雷达信号环境的一体化模拟方法探讨*

许　雄，吴若无，韩　慧，曾勇虎，汪连栋(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南洛阳471003)



雷达信号环境的一体化模拟方法探讨*

许雄，吴若无，韩慧，曾勇虎，汪连栋
(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南洛阳471003)

摘要:针对装备的复杂电磁环境效应试验研究需求，研究了雷达类装备面临的信号环境，提出了一种基于信号相干特征的环境要素分类方法，并根据该方法设计了一体化的雷达信号环境模拟系统框架，讨论了相关的关键技术及其难点，为开展雷达类装备复杂电磁环境适应性试验提供了重要的理论与方法支持。

关键词:复杂电磁环境;雷达信号环境;电磁环境模拟

0　引言

雷达类装备的抗干扰性能评估以及复杂电磁环境适应性试验，迫切需要对雷达信号环境的特性进行深入分析，并形成一套标准的信号环境模拟方法。目前利用目标回波模拟器、环境杂波模拟器、背景信号模拟器、干扰信号模拟器等四大类模拟器进行雷达系统的测试与评估，具有一系列问题。分析原因，主要在于对目标回波、环境杂波、背景信号、干扰信号这四个环境要素的分解是从信号来源的角度提出的，其各个要素特性之间存在着一些相似性，导致考核评估时无法做到各项指标具有独立、正交、完备的特点。尤其以干扰信号模拟器为例，其遮盖性干扰的特性与背景信号模拟器有部分相似，其欺骗性干扰的特性又分别与目标回波和环境杂波模拟器有部分相似，它们之间相互交叠，无法完全独立。

针对上述现状，本文拟对电磁环境要素进行重新分解，以建立可相对独立的模拟剖面，为后续开展装备的复杂电磁环境适应性试验提供基础理论支持。

1　雷达类装备面临的信号环境分析

以主动探测的雷达装备为研究对象，以雷达天线口面处为观测点，站在雷达的角度，通常是将进入雷达天线的信号分为两类，第一类即发射机自己发出并被目标反射回来的有用信号;第二类就是不利于目标探测的其它信号的总和，有时称为噪声，而有时称为杂波，还有时又称为干扰。

于是就有了信噪比、信杂比和信干比三个用于表征雷达抗干扰性能的物理量。这些物理量在分析雷达的性能时能较好地表达设计者的意图，然而从实际的接收机表现来说却有一定的局限性。接收机本身分不清楚什么是有用信号，什么是干扰信号，其利用变频、滤波等技术手段，只能分清楚哪些信号与其发射的信号相关，哪些信号是不相关的。而在后续的信号处理过程中，那些相关的信号会被处理后显示，那些不相关的信号若能量较小则被丢弃，而能量较大则同样会被处理并直接影响所要探测的结果。

因此，若从雷达接收机的角度看外部的信号环境，环境要素不应该分为有用的回波信号和无用的干扰信号，而应该根据与发射信号相干与否，分解为相干类信号和非相干类信号两大类，如图1所示。

图1　雷达信号环境要素的分解

相干类信号的共同特点就是都与雷达自身发射机所发射的信号特征具有直接的相关性，且随着发射信号特征的变化而发生变化。而近似独立的随机的非相干类信号的共同特点，就是与雷达工作信号特征基本无关。

雷达探测的过程，就是通过信号处理的手段，从上述两大类信号环境中提取所需的目标回波信号。从抗干扰的角度来说，要想从相干类信号环境中提取目标回波，必须使信号处理具有较强的目标回波特征识别和提取能力;而要想从非相干类信号环境中提取目标回波，则需要提高目标回波的能量值。从电磁环境适应性的角度来说，在雷达所能适应的相干类信号环境中，目标一定有区别于其它信号特性的独特特征;而在雷达所能适应的非相干类信号环境中，环境的最高能量值一定不超过雷达对目标进行适当能量积累后的检测值。

2　一体化的模拟系统架构

对雷达信号环境的模拟可以从两个独立的方面入手，一方面要模拟雷达接收机能够收到的相干类的信号环境;另一方面要模拟能够进入雷达接收机的非相干类的信号环境。那么从模拟器的角度来说就需要相干类信号模拟器和非相干类信号模拟器。这两类模拟器的最大区别在于是否利用了雷达所发射信号的特征参数，其相似处在于都具有波形生成和信号发射部分。现实中，一部雷达工作时，必然从接收机同时接收到两种类型的信号，即必然会同时用到两种模拟器。因而，从一体化模拟需求的角度说，这两类模拟器的基本硬件架构应该尽量在统一的模拟系统架构下实现统一，最终只是体现在软件操作的不同上面。综合分析现行的技术条件，本文认为这样的一体化需求是可实现的。

