相控阵雷达仿真技术研究

现代雷达Vol.30　No.4

ModernRadarApril2008

45

信号/数据处理

相控阵雷达仿真技术研究

童维健,蔡桂友

(扬州船用电子仪器研究所,　江苏扬州225001)

3

【摘要】　相控阵雷达是一个庞大、复杂的电子系统。该文通过对其功能的分解、融合,转化为相应的数学模型,进而转换为适合于计算机运算的仿真模型,并进行仿真试验和校验。在不影响仿真精度的前提下,进行了适当的简化和替代等效,构建了仿真系统的模块化结构,并分析研究了相控阵雷达系统仿真的总体流程。文中探讨了相控阵雷达的3种仿真方法,比较了各个仿真方法的优缺点,并提出了密度加权相控阵天线的建模仿真的思路,分析了主流仿真技术与研究重点。最后简要介绍了模型可信性的研究现状。【关键词】　相控阵雷达;半实物仿真;功能级仿真;信号级仿真;密度加权阵中图分类号:TN958.92、TN974　　文献标识码:A

ResearchonSimulationTechniquesofPhasedArrayRadar

TongWei2jian,CAIGui2you

(YangzhouMarineElectronicInstrumentsInstitute,　Yangzhou225001,China)

【Abstract】　Phasedarrayradarisabulkyandcomplexsystem.Bycarryingthroughitsfunctiondecompositionandsynchro2

nization,wecanturnitintomathematicmodelandchangeintosimulationmodelwhichissuittocomputersimulation,thencarryonthesimulationandverification.Onthepremiseofthatsimulationprecisionisnotaffected,bypredigestingitproperlyandsub2stitutingequivalently,blockingstructureofsimulatingsystemisfoundedandthecollectivelysimulationprocedureisdiscussed.Severalsimulatingmethodsaboutmodellingarediscussedandcomparedforadvantageanddisadvantage.Thesimulatingwaysofdensity2weightedantennaisbroughtforward.Theresearchingstatusofthecredibilityofmodelsisalsoindroducedaswellaspopu2larsimulationtechniquesandemphasis.

【Keywords】phasedarrayradar;simulation2with2practicality;function2grade2simulation;signal2grade2simulation;density2

weightedantenna

0　引　言

随着相控阵雷达的问世,电子对抗设备面临着更

多更加严峻的电磁威胁。电子对抗装备结构复杂、成本较高、保密性强,其作战环境搭建费用很高,且重复性和保密性较差。运用半实物仿真技术不仅能模拟产生较真实的电磁信号环境,而且由于费用低,重复性和保密性好,还可用作电子对抗设备操作人员的日常训练。为了评估和提高电子对抗设备在真实复杂电磁环境中的作战能力,对相控阵雷达仿真技术的研究得到了普遍重视和不断深入。

可控的空间功率分配及时间资源分配等特点,能够同时完成搜索及对多目标的精确跟踪。可在计算机控制下通过改变相控阵天线中每个天线单元上信号的幅度相位分布,高速改变天线波束的波瓣宽度,副瓣位置,副瓣电平,天线副瓣凹口的数目与位置等,使相

[1]

控阵雷达具有多种工作的灵活性和自适应能力。

相控阵雷达除了以上主要功能外,还具有重量轻、固有冗余度、波束扫描速度快而且灵活、抗干扰能力高等特点。

1.2　相控阵雷达的主要战技术指标

1　相控阵雷达概述

1.1　相控阵雷达的特点

影响相控阵雷达系统设计的主要战术指标有:雷达观察空域、雷达测量参数、雷达测量精度、雷达的分辨率、处理多批目标的能力、数据率、抗干扰能力和生存能力、使用性能与使用环境。其中,雷达观察空域包括雷达作用距离、方位和仰角的观察空域;雷达测量参数包括目标位置参数、目标运动参数及其他目标特征

相控阵雷达具有灵活的多波束指向及驻留时间、

3

收稿日期:2008201214　　修订日期:2008203229

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参数;雷达的分辨率包括角度分辨率、距离分辨率、横向距离分辨率和速度分辨率

[2]

