基于信號特征參數的復雜體制信號全脈沖數據動態生成技術

楊 林，肖 鵬，秦 暉

(中國西南電子設備研究所，成都 610036)

0 引言

電子戰是指使用電磁能和定向能控制電磁頻譜或攻擊敵軍的任何行動，它包括電子戰支援、電子攻擊和電子防護三大部分。電子戰的目標對象包括雷達、通信、光電、引信、導航、敵我識別、計算機、指揮與控制以及武器制導等所有利用電磁頻譜的電子設備，其目的是從整體上癱瘓敵信息系統和武器控制與制導系統，進而降低或削弱地方戰斗力并確保己方電子裝備的正常工作，增強己方戰斗力。在現代高技術戰爭中，電子戰已經發展成為一種獨立的作戰方式，是不對稱戰爭環境中具有信息威懾能力的主戰武器和作戰力量之一。局部戰爭的實踐表明，電子戰是現代戰爭的序幕與先導，并貫穿于戰爭的全過程，進而決定戰爭的進程和結局。隨著隨著科學技術的進步和世界各國對電子戰的投入不斷增大，電子戰作為現代信息化戰爭的主要對象之一，正以史無前例的速度向前發展，新技術和新裝備不斷涌現，性能水平持續提高，從而促使電子戰的作戰領域和作戰方式不斷變化，電子戰裝備的能力也在發生著革命性的變化，其范圍將更廣、規模更大、強度更高、進程更激烈[1]。

目前，雷達電子戰已經成為影響戰爭勝負的關鍵因素之一。在雷達電子偵察技術中，電子偵察設備在電磁環境中偵察的雷達目標信息基本上都是以全脈沖數據的形式進行保存的。由于絕大多數雷達都是脈沖體制雷達[2]，所以可以用脈沖描述字(PDW)[3]來描述雷達發射的每一個脈沖信號。脈沖描述字涵蓋了一個脈沖基本的5大參數[4-6]：脈沖載頻(RF)、脈沖寬度(PW)、脈沖幅度(PA)、到達時間(TOA)、到達方位(DOA)。電子偵察接收機通過參數測量將雷達脈沖信號的這5大參數提取出來，形成雷達信號全脈沖數據，用于后續的信號處理與數據處理[7]。

由于全脈沖數據在電子偵察處理中具有重要價值，因此，快速、有效、準確地獲取全脈沖數據對電子戰研究至關重要。然而，由于電子對抗裝備結構復雜、成本較高、保密性強，為獲取全脈沖數據而進行裝備室外試驗，不僅極大地耗費人力物力，而且易受環境影響，難以保證數據的有效性與可重現性，故而采用數字仿真的方式成為了一種可行的路徑。雷達信號仿真和電子偵察仿真是電子對抗技術研究中的重要基礎手段之一，可運用于電子對抗技術研究的各個階段，具有重要的應用價值，而在構建雷達信號數字仿真系統和電子偵察數字仿真系統時，生成全脈沖數據又是數字仿真系統構建的關鍵環節。

在電子偵察數字仿真中，一般對雷達信號全脈沖數字仿真建模方式較理想化，通常忽略了空間傳輸衰減、天線掃描方式、不同信號脈沖交錯等因素對信號的影響，且對信號特征的描述也比較理想化，沒有描述信號的時、空、頻和調制域的全維特征，無法逼真模擬電子偵察接收機面臨的真實信號環境，從而無法對電子偵察接收處理技術進行更逼真的仿真驗證。

本文介紹的全脈沖數字仿真生成技術綜合考慮了天線方向圖、天線掃描方式[8]、空間傳輸衰減、信號時頻特性、信號到達時間、脈沖交錯等因素對全脈沖信號產生的影響，能夠根據信號特征參數和仿真節拍動態生成全脈沖數據，使產生的全脈沖數據具有更高的逼真性，且可適應戰場環境可偵察的信號類型仿真。

