航空电子对抗装备测试动目标雷达信号模拟与实现*

唐 曦 李文海 刘 勇 程燕海 吴忠德

（1.海军航空大学航空作战勤务学院 烟台 264001）（2.中国人民解放军91138部队 上饶 334109）

1 引言

机载雷达告警装备是现代作战飞机上不可或缺的电子对抗装备，主要用于对敌方雷达威胁信号发出告警提示，以便于飞行员做出相应动作，提高载机战时生存能力［1～2］。现代战场电磁环境日趋复杂，在时域、空域、频域和能量等几个方面，具有动态性、广泛性和密集性的特点，这对机载雷达告警装备的各项指标和工作性能提出更高的要求。因此需要紧贴现代战争特点，构建符合现代战争要求的高脉冲密度动态场景电磁环境，对机载雷达告警装备在上述环境下的实际作战效能进行评估，例如测向性能的评估。

目前关于这方面的研究较少，文献［3～5］采用控制电机转动的方式来模拟载机方位角的变化，实现对比幅测向系统测向能力的检测，但无法对复杂场景进行模拟。文献［6～9］采用“雷达信号建模+矢量信号源”的架构，将雷达信号模型解算出来的IQ 基带数据注入矢量信号源进行IQ 调制，以合成多通道复杂体制雷达模拟信号。该架构为静态场景雷达信号模拟提供了一个很好的思路，但无法满足动态电磁场景的要求，所谓动态电磁场景有两层含义，一是指载机和目标在三维空间中是运动的，在飞行过程中，其所处方位、距离和姿态角都可能随时间发生变化；二是指目标雷达的工作模式等是会根据战场具体情况变化的。二者都会对信号造成影响，导致接收机天线截获信号的参数是动态变化的。而且通过IQ 数据来描述信号需要占用大量内存，不利于高密度场景的长时间模拟［10］和实时性要求。文献［11～13］采用PDW（脉冲描述字）的形式来描述复杂电磁环境，可以大大压缩仿真的数据量，但都只做到了纯数字仿真，未能付诸于信号级。

针对上述问题，提出电子对抗场景下运动雷达目标信号模拟方法，研究了雷达目标相对载机的空间位置及姿态，与接收机各通道射频信号功率的映射关系，结合R&S SMW200A 矢量信号源在实验室内合成任意运动场景下运动雷达目标模拟信号，提高了电子对抗运动场景模拟的逼真度，提升了雷达告警设备的测试精度和效率。

2 基本原理

2.1 比幅测向的基本原理

比幅测向体制的机载雷达告警装备基于比幅测向原理实现目标方位角检测。如图1所示，常用的比幅测向采用4 个相同方向性图F(θ)的接收天线，均匀布设在360°方位内相邻天线的张角θs=90°，各天线的方位指向分别为

图1 比幅测向的原理框图

如图2所示，由于各个天线为有向天线，且指向各异，因此同一辐射源信号被不同天线接收时，其截获到的信号幅值是不同的。而辐射源所处方位必定在其中两个相邻接收天线的张角范围内，则这两个天线接收到的信号功率会显著强于另外两个天线接收到的信号功率，结合最强的这两路信号功率值和天线的方向性图就能计算出空间辐射源的方位角，构成了360°全向的测向能力。

图2 雷达告警装备二维方向性图

2.2 信号模拟原理

由比幅测向原理可知，雷达告警设备通过比较接收到的两路最强信号幅值实现测向，因此欲对其测向性能进行测试，需根据想定场景中目标雷达相对载机的空间位置及姿态，与接收机各通道射频信号幅值的映射关系，合成4 路特定幅值的雷达相参模拟信号，注入接收机的相应通道。硬件实现如图3所示，主要由控制计算机和R&S SMW200A 矢量信号源组成。控制计算机可对电子对抗场景进行编辑，包括目标雷达（后文称目标）和载有雷达告警装备的飞机（后文称载机）的运动轨迹和姿态角，天线安装角、扫描方式和方向性图，并根据上述参数解算出各路功率值，结合目标工作模式和信号样式生成4 路接收机通道信号的PDW 数据，最后通过网线将其中4 路信号的PDW 数据实时传送给R&S SMW200A 矢量信号源，合成4 路射频模拟信号，注入雷达告警设备的相应接收通道，实现其工作性能的检测。

