史軍軍，焦念君

(1.解放軍69079 部隊(duì)博士后科研工作站，烏魯木齊 830013;2.解放軍68002 部隊(duì)，蘭州 730101)

0 引 言

在一定的地域內(nèi)，各電子設(shè)備輻射的電磁信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)綜合，就構(gòu)成了戰(zhàn)場電磁信號(hào)環(huán)境的主體。當(dāng)前，隨著各種新體制雷達(dá)的使用，電子作戰(zhàn)部隊(duì)在戰(zhàn)場上將面臨復(fù)雜、密集、交錯(cuò)和多變的信號(hào)環(huán)境，這對(duì)于雷達(dá)技戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮和裝備的保障及雷達(dá)兵的心理都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，對(duì)日常訓(xùn)練和戰(zhàn)斗力的生成都提出了更高的要求和挑戰(zhàn)［1～4］。由于雷達(dá)對(duì)抗偵察是雷達(dá)干擾的前提和基礎(chǔ)，提高偵察人員利用偵察裝備獲取雷達(dá)信息就成為提高雷達(dá)對(duì)抗能力的關(guān)鍵。對(duì)于缺乏實(shí)際信號(hào)環(huán)境的日常訓(xùn)練而言，利用模擬技術(shù)研制相關(guān)的訓(xùn)練模擬系統(tǒng)是國內(nèi)外普遍采取的途徑。先后有許多學(xué)者提出了多種利用模擬器材構(gòu)建戰(zhàn)場環(huán)境的思路［5～8］。但這些基本上都是從純技術(shù)或者純理論的角度進(jìn)行分析，模擬器材主要用于雷達(dá)分系統(tǒng)或者相關(guān)設(shè)備的測試，還無法完全滿足部隊(duì)的訓(xùn)練需求。從技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)兩個(gè)方面對(duì)此進(jìn)行了分析，指出了用于部隊(duì)訓(xùn)練的模擬器應(yīng)該具備的功能;然后從雷達(dá)參數(shù)建模、軟硬件設(shè)計(jì)等方面對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的探討，在此基礎(chǔ)上提出了一種模擬構(gòu)建動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境的新思路，并研制了相應(yīng)的系統(tǒng)。

1 構(gòu)建動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境的需求分析

雷達(dá)對(duì)抗動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境構(gòu)建是在依據(jù)信息化作戰(zhàn)場景所設(shè)置的威脅雷達(dá)的類型、型號(hào)、體制、用途和特征參數(shù)，載體平臺(tái)的位置和載體運(yùn)動(dòng)的軌跡，在考慮雷達(dá)對(duì)抗偵察平臺(tái)同多個(gè)雷達(dá)輻射源之間的相對(duì)距離和方位、天線方向圖特性和掃描方式等的基礎(chǔ)上，模擬產(chǎn)生雷達(dá)對(duì)抗偵察設(shè)備面臨的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境。其主要目的是為電子作戰(zhàn)部隊(duì)提供真實(shí)的、動(dòng)態(tài)的、貼近于實(shí)戰(zhàn)的信號(hào)環(huán)境，用于作戰(zhàn)人員的日常訓(xùn)練和裝備性能的檢驗(yàn)，提高部隊(duì)的技戰(zhàn)術(shù)水平。對(duì)構(gòu)建雷達(dá)對(duì)抗動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境的需求可以從技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)兩個(gè)方面加以分析。

1.1 技術(shù)需求

雷達(dá)信號(hào)模擬是雷達(dá)對(duì)抗動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境構(gòu)建的主要對(duì)象，也是在日常訓(xùn)練中所需要的主要信號(hào)。從技術(shù)方面講，雷達(dá)對(duì)抗動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)應(yīng)該具備各種體制雷達(dá)信號(hào)的生成功能，也應(yīng)該具備多部雷達(dá)交疊信號(hào)的模擬能力。