1 復雜體制信號全脈沖生成技術

1.1 全脈沖生成要素

描述一個全脈沖的信號特征要素主要包括：脈沖幅度、脈沖載頻、脈沖寬度、到達時間、達到方位。為逼真模擬各類復雜體制信號的全脈沖，需對以下幾方面要素進行考慮。

在脈沖幅度方面，需要考慮天線方向圖、天線掃描方式、空間傳輸衰減對脈沖幅度的影響。

在脈沖載頻方面，需要考慮不同頻率類型的信號的對載頻產生的影響。

在脈沖寬度方面，需要考慮不同脈寬類型的信號的對脈沖寬度產生的影響。

在到達時間方面，需要考慮不同脈沖重復間隔類型的信號對脈沖發射時間間隔的影響，以及傳輸距離對到達時間的影響。

在到達方位方面，需要考慮平臺地理位置對相對位置關系的影響。

在最終脈沖形成方面，需要考慮多個脈沖信號交錯到達對最終脈沖數據流的影響。

1.2 總體流程

算法總體流程如圖1所示，流程描述如下：

1)根據設置的仿真節拍和仿真總時間按節拍分批生成全脈沖數據，直至仿真時間大于等于設置的仿真總時間；

2)按仿真節拍更新所有信號特征參數信息，在單次仿真節拍內，認為信號特征參數信息不再改變；

3)在單次仿真節拍內，按照各信號特征參數信息依次模擬各信號全脈沖信息，包括脈沖幅度、脈沖載頻、脈沖寬度、到達時間、到達方位，直到各信號的本節拍已仿真時間大于等于仿真節拍；

4)各信號仿真總時間內的全脈沖數據生成完畢后，將各信號的全脈沖合并后進行脈沖交錯處理；

5)輸出全脈沖數據。

圖1 算法總體流程圖

算法中使用的信號主要特征參數定義如表1所示。

1.3 脈沖幅度模擬

1.3.1 天線方向圖模擬

天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強隨方向變化的圖形。由于天線的輻射場分布在整個空間，故完整的天線方向圖是通過逐點測量各點輻射特性繪制而成的一個三維的空間圖形，一般工程上取水平面方向圖和垂直面方向圖即可。天線方向圖一般可表示為如圖2所示的形式。圖中，θ0.5表示天線的主瓣寬度，即天線增益下降到最大增益的一半時(也即衰減了3 dB)的兩個增益間的夾角。

表1 信號主要特征參數定義

圖2 天線方向圖一般表示形式

為逼真模擬目標信號在各輻射方向上的幅度變化，需對目標雷達天線方向圖進行建模，建模方式可通過理論公式進行推導，也可通過實測數據進行導入，以形成全空域的方向圖數據[9-10]。在以理論公式進行推導的方式下，以辛格函數[11-13]類型的天線方向圖為例，假設信號ID為i(i=0,1,…)的雷達信號的主瓣波束寬度為Widthi,main(°)，主瓣增益在0°時取得最大值0(dB)，主瓣外相對主瓣增益最大值的增益為Gaini,other(d,B)，可得信號i在k°(0°～180°)的信號增益Gaini,k(dB)模擬如下：

Gaini,k=

(1)

1.3.2 天線掃描方式模擬

雷達在不同工作任務和工作模式下，采用的掃描方式完全不同。由于天線掃描方式的不同，在不同時刻到達同一目標地點的脈沖幅度差異可能會非常巨大，為將此差異體現出來，需對天線掃描方式進行模擬。天線掃描方式一般分為跟蹤、圓掃、扇掃[14]，跟蹤指天線朝向某一目標進行跟蹤，圓掃指天線在整個圓周上進行目標探測，扇掃指天線在指定范圍內進行扇形掃描。假設初始時刻信號i的發射天線主瓣朝向相對自身平臺朝向的相對角為Azi(°)，掃描速度為Speedi(°/μs)，掃描方向為Diri(順時針為1，逆時針為-1)，信號i的第j個脈沖的脈沖重復間隔為PRIi,j(μs)，則在信號i發射第j個脈沖時其主瓣朝向與自身平臺朝向的相對角Azi,j(°)可表示為：

Azi,j=

(2)

式中，當天線掃描方式為跟蹤時，掃描速度為0；當天線掃描方式為扇掃時，每當天線掃描到邊界范圍時，都需改變掃描方向。

假設初始時刻目標點相對于信號i平臺朝向的相對角為RelaAzi(°)，則在信號i發射第j個脈沖時其主瓣朝向與目標點的相對角RelaAzi,j(°)可表示為：

RelaAzi,j=|Azi,j-RelaAzi|

(3)