2．1系统架构

一种可行的一体化模拟系统的硬件架构如图2所示，主要包含天线阵列、射频通道和数字信号处理机三个部分。而相对应的软件系统架构如图3所示，主要包括信号存储、特征提取、信号相关、输出控制及各类数据库等。

图2　一体化模拟系统硬件架构图

图3　一体化模拟系统软件架构图

在该软硬件架构中，硬件系统拥有四个通道的输入和六个通道的输出。其中最上面两个通道的输入和输出可用于产生有源欺骗类的相干干扰信号，可专门用于产生角度欺骗。中间两个通道的输入和输出可用于产生交叉极化、杂波、目标回波等相干类信号。最下面两个通道主要用于产生噪声干扰、背景信号等非相干类信号。而高速FPGA和高性能DSP主要用来完成软件框图中的特征提取和信号相关等功能。这部分软件不仅包含对被试雷达发射信号参数的采集存储、特征提取等处理过程，还包括根据所采集到的信息对各个模型库作相关处理。这也是产生相干类信号环境的关键环节。数据库方面则主要包含目标模型库、杂波模型库、欺骗策略库，以及常用波形库。其中常用波形库中应该包括各种噪声及其调制的信号波形，以及常见的一些脉冲信号波形，以用来产生非相干类信号环境。

针对被动探测的雷达类装备以及信号侦察类装备的试验需求，可以参照上述这个系统框架，基本只利用其中的常用波形库和信号发射通道即可。

2．2关键技术

要实现上述一体化的系统架构，必须解决以下若干关键技术:

从硬件角度来说，首先要解决宽带的信号接收、采集的技术，这个可以参考当前的侦察接收机的技术，重点实现雷达所发射信号的频谱特征、极化特征、波形特征、指纹特征的提取，要求对相应特征提取的精度要足够高，为满足模拟的高逼真度提供前提条件。

从软件角度来说，要解决信号相关处理的技术，即根据所采集到的特征信息对各个模型库作快速相关处理，如根据目标模型嵌入信号的频谱参数和极化参数等，并在相关处理的基础上对各个信号进行合成。

同时，关于目标模型库、杂波模型库、欺骗策略库以及常用波形库等数据库的建设也是关键的。模型库的逼真性直接决定了信号环境模拟的有效性。具体针对试验评估的需求，在模型设计方面需要重点配置各个模型中相应关键参数的潜在变化范围。对于相干类信号，需重点配置欺骗策略库，并能够给出欺骗类信号与目标回波信号的特征值差异区间。而对于非相干类信号，则需重点配置噪声和杂乱脉冲的波形特征，给出相应能量值的连续变化区间。

3　具体实现中的难点讨论

一体化的雷达信号模拟系统框架是针对雷达类装备的复杂电磁环境适应性试验需求而提出的，设计目标是在实验室层面对雷达类装备进行有效的试验与评估。但是要实现有效的评估，还需要解决以下若干基础理论问题，主要涉及到如何来确定环境要素的输入参数指标，如何设置试验内容，以及如何针对具体的试验内容开展定量的环境要素模拟等。其中，最关键的是输入参数指标问题，即如何针对相干类信号环境，确定欺骗类信号与目标回波信号的特征值差异区间，以及如何针对非相干类信号环境，设置能量值区间与信号类型之间的关联关系。

分析原因，主要是这些值与多种物理量关系密切却又不呈一一对应的显性关系，致使没有现成的函数关系能够表达，而是依赖各种主观的定性认识，且针对各种具体的情况有不同的表象。

针对相干类信号环境，考虑的不仅是能量值，更多的是信号之间的特征差异。由于信号的特征即包含了信号所要反映的信息，于是信息的差异就是信号的特征差异。例如欺骗类信号与目标回波信号的特征差异主要表现在信号所要反映的位置、速度以及表示的目标数量等信息方面的不同。这些信息变换成信号特征参数则为脉冲时延、多普勒频移、脉内脉冲个数等。于是问题可以描述为如何针对一个具体应用，设置一定的脉冲时延、多普勒频移、脉内脉冲个数等取值范围。

针对非相干类信号环境，从雷达接收天线口面处看，其接收到的能量值不仅与频带有关，还与信号到达角及其极化匹配程度等有关系。同一个能量值可以对应不同的频带、到达角和极化匹配度，即其函数关系不是一一对应的。同时，即使这三类参数都一致的情况下，同一个能量值可以对应不同的脉冲宽度、脉冲重复频率和脉冲峰值功率等脉冲波形参数。于是问题可以描述为如何针对一个具体应用，设置在一定频带、到达角、极化匹配度、脉冲波形参数等取值范围内的能量值区间。

