基于瞬态信号多层次建模的多辐射源动态场景信号模拟软件设计与实现

摘要：随着我国在雷达、通信等领域的发展，多辐射源动态场景模拟信号扮演着越来越重要的角色。本文以模块化、层次化的建模思想为基础，利用多辐射瞬态场景多层次模块化设计、多准则优化的脉冲选丢设计以及复杂环境下雷达辐射源建模设计方法，完成了对多辐射源动态场景模拟软件的实现，满足了相关测试测量需求。

关键词：模块化；层次化；多准则优化；雷达辐射源建模

一、引言

随着我国在雷达、通信等领域的发展，多辐射源动态场景模拟信号扮演着越来越重要的角色。本文基于瞬态信号多层次的建模思想，完成了对多辐射源动态场景模拟软件的实现，满足了相关领域的测试测量需求。

二、设计思路

本文采用模块化、层次化的方法设计，实现多辐射瞬态场景信号模拟软件。在场景架构设计方面，采用自下而上的设计方法，先设计底层模块，并且顶层模块可以直接调用底层模块，同时，任何层级的模块均可以存储到仿真模型库中进行调用。另外，针对多个辐射源信号重叠产生的脉冲丢失问题，采用基于多准则优化的选丢方法降低脉冲丢失率，尽可能多地保留辐射源信号特征。

三、设计与实现过程

（一）多辐射瞬态场景多层次模块化设计与实现

现实中，辐射源种类繁多，无法采用穷举法对所有设备进行一对一建模，急需形成一种有代表性的统一描述模型。

一般场景的构建过程包括平台层、辐射源层、模式层、脉冲序列层、脉冲层，整体采用自下而上的方法进行设计实现，如图1所示。

脉冲层主要完成各类脉冲信号调制、包络、脉宽、上升下降时间等重要参数的设置，是保证各类复杂多辐射源信号能够准确产生的基础。在脉冲层的实现过程中，需要综合考虑多种复杂信号。

脉冲序列层通过调用脉冲层各个脉冲模块完成脉冲序列实现，主要设置参数为脉冲重频方式[1]、脉间频率功率捷变等，实现从单个脉冲到辐射源信号的转换。脉冲序列层反映的是多辐射源信号的脉间特征，对辐射源脉冲序列分选识别具有重要的意义。

在实际情况中，各个辐射源可能处于多种工作模式。针对这种情况，模式层可以设计多种模式模块供上层辐射源模块调用，同时可以对天线方向图和天线扫描方式等参数进行具体设置。

辐射源层主要完成的是对单个辐射源频率、功率以及坐标系位置等参数的设置，每个辐射源可包含多种工作模式。

平台层实现的是各辐射源的空间布局，平台类型包括空中目标、海面目标及地面固定目标。单个运动平台可能包含多个辐射源，每个辐射源都处于独立的工作状态。

（二）多准则优化的脉冲选丢设计与实现

多辐射源动态场景信号的模拟是利用场景信号模拟软件产生脉冲描述字[3]（PDW）驱动硬件平台进行信号发生的过程，其工作流程如图2所示。

从流程图中可以发现，产生多辐射源信号PDW后，还需要解决脉冲排序和脉冲重叠两个关键问题。

首先，为了生成一个多辐射源脉冲信号的有序序列，我们需要对所有脉冲按照到达时间[4]（TOA）的大小进行排序融合，具体步骤是：

1.我们通过比较多辐射源信号的首脉冲到达时间TOA1，选取全序列首脉冲信号TOAmin，将其依据雷达方程计算所得的PDW參数存入首内存单元；

2.基于该辐射源的最小到达时间TOAmin以及脉冲重复周期（PRI）作为参考，计算出该辐射源下一个脉冲的到达时间以替代首脉冲到达时间TOA1；

3.重复第1步和第2步，就可完成对多辐射源脉冲信号的TOA排序。

由于整个模拟过程采用时分复用的模拟原则，因此要尽量避免多辐射源脉冲序列信号的时域重叠现象，即某一脉冲的脉冲宽度大于等于该脉冲与后一脉冲的到达时间之差。当几个脉冲发生重叠时，针对不同的系统和系统目标，对系统资源有不同的调度准则。