1.3.3 空間傳輸衰減模擬

除了天線掃描引起的幅度變化，信號在傳輸過程受傳輸路徑天氣影響造成的功率衰減[15]也是需要重點考慮的因素。在此，本方法考慮了理想情況下的自由空間傳播和較低頻率下的近地傳播2種情況，并綜合氣候因素計算空間傳輸衰減。

由于理想的無線傳播條件是不存在的，一般認為傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計，在這樣的情況下，電波的傳播方式就被認為是在自由空間傳播。因此，自由空間傳播適用于沒有太大反射路徑的傳播，這種情況一般出現在高頻和高空。在自由空間傳播的情況下，假設信號i的雷達信號的載頻中心值為RFi,mark(MHz)，發射地點與目標地點的相對距離為Di(km)，則空間傳輸衰減Li(dB)可表示為：

Li=32.44+20lg(RFi,mark)+20lg(Di)

(4)

若信號頻率較低且傳輸接近地面，一般來說，信號經過了地球的一次反射，這種情況下，可利用雙線傳播公式進行計算。假設信號i的發射高度為hi,t(m)，目標點的接收高度為hr(m)，則空間傳輸衰減Li(dB)可表示為：

Li=120+40lg(Di)-20lg(hi,t)-20lg(hr)

(5)

至于如何選擇使用哪種計算方法，則通過計算菲涅爾區(FZ)[16]來確定：如果相對距離小于FZ，則采用自由空間傳播公式，否則采用雙線傳播公式。信號i的菲涅爾區FZi(km)計算公式如下：

FZi=(hi,t*hr*RFi,mark)/24 000

(6)

對于天氣對信號幅度的影響，主要考慮下雨情況下對信號的衰減，采用查表的方式對不同降雨量的衰減進行疊加，所用數據圖表如圖3所示。

圖3 降雨量對信號衰減的影響

假設由查表得到降雨量對信號i造成的衰減為L2i(dB)，則總的傳輸衰減Li,trans(dB)可表示為：

Li,trans=Li+L2i

(7)

1.3.4 脈沖幅度模擬

經天線方向圖模擬、天線掃描方式模擬、空間傳輸衰減模擬后，假設信號i的發射功率為PAi(dBm)，則信號i的第j個脈沖的到達目標點的幅度值PAi,j(dBm)可模擬為：

PAi,j=PAi+Gaini,RelaAzi,j-Li,trans

(8)

1.4 脈沖載頻模擬

在脈沖載頻模擬上，主要考慮脈沖載頻調制類型對信號載波頻率的影響。脈沖載頻調制類型主要包括頻率固定、頻率捷變、頻率分集、連續波。

1)頻率固定信號：指頻率不發生改變的信號；

2)頻率捷變信號：指頻率在一定頻帶范圍內快速變化的信號；

3)頻率分集信號：也可稱多載頻信號，具有多個不同的載頻，根據發射時間間隔的不同，又可分為同時頻率分集和分時頻率分集，同時頻率分集指多個載頻在同一時間發射，分時頻率分集指多個載頻之間間隔一定時間逐一發射；

4)連續波信號：指連續發射電磁波的信號，其頻率特性與頻率固定信號相同，區別在于連續波信號是持續發射的，而率固定信號是以脈沖的形式發射的。

對于脈沖載頻的模擬，可通過理論公式對脈沖載頻直接進行模擬[17-19]。假設信號i的雷達信號的載頻中心值為RFi,mark(MHz)，載頻變化范圍為RFi,range(MHz)，載頻個數為RFi,num，各載頻值(分集時使用)為RFi,value[Num](MHz,Num=0,1,…,RFi,num-1)，調頻帶寬為RFi,band(MHz)，以捷變信號為例，信號i的第j個脈沖的載頻值RFi,j(MHz)模擬如下：

RFi,j=RFi,mark+RFi,range*rand(-1,1)

(9)

1.5 脈沖寬度模擬

在脈沖寬度模擬上，主要考慮脈沖寬度調制類型對信號脈沖寬度的影響。脈沖寬度調制類型主要包括脈寬固定、多脈寬。

1)脈寬固定信號：指脈寬不發生改變的信號；

2)多脈寬信號：指具有多個脈寬的信號。

對于脈沖寬度的模擬，可通過理論公式對脈沖寬度進行模擬，但根據接收機的工作原理，在脈沖載頻為連續波的情況下，需按照接收機工作時的連續波切割脈寬對連續波信號進行切割形成脈寬參數。假設信號i的雷達信號的脈寬中心值為PWi,mark(μs)，脈寬個數為PWi,num，各脈寬值(多脈寬時使用)為PWi,value[Num](μs,Num=0,1,…,PWi,num-1)，連續波切割脈寬為PWi,cut(μs)，以多脈寬為例，信號i的第j個脈沖的脈寬PWi,j(μs)模擬如下：

