雷达虚拟样机信号级数字仿真技术

杜俊杰,张晓菲

(1.海装驻北京地区第三军事代表室,北京 100074;2.北京华航无线电测量研究所,北京 102445)

0 引言

随着空天装备技术的发展以及空天目标探测要求的不断提高,空天雷达呈现战术指标要求高、集成度高、综合性强、专业耦合度高、研制周期短、成本压缩严重等特点。传统的研发手段和能力布局只支持在实物样机上进行雷达功能和性能的测试验证,已经不能适应新一代雷达设计研制的需求。为快速、高质量地完成雷达的研制,迫切需要采用先进的数字化研发手段。在虚拟样机技术快速发展的背景下,建立高逼真度的雷达数字样机,可有效支撑新一代空天雷达的设计和仿真,有助于更加科学、合理地对雷达性能进行优化改进。

1 国内外发展现状

国外对虚拟样机技术的研究开始较早,美国军方在20世纪80年代就已颁布了IDEF(ICAM definition method)数字化模型标准[1]。20 世纪末,美欧部分国家和地区在雷达设计及分析领域已初步实现自动化。21世纪初至今,仿真技术已覆盖到雷达各领域,如星载小平台遥感系统仿真、相控阵雷达系统建模与信号处理仿真、合成孔径雷达系统建模及成像性能仿真等。在复杂产品协同设计方面,国外学者已经取得了大量理论研究成果。GOTTLIEB等[2]对协同设计中的外部仿真工具集成方法和元模型表达方法进行了深入的研究。NINIOS等[3]对面向对象的协同仿真平台进行了研究。

国内对虚拟样机技术的研究起步较晚。从20世纪90年代开始,李伯虎等[4-5]经过对虚拟样机多年的研究与实践,提出了“复杂产品虚拟样机工程”的概念。针对这一概念,国内学者对复杂产品虚拟样机工程中的关键技术开展了大量研究,主要涉及建模方法、多学科协同仿真、一体化平台、模型库管理等[6-9]。雷达数字仿真领域也出现了大量研究成果。文献[10]在Visual Studio 2010平台上实现了完整的反舰导弹雷达导引头系统仿真,对目标的搜索跟踪过程进行了模拟。文献[11]在Visual C++6.0软件开发平台上设计并实现了简化的单脉冲雷达软件仿真系统。国防科技大学开发的 KD-RTI (run time infrastructure)仿真软件,实现了雷达和电子对抗系统在复杂电磁环境下的对抗仿真。西安科技大学基于SPW(signal processing workshop)软件进行二次开发,对雷达模型库进行了建立、扩充和系统仿真,取得了一定的成果。但因开发环境成本较高,该研究成果未得到有效推广。

到目前为止,我国雷达系统的仿真主要还是基于SPW、ADS(advanced design system)、VC++、Matlab 的Simulink 等已有的软件平台,构建基于参数和函数的模型,完成系统的数字仿真。虽然取得了一些成果,但对高逼真度的信号级数字仿真研究较少。同时由于雷达系统较为复杂,涉及专业较多,各子系统的相互耦合影响无法有效模拟。目前我国雷达系统各专业仿真主要存在以下几方面问题:

a) 各专业仿真软件建模层次不一致,且均局限于本专业领域的性能仿真,对专业间的相互影响无法模拟;

b) 仿真软件平台兼容性不够,使得开发的模型应用受限,无法有效支撑协同设计;

c) 仿真软件的人机交互界面不友好,给仿真带来不便;

d) 缺乏软件模型和数据文件的管理维护,基础模型查找困难且更新不便。

本文结合前期的研究成果和相关实践,根据雷达系统的研制特点,开展数字/模拟集成电路设计、结构设计、电磁场仿真、多处理器信号协同处理等多个专业协同的雷达信号级数字建模仿真方法研究。

