典型相控陣雷達抗干擾仿真平臺設計與實現*

馮明月，何明浩，郁春來，王冰切

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引言

新體制相控陣雷達在防空反導、預警監視等領域具有廣泛的應用，由于具有靈活多變的波束特征以及先進的信號數據處理系統，使其同時具有良好的抗干擾性能[1]，因此相控陣雷達干擾和抗干擾技術的研究也一直是電子對抗領域研究的重點問題[2]。其中，計算機仿真技術因其相對于實裝對抗演練具有價格低、可操作強、移植性好等優點，得以廣泛的應用[3-4]。

目前對于相控陣雷達的計算機數字仿真主要有2種方法:一種是功能級仿真，一種是信號級仿真[5-7]。雖然功能級仿真憑借其實現簡單的特點被很多學者采用，但相對于信號級仿真而言卻比較粗糙，不能模擬信號處理過程中相位信息，體現不出信號之間的相參特征，仿真精度較低，這也就制約了相控陣雷達干擾和抗干擾技術的進一步發展。而信號級仿真雖然較為復雜，但卻可以復現雷達信號傳播和處理的全過程，是一種高精度的仿真方法[5]。Matlab的圖形化設計(GUI)模塊具有操作簡便，結構友好的特點[8]，利用GUI模塊設計信號級仿真可以使用戶不必考慮信號級仿真實現的復雜過程，只需輸入指標參數，即可由計算機按照要求完成預定的仿真功能，可以大大降低信號級仿真實現的復雜度。

綜上所述，本文設計了利用Matlab的GUI模塊實現典型相控陣雷達抗干擾的仿真平臺，該平臺以典型相控陣雷達信號抗干擾系統為基礎進行設計，可以更加貼近實裝，采用信號級仿真的方法，從而確保了較高的仿真精度，而GUI模塊的運用則降低了信號級仿真實現的復雜度。

1 抗干擾功能

本文研究典型相控陣雷達信號處理流程中的抗干擾系統。該系統由反干擾和旁瓣對消分系統和信號處理與信息提取分系統組合而成，通過對雷達回波進行信號處理來抑制干擾和雜波，以提高相控陣雷達的抗干擾性能[1]。

反干擾和旁瓣對消分系統在抗干擾方面功能包括3方面：①對有源干擾進行數字旁瓣對消處理；②對有源干擾進行數字旁瓣匿影處理；③進行自適應頻率分級指令產生。信號處理與信息提取分系統在干擾方面功能包括3方面：①對回波進行脈沖壓縮處理；②脈沖壓縮后的信號進行動目標顯示(MTI)或者脈沖多普勒(PD)處理；③MTI或PD處理后的信號進行恒虛警檢測。圖1給出了相控陣雷達抗干擾系統的結構組成。

圖中虛線部分為抗干擾系統，其中信號產生模塊接收到控制指令后可產生針對干擾的自適應捷變頻信號，其他模塊功能可參考相應文獻。

2 抗干擾能力建模

2.1 信號產生模型

相控陣雷達主要信號形式為線性調頻信號和相位編碼信號，信號產生模塊可以產生的信號類型應與其保持一致。

在接收到自適應頻率捷變指令后，為了能夠產生自適應變化的頻點，設計了可以靈活控制變頻范圍和變頻頻點數的載頻產生功能：

(1)

式中：fi為輸出頻點；fH為最大頻點；fL為最小頻點；N為頻點數；fn第n個頻點取值；fi=random(fn)‖fi=order(fn)為輸出頻點從N個頻點中隨機選擇或按照特定規則選擇。

圖1 相控陣雷達抗干擾系統組成圖Fig.1 Structure of phased array radar phased array radar interference suppression system

2.2 旁瓣對消模型

自適應旁瓣對消處理根據最小均方誤差準則進行設計，其數學模型實現如下[9]：

(1) 將N個輔助通道接收到的目標回波與干擾信號融合成信號矩陣X=(X1(t),X2(t),…，XN(t))，設主通道接收到的目標回波與干擾信號為y(t)。

(2) 計算信號矩陣X的自相關矩陣：

R=E(XXT).

(2)

(3) 計算信號矩陣X與y(t)的互相關矩陣：

d=E [Xy*(t)].

