面向干扰/抗干扰技术研究的雷达建模方法探讨

安 红，张雁平，杨 莉，张 朔

（电子信息控制重点实验室，四川 成都610036）

0 引言

随着技术的不断进步，现代雷达与雷达对抗装备之间的竞争与对抗性愈演愈烈，正如张锡祥院士说过的“没有干扰不了的雷达，也没有抗不了的干扰”，雷达与雷达对抗装备在相互博弈进而相互促进的过程中，系统性能都得到了螺旋式的提升。雷达干扰与抗干扰的斗争，没有绝对的优势和劣势，关键在于掌握多高的技术、拥有多大的资源，只有在平时积累更多的干扰和抗干扰技术，战时才会有主动权[1]。雷达和雷达对抗装备作为典型的电子信息装备，信号/数据处理是其核心，因此围绕装备的信号发射与接收处理过程进行信号级的细粒度建模，逼真再现装备与环境之间、装备与装备之间，以及装备内部的信息交互与处理流程，能够比较真实地反映装备在复杂电磁环境下的系统性能及作战效能。本文以雷达干扰/抗干扰技术研究为应用需求牵引，首先针对2 类仿真方法涉及的四种模型粒度，分别给出了优缺点和用途分析，然后在此基础上介绍了雷达信号级建模基本流程，重点讨论了雷达信号级建模逼真度问题，最后对雷达信号级模型验证方法进行了分析。

1 电子信息装备仿真方法分析

将电子信息装备信号处理过程建模的细致度作为装备仿真方法分类的基本依据，目前在业界已达成共识，即分为功能级仿真和信号级仿真2 大类[2]。以雷达电子战领域应用为例，表1 给出了2 类仿真方法结合四种模型粒度的优缺点及用途的分析。表中，系统参数模型是指根据雷达或雷达对抗装备系统内在固有参数和与场景相关的动态信息，完成基于能量方程或检测算法的模型解算；脉冲数据模型是指能根据场景信息以脉冲描述字方式对每个雷达辐射源仿真其发射的信号特征；基带信号模型是指能根据雷达原始视频信号（即零中频基带复信号，亦称相干视频信号）的数字采样来实现对雷达信号处理和数据处理过程的仿真；中频信号模型是指能根据雷达中频信号的数字采样来实现对雷达接收机、信号处理和数据处理过程的仿真。但无论是基带信号模型，还是中频信号模型，仿真中都要考虑信号发射频率和场景信息对目标探测性能的影响。从对比中可见，对于雷达干扰和雷达抗干扰技术研究而言，应采用信号级仿真方法，建立雷达和雷达对抗装备基于信号/数据流处理的全流程仿真模型，然后通过对雷达与雷达对抗装备之间信息交互关系的数字化映射，构建雷达电子战数字仿真系统，通过设置仿真场景开展对抗试验，真实重现电子战与雷达、干扰和抗干扰之间相互作用的闭环回路，可以为雷达干扰和抗干扰技术研究提供仿真分析与试验验证的手段[3]。

表1 雷达电子战装备仿真方法分析

2 雷达信号级建模方法探讨

与雷达系统的功能级仿真相比，对雷达系统进行信号级仿真要复杂得多，这不仅是因为需要深入了解和全面掌握被仿真雷达从信号发射到接收处理整个流程的技术细节，还因为要逼真复现目标、环境等对雷达所接收的各类信号模型的影响，以及雷达对这些信号进行接收处理与检测跟踪等各个环节的逼真建模，所以信号级雷达模型设计难度和研制工作量都很大。

2.1 雷达信号级建模的基本流程

要实现对具体型号或体制雷达系统的信号级建模，首先必须全面掌握被仿真的雷达系统使命任务、系统组成、工作流程、主要技术战术性能、工作模式及控制策略、抗干扰措施、信号波形设计、信号/数据处理算法及其参数等详细技术资料，雷达技术资料掌握得越深入，则对该雷达建模的逼真度就越能够得到保证。然后在此基础上，对该雷达进行基于信号/数据流处理过程的数字建模，实现对该雷达从信号发射到回波信号接收处理、目标点迹检测与航迹跟踪滤波的全过程仿真，如图1 所示，从而在源头上保证对雷达的信号与信息处理过程的高逼真建模。