頻率分集：

PWi,j=PWi,value[[j/RFi,num]%PWi,num]

(10)

其它：

PWi,j=PWi,value[j%PWi,num]

(11)

1.6 到達時間模擬

1.6.1 脈沖重復間隔模擬

在脈沖重復間隔模擬上，主要考慮脈沖重復間隔調制類型對信號脈沖重復間隔的影響。脈沖重復間隔調制類型主要包括脈沖重復間隔固定、脈沖重復間隔抖動、脈沖重復間隔參差、脈沖重復間隔滑變、脈沖重復間隔跳變：

1)脈沖重復間隔固定信號：指脈沖重復間隔不發生改變的信號；

2)脈沖重復間隔抖動：指相鄰脈沖重復間隔在一定數值范圍內快速變化的信號；

3)脈沖重復間隔參差：指各脈沖之間按照設定的脈沖重復間隔順序變化的信號；

4)脈沖重復間隔滑變：指脈沖重復間隔在一定范圍內按照一定規律進行平滑變化的信號；

5)脈沖重復間隔跳變：指脈沖重復間隔在設定的多個脈沖重復間隔中隨機變化的信號。

對于脈沖重復間隔的模擬，可通過理論公式對脈沖重復間隔進行模擬，但根據接收機的工作原理，在脈沖載頻為連續波的情況下，需按照接收機工作時的連續波切割周期對連續波信號進行切割形成脈沖重復間隔參數。假設信號i的雷達信號的脈沖重復間隔中心值為PRIi,mark(μs)，脈沖重復間隔變化范圍為PRIi,range(μs)，脈沖重復間隔個數為PRIi,num，各脈沖重復間隔值(跳變、參差、滑變時使用)為PRIi,value[Num](μs,Num=0,1,…,PRIi,num-1)，滑變步進為PRIi,step(μs)，連續波切割周期為PRIi,cut(μs)，以重頻抖動信號為例，信號i的第j個脈沖的脈沖重復間隔值PRIi,j(μs)模擬如下：

頻率分集：

(12)

其它：

PRIi,j=PRIi,mark=PRIi,range*rand(-1,1)

(13)

1.6.2 到達時間模擬

由于雷達信號脈沖從發射到該脈沖達到目標地點需要時間傳播，為模擬信號脈沖抵達不同地點的到達時間，需根據信號發射地點和目標地點的相對位置關系，將傳輸時間疊加到信號到達時間，以實現脈沖到達時間的精確模擬。

電磁波在空氣中傳播速度為光速c(m/s)，假設根據平臺位置信息計算出信號i的發射地點與目標地點的相對距離為Di(km)，則傳輸時間TransTimei(μs)=109*Di/c，以頻率分集信號為例，假設分時分集的發射間隔時間為IntervalTimei(μs)，則信號i的第j個脈沖的到達時間TOAi,j(μs)模擬如下：

TOAi,j=

(14)

1.7 到達方位模擬

在到達方位模擬方面，可通過信號特征參數中的地理位置信息進行計算得出信號到達方位。由于單次仿真節拍很小(一般為μs級或ms級)，平臺的物理運動參數在這樣的節拍內一般可認為保持不變，故單次仿真節拍內脈沖到達方位(DOA)可認為保持不變，故假設信號i的雷達信號的到達方位為DOAi(°)，則信號i的第j個脈沖的到達方位DOAi,j(°)=DOAi。

1.8 脈沖交錯處理

通過1.3～1.7中的脈沖幅度模擬、脈沖載頻模擬、脈沖寬度模擬、到達時間模擬、到達方位模擬，各單獨信號的全脈沖數據的五大參數已全部生成，現在只需將各信號脈沖進行交錯處理和排序[20]即可，也即根據到達時間將所有單獨信號的脈沖數據進行整合，從而形成最終的全脈沖數據流。