一般而言，雷達(dá)對(duì)抗偵察裝備的主要作戰(zhàn)對(duì)象是預(yù)警探測雷達(dá)和火控雷達(dá)兩類。兩類雷達(dá)都可以按照掛載平臺(tái)的不同，分為地面雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)和艦載雷達(dá)等類型。從信號(hào)環(huán)境的角度來講，系統(tǒng)應(yīng)該具備模擬常規(guī)脈沖、連續(xù)波、重頻參差、重頻抖動(dòng)、脈沖多普勒、線性調(diào)頻、V 型調(diào)頻、相位編碼、頻率捷變、多載頻及分集等信號(hào)的功能，而且需要具備模擬達(dá)到一定密度信號(hào)環(huán)境的能力。

1.2 戰(zhàn)術(shù)需求

任何電磁信號(hào)環(huán)境的構(gòu)建都需要集中特定的地域、特定的空間、特定的時(shí)間段、特定的作戰(zhàn)背景、特定的頻段范圍和與之相關(guān)的電子設(shè)備等因素進(jìn)行綜合考慮。面向電子作戰(zhàn)部隊(duì)訓(xùn)練的信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)應(yīng)該具備戰(zhàn)術(shù)想定的編輯、設(shè)置和生成功能，具備管理數(shù)據(jù)生成的控制功能和特定場景方案的回放再現(xiàn)功能。合理的編輯仿真戰(zhàn)術(shù)想定，生成合適的仿真戰(zhàn)術(shù)背景對(duì)生成的電磁信號(hào)環(huán)境具有重要影響。對(duì)此應(yīng)該有清晰的模型予以描述，在本系統(tǒng)中，需要重點(diǎn)考慮的是敵對(duì)雙方電子輻射裝備的種類和數(shù)量、敵對(duì)雙方輻射源的分布位置、技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)、機(jī)動(dòng)情況、用頻規(guī)律、工作體制和樣式和信號(hào)特征等［5］。

動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)應(yīng)該具有電磁信號(hào)態(tài)勢的顯示功能。戰(zhàn)場電磁信號(hào)環(huán)境的態(tài)勢顯示可以真實(shí)反映信號(hào)環(huán)境的變化，對(duì)戰(zhàn)場指揮員的科學(xué)決策具有重要的輔助作用。文獻(xiàn)［9］通過對(duì)偵察接收機(jī)接收到的信號(hào)脈沖流進(jìn)行建模，在時(shí)域、頻域、空域和功率域的統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，直觀、定量的表述了電磁信號(hào)環(huán)境態(tài)勢。信號(hào)環(huán)境態(tài)勢顯示作為戰(zhàn)場電磁環(huán)境態(tài)勢顯示的主要組成部分，可以為指揮員直觀地了解、把握戰(zhàn)場電磁態(tài)勢，合理部署、優(yōu)化配置裝備提供決策依據(jù)。

2 動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 雷達(dá)信號(hào)的參數(shù)建模

對(duì)于脈沖雷達(dá)，可以用脈沖描述字(PDW)來描述射頻信號(hào)的基本特征。換言之，對(duì)雷達(dá)參數(shù)的建模也主要包括頻率(RF)、脈寬(PW)、到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)角(DOA)和脈幅(PA)模型的建立，示意圖如圖1 所示。

圖1 參數(shù)建模部分示意圖

1)信號(hào)頻率的建模

在信號(hào)頻率建模中，頻率RF 的模型主要有以下幾類。

假設(shè)第一個(gè)脈沖的載頻為f0，對(duì)應(yīng)第K 個(gè)脈沖的頻率為fK，則對(duì)于固定載頻雷達(dá)信號(hào)

對(duì)于頻率捷變雷達(dá)，假設(shè)捷變范圍為Δf

對(duì)于頻率跳變雷達(dá)，假設(shè)跳變頻率點(diǎn)數(shù)為N，分別為f1，f2，…，fN，則

對(duì)于脈組頻率跳變，設(shè)跳變頻率點(diǎn)數(shù)為N，分別為f1，f2，…，fN，S 為脈組數(shù)

2)信號(hào)重頻的建模

脈沖重復(fù)頻率是脈沖重復(fù)間隔的倒數(shù)，是脈沖雷達(dá)的重要特征，也是信號(hào)分選所采用的重要參數(shù)。下面給出幾種常見的雷達(dá)脈沖信號(hào)的脈沖重復(fù)頻率模型。

