雷达对抗动态信号环境模拟构建研究

史军军，焦念君

(1.解放军69079 部队博士后科研工作站，乌鲁木齐 830013;2.解放军68002 部队，兰州 730101)

0 引 言

在一定的地域内，各电子设备辐射的电磁信号经过动态综合，就构成了战场电磁信号环境的主体。当前，随着各种新体制雷达的使用，电子作战部队在战场上将面临复杂、密集、交错和多变的信号环境，这对于雷达技战术性能的发挥和装备的保障及雷达兵的心理都会产生巨大的影响，对日常训练和战斗力的生成都提出了更高的要求和挑战［1～4］。由于雷达对抗侦察是雷达干扰的前提和基础，提高侦察人员利用侦察装备获取雷达信息就成为提高雷达对抗能力的关键。对于缺乏实际信号环境的日常训练而言，利用模拟技术研制相关的训练模拟系统是国内外普遍采取的途径。先后有许多学者提出了多种利用模拟器材构建战场环境的思路［5～8］。但这些基本上都是从纯技术或者纯理论的角度进行分析，模拟器材主要用于雷达分系统或者相关设备的测试，还无法完全满足部队的训练需求。从技术和战术两个方面对此进行了分析，指出了用于部队训练的模拟器应该具备的功能;然后从雷达参数建模、软硬件设计等方面对模拟系统进行了详细的探讨，在此基础上提出了一种模拟构建动态信号环境的新思路，并研制了相应的系统。

1 构建动态信号环境的需求分析

雷达对抗动态信号环境构建是在依据信息化作战场景所设置的威胁雷达的类型、型号、体制、用途和特征参数，载体平台的位置和载体运动的轨迹，在考虑雷达对抗侦察平台同多个雷达辐射源之间的相对距离和方位、天线方向图特性和扫描方式等的基础上，模拟产生雷达对抗侦察设备面临的雷达信号环境。其主要目的是为电子作战部队提供真实的、动态的、贴近于实战的信号环境，用于作战人员的日常训练和装备性能的检验，提高部队的技战术水平。对构建雷达对抗动态信号环境的需求可以从技术和战术两个方面加以分析。

1.1 技术需求

雷达信号模拟是雷达对抗动态信号环境构建的主要对象，也是在日常训练中所需要的主要信号。从技术方面讲，雷达对抗动态信号环境模拟系统应该具备各种体制雷达信号的生成功能，也应该具备多部雷达交叠信号的模拟能力。

一般而言，雷达对抗侦察装备的主要作战对象是预警探测雷达和火控雷达两类。两类雷达都可以按照挂载平台的不同，分为地面雷达、机载雷达和舰载雷达等类型。从信号环境的角度来讲，系统应该具备模拟常规脉冲、连续波、重频参差、重频抖动、脉冲多普勒、线性调频、V 型调频、相位编码、频率捷变、多载频及分集等信号的功能，而且需要具备模拟达到一定密度信号环境的能力。

1.2 战术需求

任何电磁信号环境的构建都需要集中特定的地域、特定的空间、特定的时间段、特定的作战背景、特定的频段范围和与之相关的电子设备等因素进行综合考虑。面向电子作战部队训练的信号环境模拟系统应该具备战术想定的编辑、设置和生成功能，具备管理数据生成的控制功能和特定场景方案的回放再现功能。合理的编辑仿真战术想定，生成合适的仿真战术背景对生成的电磁信号环境具有重要影响。对此应该有清晰的模型予以描述，在本系统中，需要重点考虑的是敌对双方电子辐射装备的种类和数量、敌对双方辐射源的分布位置、技战术性能指标、机动情况、用频规律、工作体制和样式和信号特征等［5］。

动态信号环境模拟系统应该具有电磁信号态势的显示功能。战场电磁信号环境的态势显示可以真实反映信号环境的变化，对战场指挥员的科学决策具有重要的辅助作用。文献［9］通过对侦察接收机接收到的信号脉冲流进行建模，在时域、频域、空域和功率域的统计分析的基础上，直观、定量的表述了电磁信号环境态势。信号环境态势显示作为战场电磁环境态势显示的主要组成部分，可以为指挥员直观地了解、把握战场电磁态势，合理部署、优化配置装备提供决策依据。

