基于瞬態信號多層次建模的多輻射源動態場景信號模擬軟件設計與實現

摘要：隨著我國在雷達、通信等領域的發展，多輻射源動態場景模擬信號扮演著越來越重要的角色。本文以模塊化、層次化的建模思想為基礎，利用多輻射瞬態場景多層次模塊化設計、多準則優化的脈沖選丟設計以及復雜環境下雷達輻射源建模設計方法，完成了對多輻射源動態場景模擬軟件的實現，滿足了相關測試測量需求。

關鍵詞：模塊化；層次化；多準則優化；雷達輻射源建模

一、引言

隨著我國在雷達、通信等領域的發展，多輻射源動態場景模擬信號扮演著越來越重要的角色。本文基于瞬態信號多層次的建模思想，完成了對多輻射源動態場景模擬軟件的實現，滿足了相關領域的測試測量需求。

二、設計思路

本文采用模塊化、層次化的方法設計，實現多輻射瞬態場景信號模擬軟件。在場景架構設計方面，采用自下而上的設計方法，先設計底層模塊，并且頂層模塊可以直接調用底層模塊，同時，任何層級的模塊均可以存儲到仿真模型庫中進行調用。另外，針對多個輻射源信號重疊產生的脈沖丟失問題，采用基于多準則優化的選丟方法降低脈沖丟失率，盡可能多地保留輻射源信號特征。

三、設計與實現過程

（一）多輻射瞬態場景多層次模塊化設計與實現

現實中，輻射源種類繁多，無法采用窮舉法對所有設備進行一對一建模，急需形成一種有代表性的統一描述模型。

一般場景的構建過程包括平臺層、輻射源層、模式層、脈沖序列層、脈沖層，整體采用自下而上的方法進行設計實現，如圖1所示。

脈沖層主要完成各類脈沖信號調制、包絡、脈寬、上升下降時間等重要參數的設置，是保證各類復雜多輻射源信號能夠準確產生的基礎。在脈沖層的實現過程中，需要綜合考慮多種復雜信號。

脈沖序列層通過調用脈沖層各個脈沖模塊完成脈沖序列實現，主要設置參數為脈沖重頻方式[1]、脈間頻率功率捷變等，實現從單個脈沖到輻射源信號的轉換。脈沖序列層反映的是多輻射源信號的脈間特征，對輻射源脈沖序列分選識別具有重要的意義。

在實際情況中，各個輻射源可能處于多種工作模式。針對這種情況，模式層可以設計多種模式模塊供上層輻射源模塊調用，同時可以對天線方向圖和天線掃描方式等參數進行具體設置。

輻射源層主要完成的是對單個輻射源頻率、功率以及坐標系位置等參數的設置，每個輻射源可包含多種工作模式。

平臺層實現的是各輻射源的空間布局，平臺類型包括空中目標、海面目標及地面固定目標。單個運動平臺可能包含多個輻射源，每個輻射源都處于獨立的工作狀態。

（二）多準則優化的脈沖選丟設計與實現

多輻射源動態場景信號的模擬是利用場景信號模擬軟件產生脈沖描述字[3]（PDW）驅動硬件平臺進行信號發生的過程，其工作流程如圖2所示。

從流程圖中可以發現，產生多輻射源信號PDW后，還需要解決脈沖排序和脈沖重疊兩個關鍵問題。

首先，為了生成一個多輻射源脈沖信號的有序序列，我們需要對所有脈沖按照到達時間[4]（TOA）的大小進行排序融合，具體步驟是：

1.我們通過比較多輻射源信號的首脈沖到達時間TOA1，選取全序列首脈沖信號TOAmin，將其依據雷達方程計算所得的PDW參數存入首內存單元；

2.基于該輻射源的最小到達時間TOAmin以及脈沖重復周期（PRI）作為參考，計算出該輻射源下一個脈沖的到達時間以替代首脈沖到達時間TOA1；

3.重復第1步和第2步，就可完成對多輻射源脈沖信號的TOA排序。

由于整個模擬過程采用時分復用的模擬原則，因此要盡量避免多輻射源脈沖序列信號的時域重疊現象，即某一脈沖的脈沖寬度大于等于該脈沖與后一脈沖的到達時間之差。當幾個脈沖發生重疊時，針對不同的系統和系統目標，對系統資源有不同的調度準則。