图1 雷达信号级仿真处理流程图

2.2 雷达信号级建模的问题讨论

在图1 所示的雷达信号级建模过程中，虽然核心模型是信号级模型，但同时也包含了多种粒度的仿真模型，例如电磁信号空间传播仿真中使用的大气衰减模型、目标回波信号仿真中使用的目标起伏模型、环境杂波信号仿真中使用的杂波模型、雷达接收通道热噪声仿真中使用的噪声模型等都是统计模型；对雷达发射/接收天线的仿真，可根据实际情况，或者选择实测天线方向图数据拟合模型（即数据模型），或者选择数学公式拟合模型（即解析模型）；对雷达发射机、接收机等射频前端的仿真，考虑到在数字域上仿真实现的难度，可采用简化模型，但要将射频前端的误差影响添加到雷达发射信号和接收信号中去；对雷达信号处理、数据处理、资源调度的仿真，应尽可能采用实际雷达系统中的相应处理算法模型。图1 中，目标回波信号、环境杂波信号、电子干扰信号各自经过雷达接收天线方向图调制后，在时域上进行线性叠加以形成混合信号作为接收机仿真模型输入信号，接收机仿真模型经过中放带通滤波、相干检波处理后，将输入的中频实信号转换为零中频的基带复信号（即相干视频信号），因此后续的雷达信号处理算法仿真都是在信号复数域上进行。

2.2.1 中频信号仿真的必要性分析

对雷达进行信号级建模时，选择基带信号仿真，还是中频信号仿真，应根据具体应用需求而定。以机载PD 火控雷达信号级建模为例，其模型基本逻辑组成如图2 所示。

图2 中，接收机模型主要模拟雷达的接收机部分，包含中放、相干检波和A/D 采样处理。中放处理主要是中频放大和带通滤波；相干检波包括正交混频和低通滤波，相干检波实现中频信号到正交基带信号的变换；A/D 采样处理实现对信号的降采样和量化。由于雷达射频频率太高，如果模拟射频部分则相应的信号采样率也很高，导致计算的数据量太大，仿真运行会非常缓慢，所以雷达接收机的仿真可从中放处理开始，而且从射频信号到中频信号的变换过程是信号频谱搬移的过程，在此过程中信号的幅度和相位信息并没有损失，所以从中频开始仿真也可以比较真实地反映信号射频处理的基本特性。

基于中频信号的仿真主要是考虑雷达在频域上的一些抗干扰措施，例如掩护脉冲等，必须要有频率信息，而且雷达接收机中放处理中包含了带通滤波器，经过带通滤波后的目标回波信号波形本身也会发生一些微小的变化，而且带通滤波器可以滤除带外的信号，当干扰信号带宽大于雷达信号带宽时，带外部分的干扰信号被滤除。特别是当干扰信号波形比较复杂时，例如DDS 噪声+DRFM 噪声+假目标等组合干扰样式信号，是无法在干扰仿真模型中等效雷达接收机带通滤波的效果，所以当研究雷达干扰效果或雷达抗干扰效果时，都需要从中频开始仿真，而不能直接从基带开始仿真。

图3 是雷达接收机输入信号和经中放处理后的输出信号波形，从图中可见，脉冲信号经中放处理后，脉冲包络变得圆滑，脉冲宽度略为展宽。

图4 是雷达接收机输入信号和经中放处理后的输出信号频谱，接收机输入的信号是目标回波信号（带宽2 MHz）与干扰信号（带宽4 MHz）的混合信号，从图中可以看出经中放处理后，带外的信号被滤除了。