假設(shè)某一雷達(dá)第K 個(gè)脈沖和第K +1 個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔記為PRIK，則前兩個(gè)脈沖之間的間隔為PRI0，對(duì)于固定重頻雷達(dá)(常規(guī)雷達(dá))

對(duì)于重頻參差雷達(dá)，假設(shè)參差數(shù)為N，重復(fù)間隔為PRI0，PRI1，…，PRIN－1，模型為

雷達(dá)每經(jīng)過N 個(gè)脈沖，各參差PRI 循環(huán)變化一次，參差PRI 脈沖列的總重復(fù)周期等于所有參差周期之和。

對(duì)于重頻抖動(dòng)的雷達(dá)信號(hào)，設(shè)抖動(dòng)范圍為ΔPRI)

對(duì)于脈組重頻參差雷達(dá)信號(hào)，設(shè)參差數(shù)為N，重復(fù)間隔值為PRI1，PRI2，…，PRIN，脈組數(shù)為S

對(duì)于PRI 跳變的雷達(dá)信號(hào)，假設(shè)跳變重復(fù)間隔分別為PRI1，PRI2，…，PRIN，則

對(duì)于PRI 參差抖動(dòng)雷達(dá)信號(hào)，其重復(fù)頻率為重頻參差間隔加上隨機(jī)抖動(dòng)，具體模型為

3)脈沖幅度的建模

脈沖幅度的建模主要涉及到天線方向圖的建模和天線掃描方式的建模。由于信號(hào)環(huán)境與偵察系統(tǒng)無關(guān)，所以脈沖幅度可用雷達(dá)輻射到達(dá)偵察系統(tǒng)接收天線處的功率密度S 表示。設(shè)雷達(dá)輻射功率為Pt，天線增益為Gt，F(xiàn)(φ)為歸一化天線方向圖，偵察系統(tǒng)與雷達(dá)距離為R，不考慮大氣傳輸損耗，則功率密度

雷達(dá)天線是雷達(dá)系統(tǒng)和外部空間互相聯(lián)系的接口，是雷達(dá)的一個(gè)重要組成部分。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩能量，通過天線以電磁波的方式向外界空間輻射，目標(biāo)散射的回波經(jīng)過天線的接收，送到接收機(jī)和終端設(shè)備進(jìn)行處理，得到目標(biāo)的信息。涉及到的天線特性主要有天線工作頻率、波束寬度，以及天線增益等。其中方向圖參數(shù)是雷達(dá)天線的重要參數(shù)，除了需要知道天線的水平波束寬度和垂直寬度之外，還應(yīng)具體知道方向圖的形狀。

本系統(tǒng)設(shè)定天線只有水平掃描，沒有俯仰掃描，而且僅僅考慮了電磁信號(hào)在平面中的情形，因此，建立了三種典型的一維方向圖:高斯型、余弦型和sinc函數(shù)型方向圖。根據(jù)目標(biāo)偏離天線軸線的角度，可以分別計(jì)算出方位方向圖衰減因子。對(duì)于機(jī)械掃描的雷達(dá)，如果要模擬出真實(shí)的雷達(dá)信號(hào)，必須要模擬天線的掃描方式。模擬系統(tǒng)中假定機(jī)掃雷達(dá)天線掃描方式有:圓周掃描、扇掃和連續(xù)照射等類型。

4)脈內(nèi)調(diào)制的建模

脈內(nèi)調(diào)制特征是現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)的重要特征，也是信號(hào)分選和識(shí)別的關(guān)鍵特征。在本系統(tǒng)中，可以通過軟件在線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和相位編碼中進(jìn)行靈活設(shè)置。

5)脈沖到達(dá)時(shí)間的建模

脈沖到達(dá)時(shí)間的建模，等同于脈沖重復(fù)間隔的建模。當(dāng)前脈沖的前沿到達(dá)時(shí)間主要與前一個(gè)脈沖的前沿到達(dá)時(shí)間和當(dāng)前脈沖重復(fù)間隔有關(guān)。假設(shè)第K 個(gè)脈沖的前沿到達(dá)時(shí)間為TOAK，則

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制過程中，脈沖寬度可以在一定范圍內(nèi)靈活設(shè)置，產(chǎn)生的脈寬是在設(shè)置值的基礎(chǔ)上加上微小的隨機(jī)抖動(dòng)，模型比較簡單，在此不做深入討論。

