張朝豐，李少杰，張雙喜，孟 濤，梅少輝

（1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710000；2.中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引言

雷達是通過空間目標(biāo)對電磁波的反射發(fā)現(xiàn)并獲得其信息的。隨著時代的發(fā)展，雷達系統(tǒng)模擬技術(shù)隨著軍事需求的不斷提高得到了迅速發(fā)展。雷達系統(tǒng)模擬就是通過計算機對雷達系統(tǒng)進行仿真，然后在計算機上顯示雷達系統(tǒng)的動態(tài)工作過程。該技術(shù)主要是利用計算機來模擬目標(biāo)回波信號和環(huán)境信號，并分析雷達的性能。隨著對于雷達功能要求的不斷提高，在雷達系統(tǒng)的設(shè)計和分析中，需要考慮大量的非線性和隨機因素。由于受人力、物力和財力資源的限制，以及自然條件的脆弱性，如果在實地進行所有試驗，開發(fā)周期將會延長。此外，實際回波的參數(shù)難以控制和量化。相比之下，采用數(shù)字模擬仿真的靈活性更高，也可以節(jié)省人力和物力資源，消除了技術(shù)、材料和環(huán)境條件對現(xiàn)場試驗的影響。雷達回波信號模擬器的開發(fā)已成為雷達研制工作中的重要組成部分。

火控雷達是機載火控系統(tǒng)傳感器的主要來源，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中戰(zhàn)斗機和轟炸機不可缺少的裝備之一。與此同時，高性能機載火控雷達模擬器的研制已成為國內(nèi)外軍事研究領(lǐng)域的熱門課題。雷達模擬器可以根據(jù)需要模擬出各種雷達信號，能夠調(diào)節(jié)雷達信號的相關(guān)參數(shù)，例如，采樣頻率、脈沖重復(fù)周期、帶寬等，并且可以消除一些非線性因素對于雷達信號測試的影響。在國外，雷達模擬器的研究從20 世紀40 年代就開始得到迅速的發(fā)展，其中英國、美國、法國、德國在雷達回波模擬器上的研究很具有代表性，他們掌握了很多最先進的雷達模擬技術(shù)，并開發(fā)出一些比較成熟的產(chǎn)品：1）美國Camber 公司最具有代表性的雷達系統(tǒng)模擬與仿真軟件是Radar Toolkit。該 軟 件 可 以在WindosNT/XXPC 的平臺上工作，其用途也是非常廣泛，不僅可以對不同的環(huán)境進行模擬，例如，陸地、氣象和海洋等，還能對采樣頻率、干擾信號、時寬等因素進行模擬仿真。同時由于該軟件適用于20 多種雷達進行模擬與仿真，因此備受廠家的青睞，成為Camber 公司最具有代表性的雷達仿真平臺。2）英國DERA Sea Systemsss 公司研制的NaRcosiSiS 雷達系統(tǒng)，是著名的海軍雷達目標(biāo)仿真平臺，該系統(tǒng)可以在HP700、PC 等平臺和Unix、Windows 等操作系統(tǒng)上運行。該平臺可以對各種類型的雜波進行模擬，例如，地雜波、海雜波等，并適用于多種雷達在不同環(huán)境下進行相應(yīng)的性能評估與分析。3）美國ELANIX 公司研發(fā)的System View 仿真軟件是一個科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的平臺，也是可以作為雷達分析的一個可視化軟件，這款軟件的特點是它的靈活性與便捷性，使用者只需要從圖標(biāo)庫中調(diào)出需要使用的圖標(biāo)，然后進行參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整，最后進行連線即可，非常便于實驗結(jié)果的分析。

我國雖然在20 世紀90 年代才開始對雷達模擬器進行大范圍的研究，但是從20 世紀90 年代到現(xiàn)在，已取得了非常大的成就，其中具有代表性的有以下幾個：1）西安電子科技大學(xué)研制的一種主要基于直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）的雷達模擬器，即利用波形存儲和波形重放技術(shù)對脈沖雷達機的接受信號進行模擬，并可以根據(jù)雷達不同的工作狀態(tài)進行完整的分析仿真。2）國防科技大學(xué)模擬艦船雷達仿真平臺，該平臺有在線和離線2種結(jié)構(gòu)，航跡的管理和對目標(biāo)的探測都是由在線結(jié)構(gòu)進行，不同環(huán)境對雷達性能的影響由離線結(jié)構(gòu)進行分析和處理。3）北京理工大學(xué)研究的雷達回波仿真平臺采用計算機和數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）結(jié)合，利用DSP 進行目標(biāo)信息的計算、雜波干擾數(shù)據(jù)輸入和測量精度的結(jié)果、收集角度信息、輸出目標(biāo)信號以及雜波和噪聲信號。

