搜索雷达视频模拟器的杂波和噪声仿真技术

杨 辉，王 鹏，郭微波

（1.中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006；2.中国船舶重工集团公司第602研究所，北京 100076；3.北方自动控制技术研究所，山西 太原 030006）

雷达作战效能试验是武器系统研制和定型的重要环节。对于雷达在特定条件下的作战效能评估试验，必须具备逼真的配试目标、接近实际战场的工作环境、相当的有源干扰信号。对于逼真的目标和相当的有源干扰信号，采用外场试验校飞和电子战干扰系统相配合的方法，可以得到较好的效果。但由于外场试验组织协调难度高、消耗财力、物力和人力也相当大，因此，在实验室条件下进行雷达作战效能评估试验就成为一种重要的替代手段，这种方法需要仿真设备具有模拟实际目标和有源干扰信号的功能，此外还必须具有模拟实际杂波干扰及无源干扰信号的功能【1】。

本文介绍在一种在搜索雷达视频模拟器上以FPGA为核心进行杂波仿真，以模拟电路实现噪声仿真的技术，来实现对真实环境中杂波及无源干扰信号的模拟，以提高搜索雷达视频模拟信号的逼真度。

1 杂波和噪声仿真原理 [2]

雷达主要工作原理是由雷达发射机产生的电磁能，经收发开关传输给天线，由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速（约3×108m/s）传播，如目标恰好位于定向天线的波束内，则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各个方向散射，其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线收集到这部分散射的电磁波后，就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取目标的信息，并将结果送至终端显示。

对于脉冲雷达，发射机经天线向空间发射一串周期一定的重复高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间，它将滞后于距扫脉冲一个时间tr，而电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为R，则传播的距离等于光速乘上时间间隔，即

或

式中，R为目标到雷达站的单程距离，单位为m；tr为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔，单位为s；c为光速，即

回波脉冲滞后于发射脉冲为一个微秒时，所对应的目标斜距离R=150m。

搜索雷达视频模拟器的回波仿真就是将搜索雷达的距扫脉冲延迟一个时间tr来产生模拟目标的回波信号并送给雷达，在模拟环境下驱动雷达工作。模拟目标的距离由延迟时间tr来确定，模拟目标的方位由搜索雷达的正北脉冲和方位增量脉冲通过计算得到。

1.1 杂波仿真原理[3]

搜索雷达视频模拟器由PC机和视频信号发生器两部分组成，组成如图1所示。PC机负责雷达参数、目标信息和航迹数据的计算和生成，根据不同工作状态进行仿真运算，将运算得到的目标航迹和状态数据通过PCI总线送给视频信号发生器。

图1 搜索雷达视频模拟器组成框图

杂波仿真原理同目标回波仿真原理相同，区别在于数据源不同。目标回波是由主机产生目标航迹数据并送给FPGA，由FPGA来实现回波信号的产生；杂波回波的数据源不能是有规律的航迹数据，而应是一种随机的、杂乱无章的数据。通常采用产生随机数的方法实现。随机数的产生可以由主机用软件实现，也可以用纯硬件方式实现。由于杂波数量较大，一般有几百批，为了减轻数据传输对主机的压力，在本文设计中采用纯硬件方式实现，即用FPGA来产生随机数。

随机数产生方法主要有均匀分布的随机数法、正态分布的随机数法等[5]。下面是两种方法的数学模型。

a） 均匀分布随机数的数学模型

由给定的初值x0，用混合同余法：

产生(0，1)区间上的随机数yi。其中a＝2045，c＝1，M＝220；然后通过变换

yi产生(a，b)区间上的随机数zi。

b） 正态分布随机数的数学模型

设r1,r2,…,rn为（0，1）上n个相互独立的均匀分布的随机数，由于，根据中心极限定理可知，当n充分大时

的分布近似于正态分布N(0,1)。通常取n=12，此时有

最后，再通过变换

便可得到均值为µ、方差为σ2的正态分布随机数y。

本设计采用正态分布随机数法，在 FPGA内用VHDL语言实现均匀分布的随机数的数学模型，产生的模块如图2所示。clr为清零信号，kz是控制信号，sjs[15..0]是产生的以16位二进制数据表示的随机数，当清零信号 clr有效时对产生均匀分布的随机数的种子赋初值，当控制信号kz有效时就通过搭建好的数学模型产生均匀分布的随机数由sjs[15..0]输出。一个控制信号kz产生几个随机数是根据需要可控的。

图2 均匀分布的随机数模块

该模块VHDL源程序主要部分如下：

1.2 噪声仿真原理

信号在介质中传播是以微小电流的形式传播的，而电流的传播又会导致周围磁场的改变。由磁场效应可知，改变的磁场会对附近的电流产生影响，这就是噪声干扰。

数字信号的电路是工作在“开关”状态下，输入输出的信号只有高、低电平2种状态，因此，外部输入的噪声干扰一般情况下不会影响数字电路的正常工作。但数字电路往往有许多元件组成，如晶体管、电容器、电阻、变压器等等，在工作时受温度的影响，会使输出的信号电平发生小幅度无规则的变化，形成噪声。外界的干扰也是产生噪声的重要因素，如附件有电焊机、强磁场、雷电等，都会引起信号的电平发生异常变化，形成噪声。