2 雷达虚拟样机信号级仿真技术的体系结构

2.1 信号级仿真方法分析

虚拟样机数字仿真是一门多学科融合的技术。当前的数字仿真主要有两类:功能级仿真和信号级仿真。二者的不同之处在于:功能级仿真只处理信号的幅度信息,适合建立高度抽象的系统级参数模型;而信号级仿真既处理信号的幅度信息又处理信号的相位信息,可表征信号处理内部信息的交互关系,适用于性能指标验证或优化模型的建立。

数字仿真虽然逼真度略逊于半实物仿真,但具有研制经费低、使用方便灵活等特点。尤其是在方案论证和设计阶段,利用数字仿真技术确定设计方案,进行最优设计是非常有效的。近年来,随着计算机技术的发展,包括雷达、无线电通信等在内的现代电子信息系统都在向数字化方向快速发展。例如在雷达系统中,系统控制、信号处理、数据处理、显示等功能大部分是用计算机软件实现的。同样,侦察接收机、辐射源信号分选处理器、干扰资源控制管理器、数字化干扰源等都采用了计算机技术。因此,利用数字仿真技术在信号及信息处理层面对雷达系统进行建模仿真,在一定程度上能够满足雷达系统方案设计、性能预测和效能评估的逼真度要求。

2.2 信号级仿真建模

雷达信号级仿真是对雷达系统的本质属性、功能及性能进行分析,并获得试验结论的研究过程。信号级仿真建模过程由一系列基本研究步骤组成,如图1所示。

图1 雷达虚拟样机信号级仿真建模步骤

第一步:仿真应用需求分析。主要针对系统的应用需求,选择适合的建模方法及匹配的模型颗粒度。

第二步:仿真对象系统分析。通过对实际系统的详细分析,提炼出能反映实际系统本质属性的各种因素(性能指标参数、工作流程、工作模式、信号处理算法等)及相互关系,为下一步的系统建模奠定理论基础。

第三步:系统仿真模型建立。根据第二步分析得到的结果,建立实际系统的仿真模型,并对仿真模型的输入、输出及控制数据进行梳理,用于后续模型算法和软件的校验和测试。同时对模型结构和模型数据采用专家评价法进行确认,以保证所建立的模型结构和数据有合理的对应关系。通常这是一个静态的理论分析过程。

第四步:模型算法软件编制。将上述的概念模型转化为在计算机上运行的程序代码,该步骤对复杂信号处理设备的仿真特别关键。模型算法可以采用通用语言或仿真语言编程实现。对于复杂的信号级仿真模型,应采用面向科学与工程计算的高级语言进行验证,再进行实际工程语言实现。

第五步:模型算法校核验证。算法校验过程也是系统仿真中的关键步骤,通过校验的算法模型可用于下一步仿真系统软件编制。

第六步:仿真系统软件编制。即对行为级的模型进行建模,主要有描述电磁环境对雷达系统性能影响的环境模型,以及用于雷达系统与外部环境信息交互的服务模型等。将这些模型进行有序组合,即可构成完整的仿真模型。

第七步:仿真模型确认测试。对实际系统开展研究,设计典型的真实试验场景。对模型进行校验与评估,特别针对颗粒度较细的信号级仿真,模型设计较为复杂,需从不同的视角,对模型进行全面测试。

最后一步:仿真系统运行结果分析。评估能否利用仿真模型代替实际系统进行仿真试验验证。针对仿真模型的随机变量,采用数理统计方法对仿真结果进行统计分析,给出评估指标,支撑后续方案的迭代优化。

2.3 信号级模型划分

雷达虚拟样机信号级模型是建立在一个或多个不同专业领域上的模型,依赖不同子系统模型的集成,按照数据流传输关系,完成动态的数字仿真模拟。通过对子系统进行模块化设计和模块间接口的标准化设计,完成模块间的调用及信息交互,实现协同联合仿真,并对仿真结果进行评估,实现用户需求的闭合。同时可与物理样机进行对比,完成模型的校验及迭代,最终达到模型指导物理样机工程研制的目标。一般情况下,雷达虚拟样机信号级模型将随着产品研制不断细化、迭代和完善,最终形成一套全生命周期的系统模型。雷达虚拟样机信号级模型框架如图2所示。

