安 紅，張雁平，楊 莉，張 朔

（電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610036）

0 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代雷達(dá)與雷達(dá)對(duì)抗裝備之間的競(jìng)爭(zhēng)與對(duì)抗性愈演愈烈，正如張錫祥院士說過的“沒有干擾不了的雷達(dá)，也沒有抗不了的干擾”，雷達(dá)與雷達(dá)對(duì)抗裝備在相互博弈進(jìn)而相互促進(jìn)的過程中，系統(tǒng)性能都得到了螺旋式的提升。雷達(dá)干擾與抗干擾的斗爭(zhēng)，沒有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，關(guān)鍵在于掌握多高的技術(shù)、擁有多大的資源，只有在平時(shí)積累更多的干擾和抗干擾技術(shù)，戰(zhàn)時(shí)才會(huì)有主動(dòng)權(quán)[1]。雷達(dá)和雷達(dá)對(duì)抗裝備作為典型的電子信息裝備，信號(hào)/數(shù)據(jù)處理是其核心，因此圍繞裝備的信號(hào)發(fā)射與接收處理過程進(jìn)行信號(hào)級(jí)的細(xì)粒度建模，逼真再現(xiàn)裝備與環(huán)境之間、裝備與裝備之間，以及裝備內(nèi)部的信息交互與處理流程，能夠比較真實(shí)地反映裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的系統(tǒng)性能及作戰(zhàn)效能。本文以雷達(dá)干擾/抗干擾技術(shù)研究為應(yīng)用需求牽引，首先針對(duì)2 類仿真方法涉及的四種模型粒度，分別給出了優(yōu)缺點(diǎn)和用途分析，然后在此基礎(chǔ)上介紹了雷達(dá)信號(hào)級(jí)建?；玖鞒?，重點(diǎn)討論了雷達(dá)信號(hào)級(jí)建模逼真度問題，最后對(duì)雷達(dá)信號(hào)級(jí)模型驗(yàn)證方法進(jìn)行了分析。

1 電子信息裝備仿真方法分析

將電子信息裝備信號(hào)處理過程建模的細(xì)致度作為裝備仿真方法分類的基本依據(jù)，目前在業(yè)界已達(dá)成共識(shí)，即分為功能級(jí)仿真和信號(hào)級(jí)仿真2 大類[2]。以雷達(dá)電子戰(zhàn)領(lǐng)域應(yīng)用為例，表1 給出了2 類仿真方法結(jié)合四種模型粒度的優(yōu)缺點(diǎn)及用途的分析。表中，系統(tǒng)參數(shù)模型是指根據(jù)雷達(dá)或雷達(dá)對(duì)抗裝備系統(tǒng)內(nèi)在固有參數(shù)和與場(chǎng)景相關(guān)的動(dòng)態(tài)信息，完成基于能量方程或檢測(cè)算法的模型解算；脈沖數(shù)據(jù)模型是指能根據(jù)場(chǎng)景信息以脈沖描述字方式對(duì)每個(gè)雷達(dá)輻射源仿真其發(fā)射的信號(hào)特征；基帶信號(hào)模型是指能根據(jù)雷達(dá)原始視頻信號(hào)（即零中頻基帶復(fù)信號(hào)，亦稱相干視頻信號(hào)）的數(shù)字采樣來實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理過程的仿真；中頻信號(hào)模型是指能根據(jù)雷達(dá)中頻信號(hào)的數(shù)字采樣來實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)接收機(jī)、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理過程的仿真。但無論是基帶信號(hào)模型，還是中頻信號(hào)模型，仿真中都要考慮信號(hào)發(fā)射頻率和場(chǎng)景信息對(duì)目標(biāo)探測(cè)性能的影響。從對(duì)比中可見，對(duì)于雷達(dá)干擾和雷達(dá)抗干擾技術(shù)研究而言，應(yīng)采用信號(hào)級(jí)仿真方法，建立雷達(dá)和雷達(dá)對(duì)抗裝備基于信號(hào)/數(shù)據(jù)流處理的全流程仿真模型，然后通過對(duì)雷達(dá)與雷達(dá)對(duì)抗裝備之間信息交互關(guān)系的數(shù)字化映射，構(gòu)建雷達(dá)電子戰(zhàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)，通過設(shè)置仿真場(chǎng)景開展對(duì)抗試驗(yàn)，真實(shí)重現(xiàn)電子戰(zhàn)與雷達(dá)、干擾和抗干擾之間相互作用的閉環(huán)回路，可以為雷達(dá)干擾和抗干擾技術(shù)研究提供仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證的手段[3]。