数字仿真是用一定的数学模型和各种数据来模拟实验环境和参试装备,用计算机软件控制实验过程,通

过计算机演算得到实验结果。计算机仿真结果的可信度受到构建的数学模型及其他因素的影响。

半实物仿真是一种介于全实物仿真和全数字仿真之间的、硬件在回路中的仿真。一部分设备使用实际设备而其他部分采用计算机模拟和处理。由于把系统实际使用的部分实物直接纳入了仿真回路,既提高了仿真的逼真性,又解决了以前存在于系统中的许多复杂的建模问题。因此是一种相对经济实用的方法,应用十分广泛。2.2.1　相控阵雷达的半实物仿真雷达电子战系统的半实物仿真是一种数学-物理仿真,是目前各国雷达电子战研究采用较多的一种仿真形式。它由各种模拟器构成电磁信号的收发终端,并由数学模型联接成闭环回路。随着电子技术和计算机技术的快速发展,雷达电子战半实物仿真系统获得了广泛的应用。

这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数学模型、编程,在计算机上运行。由于在回路中接入实物,硬件在回路仿真系统必须实时运行,因此半实物仿真系统可以归纳为如下:(1)仿真计算机系统(动力学模型及程序、数据)与接口;(2)环境模拟设备(角运动仿真器、目标特性仿真器、目标运动仿真器、负载仿真器等);(3)被测实物(传感器、控制计算机、执行

[4]

机构)。半实物仿真系统框图如图2所示。

。

2　相控阵雷达的仿真与建模

2.1　相控阵雷达的系统仿真

相控阵雷达的基本组成主要有:相控阵天线、发射机、接收机、信号处理机以及主控计算机等。在系统仿真中,可分为5个主要模块:天线方向图、回波模拟、信号处理、数据处理以及主控和资源调度。此外,还有战情编译部分,完成战情设置、编译及其他相关辅助工作。在不影响仿真精度的前提下,通过把各个模块的功能抽象化,融合后得到高效可靠的仿真模型。模块

[3]化仿真结构如图1所示。图1　相控阵雷达系统模块化仿真结构

在系统仿真中,以雷达事件为单位,顺序执行回波模拟、信号处理、数据处理模块,最后由主控与调度进行最高一级的管理。

回波模拟的功能包括:发射脉冲描述字(PDW)解算、目标散射回波解算、干扰信号产生、三通道增益计算等。信号处理的功能包括:匹配滤波、动目标显示

(MTI)、动目标检测(MTD)、恒虚警处理(CFAR)、检测、点迹合并、测距、测角等。

数据处理的功能包括:目标航迹的起始、终结、管理以及点迹———航迹关联、航迹跟踪滤波、预测、波束请求等。

主控与资源调度的功能包括:仿真的开始、中断、结束以及对各个仿真模块对象的管理、控制;同时,完成相控阵雷达资源的调度(包括雷达事件的优先级编排、波位表编排、发射波形管理等等)。2.2　相控阵雷达系统的仿真方法

图2　半实物仿真系统框图

2.2.2　相控阵雷达的数字仿真

对于相控阵雷达而言,目前主要有2种数字仿真

方法:一种是功能级仿真;另一种是信号级仿真(也称相干视频信号仿真)。功能仿真只模拟信号的功率信息,不模拟相位信息。目前相控阵雷达仿真绝大部分都是功能级的,实现比较简单。

相干视频仿真不仅包括信号的幅度信息,还包括相位信息。相干视频信号仿真模拟雷达系统的逼真程度高、可信性强、功能完善,但同时也使得系统模型复杂,环节众多。信号级仿真由于复现了雷达信号传播和处理的全过程而比功能级仿真的粒度更细,模型更加逼真,精度更高,但同时仿真运行所需的时间也更长。

相控阵雷达系统仿真按模型分类主要包括全实物仿真、半实物仿真和数字仿真3种方法。

全实物仿真使用实际设备对雷达系统进行仿真。其突出特点是逼真,但试验成本非常昂贵,针对性强但缺乏通用性。因此,在实际中往往受技术条件、物质条件以及环境条件等因素的限制。

第4期童维健,等:相控阵雷达仿真技术研究47

2.2.2.1　相控阵雷达系统的功能级仿真

比,就可以大概确定虚警概率和检测概率,再对雷达的检测过程进行功能仿真试验。

雷达检测信噪比是由多方面因素综合决定的,其中包括目标回波功率、干扰信号功率、杂波以及噪声功率等。因此,雷达功能仿真系统的数学模型主要包括:

1)雷达接收机噪声仿真数学模型;2)回波信号功率、干扰功率、杂波功率、目标RCS仿真数学模型;