除了以上的研究成果外，我國的雷達系統(tǒng)仿真技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展，例如，南京理工大學(xué)在Matlab 的平臺上，結(jié)合電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，EDA）技術(shù)建立了脈沖壓縮的仿真模型等。

本文設(shè)計了機載火控雷達抗干擾仿真系統(tǒng)，能夠多樣化地仿真雷達干擾環(huán)境，并能夠自主選擇一種或多種抗干擾技術(shù)，準(zhǔn)確地還原雷達抗干擾的過程以及實時采集各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對比，對抗干擾技術(shù)的效果進行評估分析。與國內(nèi)外同類型產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)不僅能夠進行回波信號的模擬仿真，運行相關(guān)信號處理模塊，而且能夠?qū)Ω髂K進行優(yōu)化設(shè)計，能夠在不同的干擾條件下，靈活地采取抗干擾技術(shù)并且優(yōu)化抗干擾算法，使抗干擾效果達到最優(yōu)?？伸`活自由添加多種干擾信號，使該系統(tǒng)更切合實際雷達作戰(zhàn)場景等。在雷達電子對抗過程中，該系統(tǒng)可實時采集各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的信號數(shù)據(jù)，進行相關(guān)性能指標(biāo)的分析，同時較準(zhǔn)確地根據(jù)不同的雜波環(huán)境在主界面上實時動畫顯示飛機航跡以及數(shù)字化實時顯示飛機運動位置及狀態(tài)，在驗證雷達抗干擾技術(shù)效果方面具有很高的應(yīng)用價值。

1 需求分析

為分析研究不同抗干擾技術(shù)在不同的干擾信號下的抗干擾效果，找到特定干擾信號情況下最優(yōu)的抗干擾技術(shù)，因此該系統(tǒng)必須滿足以下幾個條件。

1）基于干擾模型構(gòu)建雷達抗干擾處理算法和抗干擾處理機理的研究模塊。通過模擬典型壓制干擾、欺騙干擾以及自定義干擾，展示雷達受干擾后，雷達信號的變化、目標(biāo)顯示畫面的變化等。

2）基于數(shù)學(xué)模型構(gòu)建雜波環(huán)境，產(chǎn)生雜波信號。根據(jù)不同的場景，通過建立數(shù)學(xué)模型，模擬產(chǎn)生相應(yīng)環(huán)境下的雜波信號。

3）基于軟件平臺模擬能夠展示不同干擾類型下，各型機載火控雷達在各階段處理時的信號變化，且通過建立雷達抗干擾能力評價指標(biāo)，對不同干擾樣式下的抗干擾能力進行評估。

4）可通過對軟件中雷達信號、波束形狀、信號/處理算法進行優(yōu)化設(shè)計、調(diào)整、再編程，從而研究出雷達抗干擾能力提高的方法。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了達到該系統(tǒng)的設(shè)計需求，較為逼真準(zhǔn)確地還原雷達電子對抗的過程，實時監(jiān)測各個環(huán)節(jié)各信號的幅頻特性的變化，同時得到準(zhǔn)確性更高的信號數(shù)據(jù)和抗干擾效果。采用分布式主機的架構(gòu)形式，不同的主機負責(zé)相應(yīng)的模塊，盡可能準(zhǔn)確地還原雷達抗干擾的過程以及實時采集各個環(huán)節(jié)的信號數(shù)據(jù)。對于雷達干擾部分，系統(tǒng)具備固有的干擾形式，并且也支持重構(gòu)和優(yōu)化。同樣，對于抗干擾算法，系統(tǒng)支持優(yōu)化抗干擾算法以達到最優(yōu)的抗干擾效果。因此，基于該系統(tǒng)的設(shè)計思路所得到的信號處理環(huán)節(jié)所獲取的數(shù)據(jù)也就更加具備真實性、實時性、準(zhǔn)確性，為機載火控雷達的戰(zhàn)術(shù)使用提供參考，為雷達抗干擾技術(shù)的分析改善提供了更加良好的平臺。整個系統(tǒng)框架采用C++編程語言實現(xiàn)，系統(tǒng)開發(fā)所需要的軟件環(huán)境見表1。

