SystemVue在雷达系统仿真中的应用

赵 杨 尚朝轩 韩壮志

(军械工程学院电子与光学工程系 石家庄 050003)

SystemVue在雷达系统仿真中的应用

赵 杨 尚朝轩 韩壮志

(军械工程学院电子与光学工程系 石家庄 050003)

基于武器装备仿真领域的现状,根据不同的分类方法,详细分析了现有的几种不同的仿真手段,总结了雷达系统数字仿真领域的发展历程,指出了传统仿真软件的缺点,阐述了SystemVue软件在雷达系统仿真中的优越性。提出了使用SystemVue进行仿真建模的一般步骤,最后结合某脉冲多普勒雷达实例,介绍了主要仿真模块,给出了仿真结果,对雷达系统仿真有一定的参考价值。

SystemVue; 雷达系统; 数字仿真; 脉冲多普勒

Class Number TN97

1 引言

根据仿真系统的不同实现形式,通常可将仿真系统分为以下几类：物理仿真、半实物仿真和数学仿真[1]。物理仿真即实物仿真,它是以物理性质和几何形状相似为基础,构建实际物理模型并进行相关实验的技术；半实物仿真,是将控制器(实物)与在计算机上实现的控制对象的仿真模型联接在一起进行试验的技术；数学仿真,是以数学模型为基础的仿真,用数学模型代替实际的系统进行仿真实验。

对比三者不难发现其中端倪。物理仿真与半实物仿真均是实时仿真,并且半实物仿真还需要解决控制器与仿真计算机接口的问题；数学仿真对实时性并没有苛刻的要求,但不如其它两种方式贴近实际。在实际仿真过程中,半实物仿真与数学仿真应用更为广泛。在雷达电子战领域,随着计算机性能的提高及数字化装备的普及,数学仿真逼真程度不断提高,大有取代半实物仿真之势。

2 数字式仿真

雷达系统的数学仿真中,数字仿真已经成为趋势。数字仿真按仿真粒度可分为功能级仿真和信号级仿真；按仿真精细成度可分为基带仿真和射频仿真；按仿真引擎机制可分为数据流仿真和时间流仿真。

2.1 功能级仿真和信号级仿真

功能级仿真在雷达系统仿真中具有重要意义,它能够利用仿真对雷达的各项性能进行评估。功能仿真常应用于模拟局部战争中雷达装备的整个性能,典型的是采用HLA(高层体系结构)等仿真平台建立分布式仿真环境[2～4],用抽象的数学模型,按照HLA规范模拟雷达等装备的功能。由于功能级仿真中普遍存在数学模型过于简化的问题,只能用简单的数学方程或公式代替雷达系统的各项功能,仿真粒度过于粗糙,不能对雷达的各个模块进行精细化的仿真。

信号级雷达系统仿真方法通过模拟雷达、目标、杂波、噪声以及信号发射、传输、接收、处理等各个关键环节,每个环节都包含了信号在幅度与相位上的信息,建立完整的雷达、目标、环境间信息流动与信号处理的动态、闭环仿真环境,实现了对整个雷达工作过程的全过程仿真,对研究雷达威力、探测跟踪能力、抗干扰能力有良好的参考价值,为装备的研制、验收、定装提供了灵活的仿真试验平台。

2.2 射频仿真和基带仿真

现代雷达系统中,由于装备的数字化程度和集成度很高,在仿真中基本上可以分为射频仿真和基带仿真。基带仿真贯穿于雷达信号产生到信号处理结束的整个过程,主要考虑基带矢量信号的处理过程,是雷达系统仿真的前辈们首先涉足的领域,雷达系统的基带部分目前基本上全部数字化了,非常适于数据流仿真。射频仿真需要充分考虑器件高频非线性等因素,更多的需要从频域的角度进行仿真,对雷达射频部分的非线性特性需要有精确的掌握。

以往射频部分一般采取功能仿真,仿真仍不够精细,许多可能发生的非理想因素还是被忽略了,如采用ADS等专业射频分析软件进行协同仿真,软件之间的互联互通会导致运算速度很,这也影响了雷达系统仿真的进一步发展。

