虚拟雷达信号环境构建方法研究＊

汤永涛 陈 春 陶 金

（海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012）

1 引言

现代战争中的电磁环境十分复杂而且瞬息万变，要确切地描述清楚是极困难的。现代电磁环境的特点是密集、复杂、交错和多变，利用外场试验方法，布设大量真实的电子信息系统提供所需的电磁环境已经不现实，首先一方面不可能堆积如此多的实物设备形成与实战近似的电磁环境，另一方面，野外靶场试验周期长，试验费用高，受气候和环境等因素影响大。基于上述原因，广泛采用仿真技术实现复杂、逼真、动态的电磁环境是目前构建雷达信号环境的主流。本文中，笔者提出虚拟雷达信号环境的构建方法，构建了信号环境模型，并定量得到仿真结果，为战场电磁环境构建提出了新的可行的方法。

2 虚拟雷达信号环境构建的方法

雷达侦察系统所面临的典型的电磁环境将是由许多雷达辐射的脉冲序列所及交迭而成的密集的脉冲流。雷达电子战电磁环境仿真方法主要分为两种，一种是功能仿真，一种是信号仿真。功能仿真只仿真雷达发射、目标、回波、杂波和干扰信号的幅度信息，而信号仿真不仅包括幅度信息，而且包括相位信息［2］。

在对电磁环境进行功能仿真中，利用微机模拟雷达侦察系统截获的雷达信号参数数据，这些参数用脉冲描述字来描述，其仿真系统方框图如图1所示，仿真信号直接以数字形式描述侦察系统的天线所处的电磁环境。在进行功能仿真时，并不输出真实的射频和视频信号，它是利用数字模型在计算机上进行计算，产生用脉冲描述字描述的脉冲流。其特点是灵活、效费比高、实验结果处理实时性强、能获得比较全面的数据，其逼真度取决于数学模型建立的准确性和仿真系统设计的合理性［1］。

信号仿真即模拟包含幅度又包含相位的信号，复现这种信号的发射、在空间传输、经散射体反射、杂波和干扰信号叠加、在空间任一点处电磁环境特性。这一类仿真所采取的仿真方法主要包括雷达射频信号的模拟和雷达视频信号的模拟。

在射频信号仿真系统中，仿真信号以射频信号形式，经空间辐射或直接注入被测设备的射频信号输入端，其方框图如图2所示。

图1 雷达信号环境功能仿真系统方框图

图2 雷达信号环境射频仿真组成方框图

在射频信号仿真中，各通道收到指定的雷达参数后，按各自的时序，丢失脉冲准则和通道射频源数目生成数字脉冲秒数字，再由各自的射频通道产生射频脉冲流，通过各自的功放辐射出去。射频信号仿真能比较全面、真实地体现雷达电子战对抗的环境特性。但是仿真需要多部射频信号发生器及相应的平台，一般要在暗室中进行，模拟成本很高。

雷达视频信号的模拟主要利用微机产生相应的脉冲描述字，进而控制视频信号发生器，模拟雷达信号的视频脉冲序列。

3 虚拟雷达信号环境模型构建

电磁环境是全体辐射信号的集合，组成该集合的基本元素是某一时刻来在某一雷达的射频脉冲。描述脉冲基本特征的参数通常有：脉冲前沿的到达时间（TOA）、脉冲波前到达角（AOA）、脉冲载频（RF）、脉冲宽度（PW）、脉冲幅度（PA），总称为脉冲描述字，随着对雷达信号细微特征提取技术的提高，描述参数的数量也在不断地提高，但用PDW的集合流描述电磁环境是在功能仿真中建模的基本出发点［3］。

1）辐射源描述参数

电磁环境仿真主要考虑的因素有：辐射源天线的扫描方式；辐射源平台位置及运动特性；辐射源与侦察系统的相对空间关系；雷达侦察系统的工作状态；雷达侦察系统所处的典型电磁环境（传输介质等）。

在各类参数设置中，辐射源信号参数的描述比较困难，这主要有两个方面的原因：辐射源信号参数容差；辐射源信号参数的变化规律的表示。辐射源参数容差指的是特定电磁信号环境中，指定的一部雷达侦察系统截获某部指定的辐射源信号时，在适当的时间间隔内，辐射源信号参数变化的统计平均值，它决定了信号的逼真性。辐射源信号参数的变化规律的描述决定了可仿真信号的复杂性及使用的方便性。考虑系统复杂性和真实性，两者主要通过辐射源的描述参数设置来反映［6］。