3)综合信干比模型。2.2.2.2　相控阵雷达系统的相干视频仿真(信号级

仿真)相干视频信号仿真的基本定义,就是要逼真地复现既包含振幅又包含相干视频信号,复现这种信号的发射、在空间传播、经散射体、杂波与干扰信叠加、以及在接收机内进行处理的全过程。尽管我们无论何时都可以利用线性叠加的方法,对各个单元进行组合或重新排列,从而省掉某些计算,但我们还是可以直接对雷达系统中实际信号的流通情况进行仿真。只要所提供的基本的目标模型和环境模型足够好,就可以使相干视频信号仿真的精度很高。换句话说,相干视频信号的逼真

[5]

度,主要是受目标模型和雷达环境模型的限制。

[5]

功能级仿真的基本思路是从信号功率的角度,运用雷达方程、干扰方程、干扰/抗干扰原理、运动学方程以及统计模型等建立仿真,计算总和输出(检测)信噪比模型,进而确定雷达检测时的发现概率与虚警概率,并在此基础上进行干扰/抗干扰性能评估和电子战条件下雷达检测过程的功能仿真试验。雷达功能级仿真的简要流程图如图3所示。

图3　雷达的功能仿真流程图

在进行雷达对抗试验中,雷达面临的目标和环境

是比较复杂的。能否检测到目标回波,主要取决于检测时的信噪比。由雷达检测曲线可知,只要知道信噪

雷达功能仿真数学模块

功率表达式

表1　雷达功能仿真主要模型列表[3]

含义说明

Pt—雷达发射峰值功率

Gt—雷达发射天线在目标方向上的增益Gr—雷达接收天线在目标方向上的增益

备　注

采用不起伏,SwerlingⅠ型、

SwerlingⅡ型、SwerlingⅢ型、SwerlingⅣ型,目标在运动过程中,其位置和自身姿态相对于雷达来说随时都在变化,瞬时RCS的变化表述为其平均值的随机变化。

回波信号功率

Ps=λσDLPtGtGr(4π)3R4

2

λ—雷达工作波长

σ—目标平均散射截面积(RCS)D—抗干扰综合改善因子L—综合损耗,包括收发综合损耗和大气传输损耗R—目标与雷达的距离

K—波尔兹曼常数T0—接收机参考温度BR—雷达接收机瞬时带宽NF—雷达接收机的噪声系数

PJt—干扰机发射功率GJ—干扰机发射天线在雷达方向的增益GI—天线旁瓣增益

雷达接收机噪声模型

σN=KT0BRNF

2

接收机内部噪声模型可以表

2

示为一个服从均值为σN的正态分布

支援干扰机(随队干扰ESJ和远距离干扰SOJ)一般都与目标处于不同的位置,不在同一波束内,从旁瓣进入雷达接收机,所以其进入接收机的增益有旁瓣增益决定。

自卫干扰(SDJ)机是装在目标上的,其干扰由主瓣进入接收机。

有源遮盖性干扰功率(干扰机发射的到达雷达天线的功率)

支授干扰自卫干扰

Pj=

PJtGJGλLJI

2(4π)2RJ

2

λ—雷达工作波长

LJ—干扰信号综合损耗RJ—干扰机与雷达间的距离

Pj=

PJtGJGλLJi2

(4π)2R2

PsPn+ΣPj

Gi—天线主瓣增益R—干扰机与雷达间距即目标与雷达间的距离Ps—回波信号功率Pn—噪声信号功率Pj—干扰信号功率(包括SDJ、ESJ和SOJ)

综合信干比(检测端综合

输出信干比)

目标检测和确认仿真模型

SJR=

算法:仿真中,先算出雷达对目标的发现概率Pd,然后对一服从(0,1)均匀分布的变量能够随机取值P0,若P0≤Pd,则表示发现目标,反之没有发现目标。

搜索目标时的目标确认处理方式为:连续检测m次,当有k(k≤m)次发现目标时,确认发现目标。

48现代雷达30卷

　　1)目标回波模型

假定:在某一个特定的时间间隔之内,距离变化率为常数;在这同一时间间隔之内,G(t)和γ(t)也是常数。由雷达方程可推导得到回波信号模型

φ)e=φr(t-τR(t)