表1 開發(fā)環(huán)境Tab.1 Development environment

系統(tǒng)通過Matlab 對雷達目標(biāo)回波信號、雜波信號、干擾信號進行建模仿真，并驗證抗干擾算法的準(zhǔn)確性與適用性，基于Qt 平臺以及Visual Studio 2017 編譯環(huán)境，運用C++語言對軟件系統(tǒng)進行設(shè)計，比如登錄模塊設(shè)計、主界面模塊設(shè)計等。該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1 所示，主要包括登錄模塊、主界面模塊、回波信號建模仿真模塊、信號處理模塊等幾個模塊組成。系統(tǒng)中的各個模塊實現(xiàn)不同的功能，但模塊之間相輔相成，互相關(guān)聯(lián)，它們之間通過各模塊設(shè)置參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，信號數(shù)據(jù)處理后的流動性以及系統(tǒng)功能操作有序地結(jié)合在一起。登錄模塊需要用戶輸入正確的用戶名和密碼后才能進行下一步操作。登錄系統(tǒng)后，進入系統(tǒng)主界面，在主界面上，可以實現(xiàn)動態(tài)鏈初始化、界面動畫的載入等功能。信號處理模塊是采用不同方法對回波信號進行處理?；夭ㄐ盘柦７抡婺K則是根據(jù)各種信號的數(shù)學(xué)模型以及參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生不同的回波信號，然后將產(chǎn)生的回波信號遞送至信號處理模塊進行后續(xù)的雜波抑制、抗干擾工作。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

圖1 為該系統(tǒng)架構(gòu)圖。該系統(tǒng)由登錄模塊、主界面模塊、信號處理模塊、回波信號建模仿真模塊、飛機軌道演示模塊、雜波特性分析模塊、用戶設(shè)置模塊組成。其中，登錄模塊以及用戶設(shè)置模塊主要用于用戶登錄系統(tǒng)及保存用戶相關(guān)信息；主界面模塊主要用于各個模塊的選擇以及系統(tǒng)運行流程的確定，例如，通過選擇回波信號建模仿真模塊對不同參數(shù)的回波信號進行建模仿真后，在信號處理模塊中選擇合適的抗干擾算法，抗干擾算法主要包括旁瓣相消（采樣矩陣求逆（Sample Matrix Inversion，SMI）算法、最小二乘濾波（Recursive Least Square，RLS）算法和最小均方（Least Mean Square，LMS）算法）、旁瓣匿影、動目標(biāo)檢測/動目標(biāo)顯示（Moving Target Display/Moving Target Detection，MTD/MTI 處理）、脈沖壓縮、恒虛警檢測（CFAR 檢測）對回波信號進行相關(guān)處理，并在性能檢測分析模塊上對回波信號的性能指標(biāo)進行分析；雜波特性分析模塊主要用于通過設(shè)置不同統(tǒng)計分布的雜波信號，確定不同回波信號仿真的環(huán)境。

在該系統(tǒng)中，雷達回波信號建模仿真模塊和信號處理模塊是重要部分。其中，雷達回波信號建模仿真模塊包括目標(biāo)回波信號建模仿真、雜波信號建模仿真、干擾信號建模仿真，利用相應(yīng)的模塊可對目標(biāo)參數(shù)、目標(biāo)所處環(huán)境、干擾形式進行建模仿真，以及設(shè)置雷達的工作參數(shù)，進行相應(yīng)的信號處理后以產(chǎn)生雷達對抗過程中各環(huán)節(jié)信號數(shù)據(jù)。雷達干擾信號的產(chǎn)生模塊能夠模擬典型壓制干擾、速度/距離欺騙干擾以及自定義干擾，也可以將噪聲干擾信號與目標(biāo)回波信號經(jīng)過卷積、放大形成靈巧式干擾?？芍С指蓴_樣式產(chǎn)生及干擾機理的研究，也可通過對干擾算法進行優(yōu)化設(shè)計再編程產(chǎn)生各種新的雷達干擾樣式。