2）传输环境模型［7］

传输环境模型如图3所示。

图3 传输环境模型

在仿真中如下假设。

（1）辐射源天线波束在雷达侦察系统方向上的增益取值可分为以下三种。

①雷达侦察系统在大气层外

GSLH为高副瓣增益；GSLL为低副瓣增益；u1为［0，1］区间均匀分布的独立随机数。

②雷达侦察系统在大气层中

GMLH为高副瓣增益；GMLL为低副瓣增益。

③雷达侦察系统在地面上

a为地面雷达权值；b为机载雷达权值。

（2）传输煤质设为大气，对脉冲波形不产生影响；

（3）接收天线为全向天线，且覆盖全频段。

3）坐标转换模型

在仿真中，采用的是以观测点为坐标原点的空间直角坐标系，其y轴与原点的法线方向重合，指向地球外，x轴指向大地北方向，z轴与x、y构成右手坐标系［4］。一般雷达装备一级接收机的位置信息由地理纬度、经度、海拔高度来确定，采用的是 WGS84坐标（地心坐标）。在进行计算时，需要进行必要的坐标转换。由地心坐标转换为大地空间直角坐标系，再转换成所需要的以观测点为原点的空间直角坐标系（垂直坐标系），其过程如下。

（1）从地心坐标（L，B，H）转换成空间大地直角坐标（X，Y，Z）

式中，

（2）雷达、雷达侦察系统所在垂线坐标系中的坐标（Xc、Yc、Zc）

式中λ0、φ0为观测点的天文经纬度；XD0、YD0、ZD0为观测点的空间直角坐标。

天文经纬度可以用大地经纬度L0、B0代替，即

式中ζ0、η0分别为垂线偏差的子午圈分量和卯酉圈分量。

4）载频模型

载频模型迭代公式：

本次脉冲的载频

式中NRF为一个周期中的频率个数；n为电子信息系统发射的脉冲序列；j（n－1）为上一个脉冲载频所处的状态；j（n）为本脉冲的载频工作状态；fRFj（n）为载频中心频率；△fRFj（n）为变频范围；NFj（n）为该载频值上发射的工作脉冲数；NLFn－1为在该状态下的剩余工作脉冲数；NLFn为在脉冲发射后的剩余工作脉冲数［9］。

5）脉宽模型

脉冲宽度模型迭代公式：

初始状态下

本脉冲的宽度：

式中NPW为一个周期中的脉宽值个数；k（n－1）为上一个脉冲脉宽所处的状态；k（n）为本脉冲的脉宽工作状态；τPWk（n）为中心脉宽；△τPWk（n）为脉宽变化范围；NWk（n）为该脉宽值上发射的工作脉冲数；NLWn－1为在该状态下的剩余工作脉冲数；NLWn为在脉冲发射后的剩余工作脉冲数；γ为均值为0、方差为1的正态随机数。

6）到达时间和重频模型

重频模型迭代公式为

式中NPRI为一个周期中的脉冲间隔值个数；i（n－1）为上一个脉冲脉冲重复间隔所处的状态；i（n）为本脉冲脉冲重复间隔工作状态；NLPn－1为在该状态下的剩余工作脉冲数；为NLPn为本脉冲发射后的剩余工作脉冲数；NPi（n）为该脉冲重复间隔值上发射的工作脉冲数。

初始状态下

本次脉冲的脉冲重复间隔

式中tPRIi（n）为中心脉冲重复间隔；△tPRIi（n）为脉冲重复间隔变化范围。

本脉冲的发射时间

式中t（n－1）为上一个脉冲的发射时间；t（n）为本脉冲的发射时间。

到达时间为

式中c为光速；R为侦察平台到雷达平台的直线距离。

R的计算：在法线测量坐标系中，雷达坐标为（Xr、Yr、Zr）、目标坐标为（Xt、Yt、Zt）：

7）幅度模型

计算公式：

式中Pt为雷达辐射源的峰值功率；δP为功率起伏。

8）脉冲到达角模型

在法线测量坐标系中，雷达坐标为（Xr、Yr、Zr）、雷达侦察系统坐标为（Xt、Yt、Zt）：

式中θAOA为脉冲发射时刻雷达平台相对于侦察系统平台的方位。

9）脉冲排序

（1）脉冲排序算法

在数学仿真中，所有雷达脉冲的PDW形成后，按照脉冲tTOA进行排序，排序算法有许多种，如冒泡法排序、两分法、快速排序法等。随着元素数目的增加，快速排序法是最快的排序方法之一。