πvtj2

g(θ-θ.41・0,φ-φ0)≈0

θ・cos0・

λ20

|E(θ-θ0,φ-φ0)|

πA4λ2

(4π)3r4

1/2

γG

式中:φr(t)为发射信号;τ为目标的双程延迟时间,τ

=2r/c;λ为波长;r为目标距离;γ为复反射系数,γ=σej;σ为目标的雷达截面积;Φ为相移。2)相控阵天线模型平面相控阵天线方向图模型为Φ

式中:θ为俯仰角;θ0为波束指向与阵面法线之间的夹角;φ为方位角;g(θ,φ)为天线方向图;A为天线孔径面积;λ0为工作波长。

3)相控阵雷达信号仿真其他模型相控阵雷达信号仿真其他模型有:雷达发射信号模型、目标回波信号模型、接收机噪声信号模型、雷达接收信号模型、雷达信号处理模型等,如表2所示。

表2　相控阵雷达信号仿真主要模型列表[6]

信号模型类型

信号模型公式

St(t)=Aexp(ωjct)ν(t)

参数说明

ωc—雷达发射脉冲角频率(Hz);

ν(t)-复调制函数,它是Np个宽度为Tp(信号持续时间)的矩形

脉冲构成的脉冲串。

A-在目标处的雷达发射信号功率密度幅值。λ・

Ls-雷达发射接收综合损耗;

)-发射天线方向图;gvt(θ

・g(θ)-接收天线方向图;vr

σ-目标雷达截面积;KRF-射频滤波放大系数;

R(t)-雷达与目标的瞬时距离;ωk-捷变频增量;ωd-多普勒频率;

R0-第k个脉冲与目标相遇时,目标相对于雷达的距离。

雷达发射信号模型

k

SRF(t)=

Pt(4π)3Ls目标回波信号模型

2

R(t)2R(t)

σ・KRF・expω-kTrjkt-c

2R(t)-kTr・expjbt-c2R0expωjdt--kTr・

c2R(t)t--kTrRectcTp

・)・gvr(θ)gvt(θ

接收机噪声信号模型nr(t)=nR(t)-jnI(t)2

nR(t),nI(t)为独立的均值为0,方差为σN的高斯随机过程。

雷达接收信号模型

kkk

r(t)=Sr+Jr(t)+Cr+nr(t)

Sr-接收到的第k个脉冲经目标反射后的回波信号;

Jr(t)-接收到的干扰信号,包括各种有源干扰和无源干扰形成的

综合干扰信号;k

Cr-杂波信号,即地杂波、海杂波、气象杂波信号或其组合信号;()nrt-雷达接收机噪声信号。

k

　　4)密度加权相控阵天线的仿真

如何对相控阵天线方向图进行仿真,尤其是怎样建立既满足系统的精度要求又满足一定实时性的相控阵天线方向图模型,成为相控阵雷达系统仿真工作中的关键问题,至今还没有很好解决。现有对相控阵天线方向图仿真方法的研究,主要是针对幅度加权相控阵天线,密度加权和相位加权相控阵天线仿真的研究

[3]

甚少。

密度加权相控阵天线的仿真是一个重要而复杂的过程,目前主要有以下仿真思路:(1)根据天线阵面的形状、总阵元的个数、有源单元的个数和排列方式、阵元间距等来模拟相控阵天线方向图;(2)事先根据可靠的相控阵雷达报道参数计算得到波束指向阵面法向

时的方向图特征参数(主瓣增益、半功率宽度、第1副瓣增益等),然后通过理论模型控制参数的方法获得相控阵天线方向图的“最优估计”。2.3　相控阵雷达仿真技术的热点与重点

由于计算机仿真的基础是以仿真软件形式出现的仿真模型,仿真研究的许多活动总是要通过仿真软件来实现,仿真计算机系统在一系列试验中的作用,也要靠所开发的仿真软件来发挥,计算机仿真技术的发展与仿真软件的研发息息相关。因此,仿真技术的重点是在开发仿真软件上。从整个仿真培训系统设计来看,工作量最大、难度最大部分是仿真软件的编制。仿真软件包括在仿真计算机上建模验模、运行模型和结

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果分析而编写的所有程序和文档。仿真软件属专用软件。仿真软件的开发和集成,其工作量是十分庞大[7]

的。

20世纪末出现的高层体系结构(HighLevelArchi2tecture,HLA)是目前正在被广泛应用的分布式先进仿真技术的主流。HLA是创建基于构件的分布式仿真的一种灵活的、可重用的软件体系结构。其目的在于仿真间的互操作和推动仿真及构件的重用。