2.2.2 雷达信号级模型逼真度与模型解算效率的权衡

现代雷达系统的信号处理、数据处理、资源调度基本上都是在数字域实现的，雷达信号级模型应尽可能采用实际系统中的相应处理算法模型，尽量避免做大幅度的处理算法简化，原因是简化往往是以牺牲逼真度为代价的。但由于信号级模型涉及大量的信号产生与处理过程的复杂运算，而且以串行处理方式为主的复杂模型解算不但需要消耗大量的计算资源，而且计算资源的负载也不均衡，所以模型解算速度较慢，很难做到实时仿真。为了提高信号级模型解算效率，有的参考文献提出了处理简化思路，有的引入了并行计算思想。

图2 机载PD 火控雷达建模示意图

例如，参考文献[4]提出了一种改进的雷达信号级仿真方法，从2 方面进行模型计算加速，一是不做脉压，直接根据解析式产生脉压后的信号；二是只选取目标回波附近区间进行处理，减少处理数据量。如果只研究雷达本身探测性能，而不考虑有意干扰对雷达探测性能的影响，则这种改进方法没有太大问题，可以大大提高计算效率。但是如果要研究雷达对抗的效果，考虑干扰信号的加入，则这种改进方法并不适用。首先，干扰信号经过雷达脉压处理后的效果无法用公式来描述；其次，只选取目标回波附近区间进行处理，对于欺骗干扰或组合干扰，会人为地丢弃有用的干扰信号，导致干扰效果出现错误现象。参考文献[5]根据相控阵雷达多个波束处理过程的相对独立性，提出了一种并行计算方法，将每个调度间隔内的多个搜索波束并行执行。但是这种并行计算方法对复杂对抗场景并不适用，因为雷达干扰信号的产生具有因果性，人为地将多个搜索波束并行执行，意味着将雷达干扰样式及其控制时序打乱，所以无法反映真实的干扰效果或抗干扰效果。

因此，在面向干扰/抗干扰技术研究的雷达信号级建模过程中，模型逼真度与模型解算效率之间应有权衡与侧重，建议在保证模型逼真度的基础上，尽可能地提高模型解算效率。在不断优化处理算法的基础上，一方面在模型内部采用OpenMP 应用程序接口将模型中的一些串行算法进行并行化处理，另一方面采用CPU+GPU 的异构平台并行计算来加速是一条切实可行的技术途径。

图3 雷达接收机输入信号及中放输出信号波形图

图4 雷达接收机输入信号及中放输出信号频谱图

2.3 雷达信号级模型验证方法分析

对雷达信号级模型的验证，可以采用正向验证方法和逆向验证方法同步开展。正向验证方法是指，根据该体制/型号雷达的信号/数据处理流程对仿真模型进行验证，仿真模型必须符合该体制/型号雷达的工作原理及处理流程。逆向验证方法是指，通过仿真试验对建立的雷达模型的战技术指标进行验证，通过仿真结果来分析是否与该体制/型号雷达的战技术指标一致。

以逆向验证方法为例，假设某型号机载火控雷达从情报资料中得到其作用距离为161 km（对5 m2战斗机目标），发射功率为××kW，天线增益为××dB，信号波形参数从实际侦收数据分析中获取，在机载PD火控雷达仿真软件中设置相应参数取值。编辑仿真场景进行仿真试验，试验结果如图5 所示。从图中可以看出，雷达在159 km 处能发现目标并建立稳定跟踪航迹，仿真结果与情报资料中作用距离基本一致，证明仿真模型符合该型号雷达的战技术指标要求。

图5 某型号机载火控雷达模型探测结果

3 结束语

在面向雷达干扰和抗干扰技术研究的雷达电子战仿真系统中，雷达对象建模应采用中频信号仿真技术途径，一方面可以如实反映雷达在频域上的一些抗干扰措施，另一方面能真实反映干扰信号的时频特性和时序控制逻辑，这对复杂干扰样式下的对抗效果研究尤为重要。由于信号级模型涉及大量的信号产生与处理过程的复杂运算，即便采用一些常规的并行计算方法，模型解算也很难达到实时性要求。经过笔者课题组的初步尝试，认为通过引入基于CPU+GPU异构平台的并行计算技术来大幅度提升信号级模型解算效率，是一条切实可行的技术途径。■