬度略為展寬。

圖4 是雷達接收機輸入信號和經中放處理后的輸出信號頻譜，接收機輸入的信號是目標回波信號（帶寬2 MHz）與干擾信號（帶寬4 MHz）的混合信號，從圖中可以看出經中放處理后，帶外的信號被濾除了。

2.2.2 雷達信號級模型逼真度與模型解算效率的權衡

現代雷達系統的信號處理、數據處理、資源調度基本上都是在數字域實現的，雷達信號級模型應盡可能采用實際系統中的相應處理算法模型，盡量避免做大幅度的處理算法簡化，原因是簡化往往是以犧牲逼真度為代價的。但由于信號級模型涉及大量的信號產生與處理過程的復雜運算，而且以串行處理方式為主的復雜模型解算不但需要消耗大量的計算資源，而且計算資源的負載也不均衡，所以模型解算速度較慢，很難做到實時仿真。為了提高信號級模型解算效率，有的參考文獻提出了處理簡化思路，有的引入了并行計算思想。

圖2 機載PD 火控雷達建模示意圖

例如，參考文獻[4]提出了一種改進的雷達信號級仿真方法，從2 方面進行模型計算加速，一是不做脈壓，直接根據解析式產生脈壓后的信號；二是只選取目標回波附近區間進行處理，減少處理數據量。如果只研究雷達本身探測性能，而不考慮有意干擾對雷達探測性能的影響，則這種改進方法沒有太大問題，可以大大提高計算效率。但是如果要研究雷達對抗的效果，考慮干擾信號的加入，則這種改進方法并不適用。首先，干擾信號經過雷達脈壓處理后的效果無法用公式來描述；其次，只選取目標回波附近區間進行處理，對于欺騙干擾或組合干擾，會人為地丟棄有用的干擾信號，導致干擾效果出現錯誤現象。參考文獻[5]根據相控陣雷達多個波束處理過程的相對獨立性，提出了一種并行計算方法，將每個調度間隔內的多個搜索波束并行執行。但是這種并行計算方法對復雜對抗場景并不適用，因為雷達干擾信號的產生具有因果性，人為地將多個搜索波束并行執行，意味著將雷達干擾樣式及其控制時序打亂，所以無法反映真實的干擾效果或抗干擾效果。

因此，在面向干擾/抗干擾技術研究的雷達信號級建模過程中，模型逼真度與模型解算效率之間應有權衡與側重，建議在保證模型逼真度的基礎上，盡可能地提高模型解算效率。在不斷優化處理算法的基礎上，一方面在模型內部采用OpenMP 應用程序接口將模型中的一些串行算法進行并行化處理，另一方面采用CPU+GPU 的異構平臺并行計算來加速是一條切實可行的技術途徑。

圖3 雷達接收機輸入信號及中放輸出信號波形圖

圖4 雷達接收機輸入信號及中放輸出信號頻譜圖

2.3 雷達信號級模型驗證方法分析

對雷達信號級模型的驗證，可以采用正向驗證方法和逆向驗證方法同步開展。正向驗證方法是指，根據該體制/型號雷達的信號/數據處理流程對仿真模型進行驗證，仿真模型必須符合該體制/型號雷達的工作原理及處理流程。逆向驗證方法是指，通過仿真試驗對建立的雷達模型的戰技術指標進行驗證，通過仿真結果來分析是否與該體制/型號雷達的戰技術指標一致。

以逆向驗證方法為例，假設某型號機載火控雷達從情報資料中得到其作用距離為161 km（對5 m2戰斗機目標），發射功率為××kW，天線增益為××dB，信號波形參數從實際偵收數據分析中獲取，在機載PD火控雷達仿真軟件中設置相應參數取值。編輯仿真場景進行仿真試驗，試驗結果如圖5 所示。從圖中可以看出，雷達在159 km 處能發現目標并建立穩定跟蹤航跡，仿真結果與情報資料中作用距離基本一致，證明仿真模型符合該型號雷達的戰技術指標要求。

圖5 某型號機載火控雷達模型探測結果

3 結束語

在面向雷達干擾和抗干擾技術研究的雷達電子戰仿真系統中，雷達對象建模應采用中頻信號仿真技術途徑，一方面可以如實反映雷達在頻域上的一些抗干擾措施，另一方面能真實反映干擾信號的時頻特性和時序控制邏輯，這對復雜干擾樣式下的對抗效果研究尤為重要。由于信號級模型涉及大量的信號產生與處理過程的復雜運算，即便采用一些常規的并行計算方法，模型解算也很難達到實時性要求。經過筆者課題組的初步嘗試，認為通過引入基于CPU+GPU異構平臺的并行計算技術來大幅度提升信號級模型解算效率，是一條切實可行的技術途徑。■