2.3 数据流仿真和时间流仿真

系统仿真软件按照信号仿真的实现形式,可以分为时间流仿真和数据流仿真。时间流仿真系统是在仿真过程中,系统的每个模块都用常微分数学方程建模,然后用龙格-库塔等算法在每个时间步长求解出模块的输出,保证时间同步性。数据流仿真系统是在仿真过程中,各功能模块按先后顺序执行点对点的数据处理,并没有时间上的同步。

传统的自动控制、模拟电路等领域的仿真多是采用时间流仿真,例如单脉冲雷达的天线跟踪伺服系统。而现代雷达系统的信号处理过程中通常没诸多的反馈环节,尤其是相控阵体制的雷达,不需要对天线伺服系统进行仿真,因此数据流仿真在雷达系统仿真,尤其是雷达信号处理系统领域使用更为普遍。

随着雷达装备仿真的不断深入,仿真程度越来越精细,以上提及的诸多方面不是完全割裂开的,在同一时间、同一地点可能需要同时用到多种属性,这就需要仿真平台能够在突出自身属性的同时兼顾到其它几个属性,而以往的仿真软件则很难能够兼顾。下面介绍几个常用的雷达系统数字仿真平台,进而阐述SystemVue软件在雷达系统仿真方面的优势。

3 雷达系统信号级数字仿真平台

数字仿真始于20世纪70年代,80年代计算机仿真理论逐渐成熟,在90年代随着计算机技术的飞速发展,尤其在国外计算机已经开始走进千家万户,雷达系统仿真得到了迅速发展。以HLA为代表的功能级仿真平台有其优势,但随着数字技术的发展,信号级仿真平台正在不断提高自身运行速度与数据处理能力,功能级仿真平台的优势在不断缩小。

3.1 早期的SPW系统仿真平台

美国Cadence公司的SPW(Signal Processing Worksystem)软件是最早的支持雷达系统仿真的商用电子系统级仿真平台[5]。西安电子科技大学的雷达信号处理国家重点实验室在SPW平台的基础上进行了雷达系统模型库的开发,对部分雷达组件进行建模,取得了一定的成果。但是由于SPW软件是基于Unix、Linux等系统,普及程度不高,应用范围受限。2010年,CoWare公司被合并,SPW平台中包括雷达库在内的大量专业库被移除,转而专注于移动通信信号处理仿真。

3.2 广泛应用的Matlab与Simulink仿真平台

相对于SPW仿真平台,Mathworks公司开发的Matlab仿真软件在国内各个仿真及其它领域应用非常广泛[6-7]。由于Matlab具有强大的数值计算和数据处理能力,并且有较强的图表分析能力,编程人员能快速地对程序进行编译和校验,大大提高工作效率。

Simulink软件包是Matlab工作环境下的一个仿真子平台,适用于动态系统模型的建模和仿真,用户能够在相应的图形用户界面上,建立需要的系统仿真模型。Simulink还提供了系统函数(S函数),故用户可使用多种高级语言实现仿真模型构建,实现自定义Simulink模块。但是其缺点也显而易见,比如执行速度慢,不能生成可执行文件,雷达专业模型库极不完备,需要结合其他软件才能实现端口控制和实时控制等。

3.3 SystemVue仿真平台的优势

SystemVue是Agilent公司近些年大力发展的一款电子系统级仿真工具软件,主要针对于通信、雷达、导航和电子战等领域。它以图符化模块构建理论模型,是一个适用于动态系统分析的仿真平台,能够对系统设计进行数字仿真,完成系统性能的合理分析和仿真评估[8]。其分析窗口可根据系统运行结果同时展现多个仿真波形图、频谱图等等,方便用户对比分析,还可以根据需要改变数据接收器的参数,快速绘制出时域、频域等多种曲线图。

相比较常用的几种系统仿真软件,SystemVue在雷达系统仿真中的优势主要有以下几个方面[9～11]：

1) 射频仿真能力

传统软件通常缺少射频模块,只能用近似模块进行代替,若要进行射频仿真,用户需进行大量的编程工作,导致工作量大幅提升。而SystemVue中具备射频模块设计资源库,包括射频放大器、衰减器、滤波器、旋转开关等器件模块。