2 动态信号环境模拟系统的设计

2.1 雷达信号的参数建模

对于脉冲雷达，可以用脉冲描述字(PDW)来描述射频信号的基本特征。换言之，对雷达参数的建模也主要包括频率(RF)、脉宽(PW)、到达时间(TOA)、到达角(DOA)和脉幅(PA)模型的建立，示意图如图1 所示。

图1 参数建模部分示意图

1)信号频率的建模

在信号频率建模中，频率RF 的模型主要有以下几类。

假设第一个脉冲的载频为f0，对应第K 个脉冲的频率为fK，则对于固定载频雷达信号

对于频率捷变雷达，假设捷变范围为Δf

对于频率跳变雷达，假设跳变频率点数为N，分别为f1，f2，…，fN，则

对于脉组频率跳变，设跳变频率点数为N，分别为f1，f2，…，fN，S 为脉组数

2)信号重频的建模

脉冲重复频率是脉冲重复间隔的倒数，是脉冲雷达的重要特征，也是信号分选所采用的重要参数。下面给出几种常见的雷达脉冲信号的脉冲重复频率模型。

假设某一雷达第K 个脉冲和第K +1 个脉冲到达时刻之间的时间间隔记为PRIK，则前两个脉冲之间的间隔为PRI0，对于固定重频雷达(常规雷达)

对于重频参差雷达，假设参差数为N，重复间隔为PRI0，PRI1，…，PRIN－1，模型为

雷达每经过N 个脉冲，各参差PRI 循环变化一次，参差PRI 脉冲列的总重复周期等于所有参差周期之和。

对于重频抖动的雷达信号，设抖动范围为ΔPRI)

对于脉组重频参差雷达信号，设参差数为N，重复间隔值为PRI1，PRI2，…，PRIN，脉组数为S

对于PRI 跳变的雷达信号，假设跳变重复间隔分别为PRI1，PRI2，…，PRIN，则

对于PRI 参差抖动雷达信号，其重复频率为重频参差间隔加上随机抖动，具体模型为

3)脉冲幅度的建模

脉冲幅度的建模主要涉及到天线方向图的建模和天线扫描方式的建模。由于信号环境与侦察系统无关，所以脉冲幅度可用雷达辐射到达侦察系统接收天线处的功率密度S 表示。设雷达辐射功率为Pt，天线增益为Gt，F(φ)为归一化天线方向图，侦察系统与雷达距离为R，不考虑大气传输损耗，则功率密度

雷达天线是雷达系统和外部空间互相联系的接口，是雷达的一个重要组成部分。发射机产生的高频振荡能量，通过天线以电磁波的方式向外界空间辐射，目标散射的回波经过天线的接收，送到接收机和终端设备进行处理，得到目标的信息。涉及到的天线特性主要有天线工作频率、波束宽度，以及天线增益等。其中方向图参数是雷达天线的重要参数，除了需要知道天线的水平波束宽度和垂直宽度之外，还应具体知道方向图的形状。

本系统设定天线只有水平扫描，没有俯仰扫描，而且仅仅考虑了电磁信号在平面中的情形，因此，建立了三种典型的一维方向图:高斯型、余弦型和sinc函数型方向图。根据目标偏离天线轴线的角度，可以分别计算出方位方向图衰减因子。对于机械扫描的雷达，如果要模拟出真实的雷达信号，必须要模拟天线的扫描方式。模拟系统中假定机扫雷达天线扫描方式有:圆周扫描、扇扫和连续照射等类型。

4)脉内调制的建模

脉内调制特征是现代雷达信号的重要特征，也是信号分选和识别的关键特征。在本系统中，可以通过软件在线性调频、非线性调频和相位编码中进行灵活设置。

5)脉冲到达时间的建模

脉冲到达时间的建模，等同于脉冲重复间隔的建模。当前脉冲的前沿到达时间主要与前一个脉冲的前沿到达时间和当前脉冲重复间隔有关。假设第K 个脉冲的前沿到达时间为TOAK，则

在系统的设计和研制过程中，脉冲宽度可以在一定范围内灵活设置，产生的脉宽是在设置值的基础上加上微小的随机抖动，模型比较简单，在此不做深入讨论。

2.2 动态信号环境模拟系统的软件设计

模拟系统软件部分主要通过网络接收主控软件下发的信号波形选择、信号参数设置和雷达平台的运动状态等指令，经由高速I/O 接口将其下载到相应的波形产生、上变频等硬件模块，产生所需要的雷达信号。本系统为方便各部分的测试、调试和维护，采用模块化的方式进行设计。