(3)

(4) 計算最優權值矩陣：

Wopt=R-1d.

(4)

(5) 計算信號s(t)作為主通道旁瓣對消處理的輸出信號：

(5)

2.3 脈沖壓縮模型

因為頻域FFT法與時域卷積法相比，具有更快的運算速度，較高的脈壓主副瓣比指標，所以利用頻域FFT法實現脈沖壓縮處理，其數學模型為

(6)

式中:s(n)為接收到的回波信號采樣；h(n)為匹配濾波的單位脈沖響應；y(n)為脈沖壓縮處理輸出。

欲達到一定的距離旁瓣，可采用加窗的方法來實現，并且不同的窗函數具有不同的距離旁瓣值[10]，加窗模型：

h(n)=h1(n)w(n)，

(7)

式中：h1(n)為雷達發射信號；w(n)為窗函數。

2.4 MTI模型

采用最優權值的MTI處理方式，數學模型為

(8)

式中：x(n)為第n個回波脈沖；T為脈沖重復周期；w(i)為加權系數；y(n)為MTI濾波結果；N為MTI對消延遲線個數。例如三脈沖對消處理時N=2。w(i)采用最佳權重，選擇為帶有交錯符號的二項式系數。

(9)

從理論上講，N脈沖對消的改善因子為

(10)

式中：fr為雷達的脈沖重復頻率；σt為雜波標準差。因此在給定改善因子后，通過式(10)即可計算出理論上的最小對消脈沖數。

2.5 PD處理模型

通過FFT變換的方法來實現PD處理，設xn(m)(0≤m≤M-1)為第n個距離單元的回波脈沖串，M為回波個數，PD處理的實現模型為：

(1) 根據設定的雷達多普勒濾波器組數目L對xn(m)補零；

(2) 對補零后的xn(m)進行L點的FFT變換。

2.6 恒虛警處理模型

恒虛警處理進行目標檢測實現模型為：

(1) 根據選擇的恒虛警處理方法確定對應的恒虛警模型[4]，通過模型估計噪聲電平n(i)值。

(2) 根據恒虛警類型、虛警概率、參考單元長度計算恒虛警檢測門限系數λ[11]，從而確定檢測門限。

(3) 確定檢測門限后，根據自適應判決準則對第i個判決單元x(i)進行檢測判決：

(11)

式中：H1為有目標的假設；H0為沒有目標的假設。

3 抗干擾軟件設計

抗干擾軟件設計主要分為界面設計和后臺回調函數設計2個部分，并分別保存為.fig和.m文件中[12]。其中界面設計目的是進行參數設置和一些功能指令的實現，回調函數設計旨在根據輸入的指令參數實現具體功能。圖2給出了軟件的組成框圖。

3.1 界面設計

界面設計主要有信號產生，處理系統和功能區3個部分，采用Matlab軟件提供的radio button來設計選擇功能，采用static text來設計提示文字，采用edit text來設計需要填入的數據，采用listbox來實現恒虛警處理方式的選擇，采用push button來設計功能按鍵。軟件界面示意圖如圖3所示。

圖2 軟件組成框圖Fig.2 Structure of software

圖3 軟件界面設計Fig.3 Software interface design

3.2 處理功能設計

回調函數中的處理功能設計就是通過編寫不同的函數文件實現第2節描述的不同功能的數學模型。函數的輸入變量為設定參數和其他相關函數的處理結果，函數的輸出變量為該功能相關的處理結果。下面以恒虛警處理模塊為例進行說明，恒虛警的調用函數為

[y,m]=cfar(s,Pf,n,np,nt,k),

(12)

式中:y為恒虛警處理后的輸出信號；m為距離單元位置；s為恒虛警待處理信號；Pf為虛警概率；n為參考單元個數；np為保護單元個數；nt為檢測單元個數；k為選擇的恒虛警處理樣式。

3.3 數據傳遞設計

數據傳遞設計主要分為2方面內容：一方面是設計界面數據的導入；一方面是程序內部數據的導入和導出。對設計界面輸入數據通過get(handles.tag,′value′)指令獲得，然后根據數據不同進行類型轉化，再傳遞給變量。例如

B=str2double(get(handles.edit1,′string′)).