3 系統(tǒng)運行流程

首先，在系統(tǒng)運行前，根據(jù)需要對系統(tǒng)各模塊工作參數(shù)進行設(shè)置，主要包括雷達天線方向圖設(shè)置、載機參數(shù)設(shè)置、發(fā)射信號參數(shù)設(shè)置等；其次，設(shè)置目標(biāo)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，包括目標(biāo)航跡規(guī)劃、雜波環(huán)境、干擾信號環(huán)境等，或者讀取已設(shè)置好的目標(biāo)以及環(huán)境參數(shù)，也可以把之前進行仿真實驗后的參數(shù)保存下來，方便于其他所需實驗的使用；最后，系統(tǒng)開始運行，運行流程如圖2 所示，在雷達電子對抗的過程進行的同時，實時采集各環(huán)節(jié)的信號數(shù)據(jù)以及信號處理后的評估指標(biāo)，對于驗證抗干擾效果以及選擇更為準(zhǔn)確的抗干擾措施，則采用回波信號數(shù)據(jù)比對的方式分析抗干擾效果并進行相應(yīng)的選擇，如果系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)操作不當(dāng)，則需重新對各個部分進行設(shè)置，直到滿足需求為止。

圖2 系統(tǒng)處理流程Fig.2 System processing flow

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)庫存儲管理技術(shù)

主要是用于保存編輯好的各個環(huán)節(jié)參數(shù)或者保存固有的應(yīng)用實例，主要目的是為了便于復(fù)現(xiàn)一些特定的雷達電子對抗過程。

4.2 時空關(guān)聯(lián)性技術(shù)[15]

時間和空間是仿真實驗中非常重要的因素，不論是在現(xiàn)實機載火控雷達的使用，還是在系統(tǒng)仿真實驗的運行中，都必須具有相關(guān)性和一致性。目標(biāo)物體空間位置的改變必然有著時間的伴隨性，從而造成雷達電子對抗以及電磁環(huán)境的變化；對于機載雷達來說，高速的物體隨著時間的推進，必然會發(fā)生空間位置的變化，具體目標(biāo)的位置和時間是直接相關(guān)的。在該系統(tǒng)中為體現(xiàn)時空的關(guān)聯(lián)性，采取時間延遲等效空間模型。

4.3 實測數(shù)據(jù)導(dǎo)入技術(shù)[16]

為了進一步提高該系統(tǒng)的全面性以及更加符合實際情況，得到更加真實的仿真實驗數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可支持不同數(shù)學(xué)模型的導(dǎo)入，復(fù)現(xiàn)外場的某一特定環(huán)境，以及根據(jù)外場實測數(shù)據(jù)對已有的數(shù)學(xué)模型進行修正以達到更高的準(zhǔn)確性和真實性。例如導(dǎo)入不同類型的雜波信號、各種干擾信號，以及不同的目標(biāo)回波等數(shù)據(jù)，使該系統(tǒng)雷達抗干擾效果更加真實有效。

5 系統(tǒng)應(yīng)用模式

系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了分析驗證雷達抗干擾技術(shù)的效果以及選擇最優(yōu)解，因此從2 個方面進行分析研究：1）從抗干擾技術(shù)的基本原理、不同抗干擾技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)入手，了解不同的抗干擾技術(shù)所適合應(yīng)用的干擾方式以及在具體抗干擾技術(shù)算法上，對其進行改進和優(yōu)化以達到更好的抗干擾效果；2）對于某種特定的干擾信號，比如有源壓制干擾信號、欺騙干擾信號等，采用不同抗干擾技術(shù)后信號數(shù)據(jù)比對的方法，找出對于特定干擾信號的最優(yōu)的抗干擾技術(shù)。評價指標(biāo)主要為實施抗干擾措施前后，目標(biāo)信號發(fā)現(xiàn)概率和信噪比等。

實驗最后都會應(yīng)用于實踐，因此需要該系統(tǒng)能夠提高飛機在不同干擾環(huán)境下的適應(yīng)能力，做到對于敵方不同的干擾信號能夠自主地選擇最優(yōu)的抗干擾技術(shù)進行抑制。首先，利用回波信號建模仿真模塊設(shè)置雷達相關(guān)參數(shù)及目標(biāo)回波參數(shù)；其次，模擬各種具體的干擾信號，采取不同抗干擾技術(shù)，研究相應(yīng)的抗干擾效果；最終，通過仿真效果評估分析，在不同干擾信號下，根據(jù)所采取抗干擾技術(shù)后的目標(biāo)回波信號進行分析，找出相應(yīng)最優(yōu)的抗干擾技術(shù)。例如，對于有源壓制式干擾，一般使用自適應(yīng)零陷措施比較合理；對于一些海雜波、地雜波等信號，一般采取動目標(biāo)檢測、雜波圖等抗干擾技術(shù)?？傊煌蓴_信號下，應(yīng)采取相應(yīng)的抗干擾技術(shù)，以達到最優(yōu)的抗干擾效果。