目前产生噪声方法有直接产生和间接产生两种。直接产生是使用市面上销售的商用噪声发生器来产生所需噪声，这些产品具有良好的噪声性能及适用不同需要的技术特性，并配有现代化的自动测试设备，例如噪声源HP346A及测试仪HP8970B，但价格昂贵，配置常规工程性价比较低，最常用的噪声发生器有热噪声发生器、限温二极管噪声发生器和气体放电管噪声发生器三种。间接产生是用数字化方法产生伪随机序列（伪噪声），通过D/A转化为白噪声信号，但这并不是真正意义上的随机序列，它的频域特性难以达到较高要求。

本文设计采用直接产生噪声的方法，用限温二极管噪声发生器来产生噪声。

2 杂波仿真的实现方案

2.1 杂波仿真的硬件环境 [1]

要实现几百批杂波的仿真，同时还要对128批32位目标数据进行运算和处理，计算量大，要求速度高，所以 FPGA选用 Altera公司的 Cyclone II系列EP2C35F672芯片，以满足设计的需要。该芯片具有33216个逻辑单元，内部RAM高达484KB，支持Nios II嵌入式处理器，核电压1.2V，IO电压3.3V，具有4个PLL输入，12个PLL输出。

2.2 杂波仿真的具体实现

根据搜索雷达实际探测杂波的情况，本设计对三类杂波进行模拟：虚警目标产生的点状杂波、海中岛屿等遮蔽物产生的小块状杂波和岸上山峰等大的遮蔽物产生的大块状杂波。

2.2.1 点状杂波

对虚警目标产生的点状杂波的仿真采用均匀分布的方式，由于是均匀分布的，杂波的方位在360度范围内没有限制，具体实现时杂波的方位不用控制，只要对产生杂波的频率进行控制。如图3所示，用jsnc6这个模块来控制点状杂波产生的频率，jsnc6内部源程序主要部分如下：

其中，变量dddd是用来控制频率的，杂波的距离值由随机数产生模块sjsjl来产生，产生的距离值送入hbzb模块的寄存器中，触发脉冲信号有效边沿之后固定时钟数（距离值）输出固定的数字信号（hb信号）。sjsjl模块产生随机数的区间范围(a，b)设定为杂波产生的距离范围，一般情况下 a设为搜索雷达的盲区，b设为搜索雷达的视距，便可在搜索雷达的可视范围内产生均匀分布的杂波。

图3 点状杂波的产生电路

2.2.2 小块状杂波

小块杂波是呈块状的，所以小块杂波应该是在一段连续的角度范围内产生连续的杂波，具体实现如图4所示。由方位随机数产生模块sjsfw产生一个随机的方位数据（sjsfw模块产生随机数的区间范围(a，b)设定为0～360°），作为小块杂波的方位起始点，从这个起始点开始，再加上一个固定的角度，就形成了一个连续的角度范围，在这个角度范围内的每个触发周期内都要产生相应距离的杂波。杂波距离的产生与方位的产生类似，先由 sjsji31模块产生一个距离随机数（sjsji31模块产生随机数的区间范围(a，b)设定为雷达的盲区到雷达的视距），作为小块杂波的距离起始点，从这个起始点开始加上一个固定的距离，就形成了一个连续的距离范围，在这个距离范围内连续产生杂波，仿真波形如图5所示。

2.2.3 大块状杂波

大块杂波的产生同小块杂波的产生方法相同，产生电路如图5所示，本设计中将大块杂波产生的方位和距离设计成可以从人机界面装订，需要4个变量，方位的起点和终点，距离的起点和终点，这4个变量从界面装订好后通过 PCI总线送到 FPGA的 4个modifyzb锁存器中，在指定的角度范围和距离范围内的每个时钟信号都要输出相应的杂波信号，杂波信号的产生由zabhb模块实现。

3 噪声仿真的实现方案

噪声模拟电路主要由噪声产生器、放大器、滤波器、信噪合成器、信号输入调节器和控制接口等电路组成。

由于该部分电路为模拟电路，设计时需注意各级间的匹配，尤其是信噪合成器两输入端，以保证较高的输出精度。

其中，放大器的作用是对输出的噪声电平作定量增益调整。信噪合成器电路的作用是将FPGA产生的回波和杂波信号与滤波输出的限带噪声作线性叠加，合成满足设计需求的综合信号。

切换电路可通过FPGA中程序控制来实现噪声的通/断控制。

图4 小块杂波产生电路

图5 仿真波形

图6 大块杂波产生电路

图7 噪声模拟电路

4 结束语

本文描述的杂波和噪声仿真技术已经在某搜索雷达视频模拟器中得到实际应用。该搜索雷达视频模拟器同时具有回波仿真及杂波和噪声仿真功能。在某型舰炮武器系统的半实物仿真试验中，该搜索雷达视频模拟器为试验提供了高逼真度的仿真效果。试验证明，本文中阐述的杂波和噪声仿真技术可行性高、实用性强，为雷达提供了一个逼真的仿真环境，能较为真实地检测雷达的性能。

[1]Cyclone II Device Handbook Volume 1[DB/OL].http://www.altera.com.[2007-2]

[2]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[3]杨辉,余云智.基于 PCI总线的搜索雷达视频模拟器设计技术[J].指挥控制与仿真,2006（2）:83-86.

[4]韦建中,师鹏宇.一种雷达视频信号模拟器的设计与实现[J].舰船电子对抗,2009（3）:69-71.

[5]周宪英,傅士敏,乔风兰.一种雷达视频信号模拟器的设计[J].电子工程信息,2005（4）:40-42.