表1 雷達(dá)電子戰(zhàn)裝備仿真方法分析

2 雷達(dá)信號(hào)級(jí)建模方法探討

與雷達(dá)系統(tǒng)的功能級(jí)仿真相比，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)級(jí)仿真要復(fù)雜得多，這不僅是因?yàn)樾枰钊肓私夂腿嬲莆毡环抡胬走_(dá)從信號(hào)發(fā)射到接收處理整個(gè)流程的技術(shù)細(xì)節(jié)，還因?yàn)橐普鎻?fù)現(xiàn)目標(biāo)、環(huán)境等對(duì)雷達(dá)所接收的各類信號(hào)模型的影響，以及雷達(dá)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行接收處理與檢測(cè)跟蹤等各個(gè)環(huán)節(jié)的逼真建模，所以信號(hào)級(jí)雷達(dá)模型設(shè)計(jì)難度和研制工作量都很大。

2.1 雷達(dá)信號(hào)級(jí)建模的基本流程

要實(shí)現(xiàn)對(duì)具體型號(hào)或體制雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)級(jí)建模，首先必須全面掌握被仿真的雷達(dá)系統(tǒng)使命任務(wù)、系統(tǒng)組成、工作流程、主要技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能、工作模式及控制策略、抗干擾措施、信號(hào)波形設(shè)計(jì)、信號(hào)/數(shù)據(jù)處理算法及其參數(shù)等詳細(xì)技術(shù)資料，雷達(dá)技術(shù)資料掌握得越深入，則對(duì)該雷達(dá)建模的逼真度就越能夠得到保證。然后在此基礎(chǔ)上，對(duì)該雷達(dá)進(jìn)行基于信號(hào)/數(shù)據(jù)流處理過程的數(shù)字建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)該雷達(dá)從信號(hào)發(fā)射到回波信號(hào)接收處理、目標(biāo)點(diǎn)跡檢測(cè)與航跡跟蹤濾波的全過程仿真，如圖1 所示，從而在源頭上保證對(duì)雷達(dá)的信號(hào)與信息處理過程的高逼真建模。

圖1 雷達(dá)信號(hào)級(jí)仿真處理流程圖

2.2 雷達(dá)信號(hào)級(jí)建模的問題討論

在圖1 所示的雷達(dá)信號(hào)級(jí)建模過程中，雖然核心模型是信號(hào)級(jí)模型，但同時(shí)也包含了多種粒度的仿真模型，例如電磁信號(hào)空間傳播仿真中使用的大氣衰減模型、目標(biāo)回波信號(hào)仿真中使用的目標(biāo)起伏模型、環(huán)境雜波信號(hào)仿真中使用的雜波模型、雷達(dá)接收通道熱噪聲仿真中使用的噪聲模型等都是統(tǒng)計(jì)模型；對(duì)雷達(dá)發(fā)射/接收天線的仿真，可根據(jù)實(shí)際情況，或者選擇實(shí)測(cè)天線方向圖數(shù)據(jù)擬合模型（即數(shù)據(jù)模型），或者選擇數(shù)學(xué)公式擬合模型（即解析模型）；對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等射頻前端的仿真，考慮到在數(shù)字域上仿真實(shí)現(xiàn)的難度，可采用簡(jiǎn)化模型，但要將射頻前端的誤差影響添加到雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)中去；對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、資源調(diào)度的仿真，應(yīng)盡可能采用實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中的相應(yīng)處理算法模型。圖1 中，目標(biāo)回波信號(hào)、環(huán)境雜波信號(hào)、電子干擾信號(hào)各自經(jīng)過雷達(dá)接收天線方向圖調(diào)制后，在時(shí)域上進(jìn)行線性疊加以形成混合信號(hào)作為接收機(jī)仿真模型輸入信號(hào)，接收機(jī)仿真模型經(jīng)過中放帶通濾波、相干檢波處理后，將輸入的中頻實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為零中頻的基帶復(fù)信號(hào)（即相干視頻信號(hào)），因此后續(xù)的雷達(dá)信號(hào)處理算法仿真都是在信號(hào)復(fù)數(shù)域上進(jìn)行。

2.2.1 中頻信號(hào)仿真的必要性分析

對(duì)雷達(dá)進(jìn)行信號(hào)級(jí)建模時(shí)，選擇基帶信號(hào)仿真，還是中頻信號(hào)仿真，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求而定。以機(jī)載PD 火控雷達(dá)信號(hào)級(jí)建模為例，其模型基本邏輯組成如圖2 所示。