（2）同时到达脉冲处理

现代电磁环境是一个密集而复杂的信号环境。就脉冲信号而言，其密度已达（50～100）万脉冲／秒，甚至更高，同一时间可能有多个信号同时出现，出现信号的时间重叠。表现在PDW上将出现多个tTOA相同或相近的脉冲［5］。

现实中雷达侦察系统处理同时到达脉冲的方式比较复杂。在数学仿真实现时，其解决方法为：将相邻的tTOA进行比较，若tTOAi＋1≤tTOAi＋tzc（tzc可由雷达侦察系统对同时到达信号的处理能力来定，默认值为7μs），即相邻脉冲到达时间相差足够小，则认为其在时间上是重叠的，将tTOAi＋1这个脉冲去掉，tTOAi脉冲的参数为所有该时刻到达脉冲中脉宽最大的那个脉冲的参数。

4 仿真实现及结果分析

图4 雷达信号环境仿真流程图

1）仿真流程

仿真软件主要用来描述某一点（地面、空中、星载）处接收机所面临的电磁环境。电磁环境是由该点处接收到的雷达脉冲信号的特征及其脉冲流密度来描述的。一般雷达与雷达之间的脉冲发射是独立进行的，侦察系统接收机是按时间顺序接收脉冲而不管是哪部雷达发射的。因此计算过程为，在仿真时间内依次计算每部雷达的脉冲参数，将脉冲存储起来，最后按达到该点的时间进行排序，最后得到整个仿真时间内按到达时间排序的PDW脉冲流，从而得到多部雷达的脉冲信号［8］，见图4所示。

在仿真中电子战作战区域已确定，作战区域的电子信息系统的配置和性能参数已确定，设定了几种典型的作战战情，生成了雷达侦察系统面临的几种典型电磁环境。

仿真程序依照典型电磁环境的设置，从战情库中调用各雷达位置信息和运动形式，并从雷达参数数据库中调用雷达参数信息，通过脉冲产生模型计算每部雷达的脉冲串［11］。

2）雷达脉冲描述字的产生

（1）初始脉冲发射时间的产生：每部雷达初始脉冲发射时间是从0到tPRI之间的一个随即值。

（2）每部雷达的tPRI、fPF、τPW参数有各自的变化周期，分别保存在不同的数组中，计算时参照tPRI、fPF、τPW参数仿真模型，首先判断各参数在本次脉冲计算中的状态，再分别提取相应的tPRI、fPF、τPW参数值进行计算。

（3）计算APA时，需要根据雷达相对雷达侦察系统的相对位置并由接收机的灵敏度判断该信号能否被接收到来进行。

3）仿真试验结果

仿真初始条件选择：选择典型电磁环境；雷达侦察系统放置在地面上，其位置的经度119.998126°；纬度24.884439°，海拔高度609.292000m；参加仿真的雷达波段为P、L、S、C和X波段；接收机灵敏度为－60dBW；取100次仿真试验结果的统计平均值。

仿真结果：脉冲流的信号密度为220256个脉冲／秒。见表1～表5。

表1 工作频率—脉冲数分布特性

表2 脉冲重复间隔区间—脉冲数分布特性

表3 脉宽区间—脉冲数分布特性

表4 功率密度—脉冲数分布特性

表5 到达角—脉冲数分布特性

5 结语

科学构建战场电磁环境系统一直是战争仿真的难点。本文提出的数字仿真定量研究构建战场大区域、雷达信号辐射源的电磁环境构建方法，依据雷达脉冲描述字的产生原理，特别是引入地理信息系统后，加强了本方法的实际应用价值。实验结果表明，该方法切实可行，具有实际意义。

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