1.脈沖丟失最少準則

脈沖丟失最少準則，即在多輻射源模擬時分復用的基礎上，丟棄最少的脈沖信號。

2.概率模擬準則

概率模擬準則就是使每個輻射源按照一定的預設概率進行模擬，模擬時可通過門限等方式進行概率控制。

3.預設優先級準則

根據用戶需求，輻射源的重要程度也不同，在場景設置時可以對每個輻射源的優先級進行設置。

4.先到先服準則

先到先服準則即優先把資源分配給先到來的任務。

在多輻射瞬態場景信號模擬過程中，當脈沖重疊需要進行選丟時，本文采取多準則優化的脈沖選丟的方法，對需要模擬的電磁環境進行分析評估，選擇其中一個脈沖。

假設第i個輻射源的威脅等級用Ai表示，信號功率用Bi表示，到達時間用Ci表示，輻射源種類用Ci表示，總共有N種需要綜合的因素。通過對電磁態勢評估確定每種準則的選擇系數αn，通過下式得到第i個輻射源的優先選擇系數：

Pi=α1 Ai+α2 Bi+α3 Ci+…αN Ni（1）

其中α1+α2+α3+α4+…+αN=1，對K個輻射源信號的優選系數進行比較，選取最大的Pi值對應的脈沖，其余脈沖丟棄。

（三）復雜環境下雷達輻射源建模設計與實現

在多輻射源場景信號模擬的過程中，為了展示多輻射源動態復雜場景下的環境因素影響，首先要建立起環境因素影響的數字化模型。

電磁波衰減的產生主要來源于大氣中氧氣和水蒸氣等對電磁波的吸收。吸收衰減值與海拔高度呈線性關系，因此，各海拔高度的衰減值都可通過海平面的衰減值遞推得出。

具體來說，我們通過下式就可以推算出電磁波傳播衰減（dB）值[5]：

L=20 log（4πr/λ）-20 logF+la （2）

其中，r是雷達輻射信號的傳播距離，F為傳播因子，la是吸收衰減值。

結合上式的環境衰減與標準雷達方程[6]，雷達接收功率Pr可表示為：

（3）

其中，Pt表示雷達發射功率；σ是目標反射截面積，F為傳播因子；λ是模擬信號波長；R是輻射源信號傳播距離；ls 是系統衰減值，la 是吸收衰減因子。Gt 、Gr 分別表示雷達發射與接收增益；由于單站雷達Gt =Gr =G，因此，標準雷達方程可更新為：

（4）

進而遞推傳播損失L為：

L=-20 log a （5）

則標準雷達方程可更新為：

（6）

為確保多輻射源接收端能夠正常檢測到輻射輸出信號，接收信號的功率值必須高于其接收靈敏度，即可檢測的最低功率值Smin。

雷達最小可檢測信號功率Smin表示的表達式為：

Smin=kT0 B0 F0 D0 （7）

其中，k代表玻爾茲曼常數；T0代表標準室溫290K；Bn為接收噪聲帶寬；F0為接收噪聲系數；D0代表檢測因子；當Pr=Smin時，通過計算可得到雷達最小可檢測信號時的衰減最大門限值Lmax，通過計算得到多輻射源場景信號的空間傳播衰減。

四、多輻射源動態場景信號模擬軟件使用效果展示

本文采用模塊化、層次化的方法設計與實現多輻射瞬態場景信號模擬軟件，其中多層次參數設置界面，多輻射源動態場景態勢顯示界面如圖3、圖4所示。

五、結束語

本文基于瞬態信號多層次建模的思想，利用多輻射瞬態場景多層次模塊化設計、多準則優化的脈沖選丟設計以及復雜環境下雷達輻射源建模設計方法，完成了對多輻射源動態場景模擬軟件的實現，能夠滿足相關測試測量環境中對復雜動態電磁場景信號的需求。

作者單位：張志斌 中電科思儀科技股份有限公司

參? 考? 文? 獻

[1]夏夢營，蘇衛民，顧紅，等.基于多重頻脈沖串信號解速度模糊的研究[J]，電子信息學報，2017.03

[2]張光義.相控陣技術在機載火控雷達中的應用[J]，現代雷達，1995.02

[3]周志文，黃高明，陳海洋，等.雷達輻射源識別算法綜述，電訊技術[J]，2017.08

[4]肖竹，王勇超，田斌，等.超寬帶定位研究與應用：回顧和展望[J]，電子學報，2011.01

[5]李清亮.海上目標短波散射特性理論與數值研究[D]，西安電子科技大學，2004

[6]黎海濤.超寬帶雷達關鍵技術研究[D]，電子科技大學，2002