2 仿真與驗證

基于本算法，結合某項目開發的場景仿真推演軟件(用于提供信號參數輸入)，對本文提出的復雜體制信號全脈沖生成技術進行仿真和測試，測試用主要信號數據如表2所示。

對依賴上述模型動態生成的全脈沖數據進行驗證分析，信號各特征維度的結果如下。

1)信號的掃描特征模擬：信號1產生的跟蹤、圓掃、扇掃全脈沖到達時間-幅度關系如圖4、圖5、圖6所示。可以看出：跟蹤情況下脈沖幅度保持不變，圓掃情況下每個幅度峰值之間的間隔為5 s，扇掃情況下每2個幅度峰值之間的間隔為5 s，符合跟蹤、圓掃、扇掃的全脈沖幅度變化規則。

2)信號載頻特征模擬分析：信號2(捷變)、信號3(分集)產生的全脈沖到達時間-載頻關系如圖7、圖8所示。可以看出，信號2(捷變)的載頻隨機分布在7 700～8 300 MHz之間，符合捷變規則；信號3(分集)的載頻按照50 μs的發射間隔發出，且按照1 000 μs的脈沖重復間隔周期出現，符合分集規則。

表2 信號參數表

圖4 跟蹤情況下到達時間-幅度圖

圖5 圓掃情況下到達時間-幅度圖

圖6 扇掃情況下到達時間-幅度圖

圖7 信號2(捷變)到達時間-載頻圖

圖8 信號3(分集)到達時間-載頻圖

3)信號脈沖重復間隔特征模擬：信號4(參差)、信號5(滑變)產生的全脈沖脈沖序號-脈沖重復間隔關系如圖9、圖10所示。可以看出，信號4(參差)的脈沖重復間隔按照1 000 μs、500 μs、2 000 μs、3 000 μs的順序周期出現，符合參差規則；信號5(滑變)的脈沖重復間隔按照900～1 100 μs均勻出現，符合滑變規則。

圖9 信號4(參差)脈沖序號-脈沖重復間隔圖

圖10 信號5(滑變)脈沖序號-脈沖重復間隔圖

4)信號脈寬特征模擬：信號6(雙脈寬)產生的全脈沖到達時間-脈寬關系如圖11所示。可以看出，產生的脈寬為30 μs、80 μs順序出現，符合雙脈寬規則。

圖11 信號6(雙脈寬)到達時間-脈寬圖

5)信號時頻雙變特征模擬：信號7(載頻捷變、脈沖重復間隔參差)產生的全脈沖載頻-脈沖重復間隔關系如圖12所示。可以看出，產生的載頻隨機分布在7 700～8 300 MHz之間，產生的脈沖重復間隔為1 000 μs、500 μs、2 000 μs、3 000 μs，符合載頻捷變與脈沖重復間隔參差規則。

圖12 信號7(載頻捷變、脈沖重復間隔參差)載頻-脈沖重復間隔圖

6)多信號特征模擬：信號8、信號9、信號10共同產生的全脈沖到達時間-載頻關系如圖13所示。可以看出，產生的全脈沖到達時間按照各自的脈沖重復間隔有序排列，符合脈沖交錯排序規則。

圖13 信號8、信號9、信號10到達時間-載頻圖

驗證結果表明，采用本文介紹的全脈沖生成技術，可按照設計預期動態產生相應特征的全脈沖數據。

3 結束語

本文提出了一種復雜體制信號全脈沖動態生成技術，并在某項目上進行了驗證，證明了該方法的有效性。

本技術基于輸入的信號特征參數(載頻類型、載頻變化范圍等)產生各類復雜體制信號全脈沖數據流，可隨著外部場景數據的變化依據仿真節拍動態更新全脈沖數據，并具有以下優勢。

1)逼真性高：該技術綜合考慮了天線方向圖、天線掃描方式、空間傳輸衰減、信號時頻特性、信號到達時間、脈沖交錯排序等因素對全脈沖信號產生的影響，使仿真生成的全脈沖數據與真實戰場環境中的全脈沖具有更高的一致性；

2)適應性強：該技術可適應各種復雜體制雷達信號的全脈沖數字生成，由于算法計算RF、PRI、PW邏輯獨立(除連續波)，故可產生50余種不同體制的信號，可適應目前絕大多數類型的信號；

3)可擴展性強：該技術整體算法具備開放式的處理架構，對于新體制信號可快速派生各類新體制信號的全脈沖。