图2 雷达虚拟样机信号级模型框架

雷达虚拟样机由电子系统仿真软件和雷达系统模型库两部分组成。电子系统仿真软件包括核心运行环境及系统软件基础模块。通过对电路、参数及算法等进行信号级建模,完成雷达波形、射频系统及信号处理算法仿真,实现雷达系统性能的定量分析和指标评估。雷达系统模型库由基础模型库、样机模型库、信号处理算法库、典型测试场景用例库等组成。其中,基础模型库主要用于提供雷达波形和噪声、杂波等信号模型,以及射频系统、中频系统、模数变换电路等雷达子系统的信号级模型。通过对基础模型库的集成,可形成不同体制雷达样机模型库。

3 雷达虚拟样机信号级仿真支撑环境

雷达虚拟样机信号级仿真方法是通过模拟雷达、目标、环境各个关键环节对雷达信号的数据流的处理过程,建立完整的雷达、目标、环境间信息流动与处理的动态闭环仿真环境,为后续的物理样机研制及算法研究提供支撑。

雷达虚拟样机信号级建模的支撑环境应具备下列特征:

a) 提供一个集成、开放的建模环境,在该环境下可以进行电路级、参数级、算法级的子系统数字化建模,以实现雷达系统信号级仿真及复杂场景的仿真;

b) 具备射频和基带子系统信号级联合仿真能力,可综合考虑射频、信号处理、控制等子系统参数间的相互影响;

c) 提供一个开放、准确、高效的仿真控制和分析平台,在该平台上可以对复杂系统的仿真时序进行控制,并实现系统功能与性能指标的分析评估;

d) 提供一系列可用于子系统中各参数优化设计的数据交互通道,从而实现数字化样机在不同层次上的优化设计,提高模型逼真度的迭代效率;

e) 提供一个集成、开放且能与不同环境或平台进行数据互访的数据库,从而实现虚拟样机在全生命周期内的开放性,最大限度提高所建样机的可操作性。

4 雷达虚拟样机信号级仿真关键技术

虚拟样机技术作为一种数字化的设计、开发、验证手段,为突破物理样机和仿真试验的快速迭代验证设计技术提供了重要支撑。结合国内建模仿真研究存在的主要问题,如仿真无统一的标准化设计规则、多种开发软件不能兼容、仿真模型的扩展性和可维护性较差等,对雷达虚拟样机信号级仿真方法的关键技术进行总结。

(1) 多专业虚拟样机模型库构建技术

雷达虚拟样机用于描述雷达客观存在的物理特性。因雷达系统较为复杂,且各子系统相互之间耦合紧密,其模型不仅要覆盖天线、射频、控制、信号处理等不同专业,还要考虑关键器件的非理想因素,如射频损伤等。雷达系统模型种类复杂,精确构建难度较大。随着未来空天领域对雷达探测及抗干扰能力要求的不断提升,雷达逐渐向多维度、多波段、高集成方向发展,对模型的多样性、通用性、逼真度和构建的便利性都提出了更高的要求。为了快速实现定制化系统模型库,模型的描述方法研究和标准化接口设计也是模型库构建的一项大工程。

(2) 射频和基带信号的混合仿真技术

雷达系统由信号处理、射频、天线等子系统构成。为了实现波形生成、射频发射、回波生成、射频接收、中频接收、基带信号处理等完整链路的信号级仿真,要求虚拟样机具备基带信号与射频信号的混合仿真能力。电子系统仿真平台[12-13]提供了同步数据流仿真引擎和射频系统仿真引擎,可以采用时域仿真和频域仿真等多种技术。先进行频域仿真,射频信号经下变频等处理后,再进行数字信号仿真,并对基带信号处理子系统与微波子系统混合仿真的时间同步进行分析,实现基带和射频仿真的整合,用于评测雷达系统的性能。