圖2 中，接收機(jī)模型主要模擬雷達(dá)的接收機(jī)部分，包含中放、相干檢波和A/D 采樣處理。中放處理主要是中頻放大和帶通濾波；相干檢波包括正交混頻和低通濾波，相干檢波實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)到正交基帶信號(hào)的變換；A/D 采樣處理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的降采樣和量化。由于雷達(dá)射頻頻率太高，如果模擬射頻部分則相應(yīng)的信號(hào)采樣率也很高，導(dǎo)致計(jì)算的數(shù)據(jù)量太大，仿真運(yùn)行會(huì)非常緩慢，所以雷達(dá)接收機(jī)的仿真可從中放處理開始，而且從射頻信號(hào)到中頻信號(hào)的變換過程是信號(hào)頻譜搬移的過程，在此過程中信號(hào)的幅度和相位信息并沒有損失，所以從中頻開始仿真也可以比較真實(shí)地反映信號(hào)射頻處理的基本特性。

基于中頻信號(hào)的仿真主要是考慮雷達(dá)在頻域上的一些抗干擾措施，例如掩護(hù)脈沖等，必須要有頻率信息，而且雷達(dá)接收機(jī)中放處理中包含了帶通濾波器，經(jīng)過帶通濾波后的目標(biāo)回波信號(hào)波形本身也會(huì)發(fā)生一些微小的變化，而且?guī)V波器可以濾除帶外的信號(hào)，當(dāng)干擾信號(hào)帶寬大于雷達(dá)信號(hào)帶寬時(shí)，帶外部分的干擾信號(hào)被濾除。特別是當(dāng)干擾信號(hào)波形比較復(fù)雜時(shí)，例如DDS 噪聲+DRFM 噪聲+假目標(biāo)等組合干擾樣式信號(hào)，是無法在干擾仿真模型中等效雷達(dá)接收機(jī)帶通濾波的效果，所以當(dāng)研究雷達(dá)干擾效果或雷達(dá)抗干擾效果時(shí)，都需要從中頻開始仿真，而不能直接從基帶開始仿真。

圖3 是雷達(dá)接收機(jī)輸入信號(hào)和經(jīng)中放處理后的輸出信號(hào)波形，從圖中可見，脈沖信號(hào)經(jīng)中放處理后，脈沖包絡(luò)變得圓滑，脈沖寬度略為展寬。

圖4 是雷達(dá)接收機(jī)輸入信號(hào)和經(jīng)中放處理后的輸出信號(hào)頻譜，接收機(jī)輸入的信號(hào)是目標(biāo)回波信號(hào)（帶寬2 MHz）與干擾信號(hào)（帶寬4 MHz）的混合信號(hào)，從圖中可以看出經(jīng)中放處理后，帶外的信號(hào)被濾除了。

2.2.2 雷達(dá)信號(hào)級(jí)模型逼真度與模型解算效率的權(quán)衡

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、資源調(diào)度基本上都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，雷達(dá)信號(hào)級(jí)模型應(yīng)盡可能采用實(shí)際系統(tǒng)中的相應(yīng)處理算法模型，盡量避免做大幅度的處理算法簡(jiǎn)化，原因是簡(jiǎn)化往往是以犧牲逼真度為代價(jià)的。但由于信號(hào)級(jí)模型涉及大量的信號(hào)產(chǎn)生與處理過程的復(fù)雜運(yùn)算，而且以串行處理方式為主的復(fù)雜模型解算不但需要消耗大量的計(jì)算資源，而且計(jì)算資源的負(fù)載也不均衡，所以模型解算速度較慢，很難做到實(shí)時(shí)仿真。為了提高信號(hào)級(jí)模型解算效率，有的參考文獻(xiàn)提出了處理簡(jiǎn)化思路，有的引入了并行計(jì)算思想。