图3 系统组成框图

3 信号模拟方法与实现

实际情况下本机和目标在三维空间中并不是静止的，其位置、姿态角和运动速度可能会不断变化，且目标的雷达天线也是不断扫描的。因此欲合成空间辐射源模拟信号，首先需要根据实际场景编辑本机和目标在空间中的三维坐标值、姿态角和运动速度的时间函数，定义雷达告警接收机天线三维方向性图、目标发射天线三维方向性图和天线扫描方式等参数；接下来通过坐标变换的方法，分别解算目标相对于本机的方位角、俯仰角、距离，以及本机相对于目标的方位角、俯仰角、距离等参数，将其代入发射和接收天线方向性图函数求出发射增益和接收增益；最后结合电磁波自由空间传播损耗公式，求得最终雷达告警接收机各天线接收到信号的功率，结合目标信号样式生成PDW 数据，将其注入到R&S SMW200A 矢量信号源中合成4 路射频模拟信号。

3.1 场景编辑

本模拟方法以场景编辑信息为输入，例如设置载机和目标的初始坐标、运动速度、模拟时长、天线方向性图、天线扫描方式、发射功率等参数。下面为了便于介绍，对模拟场景做了一些具化的设置。

1）雷达告警接收机天线设置

设置雷达告警设备四个接收天线在本机的水平朝向分别为45°、135°、225°和315°方向。

雷达告警设备主要测目标的方位角，不测俯仰角［14］，因此其天线的方向性图形状左右宽上下窄，它的4 个接收根天线的功率方向性图相同，其归一化后在水平面和铅垂面的投影都为高斯函数（以常见的高斯函数为例［15］），其中在水平面上投影的数学表达式如下：

其中，θ为方位角；G(θ)为天线在θ方向上的功率增益，单位为dB；θ0为天线水平朝向；θr为水平方向上的半功率波束宽度。

在铅垂面上投影的数学表达式如下：

其中，β为俯仰角；G(β)为天线在β方向上的功率增益，单位为dB；β0为天线俯仰朝向；βr为俯仰方向上的半功率波束宽度。

因此易得在θ方位上和β俯仰角上的天线功率增益为

将天线功率增益取对数转换为dB单位，则：

因此当天线最大接收功率增益为G1dB，可得天线功率增益函数为

由于接收天线在水平方向的半功率波束宽度比较大，俯仰方向上的半功率波束宽度比较小，因此使θr取π/3，βr取π/9，四个天线的三维方向性如图4所示。

图4 雷达告警设备接收天线方向性图

2）目标飞机天线设置

设置目标飞机发射天线的初始水平朝向为机头方向，即0°方向。同时天线在目标飞机XOY 平面内进行扇扫，扇扫角度范围为（-π/3，+π/3），扇扫角速度为2π/s（扇扫周期为2/3s）。俯仰朝向始终为0°方向。

机载雷达要求测角精度很高，因此其波束宽度要很窄，天线的功率方向性图归一化后在水平面和铅垂面的投影也都为高斯函数（以常见的高斯函数为例），同理可得，当最大发射增益为G2dB时，其在在θ方位上和β俯仰角上的天线功率增益为

其中，θ为方位角；β为俯仰角；G(θ,β)为天线在(θ,β)方向上的功率增益，单位为dB；G2为天线增益，单位为dB；θ0为天线水平朝向；β0为天线俯仰朝向；θr为水平方向上的半功率波束宽度；βr为俯仰方向上的半功率波束宽度。由于发射天线在水平和俯仰方向上的半功率波束宽度都比较小，因此使θr和βr都取π/18，其三维方向性如图5所示。