(13)

該指令含義為得到圖3中調頻帶寬數值，并將其賦給變量B。

數據的導入和導出則通過Matlab自帶的save和load函數實現，并生成相應的mat數據文件，該函數具體用法可參考相關Matlab文獻。

3.4 繪圖功能設計

回調函數中的繪圖功能受圖3中的過程監視指令控制，通過if語句判斷對于某個處理過程是否需要繪圖。繪圖的輸入信號為3.2中相應功能函數的輸出信號。出于模塊化設計的考慮，繪圖功能也通過函數的形式進行調用，如

y=procesure(s,t,k)，

(14)

式中：y為繪圖結束指令；s為各個處理過程的輸出信號；采用元胞數組的形式進行存儲，其元素與控制指令k一一對應；t為系統時序。

4 仿真平臺應用

4.1 應用條件

本文以某型新體制相控陣雷達技術參數為基礎進行仿真應用，參數設置如圖4所示。

圖4 參數輸入情況Fig.4 Situation of intercalating parameters

圖4中信號產生模塊處于自檢模式，需人工設定產生的信號參數。實際中若已根據干擾情況生成自適應指令，則只需選擇自適應指令，不用對信號類型、頻率和重復周期進行設置。導入數據包括雷達發射信號類型、載頻、帶寬、中頻、脈寬、脈沖重復周期等雷達參數以及雷達接收機主、副通道的回波信號。

4.2 產生信號應用

根據圖4給出的信號產生對于信號類型、頻率、重復周期的設計要求，產生的線性調頻信號具有重頻抖動和脈組頻率捷變的特性。圖5畫出了信號2～10 s的時域波形圖和一個脈組的頻譜圖。

圖5 信號產生模塊效果圖Fig.5 View of signal creating module

從時域波形中可以看出，產生信號為脈沖重復周期為2 ms、抖動量為1 μs的重頻抖動信號；從頻域圖中可以發現，產生的線性調頻信號帶寬為4 MHz，載頻為2 940 MHz，與預先設定參數相符。因此可知，證明信號產生模塊產生的自適應信號具有較高準確度，在接收到自適應波形指令后能夠實現產生設定信號的功能。

4.3 處理系統應用

雷達發射的線性調頻信號載頻為3 GHz，中頻為28 MHz，脈沖重復周期為240 ms，信號帶寬為2 MHz，脈沖寬度為40 μs。導入的回波信號中包含目標回波、雜波和干擾信號3部分，其中目標回波包括2個運動目標，運動目標徑向速度分別為100和300 m/s，距離雷達80和248 km；固定目標距離雷達30 km，在距離雷達105 km處有干擾雜波，雷達受到2個干擾源的分布式噪聲壓制干擾，干信比為30 dB。

圖6給出了處理系統按照圖4中設定參數對回波信號處理的效果圖，從旁瓣消隱后的結果可知，在2個干擾源的情況下，經計算對于干擾信號的最大抑制比為22 dB，可以明顯地對消噪聲干擾信號。脈沖壓縮采用了Hamming窗，距離旁瓣為-43 dB，從脈沖壓縮結果可知，回波信號得到了相應的匹配濾波增益，信號幅度得以增強。從動目標顯示結果可知，雜波和固定目標回波得到了抑制，回波中已經無法觀測到雜波和固定目標信號，經計算改善因子為63 dB。從恒虛警檢測結果可知，經過整個處理系統，可以從具有噪聲、干擾、固定目標的雷達回波中成功地完成對于2個運動目標的檢測。通過對以上分析可知，處理系統的各個模塊達到了預先設計的功能要求，可以成功運用于抗干擾技術和干擾技術研究等領域。

圖6 處理系統監視圖Fig.6 Surveillance images of processing system

5 結束語

本文利用Mtalab的GUI模塊開發了典型相控陣雷達抗干擾仿真平臺?；趯Φ湫拖嗫仃嚴走_抗干擾系統的研究，建立了實現信號級仿真功能的數學模型，開發了簡單、經濟、可靠性強的仿真平臺，并以典型相控陣雷達參數為基礎進行了運用驗證。該仿真平臺操作簡單直觀，能夠實現典型相控陣雷達的高精度仿真功能，可為相控陣雷達干擾、抗干擾以及干擾效果評估等技術的研究提供經濟、高效、可靠的平臺，具有較強的實際應用價值。

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