2) 完备的模型库

SystemVue具有完备的雷达、电子战资源库,覆盖了雷达、电子战系统仿真的方方面面,为用户提供了便利条件,用户能够集中时间用于关键模块设计上。

3) 面向对象的模块化界面

SystemVue具有模块化结构,仿真系统更加贴近装备实际,这种模块化的结构也是现代武器装备结构的发展趋势。而且设计者还能够根据自己的需求对相应功能模块进行优化和改进,创造新的功能模块。

4) 与常用软件的交互能力

系统仿真过程中常会运用到大量信号处理算法,以往这些较为成熟的算法通常是利用Matlab等软件进行编译的,最新版本的SystemVue可以完全兼容Matlab。其中的Matlab模块不仅具有调用m文件的能力,并且可以根据用户的需要,设置输入和输出端口的数量以及数据格式等,在算法实现部分可大量调用模块。

5) 丰富的用户自定义功能

在SystemVue的雷达库模型中,大多数模块都拥有用户自编辑的功能,用户可以在系统模型的基础上对其进行更改,或者直接编辑产生需要的模块,既方便了用户的编辑,又拓展了该模块的功能,能够满足特定用户的特殊要求。

6) 可扩充可重用可嵌套

SystemVue软件可以通过建立子系统,实现无限层的嵌套、扩充。该软件能够对复杂雷达系统的仿真。这种子系统结构实际上是将复杂系统按照一定的层级关系进行分层,使得仿真系统中各个仿真单元清晰化,这样的结构设计能够使用户在短时间内清晰地了解一个庞大复杂的仿真系统。

4 SystemVue仿真设计流程

SystemVue仿真平台凭借着其图符化、模块化的设计,顺应现代雷达电子装备模块化、数字化的趋势,非常符合雷达电子战领域设计人员的认识,在仿真实现上易懂易行。简言之,利用SystemVue仿真平台进行雷达系统仿真设计时,由上而下进行设计,由下而上进行实现。

4.1 顶层构建

仿真系统的实现,需要明确整个仿真系统的架构。这里又分几个小步骤。

4.1.1 确定层级

顶层构建首先需要明确该仿真系统分为几层。整个系统的实现不应当把所有的模块都堆积到显示屏幕上,即使精心布局的连线也会导致仿真界面不够简洁,甚至引起误连、混连。故分层尤其重要,充分利用SystemVue平台可重复、多层嵌套的功能。

4.1.2 划分功能模块

确定层级之后,需要根据仿真对象的侧重,划分功能模块。通常雷达仿真系统可以分为：平台位置模块、天线控制模块、射频传递模块、信号处理模块；在特殊的平台设计,比如多基地雷达系统的设计中,可能还会涉及到坐标转换模块等。

4.1.3 明确自定义模块

在动手仿真之前,用户要根据自身需要,明确自身需要构建哪些功能模块,哪些模块需要调用C++或者Matlab进行实现。用户应当尽量充分利用SystemVue中的雷达库模块,既节省自身时间,又能提高仿真速度,进而集中精力完善自定义模块。

4.2 底层实现

在顶层设计完毕后,即需要用户由下向上,从最底层开始逐步向上完成仿真平台的搭建。每做好一层,便对该层进行测试,测试结果符合预期,即可完成该层的封装,进而转向上一层的仿真,最后完成整个仿真系统的搭建。

5 基于SystemVue的脉冲多普勒雷达系统仿真

5.1 某型脉冲多普勒雷达

SystemVue中的雷达库主要是面向雷达和电子战系统仿真,下面以脉冲多普勒雷达(PD-Radar)为例,对其仿真过程加以介绍。其框图如图1所示。

该仿真系统按顺序主要包括脉冲信号产生器、上变频器、射频发射器、天线、杂波、射频接收器、包络信号转换器、动目标检测(MTD)、恒虚警率(CFAR)处理器、信号检测以及各自对应的数据接收器等模块。脉冲信号经上变频调制后,通过发射机将脉冲信号从天线发射出去,加入杂波,产生的回波信号经接收机接收后进行数字下变频,然后在零中频上对回波信号做MTD以及CFAR等处理。

