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(jiān)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，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(shù)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(shù)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(yōu)點，得以廣泛的應用[3-4]。

目前對于相控陣雷達的計算機數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)的進一步發(fā)展。而信號級仿真雖然較為復雜，但卻可以復現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)的復雜過程，只需輸入指標參數(shù)，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(xiàn)的復雜度。

綜上所述，本文設計了利用Matlab的GUI模塊實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)。該系統(tǒng)由反干擾和旁瓣對消分系統(tǒng)和信號處理與信息提取分系統(tǒng)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(tǒng)在抗干擾方面功能包括3方面：①對有源干擾進行數(shù)字旁瓣對消處理；②對有源干擾進行數(shù)字旁瓣匿影處理；③進行自適應頻率分級指令產(chǎn)生。信號處理與信息提取分系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

圖中虛線部分為抗干擾系統(tǒng)，其中信號產(chǎn)生模塊接收到控制指令后可產(chǎn)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(chǎn)生模型

相控陣雷達主要信號形式為線性調(diào)頻信號和相位編碼信號，信號產(chǎn)生模塊可以產(chǎn)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(chǎn)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(shù)的載頻產(chǎn)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(shù)；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(guī)則選擇。

圖1 相控陣雷達抗干擾系統(tǒng)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(jù)最小均方誤差準則進行設計，其數(shù)學模型實現(xiàn)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(yōu)權(quán)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(xiàn)脈沖壓縮處理，其數(shù)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(xiàn)，并且不同的窗函數(shù)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(fā)射信號；w(n)為窗函數(shù)。

2.4 MTI模型

采用最優(yōu)權(quán)值的MTI處理方式，數(shù)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(quán)系數(shù)；y(n)為MTI濾波結(jié)果；N為MTI對消延遲線個數(shù)。例如三脈沖對消處理時N=2。w(i)采用最佳權(quán)重，選擇為帶有交錯符號的二項式系數(shù)。

(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(shù)。

2.5 PD處理模型

通過FFT變換的方法來實現(xiàn)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(shù)，PD處理的實現(xiàn)模型為：

(1) 根據(jù)設定的雷達多普勒濾波器組數(shù)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(xiàn)模型為：

(1) 根據(jù)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(jù)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(shù)λ[11]，從而確定檢測門限。

(3) 確定檢測門限后，根據(jù)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(diào)函數(shù)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(shù)設置和一些功能指令的實現(xiàn)，回調(diào)函數(shù)設計旨在根據(jù)輸入的指令參數(shù)實現(xiàn)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(chǎn)生，處理系統(tǒng)和功能區(qū)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(shù)據(jù)，采用listbox來實現(xiàn)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(diào)函數(shù)中的處理功能設計就是通過編寫不同的函數(shù)文件實現(xiàn)第2節(jié)描述的不同功能的數(shù)學模型。函數(shù)的輸入變量為設定參數(shù)和其他相關函數(shù)的處理結(jié)果，函數(shù)的輸出變量為該功能相關的處理結(jié)果。下面以恒虛警處理模塊為例進行說明，恒虛警的調(diào)用函數(shù)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(shù)；np為保護單元個數(shù)；nt為檢測單元個數(shù)；k為選擇的恒虛警處理樣式。

3.3 數(shù)據(jù)傳遞設計

數(shù)據(jù)傳遞設計主要分為2方面內(nèi)容：一方面是設計界面數(shù)據(jù)的導入；一方面是程序內(nèi)部數(shù)據(jù)的導入和導出。對設計界面輸入數(shù)據(jù)通過get(handles.tag,′value′)指令獲得，然后根據(jù)數(shù)據(jù)不同進行類型轉(zhuǎn)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(diào)頻帶寬數(shù)值，并將其賦給變量B。

數(shù)據(jù)的導入和導出則通過Matlab自帶的save和load函數(shù)實現(xiàn)，并生成相應的mat數(shù)據(jù)文件，該函數(shù)具體用法可參考相關Matlab文獻。

3.4 繪圖功能設計

回調(diào)函數(shù)中的繪圖功能受圖3中的過程監(jiān)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(shù)的輸出信號。出于模塊化設計的考慮，繪圖功能也通過函數(shù)的形式進行調(diào)用，如

y=procesure(s,t,k)，

(14)

式中：y為繪圖結(jié)束指令；s為各個處理過程的輸出信號；采用元胞數(shù)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(tǒng)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(shù)參數(shù)為基礎進行仿真應用，參數(shù)設置如圖4所示。

圖4 參數(shù)輸入情況Fig.4 Situation of intercalating parameters

圖4中信號產(chǎn)生模塊處于自檢模式，需人工設定產(chǎn)生的信號參數(shù)。實際中若已根據(jù)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(shù)據(jù)包括雷達發(fā)射信號類型、載頻、帶寬、中頻、脈寬、脈沖重復周期等雷達參數(shù)以及雷達接收機主、副通道的回波信號。

