基于SystemVue的复杂电磁环境中雷达半实物仿真

张文辉　张永宁　田雨书　陈　丁

(1.西安黄河机电有限公司　西安　710043；2.西安应用光学研究所　西安　710065； 3.西安北方光电科技防务有限公司　西安　710043；4.西安工业大学　西安　710021)

0　引言

雷达应用环境通常伴随着较强的杂波、噪声及干扰，这就要求雷达系统必须采取有效的抗干扰措施。因此，各种先进信号处理技术不断应用于雷达设计中，也导致了雷达系统越来越复杂，而原先的设计及仿真手段也无法应对此局面。虽然以Simulink代表的仿真工具常被应用于雷达信号仿真中，但其缺乏专业且集成化的雷达信号模型库，其仿真工作量、难度不亚于设计工作本身，尤其是很难生成接近于真实复杂环境中的雷达信号。为了验证雷达的抗干扰性能，通常也只能在研制后期进行靶场实物验证。当发现问题后，重新设计或改进雷达系统，不但延误定型期限，增加了研发成本，甚至会增加研制失败的风险性。因此，采用一种适用于当今雷达设计特点的仿真验证手段是极其必要的[1-2]。

为了解决上述问题，采用了一种基于SystemVue软件的雷达仿真方法，不但可仿真出在复杂环境下的雷达信号处理流程，且搭建了一套以通用仪器为基础的半实物仿真硬件平台输出各处理环节的后端信号，以验证各分系统功能实现及性能指标。

1　雷达系统仿真建模

SystemVue是一款系统级仿真设计软件，拥有针对雷达系统架构的先进仿真模型库。模型库提供了多达35个高度参数化的原型模块和更高层次的参考设计，可以生成一个功能基本完整的雷达系统。该模型库中诸多模块可针对不同信号条件下的雷达性能、目标和雷达截面(RCS)场景、杂波条件、人为干扰和环境干扰以及不同信号处理算法进行验证[3]。

1.1　雷达功能信号仿真

文中以脉冲多普勒(PD)雷达的一个相参处理间隔(CPI)的信号处理流程为例，由SystemVue建立一个典型的雷达系统模型如图1所示，包含有基带/视频信号源、发射系统、天线系统(含T/R组件)，接收系统、信号处理等分系统(信号流的途径)。此外，雷达射频信号在空间传播中还受到RCS起伏影响、杂波、噪声、人为干扰等因素影响，这也是组成整个雷达信号处理环节中一个重要部分(RCS，杂波/干扰模型)。设置多普勒频移fd=8169Hz，目标距离为11880m。实际工作中，雷达回波信号已经完全淹没在较强杂波、噪声及干扰中，为了能精确探测到目标信息，信号处理则是雷达系统中最关键的一个环节[4]。

图1　雷达系统模型组成框图

在SystemVue通用模型库和雷达专用模型库中的信号源中除了有最常规的连续波、脉冲信号外，还有雷达中常见的线性调频、非线性调频、二相码、多相码及调频连续波等类型。通过对信号源模块参数的改变可以实现对雷达波形进行的编辑，文中的PD雷达采用的是线性调频信号。

当今的PD雷达基本上是全相参体制，发射和接收系统必须采用相同的高稳定本振信号，才能实现利用多普勒效应进行测速。可在本振模型选项中添加相位噪声参数，模拟出由于本振故障引起雷达测速不准的现象。

此外，设计人员最关心的是天线模型的S参数对雷达系统的影响。因此，天线系统的模型主要是基于一个S参数模块进行仿真的，可以通过改变S参数了解天线主要参数对整个雷达系统的影响。如图2所示，经过天线发射的微波信号频谱(无杂波/噪声)。

图2　雷达微波信号频谱

1.2　杂波环境的回波建模

雷达的探测就是通过对一串相参脉冲的回波信号处理以获得目标信息，回波中不但含有与目标相关的时间延迟、多普勒频移的有用信息，而且还有传播衰减、RCS闪烁、杂波、噪声及干扰的无用甚至有损的信息量。回波方程：