6 系統(tǒng)界面設(shè)計

設(shè)計的系統(tǒng)主界面如圖3 所示，主要包括各參數(shù)設(shè)置模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理和性能評估模塊，以及一些典型的案例可以直接運行。對于設(shè)置好的參數(shù)，主界面可以顯示出對應(yīng)的飛機動畫演示以及部分實時的目標(biāo)數(shù)據(jù)，可方便更好地觀察分析。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of the system

干擾信號參數(shù)設(shè)置界面如圖4 所示。用戶可選擇的干擾類型有瞄準(zhǔn)式干擾、脈沖干擾、阻塞式干擾、應(yīng)答式欺騙干擾、掃頻式干擾、切片重構(gòu)干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾、靈巧干擾。用戶可添加多個干擾。點擊添加按鈕即可實現(xiàn)，已添加的干擾會在界面右側(cè)顯示。選中特定的干擾，可對其實施參數(shù)修改、刪除等操作。

圖4 干擾信號參數(shù)界面Fig.4 Interference signal parameter interface

信號處理界面如圖5 所示，可供選擇的方法有旁瓣相消、旁瓣匿影、MTI/MTD 處理、脈沖壓縮、恒虛警檢測（Constant False Alarm Rate，CFAR）。其中旁瓣相消有3 種權(quán)值算法可供選擇，分別是采樣SMI 算法、RLS 算法和LMS 算法。用戶點擊相應(yīng)的算法，再點擊導(dǎo)入按鈕，可自行定義算法的使用順序。已選擇的算法可在界面右側(cè)顯示。用戶對已選擇的算法可進行修改和刪除操作。對于一些特定的雜波或者干擾，可以使用相應(yīng)的抗干擾措施進行效果分析以驗證抗干擾性能；對于未知干擾的抗干擾措施，需要采用逐次替換抗干擾措施的方法，通過采取方法后的數(shù)據(jù)比較，確定在特定干擾環(huán)境下的最優(yōu)抗干擾措施，這也是該系統(tǒng)最大的優(yōu)點。

圖5 信號處理界面Fig.5 Diagram of the signal processing interface

對壓制式干擾信號（噪聲調(diào)頻干擾信號）及自適應(yīng)零陷抗干擾方式進行了仿真，未加噪聲調(diào)頻干擾信號以及疊加噪聲調(diào)頻干擾信號后的回波信號幅度如圖6 和圖7 所示。采取自適應(yīng)零陷抗干擾后的回波幅度如圖8 所示。

圖6 未加干擾的回波幅度Fig.6 Echo amplitude without interference

圖7 加干擾后的回波時域Fig.7 Echo time domain diagram with interference

圖8 抗干擾前后的回波幅度Fig.8 Echo amplitudes before and after anti-interference

圖6 和圖7 給出了有無干擾信號條件下的回波信號幅度。從兩圖對比可以看出，加干擾信號后，回波信號被有效地淹沒在干擾信號中，無法有效地辨別出真實的回波信號。圖8 給出了對于加干擾信號后的回波信號實施抗干擾技術(shù)后的回波幅度，從圖中可以清楚看出，不實施抗干擾技術(shù)時，出現(xiàn)了2 個目標(biāo)，無法辨別出真實目標(biāo)，實施抗干擾技術(shù)后，可以準(zhǔn)確地辨別出真實目標(biāo)，達到較好的抗干擾效果。

7 結(jié)束語

本文設(shè)計的機載火控雷達抗干擾仿真系統(tǒng)，能夠構(gòu)建不同條件下的實驗分析環(huán)境以及支持外部實驗環(huán)境的導(dǎo)入，形成準(zhǔn)確的雷達電子對抗動態(tài)過程，實時采集各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實驗數(shù)據(jù)，有助于特定抗干擾技術(shù)的分析和研究，也使整個過程更加直觀，便于更好地理解，具有一定的實用價值。但本文未考慮一些其他因素下的雷達抗干擾效果，后續(xù)將研究不同體制雷達以及更多因素下的抗干擾效果評估。