2.2 動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

模擬系統(tǒng)軟件部分主要通過網(wǎng)絡(luò)接收主控軟件下發(fā)的信號(hào)波形選擇、信號(hào)參數(shù)設(shè)置和雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等指令，經(jīng)由高速I/O 接口將其下載到相應(yīng)的波形產(chǎn)生、上變頻等硬件模塊，產(chǎn)生所需要的雷達(dá)信號(hào)。本系統(tǒng)為方便各部分的測試、調(diào)試和維護(hù)，采用模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)部分包括高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的嵌入式程序，完成信號(hào)類型的選擇、戰(zhàn)術(shù)想定的編輯、雷達(dá)參數(shù)的設(shè)置、脈沖流排序和合成等處理功能，主要由波形選擇模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、戰(zhàn)術(shù)想定編輯模塊和主控模塊組成。

波形描述界面如圖2 所示，主要完成系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所需要產(chǎn)生信號(hào)類型的選擇、信號(hào)參數(shù)的設(shè)置、信號(hào)特征的描述，以及基帶波形的顯示控制等功能。

圖2 波形描述界面

主控模塊是模擬系統(tǒng)產(chǎn)生和控制信號(hào)的關(guān)鍵模塊，主控界面如圖3 所示。假定偵察接收機(jī)部署在坐標(biāo)原點(diǎn)位置，偵察區(qū)域位于0° ～90°范圍、距離原點(diǎn)450 km 之內(nèi)的空間區(qū)域。在完成戰(zhàn)術(shù)想定的編輯，包括威脅雷達(dá)的部署、目標(biāo)雷達(dá)參數(shù)的設(shè)置、天線掃描方式的選擇和機(jī)載平臺(tái)的航跡編輯等的基礎(chǔ)上，通過實(shí)時(shí)計(jì)算和建立的模型生成所模擬的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)和脈沖幅度的衰減參數(shù)，然后將得到的脈沖序列數(shù)據(jù)運(yùn)用多路合成算法綜合成交疊的脈沖流，并將其通過高速I/O 卡下載到存儲(chǔ)器中，同時(shí)向信號(hào)生成模塊和射頻模塊發(fā)送指令，完成信號(hào)的變頻和放大，進(jìn)而通過天線向空間輻射，在一定范圍內(nèi)形成設(shè)定的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境。另外，模擬系統(tǒng)能夠?qū)庉嫷南攵ò凑招枰M(jìn)行分時(shí)段自動(dòng)保存，當(dāng)需要對(duì)某時(shí)段的信號(hào)環(huán)境進(jìn)行重現(xiàn)時(shí)，可以暫停新信號(hào)的產(chǎn)生，調(diào)用該時(shí)段的存儲(chǔ)文件，就可以完成對(duì)特定場景的回放，即模擬系統(tǒng)具備場景的重現(xiàn)功能，能夠滿足部隊(duì)對(duì)訓(xùn)練可重復(fù)性的需求，也為訓(xùn)練效果的評(píng)估和檢驗(yàn)提供條件。

2.3 動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)軟件主控界面

硬件設(shè)計(jì)部分主要包括直接數(shù)字頻率合成模塊(DDS)、脈沖形成電路和射頻電路的設(shè)計(jì)。DDS 模塊主要產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的各種頻率，尤其需要滿足跳頻信號(hào)源的要求。DDS 的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在寬頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生常規(guī)雷達(dá)信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)、頻率捷變信號(hào)都需要高性能和高可靠的DDS。本系統(tǒng)選擇DDS 作為基帶頻率合成器，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DDS 倍頻擴(kuò)展的方案，這是為了滿足系統(tǒng)對(duì)置頻精度和頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，細(xì)節(jié)將在另文論述。

脈沖形成電路主要根據(jù)雷達(dá)參數(shù)和信號(hào)樣式產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，并根據(jù)脈沖到達(dá)時(shí)間形成脈沖串。射頻信號(hào)產(chǎn)生電路包括上變頻、寬帶放大、濾波、數(shù)控衰減和寬帶天線等部分，主要完成信號(hào)的射頻調(diào)制和發(fā)射，數(shù)控衰減的目的是用于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的大小用于模擬天線的掃描和機(jī)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