(3) 多平台协同仿真技术

多平台协同仿真技术是在数字建模的基础上,利用虚拟样机一体化验证平台,根据仿真任务的需求,调用不同平台模型,通过软件提供的开发接口,按照特定控制时序,实现不同平台的静态和动态协同仿真控制。因此雷达虚拟样机信号级协同仿真技术,不仅要实现接口的通用化、人机的友好交互、数据的共享访问与传输,还要解决数据处理量较大模型(如雷达与目标运动耦合模型、信号处理算法模型、杂波模型等)的时间同步问题,以免影响任务调度。

(4) 模型管理技术

雷达系统较为复杂,在建模仿真过程中会生成大量的数据文件。对模型数据进行有效的管理,不仅能够方便技术人员进行模型开发以及查阅,更可为日后的数据维护和优化提供有效保障。数字化协同设计平台具有平台服务器搭建、数据库设计等功能,可以实现虚拟样机模型信息与仿真信息的存储、共享与管理,同时形成友好的人机交互界面。

5 雷达虚拟样机信号级仿真应用场景

结合上述虚拟样机信号级建模方法及关键技术研究成果,针对雷达、目标和干扰环境相互耦合影响,导致高逼真仿真实现难度较大的问题,本文提出一种多专业协同的信号级仿真技术,从仿真模型库构建、信号流仿真控制、模型分析和评估等方面,实现多专业协同的雷达虚拟样机全流程信号级仿真。该虚拟样机用以支撑产品方案论证、指标分解优化、整机仿真验证,支撑实物样机的迭代设计优化及辅助验证,并支撑产品的快速研制,快速实现虚拟模型到实物样机的转换。

5.1 模型建立

以典型主动雷达为例,开展虚拟样机信号级数字建模仿真。根据实际应用需求,将雷达虚拟样机模型库分为射频和基带子系统模型库、目标环境模型库、信号处理算法模型库、典型测试用例模型库等,其组成如图3所示。

图3 典型主动雷达虚拟样机模型库组成框图

首先,进行信号级建模,建立射频模型、基带子系统模型、目标回波模型、干扰及杂波模型、目标回波模型等基本模型。射频模型为基于器件的原理性模型,模拟其硬件平台的设计,主要包括频率综合器模型、发射机模型、天馈模型、雷达平台运动学模型、伺服系统模型、接收机模型等。基带子系统模型包括通信接口模型和基带数字接收模型。目标环境模型主要包括目标雷达散射截面积(RCS)模型、目标运动学模型、目标回波模型及干扰、杂波模型等。

然后,基于多线程编程的仿真方法,模拟基于多核DSP信号处理系统的并行流水机制和各软硬件耦合模块数据通信功能,进行信号处理时序控制、检测跟踪等信号处理算法模型库的建立,实现目标的检测及仿真结果上报。信号处理多线程仿真流程如图4所示。通过对信号处理系统多处理器协同工作方式的模拟仿真,实现代码的快速移植。

图4 信号处理多线程仿真流程框图

最后,利用Matlab软件的界面工具,开发综合仿真控制界面,实现仿真参数设置、仿真控制、仿真结果后处理与显示、仿真数据导入与导出、仿真控制指令发送等功能,用于后续仿真结果分析。

5.2 信号流仿真控制

利用仿真平台高性能数据流仿真引擎,建立了系统控制界面与射频及信号处理等子系统间、时序控制模块与信号处理子系统间的数据交互机制,实现了模拟目标回波条件下,雷达系统射频和基带全链路的数字化闭环仿真。其仿真数据流如图5所示。