图1 PD雷达仿真系统

以脉冲信号产生器为例,其实现模块如图2所示；图3所示为线性调频信号模块,SystemVue中还有很多复杂的信号产生模块,比如参差重频等模块等,在此不一一列举。

图2 脉冲信号产生

图3 线性调频信号产生

仿真系统中大部分模块还包括底层实现模块。以杂波模块为例,其底层模块如图4所示。

图4 杂波底层模块

其余模块如MTD以及CFAR等模块的底层实现,可仿照杂波模块,用雷达库中的模块进行构建；也可以根据自身需要调用Matlab等模块协助实现。在SystemVue的最新版本中已经完全兼容Matlab以及C++,用户可以方便地把设计好的程序移植到仿真系统当中。

5.2 仿真测试结果

图5 回波信号

图6 1点MTD

图7 32点MTD

图8 CFAR处理结果

该雷达系统的仿真结果如下图所示,图5为接收机接收到的带有杂波的混合信号,目标信号被淹没在杂波中。图6为经过1点MTD处理后的回波信号,回波信号仍然淹没在杂波之中；图7为经过32点MTD处理之后的回波信号,目标信号淹没在杂波中,但其幅度大于杂波信号；图8为经过CFAR处理后的清晰可见的目标信号。

6 结语

在雷达系统仿真中,不同的仿真软件都有各自的优势。而SystemVue是一款基于数据流又能控制时间、强在基带处理但射频部分同样完备、可实现功能仿真又能深入到信号层面的集大成者,在雷达系统仿真领域已经得到了越来越多的重视。本文介绍了用SystemVue仿真的基本流程,以简单的脉冲多普勒雷达实例,讲述了SystemVue软件在雷达系统仿真上的应用,并展示了其仿真结果。SystemVue仿真软件以其独特的新颖性以及完备的雷达模型库,将在雷达系统仿真领域中拥有更为广阔的发展空间。

[1] 冯德军,王雪松,肖顺平.现代雷达电子战系统建模与仿真[M].北京:电子工业出版社,2010.

[2] 李彦志,候慧群,芦建辉,等.基于HLA的机载PD雷达系统仿真[J].系统仿真学报,2008(24):6654-6663.

[3] 孙琪.基于HLA的雷达对抗系统仿真[D].西安:西安电子科技大学,2013.

[4] 李连军,甘斌,郝佳新.基于HLA的雷达组网仿真及应用研究[J].系统仿真学报,2013(s1):162-166.

[5] 刘钰英,尚朝轩,何强等.基于SPW平台的逆合成孔径雷达成像[J].现代电子技术,2006,29(5):1-3.

[6] 王桃桃.基于Matlab/Simulink的机载相控阵雷达系统的仿真研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.

[7] 杨琪,邓彬,王宏强,等.基于Simulink的太赫兹雷达系统仿真[J].太赫兹科学与电子信息学报,2013(2):73-78.

[8] 金德鹏,吴昊,肖振宇,等.基于SystemVue的单载波超宽带系统仿真[J].传感器与微系统,2012,31(4):7-13.

[9] David L, Anurag B. Radar system design and interference analysis using agilent SystemVue[Z]. Agilent Technologies Application Note,2010.

[10] Using Agilent SystemVue to create realistic scenarios for radar and EW applications[Z]. Agilent Technologies Application Note,2012.

[11] Using SystemVue’s radar library to generate signals for radar design and verification[Z]. Agilent Technologies Application Note, 2011.

An Application for Radar System Simulation Based on SystemVue

ZHAO Yang SHANG Chaoxuan HAN Zhuangzhi

(Department of Electronics and Optics Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003)

According to the different classification methods, based on the status of weapons and equipment simulation, a detailed analysis of the existing several different means of simulation is conducted, the development in the field of radar system digital simulation is summarized, the shortcomings of the traditional simulation software are pointed out and the superiority of the SystemVue software in radar system simulation is put out. The general procedure of using SystemVue is came up with, finally combining with an instance of a pulse doppler radar, this paper introduces the main simulation module, gives the simulation results, which has certain reference value in radar system simulation.

SystemVue, radar system, digital simulation, pulse doppler

2016年7月9日,

2016年8月26日

赵杨,男,硕士研究生,研究方向:电子对抗,射频隐身。尚朝轩,男,博士,教授,研究方向:电子对抗,雷达信号处理。韩壮志,男,博士,副教授,研究方向:电子对抗,雷达信号处理。

TN97

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.019