软件设计部分包括高性能计算机上运行的嵌入式程序，完成信号类型的选择、战术想定的编辑、雷达参数的设置、脉冲流排序和合成等处理功能，主要由波形选择模块、参数设置模块、战术想定编辑模块和主控模块组成。

波形描述界面如图2 所示，主要完成系统在运行过程中所需要产生信号类型的选择、信号参数的设置、信号特征的描述，以及基带波形的显示控制等功能。

图2 波形描述界面

主控模块是模拟系统产生和控制信号的关键模块，主控界面如图3 所示。假定侦察接收机部署在坐标原点位置，侦察区域位于0° ～90°范围、距离原点450 km 之内的空间区域。在完成战术想定的编辑，包括威胁雷达的部署、目标雷达参数的设置、天线扫描方式的选择和机载平台的航迹编辑等的基础上，通过实时计算和建立的模型生成所模拟的雷达信号参数和脉冲幅度的衰减参数，然后将得到的脉冲序列数据运用多路合成算法综合成交叠的脉冲流，并将其通过高速I/O 卡下载到存储器中，同时向信号生成模块和射频模块发送指令，完成信号的变频和放大，进而通过天线向空间辐射，在一定范围内形成设定的雷达信号环境。另外，模拟系统能够对编辑的想定按照需要进行分时段自动保存，当需要对某时段的信号环境进行重现时，可以暂停新信号的产生，调用该时段的存储文件，就可以完成对特定场景的回放，即模拟系统具备场景的重现功能，能够满足部队对训练可重复性的需求，也为训练效果的评估和检验提供条件。

2.3 动态信号环境模拟系统的硬件设计

图3 系统软件主控界面

硬件设计部分主要包括直接数字频率合成模块(DDS)、脉冲形成电路和射频电路的设计。DDS 模块主要产生系统所需要的各种频率，尤其需要满足跳频信号源的要求。DDS 的设计是本系统的关键环节，在宽频带范围内产生常规雷达信号、线性调频信号、相位编码信号、频率捷变信号都需要高性能和高可靠的DDS。本系统选择DDS 作为基带频率合成器，在此基础上进行DDS 倍频扩展的方案，这是为了满足系统对置频精度和频率转换时间的要求，细节将在另文论述。

脉冲形成电路主要根据雷达参数和信号样式产生相应的脉冲，并根据脉冲到达时间形成脉冲串。射频信号产生电路包括上变频、宽带放大、滤波、数控衰减和宽带天线等部分，主要完成信号的射频调制和发射，数控衰减的目的是用于调节输出信号的大小用于模拟天线的扫描和机载平台的运动。

在主控计算机中，存储有雷达信号数据库和战术想定数据库。雷达信号数据库保存有实际采集到的雷达基带信号，可以按需要完成信号的载入、变频和发射，模拟实际雷达的信号;战术想定数据库保存有各种模拟场景，可以实现特定场景的调取和回放功能。硬件实现框图如图4 所示。

图4 硬件实现框图

以图3 所示场景为例。机载雷达在机动过程中与侦察接收机之间有距离的变化，从而引起侦察接收机接收到的脉冲在幅度上会出现一定的起伏，如图5(a)所示，这在系统中由数控衰减器对脉冲幅度的衰减来实现，为简化分析，没有考虑天线扫描引起的脉冲幅度变化。接收到的地面雷达的脉冲是等幅脉冲串，如图5(b)所示。在进行两路脉冲串的合成时，设定机载雷达的威胁等级高于固定雷达，所以在同一时刻两部雷达的脉冲同时到达时，只保留机载雷达脉冲，合路信号经过上变频和放大，通过天线向外辐射，在作战空间形成图5(c)所示的脉冲流信号环境。

图5 脉冲流信号环境形成示意图

3 结 语

动态、逼真的雷达信号环境模拟对于提高电子作战部队的训练效果，改变战斗力生成模式，贴近实战训练部队都具有重要的军事意义。结合部队的实际情况，立足于模拟构建雷达对抗动态信号环境的训练需求，分别从技术和战术需求角度对信号环境模拟系统进行了分析，设计了一种具备战术背景设置、各种雷达信号的生成、特定方案回放等功能于一体的模拟系统。该系统对于战场复杂电磁环境的模拟具有一定的参考价值。

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