圖2 機(jī)載PD 火控雷達(dá)建模示意圖

例如，參考文獻(xiàn)[4]提出了一種改進(jìn)的雷達(dá)信號(hào)級(jí)仿真方法，從2 方面進(jìn)行模型計(jì)算加速，一是不做脈壓，直接根據(jù)解析式產(chǎn)生脈壓后的信號(hào)；二是只選取目標(biāo)回波附近區(qū)間進(jìn)行處理，減少處理數(shù)據(jù)量。如果只研究雷達(dá)本身探測(cè)性能，而不考慮有意干擾對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響，則這種改進(jìn)方法沒有太大問題，可以大大提高計(jì)算效率。但是如果要研究雷達(dá)對(duì)抗的效果，考慮干擾信號(hào)的加入，則這種改進(jìn)方法并不適用。首先，干擾信號(hào)經(jīng)過雷達(dá)脈壓處理后的效果無法用公式來描述；其次，只選取目標(biāo)回波附近區(qū)間進(jìn)行處理，對(duì)于欺騙干擾或組合干擾，會(huì)人為地丟棄有用的干擾信號(hào)，導(dǎo)致干擾效果出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)[5]根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)多個(gè)波束處理過程的相對(duì)獨(dú)立性，提出了一種并行計(jì)算方法，將每個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)的多個(gè)搜索波束并行執(zhí)行。但是這種并行計(jì)算方法對(duì)復(fù)雜對(duì)抗場(chǎng)景并不適用，因?yàn)槔走_(dá)干擾信號(hào)的產(chǎn)生具有因果性，人為地將多個(gè)搜索波束并行執(zhí)行，意味著將雷達(dá)干擾樣式及其控制時(shí)序打亂，所以無法反映真實(shí)的干擾效果或抗干擾效果。

因此，在面向干擾/抗干擾技術(shù)研究的雷達(dá)信號(hào)級(jí)建模過程中，模型逼真度與模型解算效率之間應(yīng)有權(quán)衡與側(cè)重，建議在保證模型逼真度的基礎(chǔ)上，盡可能地提高模型解算效率。在不斷優(yōu)化處理算法的基礎(chǔ)上，一方面在模型內(nèi)部采用OpenMP 應(yīng)用程序接口將模型中的一些串行算法進(jìn)行并行化處理，另一方面采用CPU+GPU 的異構(gòu)平臺(tái)并行計(jì)算來加速是一條切實(shí)可行的技術(shù)途徑。

圖3 雷達(dá)接收機(jī)輸入信號(hào)及中放輸出信號(hào)波形圖

圖4 雷達(dá)接收機(jī)輸入信號(hào)及中放輸出信號(hào)頻譜圖

2.3 雷達(dá)信號(hào)級(jí)模型驗(yàn)證方法分析

對(duì)雷達(dá)信號(hào)級(jí)模型的驗(yàn)證，可以采用正向驗(yàn)證方法和逆向驗(yàn)證方法同步開展。正向驗(yàn)證方法是指，根據(jù)該體制/型號(hào)雷達(dá)的信號(hào)/數(shù)據(jù)處理流程對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，仿真模型必須符合該體制/型號(hào)雷達(dá)的工作原理及處理流程。逆向驗(yàn)證方法是指，通過仿真試驗(yàn)對(duì)建立的雷達(dá)模型的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，通過仿真結(jié)果來分析是否與該體制/型號(hào)雷達(dá)的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)一致。

以逆向驗(yàn)證方法為例，假設(shè)某型號(hào)機(jī)載火控雷達(dá)從情報(bào)資料中得到其作用距離為161 km（對(duì)5 m2戰(zhàn)斗機(jī)目標(biāo)），發(fā)射功率為××kW，天線增益為××dB，信號(hào)波形參數(shù)從實(shí)際偵收數(shù)據(jù)分析中獲取，在機(jī)載PD火控雷達(dá)仿真軟件中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)取值。編輯仿真場(chǎng)景進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，雷達(dá)在159 km 處能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并建立穩(wěn)定跟蹤航跡，仿真結(jié)果與情報(bào)資料中作用距離基本一致，證明仿真模型符合該型號(hào)雷達(dá)的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 某型號(hào)機(jī)載火控雷達(dá)模型探測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語

在面向雷達(dá)干擾和抗干擾技術(shù)研究的雷達(dá)電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，雷達(dá)對(duì)象建模應(yīng)采用中頻信號(hào)仿真技術(shù)途徑，一方面可以如實(shí)反映雷達(dá)在頻域上的一些抗干擾措施，另一方面能真實(shí)反映干擾信號(hào)的時(shí)頻特性和時(shí)序控制邏輯，這對(duì)復(fù)雜干擾樣式下的對(duì)抗效果研究尤為重要。由于信號(hào)級(jí)模型涉及大量的信號(hào)產(chǎn)生與處理過程的復(fù)雜運(yùn)算，即便采用一些常規(guī)的并行計(jì)算方法，模型解算也很難達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。經(jīng)過筆者課題組的初步嘗試，認(rèn)為通過引入基于CPU+GPU異構(gòu)平臺(tái)的并行計(jì)算技術(shù)來大幅度提升信號(hào)級(jí)模型解算效率，是一條切實(shí)可行的技術(shù)途徑。■