1.脉冲丢失最少准则

脉冲丢失最少准则，即在多辐射源模拟时分复用的基础上，丢弃最少的脉冲信号。

2.概率模拟准则

概率模拟准则就是使每个辐射源按照一定的预设概率进行模拟，模拟时可通过门限等方式进行概率控制。

3.预设优先级准则

根据用户需求，辐射源的重要程度也不同，在场景设置时可以对每个辐射源的优先级进行设置。

4.先到先服准则

先到先服准则即优先把资源分配给先到来的任务。

在多辐射瞬态场景信号模拟过程中，当脉冲重叠需要进行选丢时，本文采取多准则优化的脉冲选丢的方法，对需要模拟的电磁环境进行分析评估，选择其中一个脉冲。

假设第i个辐射源的威胁等级用Ai表示，信号功率用Bi表示，到达时间用Ci表示，辐射源种类用Ci表示，总共有N种需要综合的因素。通过对电磁态势评估确定每种准则的选择系数αn，通过下式得到第i个辐射源的优先选择系数：

Pi=α1 Ai+α2 Bi+α3 Ci+…αN Ni（1）

其中α1+α2+α3+α4+…+αN=1，对K个辐射源信号的优选系数进行比较，选取最大的Pi值对应的脉冲，其余脉冲丢弃。

（三）复杂环境下雷达辐射源建模设计与实现

在多辐射源场景信号模拟的过程中，为了展示多辐射源动态复杂场景下的环境因素影响，首先要建立起环境因素影响的数字化模型。

电磁波衰减的产生主要来源于大气中氧气和水蒸气等对电磁波的吸收。吸收衰减值与海拔高度呈线性关系，因此，各海拔高度的衰减值都可通过海平面的衰减值递推得出。

具体来说，我们通过下式就可以推算出电磁波传播衰减（dB）值[5]：

L=20 log（4πr/λ）-20 logF+la （2）

其中，r是雷达辐射信号的传播距离，F为传播因子，la是吸收衰减值。

结合上式的环境衰减与标准雷达方程[6]，雷达接收功率Pr可表示为：

（3）

其中，Pt表示雷达发射功率；σ是目标反射截面积，F为传播因子；λ是模拟信号波长；R是辐射源信号传播距离；ls 是系统衰减值，la 是吸收衰减因子。Gt 、Gr 分别表示雷达发射与接收增益；由于单站雷达Gt =Gr =G，因此，标准雷达方程可更新为：

（4）

进而递推传播损失L为：

L=-20 log a （5）

則标准雷达方程可更新为：

（6）

为确保多辐射源接收端能够正常检测到辐射输出信号，接收信号的功率值必须高于其接收灵敏度，即可检测的最低功率值Smin。

雷达最小可检测信号功率Smin表示的表达式为：

Smin=kT0 B0 F0 D0 （7）

其中，k代表玻尔兹曼常数；T0代表标准室温290K；Bn为接收噪声带宽；F0为接收噪声系数；D0代表检测因子；当Pr=Smin时，通过计算可得到雷达最小可检测信号时的衰减最大门限值Lmax，通过计算得到多辐射源场景信号的空间传播衰减。

四、多辐射源动态场景信号模拟软件使用效果展示

本文采用模块化、层次化的方法设计与实现多辐射瞬态场景信号模拟软件，其中多层次参数设置界面，多辐射源动态场景态势显示界面如图3、图4所示。

五、结束语

本文基于瞬态信号多层次建模的思想，利用多辐射瞬态场景多层次模块化设计、多准则优化的脉冲选丢设计以及复杂环境下雷达辐射源建模设计方法，完成了对多辐射源动态场景模拟软件的实现，能够满足相关测试测量环境中对复杂动态电磁场景信号的需求。

作者单位：张志斌 中电科思仪科技股份有限公司

参  考  文  献

[1]夏梦营，苏卫民，顾红，等.基于多重频脉冲串信号解速度模糊的研究[J]，电子信息学报，2017.03

[2]张光义.相控阵技术在机载火控雷达中的应用[J]，现代雷达，1995.02

[3]周志文，黄高明，陈海洋，等.雷达辐射源识别算法综述，电讯技术[J]，2017.08

[4]肖竹，王勇超，田斌，等.超宽带定位研究与应用：回顾和展望[J]，电子学报，2011.01

[5]李清亮.海上目标短波散射特性理论与数值研究[D]，西安电子科技大学，2004

[6]黎海涛.超宽带雷达关键技术研究[D]，电子科技大学，2002