在主控計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)有雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)庫和戰(zhàn)術(shù)想定數(shù)據(jù)庫。雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)庫保存有實(shí)際采集到的雷達(dá)基帶信號(hào)，可以按需要完成信號(hào)的載入、變頻和發(fā)射，模擬實(shí)際雷達(dá)的信號(hào);戰(zhàn)術(shù)想定數(shù)據(jù)庫保存有各種模擬場景，可以實(shí)現(xiàn)特定場景的調(diào)取和回放功能。硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖4 所示。

圖4 硬件實(shí)現(xiàn)框圖

以圖3 所示場景為例。機(jī)載雷達(dá)在機(jī)動(dòng)過程中與偵察接收機(jī)之間有距離的變化，從而引起偵察接收機(jī)接收到的脈沖在幅度上會(huì)出現(xiàn)一定的起伏，如圖5(a)所示，這在系統(tǒng)中由數(shù)控衰減器對(duì)脈沖幅度的衰減來實(shí)現(xiàn)，為簡化分析，沒有考慮天線掃描引起的脈沖幅度變化。接收到的地面雷達(dá)的脈沖是等幅脈沖串，如圖5(b)所示。在進(jìn)行兩路脈沖串的合成時(shí)，設(shè)定機(jī)載雷達(dá)的威脅等級(jí)高于固定雷達(dá)，所以在同一時(shí)刻兩部雷達(dá)的脈沖同時(shí)到達(dá)時(shí)，只保留機(jī)載雷達(dá)脈沖，合路信號(hào)經(jīng)過上變頻和放大，通過天線向外輻射，在作戰(zhàn)空間形成圖5(c)所示的脈沖流信號(hào)環(huán)境。

圖5 脈沖流信號(hào)環(huán)境形成示意圖

3 結(jié) 語

動(dòng)態(tài)、逼真的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬對(duì)于提高電子作戰(zhàn)部隊(duì)的訓(xùn)練效果，改變戰(zhàn)斗力生成模式，貼近實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練部隊(duì)都具有重要的軍事意義。結(jié)合部隊(duì)的實(shí)際情況，立足于模擬構(gòu)建雷達(dá)對(duì)抗動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境的訓(xùn)練需求，分別從技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)需求角度對(duì)信號(hào)環(huán)境模擬系統(tǒng)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種具備戰(zhàn)術(shù)背景設(shè)置、各種雷達(dá)信號(hào)的生成、特定方案回放等功能于一體的模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)于戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬具有一定的參考價(jià)值。

［1］王汝群.戰(zhàn)場電磁環(huán)境［M］.北京:解放軍出版社，2006.

［2］楊少華，岳明光，夏靜. 復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)兵心理對(duì)抗問題探析［J］. 空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25(1):38-42.

［3］王先義，陳丹俊，劉斌，等.復(fù)雜電磁環(huán)境戰(zhàn)場頻譜管理［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，3(4):338-344.

［4］閔全，王健，丁洪濤. 電磁環(huán)境復(fù)雜性的構(gòu)成因素與適應(yīng)對(duì)策［J］. 信息對(duì)抗學(xué)術(shù)，2007(4):16-17.

［5］EMIE CHUANG，SCOTT HENSLEY，KEVIN WHEELER.A Highly Capable Arbitrary Waveform Generator for Next Generation Radar Systems［C］//Aerospace Conference，2006 IEEE，2006:1-7.

［6］REN LIXIANG，LONG TENG. A Millimeter-Wave Broadband Radar Signal Simulator［C］//Proceedings of ICSP2000，IEEE，1938-1941.

［7］ NOUVEL J F，HERIQUE A，KOFMAN W. Radar Signal Simulation:Surface Modeling with the Facet Method［J］.Radio Science，2004(39):162-177.

［8］王海濱，申連洋. 基于AD9959 的多體制雷達(dá)信號(hào)源的設(shè)計(jì)［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(19):107-109.

［9］趙晶，劉義，來慶福，等. 基于脈沖流描述的戰(zhàn)場電磁環(huán)境態(tài)勢顯示方法［J］. 微波學(xué)報(bào)，2010，26(5):1-6.