4.2 產(chǎn)生信號應用

根據(jù)圖4給出的信號產(chǎn)生對于信號類型、頻率、重復周期的設計要求，產(chǎn)生的線性調(diào)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(chǎn)生模塊效果圖Fig.5 View of signal creating module

從時域波形中可以看出，產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號帶寬為4 MHz，載頻為2 940 MHz，與預先設定參數(shù)相符。因此可知，證明信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生設定信號的功能。

4.3 處理系統(tǒng)應用

雷達發(fā)射的線性調(diào)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(tǒng)按照圖4中設定參數(shù)對回波信號處理的效果圖，從旁瓣消隱后的結(jié)果可知，在2個干擾源的情況下，經(jīng)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(jié)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(jié)果可知，雜波和固定目標回波得到了抑制，回波中已經(jīng)無法觀測到雜波和固定目標信號，經(jīng)計算改善因子為63 dB。從恒虛警檢測結(jié)果可知，經(jīng)過整個處理系統(tǒng)，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(tǒng)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(shù)和干擾技術(shù)研究等領域。

圖6 處理系統(tǒng)監(jiān)視圖Fig.6 Surveillance images of processing system

5 結(jié)束語

本文利用Mtalab的GUI模塊開發(fā)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(tǒng)的研究，建立了實現(xiàn)信號級仿真功能的數(shù)學模型，開發(fā)了簡單、經(jīng)濟、可靠性強的仿真平臺，并以典型相控陣雷達參數(shù)為基礎進行了運用驗證。該仿真平臺操作簡單直觀，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)的研究提供經(jīng)濟、高效、可靠的平臺，具有較強的實際應用價值。

參考文獻：

[1] 張光義. 相控陣雷達原理[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2009.

ZHANG Guang-yi. Phased Array Radar Thoery[M]. Beijing: National Defence Industry Press，2009.

[2] LI Jian, LIU Guo-qing, JIANG Nan-zhi, et al. Airborne Phased Array Radar Clutter and Jamming Suppression and Moving Target Detection and Feature Extraction[J]. Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop, IEEE，2000, 16(17): 240-244.

[3] ESTES H S, KRAH M G. Applications of Radar Jamming Simulation for Test, Evaluation, and Training[C]∥Telesystems Conference, 1991: 257-264.

[4] 王雪松，肖順平，馮德軍，等. 現(xiàn)代雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

WANG Xue-song, XIAO Shun-ping, FENG De-jun, et al. Modeling and Simulation of Modern Radar and Elctronic Warfare Systems[M]. Beijing: Publishing House of Elctronics Industry, 2010.

[5] 童維健，蔡桂友. 相控陣雷達仿真技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代雷達，2008, 30(4): 45-49.

TONG Wei-jian, CAI Gui-you. Research on Simulation Techniques of Phased Array Radar[J]. Modern Radar，2008, 30(4): 45-49.

[6] 李欽富，許小劍. 相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型研究[J]. 中國電子科學研究院學報，2007, 2(3): 239-243.

LI Qin-fu, XU Xiao-jian. Research on Simulation Model of Phased Array Radar System[J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology. 2007, 2(3): 239-243.

[7] 韓紅，朱洪艷，韓崇昭，等. 一種典型的機載相控陣雷達仿真系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2003, 25(7): 873-877.

HAN Hong，ZHU Hong-yan， HAN Chong-zhao，et al. A Typical Simulation System for Airborne Phased Array Radar[J]. Systems Engineering and Electronics，2003, 25(7): 873-877.

[8] 印金國. Matlab可視化界面設計與控件使用[J]. 電腦編程技巧與維護，2007(1): 30-35.

YIN Jin-guo. Matlab GUI Designe and Use[J]. Computer Programming Skills & Maintenance，2007(1): 30-35.

[9] Richards Mark A. 雷達信號處理基礎[M]. 刑孟道，王彤，李真芳，等，譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008.

Richards Mark A. Fundamentals of Radar Signal Processing[M]. XING Meng-dao, WANG Tong, LI Zhen-fang, et al, Translated. Beijing: Publishing House of Elctronics Industry, 2008.

[10] HARRIS F J. On the Use of Window for Harmonic Analysis with the Discrete Fourier Transform[J]. Proceedings of the IEEE，1978, 68(1): 51-83.

[11] BACHMANN D J, EVANS R J, MORAN B. Game Theoretic Analysis of Adaptive Radar Jamming[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011, 47(2):1081-1100.

[12] 楊娟，郭海湘，楊文霞，等. 基于Matlab的GUI設計車輛路徑問題的仿真優(yōu)化平臺[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2012, 24(3): 722-727.

YANG Juan,GUO Hai-xiang,YANG Wen-xia, et al. Simulation Optimization Platform for Vehicle Routing Problem Based on MATLAB GUI[J]. Journal of System Simulation，2012, 24(3): 722-727.