Sr(t)=AkσSt(t-τ)exp[j2π(fc+fd)t]exp
[-j4πfcRo/c]+Nc(t)+Nj(t)+NN(t)

(1)

式中：Sr(t)—雷达射频信号；A—传播衰减；k—空间传播常数；σ—RCS起伏；τ—延迟时间；fc—载频；fd—多普勒频移；Nc(t)—杂波信号；Nj(t)—干扰信号；NN(t)—噪声。

PD雷达通过对τ与fd检测可以获得目标距离与速度信息，而Nc(t)、Nj(t)与NN(t)都需要在信号处理过程中被剔除掉的分量。

1.2.1RCS起伏模型

SystemVue雷达模型库中拥有多种目标回波模块，例如常用的RADAR_Target模块参数设置已经包含回波方程中全部因子。按照统计学描述上可分，目标起伏模型拥有Swerling0(恒定RCS)、SwerlingⅠ(每次扫描目标变化独立，且服从自由度为2为的χ2分布)，SwerlingⅡ(每个脉冲目标变化独立，且服从自由度为2为的χ2分布)，SwerlingⅢ(每次扫描目标变化独立，且服从自由度为4为的χ2分布)，SwerlingⅣ(每个脉冲目标变化独立，且服从自由度为4为的χ2分布)[5]。

1.2.2杂波/噪声模型

SystemVue软件的杂波/噪声模块主要通过概率分布函数与功率谱密度进行定义，其中概率分布函数主要有瑞利分布、对数正态分布、韦伯分布、K分布等，杂波功率谱密度主要有高斯、柯西、全极点等类型。如图3所示，这些杂波/噪声(高斯噪声)叠加到雷达回波信号上，回波信号已经完全淹没在杂波/噪声中。

图3　回波淹没在噪声中的结果

1.3　信号处理抗干扰措施

雷达系统接收目标回波信号的同时，还会接收天线波束照射范围内各种背景干扰杂波，而且干扰杂波强度比回波信号强30dB以上，即使杂波干扰与目标回波信号在时域上是分离的，也会影响到杂波附近的目标的分辨。雷达自动门限信号检测是利用接收信号的合理采样数据按照某种概率准测形成的，杂波的存在影响到了目标的准确检测，同时也造成虚警率增大。此外，遮盖性干扰也是基于类似的原理来降低接收信号信噪比，造成雷达对目标检测的困难。因此，保留目标回波信号而抑制各种干扰杂波是要解决的一个重要问题[6-8]。

1.3.1抗干扰工作原理

区别运动目标回波与干扰杂波的理论基础是建立在两者的速度差异上，通常固定杂波多普勒频率fdc在0附近，运动杂波的多普勒频率fdc与运动目标回波的多普勒频率fd二者之间也有差异。在相参PD雷达系统中，利用运动回波信号与干扰杂波在频域上的特性差异，采用杂波抑制滤波器滤除各种干扰杂波，就可从干扰杂波背景中提取运动目标回波信号，称之为“动目标显示”(MTI)。在利用滤波后的回波信号脉冲串匹配的多普勒滤波器组抑制杂波，改善信杂比，实现脉冲串的相参积累以提高信噪比，增加在杂波背景中运动目标的检测性能。称之为“动目标检测”(MTD)。经过MTI与MTD处理后，仍存在有杂波干扰会影响到雷达自动门限检测。根据掌握的杂波干扰概率分布数学模型，利用杂波与目标回波之间能量的差异，通过恒虚警检测技术进一步剔除杂波，输出较为纯净的目标回波信号[6]。

1.3.2抗干扰处理过程

雷达仿真系统的信号处理子模块，首先将经过接收机输出为多路30M和差的视频信号，接入脉冲压缩(PC)模块及脉冲匹配模块进行脉冲匹配压缩滤波处理。脉宽被压缩而信号幅度被调高，可以实现高的距离分辨能力，有利于系统抑制有源干扰，但实际上脉冲处理后的回波信号仍是叠加在较强杂波背景中。