随着分布式仿真技术的出现,尤其是HLA仿真标准的执行,相控阵雷达系统的数学仿真由传统的单系统模式向分布式模式转变。相干视频信号仿真方法在基于HLA的相控阵雷达系统中的运用目前还处于起步阶段。HLA技术在相控阵雷达相关系统仿真中的[8]

应用是目前研究的一个重点。2.4　建模与仿真的VV&A

仿真是基于模型而非真实对象本身进行试验,因此,仿真结果不可能完全精确代表真实对象,即存在一个可信性问题。VV&A是校核(Verification)、验证(Validation)与确认(Accrediation)3个单词的首字母的组合,是指将不断渐进的评审、分析、评估和测试用于某个建模与仿真的产品,以提高其可信度的动态过程。在国外,尤其是在美国,建模与仿真方面的VV&A研究起步早,发展快。在我国,建模与仿真VV&A相关概念、定义和术语的研究目前仍是一片空白。仿真效果的评价是仿真的基本问题。国内有关这个问题的表述尚不一致,出现了可信性、可信度和置信度等多个不同的术语。这种混乱的局面使得VV&A人员在建模与仿真开发过程中不能够相互理解、明确无误地进行交流。这极大地阻碍了建模与仿真方面的VV&A技术的产生和应用,同时也阻碍了建模与仿真方面的VV&A相关理论的研究。当务之急是加强建模与仿真

[9-10]

方面的VV&A概念、定义和术语的研究。

先要随时跟踪国外仿真技术的发展,及时掌握更新的仿真技术;同时要关注微波器件、数字电路的开发和应

用,努力在关键部件的研制上有所突破,而且还应在控制及软件开发上投入更多的精力。我们运用DDS技术及高速捷变频率合成技术,已成功地在电子战威胁环境仿真系统及特殊体制雷达信号模拟器中实现了脉内线性调频、调相信号及脉冲多普勒雷达信号的仿真。

参　考　文　献

[1]　王　晶.相控阵雷达系统仿真[J].实验科学与技术,

2006,4(3):118-121.

[2]　张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业

出版社,2006.

[3]　王　晶.相控阵雷达系统的仿真及干扰研究[D].成都:

电子科技大学,2006.

[4]　刘延斌,金　光.半实物仿真技术的发展现状[J].光机

电信息,2003(1):27-32.

[5]　王国玉,肖顺平,汪连栋.电子系统建模仿真与评估

[M].长沙:国防科技大学出版社,1999.

[6]　王国玉,汪连栋.雷达电子战系统数学仿真与评估[M].

长沙:国防科技大学出版社,2004.

[7]　徐庚保,曾莲芝.论仿真技术的重点和其中的热点与难

点[J].计算机仿真,2003,20(2):1-4.

[8]　赵　锋,王雪松,肖顺平,等.基于HLA的相控阵雷达系

统仿真并行处理研究[J].系统仿真学报,2006,18(8):

2170-2173.

[9]　周　威,谷奇平,常显奇.建模VV&A与仿真VV&A比较

之浅见[J].计算机仿真,2005,22(5):60-62,70.

[10]　许素红,吴晓燕.建模与仿真VV&A相关概念、定义和

术语研究[J].计算机仿真,2004,21(2):50-52.

童维健　男,1977年生,硕士研究生。研究方向为雷达电子战仿真系统总体技术。

蔡桂友　男,1970年生,本科。研究方向为雷达电子战仿真系统总体技术。

3　结束语

要使模拟的信号更逼真,各个参数指标更精确,首(上接第44页)

[6]　王　俊.微弱目标信号积累检测的方法研究[D].西安:

SignalProcessing.1995,43(6):1511-1515.

西安电子科技大学,1999,12.

[7]　保　铮.雷达信号的长时间积累[R].第七届中国雷达

李　涛　男,1973年生,博士生。研究方向为雷达信号积累检测。

黎晓春　男,1975年生,工程师。研究方向为雷达及电子对抗技术。

王立翔　男,1973年生,工程师。研究方向为气象雷达信号处理。

学术年会特邀报告.1999.

[8]　LeonCohen.

Time2frequencydistributions2areview[J].

ProceedingoftheIEEE,1989,77(7):941-981.

[9]　BarbarossaS.AnalysisofmulticomponentLFMsignalsbya

combinedwigner2houghtransform[J].IEEETransactionson