图5 目标雷达天线方向性图

3.2 信号建模与解算

为了便于计算，在求解收发天线的增益时采用机体坐标轴的形式。

1）坐标转换

如图6所示，为载机和目标飞机在三维空间中位置和姿态角的示意图，左侧为载机四个接收天线的方向性图，右侧为目标飞机和雷达波束。可见上述两者的相对位置和各自的姿态角决定了载机四个接收天线收到目标飞机雷达辐射信号功率的大小。因此首先需根据预设场景，得出本机和目标飞机在地面绝对直角坐标系下的位置坐标、姿态角（含偏航角、俯仰角和滚转角）和速度等参数的时间函数。

图6 比幅测向三维示意图

根据模拟场景的参数设置进行坐标转换，得到本机在目标飞机机体坐标系下位置坐标的时间函数，从而计算出本机在该坐标系下的方位角θre、俯仰角βre和距离；同理可得到目标飞机在本机机体坐标系下坐标的时间函数，从而计算出目标飞机在该坐标系下的方位角θra、俯仰角βra和距离。

2）天线接收信号功率计算

根据电磁波传播原理可知天线接收到的信号功率可由下式结算得到：

其中，Pre为接收天线收到的信号功率，单位为dBm；PT为目标雷达的发射功率，单位为dBm；GT为目标雷达天线发射增益，单位为dB；L 为电磁波自由空间传播损耗，单位为dB；GR为接收天线接收增益，单位为dB。

下面分步来求以上这些参数，根据上步坐标转换后得到的坐标值，可分别得到本机在目标飞机机体坐标系下的方位角和俯仰角(θre,βre)，和目标在本机机体坐标系下的方位角和俯仰角(θra,βra)，将其分别代入式（6）、式（7），可得到发射天线的发射增益GT和4个接收天线的接受增益GRi，i=1，2，3，4。

电磁波自由空间传播损耗为

其中，f为信号的频率，单位为MHz；d为收发天线之间的距离，单位为km。

最后将上述参数代入式（8）便可得到接收机4路通道的射频信号功率值。

3.3 算法验证

设置本机做匀速直线运动，初始坐标为（0 m，0 m，0 m），速度（90 m/s，-120 m/s，62.5 m/s）；目标飞机也做匀速直线运动，初始坐标为（25000 m，8000 m，6000 m），速度（-240 m/s，-80 m/s，-60 m/s）；PT取68 dBm（约6000 W），G2取33 dB，G1取0 dB，雷达信号的载波频率f 取5 GHz，发射天线扫描方式为水平扇扫，扇扫角度范围为（-π/3，+π/3），扇扫角速度为2π/s，仿真时间为60 s。在上述模拟场景下，将本算法解算结果与罗德斯瓦茨公司开发的脉冲生成软件R&S Pulse Sequencer 的仿真结果进行对比，发现接收天线1 和接收天线2 为接收到信号功率较强的两路，其随时间的变化趋势如图7～图10所示，两种方法所得结果非常相近。

图7 本算法模拟的接收天线1信号功率

图8 Pulse Sequencer 仿真的接收天线1信号功率

图9 本算法模拟的接收天线2信号功率

图10 Pulse Sequencer 仿真的接收天线1信号功率

3.4 射频信号测试与验证

根据3.3节定义场景下得到的各路接收信号功率值，结合目标信号样式（以常见的线性调频脉冲信号为例）生成符合R&S格式规范的PDW数据，并通过网线将PDW 数据实时传给R&S SMW200A 矢量信号源，合成4 路射频模拟信号。采用矢量信号分析仪对其中两路最强的信号进行测试，测试结果如图11 和图12所示，两路射频信号的功率值随时间变化趋势与3.3 节的仿真结果相符，从测试结果来看信号参数与设置值相符。

图11 天线1通道射频模拟信号功率

图12 天线2通道射频模拟信号功率

4 结语

本文针对雷达告警装备的检测问题，提出了一种电子对抗场景下运动雷达目标信号模拟方法，结合R&S SMW200A 矢量信号源，可在实验室环境下合成电子对抗场景下三维空间运动雷达目标模拟信号。实验结果表明，该方法灵活快捷、模拟逼真度高，且具有高脉冲密度长时间信号模拟的能力，在电子对抗场景信号模拟和电子对抗设备测试领域具有一定应用和参考价值。