经过PC处理后信号接入MTI模块，MTI有多个类型可选择：一次对消、二次对消及多次对消。实际工作多采用二次对消(又称三脉冲对消)，二次对消的阻带凹口比一次对消宽，对一些功率谱较宽的杂波抑制性能较好，零频附近杂波大部分被消除。但通带幅频响应平坦度较差，对回波信号的能量会造成损失[5-7]。

MTD是PD雷达信号处理中关键环节，经过MTI后数据以一个CPI为单位存储于数据矩阵中，含有回波信号距离与速度两维信息。纵向各个点之间跨度代表相同的距离通道，横向两点宽度等于脉冲重复频率。MTD处理通常采用滤波器组或FFT组进行距离-多普勒的两维信号处理，采用的是FFT组对每一行的数据(距离相同，速度不同)依次进行处理得到多普勒频移fd，对每一列数据(速度相同，距离不同)依次进行处理可以获得延迟τ。经过MTD处理后降低了杂波强度，同时信号幅度得到增强，信噪比得到了极大提高，也有利于运动杂波改善因子的提高。如图4所示是经过MTD处理后的回波图。

图4　MTD处理的结果

经过MTD后的杂波被极大地削弱，但依然会影响到雷达自动门限检测，必须采用恒虚警(CFAR)处理控制雷达虚警率(通常在10-6以下)。雷达模型库中的CFAR模块有CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR、WCA-CFAR等类型选项。CFAR可在时域或频率上进行处理，文中的PD采用的在频率上处理的CA-CFAR(平均单元)。CA-CFAR是在距离或多普勒间隔上进行的，以被检测单元(CUT)为中心，两侧选取等数量的参考单元。为了防止参考单元内出现目标，应在被检测单位与参考单位之间保留一些保护单元。求得两侧参考单元的均值作为检测门限与被检测单元进行比较后输出结果。仿真中可以改变CA-CFAR的检测单元、保护单元与参考单元的选项设置来验证CFAR效果，以便得到最优化的CFAR参数设置值。如图5为CFAR后的结果[6-7]。

图5　CFAR处理后的结果

2　半实物仿真系统

半实物仿真系统(如图6所示)以安装有SystemVue软件的计算机为控制核心，SystemVue软件不但可以实现雷达功能和信号处理算法验证，还可将每个处理环节输出仿真数据通过网口导出下载至仪器设备中产生真实的雷达信号。半实物仿真系统有双通道(IQ基带)与单通道(基带射频)两种工作模式。双通道模式是将仿真数据导入M890A任意波形发生器产生I、Q两路基带信号，利用E8267D矢量信号发生器的宽带外部调制功能生成雷达信号。生成雷达信号(含有杂波)输出给被测部件(如T/R组件、接收机、信号处理机等)，DUT处理后的信号输出给实时信号分析仪N9030A进行信号各项指标的分析，以考评DUT抗干扰信号处理效果。单通道模式与双通道唯一的不同是将雷达仿真数据直接下载至E8267D中直接调制出射频信号，在软件中将任意波形发生器下载端子屏蔽掉。此外，也可将仿真数据结果直接输出到安装矢量信号分析软件VSA89600的实时信号分析仪中显示雷达信号各项分析结果[8-9]。

图6　半实物仿真系统组成框图

3　结束语

采用SystemVue软件是实现对现代雷达系统设计与仿真的一种高效的手段，不但实现雷达系统功能与信号处理算法的仿真，还可以将仿真数据下载至通用仪器搭建的半实物仿真系统中产生复杂环境中的较为真实的雷达信号。半实物仿真系统输出频率范围涵盖目前常规雷达的各波段，信号调制宽带也远远超过目前产品的信号带宽，尤其是输出信号的品质远远优于雷达系统本身产生的各类信号。设计人员可以快速方便采用新颖的信号处理方法，并全面地评估雷达系统抗干扰的效果，缩短了研制周期，降低研发成本和风险，在研制方案论证，设计改进，系统测试及产品校验等环节中起到关键性的作用。