图5 仿真数据流示意图

5.3 模型分析和评估

以方案指标闭合迭代优化为目标,进行仿真模型的应用验证。通过构建典型仿真测试用例模型,包括目标、干扰、雷达工作参数等的配置,对射频及信号处理等子系统参数间的相互耦合影响关系进行模拟。通过对仿真结果的分析,可以协助方案指标优化设计。

模型仿真结果正确性可以从仿真时序控制、模型参数提取、混合仿真耦合影响等方面进行评判。通过对产生的时序信号的参数(调制脉冲宽度、距离波门宽度、脉冲重复周期等)与时序配置参数的一致性进行对比,分析仿真时序控制的正确性。对原始目标回波信号进行采样和参数(脉宽、带宽、幅度、信噪比等)提取,结合装订目标和干扰特征参数(距离、角度、速度、雷达散射截面积、干扰类型等),分析目标模型、干扰模型、射频模型、信号处理目标提取算法模型以及抗干扰流程的正确性,并将模型和流程的正确性作为信号处理仿真代码能否在实物硬件平台快速移植的评判标准。对射频模型各个关键器件的监测信号及目标上报结果进行提取,一方面分析射频和基带的相互影响,另一方面联合分析整机电性能指标,如发射功率、天线增益、噪声系数、灵敏度、动态范围等的闭合性。耦合影响下指标的闭合性将作为各射频子系统迭代优化设计的依据。

对典型主动雷达系统进行虚拟样机信号级建模,并对仿真模型进行了分析和评估。结果表明,该方案解决了不同专业仿真平台的联合仿真问题,具有射频和基带混合仿真能力,可以实现射频和基带、目标和干扰之间相互耦合影响的信号级模拟。通过对射频模型进行器件级原理性仿真建模,并形成通用的基础模型库,可以有效指导物理样机的研制。采用多线程编程技术,可以有效模拟多处理器信号处理系统,实现软件代码在硬件平台上的快速移植。通过对仿真结果的提取,可以协助不同专业设计人员协同完成方案指标的闭合分析。

6 结束语

雷达虚拟样机信号级仿真技术可以解决多专业联合仿真的问题,消除各子系统数据孤岛。通过内场场景构建,可以协助设计人员完成对雷达方案性能指标的评估及优化。目前建立的干扰、目标回波等模型比较单一,且逼真度不够,导致虚拟样机对抗干扰算法的验证优化作用受限。因此,在虚拟样机应用时,需结合国内外先进虚拟样机技术成果和空天雷达的发展趋势,在以下几个方面开展深入研究。

(1) 考虑力、热、电耦合的建模技术

雷达虚拟样机的信号级仿真是对射频和基带模型进行电路级、参数级建模,但对于对力、热环境因素等较为敏感的系统,如伺服系统、频率综合器等,应从建模原理和建模方法等方面对建模的有效性进行研究。

(2) 高逼真度回波建模技术

初期信号级仿真模型一般用于基本电性能指标评估,若回波模型逼真度不够,在抗干扰算法迭代优化的应用上会存在不足。雷达面临的目标和干扰类型众多,场景复杂,同时目标RCS和极化等电磁特性受外界环境、雷达视线方向等因素影响较大。如何精准地构建高逼真度回波模型,消除耦合因素的影响,进而实现雷达探测的精准仿真仍是一个难题。后续应从多学科角度综合考虑,开展动态回波模型设计。

(3) 仿真效率优化技术

随着模型的复杂度越来越高,模型的计算量越来越大,对仿真的速度及效率提出了更高的要求。设计合理的多学科建模及交互方法是提高虚拟样机仿真速度的有效途径。

综上所述,虚拟样机信号级仿真技术作为一种新的产品设计、开发和验证手段,可较真实地模拟、评估雷达系统各项性能指标,为产品的方案论证、系统设计、样机研制提供有效指导。随着雷达面临的电磁环境日益复杂,复杂电子设备的系统级虚拟样机建模需求将越来越大。研究不同层次的高逼真度的数字仿真模型,可以为雷达系统的研制、生产和性能评估提供有效的技术支撑。