在试验内容上，传统的做法基本是按照循序渐进的原则，首先是进行回波模拟，其次是回波+杂波模拟，之后分别是回波+杂波+压制干扰模拟和回波+杂波+假目标欺骗模拟，最后是回波+杂波+压制干扰+假目标欺骗综合模拟。这种试验内容的安排会造成本文引言中所述的评估要素不独立等问题。

而根据本文对信号的分类思想，可以建立新的一种可行的做法，即:

首先，对相干类信号进行统一度量，可建立一个用于表征相干类信号与目标回波相似程度的称为“信号相似度”的物理量，进而通过对信号相似度的取值区间进行划分规范，作为评价雷达装备的复杂电磁环境适应性的一个重要依据。换言之，相干类信号与真实的目标回波越相似，雷达越容易受骗，环境适应性越差。而若雷达可在具有高等级的信号相似度的电磁环境中正常工作并识别出正确的目标，则说明雷达具有更好的电磁环境适应性。那么模拟的时候则是先单独进行回波模拟，再根据信号相似度的取值区间统一模拟杂波与假目标欺骗干扰信号。

其次，针对非相干类信号进行统一度量，可在其与雷达发射信号具有一定相关性的前提下，建立一个用于表征非相干类信号与目标回波能量差异程度的称为“相关强度比”的物理量，进而通过对

相关强度比的取值区间进行划分规范，作为评价雷达装备的复杂电磁环境适应性的另一个重要依据。换言之，雷达可在具有高等级的相关强度比的电磁环境中正常工作并识别出正确的目标，则说明雷达具有更好的电磁环境适应性。那么模拟的时候也是先单独进行回波模拟，再根据相关强度比的取值区间统一模拟背景信号与各类噪声压制干扰信号。

此外，在系统控制方面，还需要确定相干类信号与非相干类信号的比例关系，进而在信号的输出控制上根据实际的场景进行一定的时序控制和分布控制等。而这也是目前还没有获得统一认识的地方，是又一个难点。

因而，后续应重点对上述的三类难点进行深入研究，以获得相应的理论突破，为实现定量化、一体化的电磁环境模拟奠定基础。

4　结束语

本文针对装备复杂电磁环境适应性试验的现实需求，基于一体化的设计思想，从分析雷达信号环境的本质属性出发，提出一种一体化的信号环境模拟系统框架，并指出实现该系统的若干关键技术，以及目前所面临的难点。相关的讨论将为装备复杂电磁环境适应性试验研究提供一定的参考。

参考文献:

［1］郭齐胜，罗小明，潘高田．武器装备试验理论与检验方法［M］．北京:国防工业出版社，2013．

［2］孙凤荣．现代雷达装备综合试验与评价［M］．北京:国防工业出版社，2013．

［3］许雄，汪连栋，曾勇虎，等．装备复杂电磁环境适应性试验问题探讨［J］．航天电子对抗，2014，30(4) : 30－32．

［4］柯宏发，杜红梅，赵继广，等．电子装备复杂电磁环境适应性试验与评估［M］．北京:国防工业出版社，2015．

［5］许雄，汪连栋，曾勇虎，等．一种雷达导引头面临的复杂电磁环境分析方法［J］．电子对抗，2015，163(4) : 11－12，31．

［6］赵国庆．雷达对抗原理［M］．2版．西安:电子科技大学出版社，2012．

［7］符小卫，陈军，高晓光，等．机载探测与电子对抗原理［M］．西安:西北工业大学出版社，2013．

［8］Skolnik MI．Introduction to radar systems［M］．3rd ed．北京:电子工业出版社，2007．

［9］位寅生．雷达信号理论与应用［M］．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2011．

Discussion on integrated simulation method for radar signal environment

Xu Xiong，Wu Ruowu，Han Hui，Zeng Yonghu，Wang Liandong
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，Luoyang 471003，Henan，China)

Abstract:Aiming at the experimental investigation demand of complex electromagnetic environment effect for equipment，the signal environment faced by radar equipment is studied，and an analysis method based on signal correlation characteristics is proposed．Then the radar signal environment simulation system frame is designed，and the relative key technique and embarrassment are discussed．It can provide important theoretical method support for radar equipment complex electromagnetic environment adaptability test．

Key words:complex electromagnetic environment; radar signal environment; electromagnetic environment simulation

作者简介:许雄(1985－)，男，博士，助理研究员，研究方向为复杂电磁环境特性与模拟、雷达导引头、雷达对抗试验技术。

收稿日期:2015－12－03; 2016－01－05修回。

*基金项目:中国博士后科学基金(2013M542452) ;电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室基金(CEMEE2012Z0103B)。

中图分类号:TN971

文献标识码:A