趙 楊 尚朝軒 韓壯志

(軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系 石家莊 050003)

SystemVue在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用

趙 楊 尚朝軒 韓壯志

(軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系 石家莊 050003)

基于武器裝備仿真領(lǐng)域的現(xiàn)狀,根據(jù)不同的分類方法,詳細(xì)分析了現(xiàn)有的幾種不同的仿真手段,總結(jié)了雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)字仿真領(lǐng)域的發(fā)展歷程,指出了傳統(tǒng)仿真軟件的缺點,闡述了SystemVue軟件在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中的優(yōu)越性。提出了使用SystemVue進(jìn)行仿真建模的一般步驟,最后結(jié)合某脈沖多普勒雷達(dá)實例,介紹了主要仿真模塊,給出了仿真結(jié)果,對雷達(dá)系統(tǒng)仿真有一定的參考價值。

SystemVue; 雷達(dá)系統(tǒng); 數(shù)字仿真; 脈沖多普勒

Class Number TN97

1 引言

根據(jù)仿真系統(tǒng)的不同實現(xiàn)形式,通常可將仿真系統(tǒng)分為以下幾類：物理仿真、半實物仿真和數(shù)學(xué)仿真[1]。物理仿真即實物仿真,它是以物理性質(zhì)和幾何形狀相似為基礎(chǔ),構(gòu)建實際物理模型并進(jìn)行相關(guān)實驗的技術(shù)；半實物仿真,是將控制器(實物)與在計算機上實現(xiàn)的控制對象的仿真模型聯(lián)接在一起進(jìn)行試驗的技術(shù)；數(shù)學(xué)仿真,是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的仿真,用數(shù)學(xué)模型代替實際的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗。

對比三者不難發(fā)現(xiàn)其中端倪。物理仿真與半實物仿真均是實時仿真,并且半實物仿真還需要解決控制器與仿真計算機接口的問題；數(shù)學(xué)仿真對實時性并沒有苛刻的要求,但不如其它兩種方式貼近實際。在實際仿真過程中,半實物仿真與數(shù)學(xué)仿真應(yīng)用更為廣泛。在雷達(dá)電子戰(zhàn)領(lǐng)域,隨著計算機性能的提高及數(shù)字化裝備的普及,數(shù)學(xué)仿真逼真程度不斷提高,大有取代半實物仿真之勢。

2 數(shù)字式仿真

雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真中,數(shù)字仿真已經(jīng)成為趨勢。數(shù)字仿真按仿真粒度可分為功能級仿真和信號級仿真；按仿真精細(xì)成度可分為基帶仿真和射頻仿真；按仿真引擎機制可分為數(shù)據(jù)流仿真和時間流仿真。

2.1 功能級仿真和信號級仿真

功能級仿真在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中具有重要意義,它能夠利用仿真對雷達(dá)的各項性能進(jìn)行評估。功能仿真常應(yīng)用于模擬局部戰(zhàn)爭中雷達(dá)裝備的整個性能,典型的是采用HLA(高層體系結(jié)構(gòu))等仿真平臺建立分布式仿真環(huán)境[2～4],用抽象的數(shù)學(xué)模型,按照HLA規(guī)范模擬雷達(dá)等裝備的功能。由于功能級仿真中普遍存在數(shù)學(xué)模型過于簡化的問題,只能用簡單的數(shù)學(xué)方程或公式代替雷達(dá)系統(tǒng)的各項功能,仿真粒度過于粗糙,不能對雷達(dá)的各個模塊進(jìn)行精細(xì)化的仿真。

信號級雷達(dá)系統(tǒng)仿真方法通過模擬雷達(dá)、目標(biāo)、雜波、噪聲以及信號發(fā)射、傳輸、接收、處理等各個關(guān)鍵環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)都包含了信號在幅度與相位上的信息,建立完整的雷達(dá)、目標(biāo)、環(huán)境間信息流動與信號處理的動態(tài)、閉環(huán)仿真環(huán)境,實現(xiàn)了對整個雷達(dá)工作過程的全過程仿真,對研究雷達(dá)威力、探測跟蹤能力、抗干擾能力有良好的參考價值,為裝備的研制、驗收、定裝提供了靈活的仿真試驗平臺。

2.2 射頻仿真和基帶仿真

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中,由于裝備的數(shù)字化程度和集成度很高,在仿真中基本上可以分為射頻仿真和基帶仿真?；鶐Х抡尕灤┯诶走_(dá)信號產(chǎn)生到信號處理結(jié)束的整個過程,主要考慮基帶矢量信號的處理過程,是雷達(dá)系統(tǒng)仿真的前輩們首先涉足的領(lǐng)域,雷達(dá)系統(tǒng)的基帶部分目前基本上全部數(shù)字化了,非常適于數(shù)據(jù)流仿真。射頻仿真需要充分考慮器件高頻非線性等因素,更多的需要從頻域的角度進(jìn)行仿真,對雷達(dá)射頻部分的非線性特性需要有精確的掌握。

以往射頻部分一般采取功能仿真,仿真仍不夠精細(xì),許多可能發(fā)生的非理想因素還是被忽略了,如采用ADS等專業(yè)射頻分析軟件進(jìn)行協(xié)同仿真,軟件之間的互聯(lián)互通會導(dǎo)致運算速度很,這也影響了雷達(dá)系統(tǒng)仿真的進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 數(shù)據(jù)流仿真和時間流仿真

系統(tǒng)仿真軟件按照信號仿真的實現(xiàn)形式,可以分為時間流仿真和數(shù)據(jù)流仿真。時間流仿真系統(tǒng)是在仿真過程中,系統(tǒng)的每個模塊都用常微分?jǐn)?shù)學(xué)方程建模,然后用龍格-庫塔等算法在每個時間步長求解出模塊的輸出,保證時間同步性。數(shù)據(jù)流仿真系統(tǒng)是在仿真過程中,各功能模塊按先后順序執(zhí)行點對點的數(shù)據(jù)處理,并沒有時間上的同步。

傳統(tǒng)的自動控制、模擬電路等領(lǐng)域的仿真多是采用時間流仿真,例如單脈沖雷達(dá)的天線跟蹤伺服系統(tǒng)。而現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的信號處理過程中通常沒諸多的反饋環(huán)節(jié),尤其是相控陣體制的雷達(dá),不需要對天線伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真,因此數(shù)據(jù)流仿真在雷達(dá)系統(tǒng)仿真,尤其是雷達(dá)信號處理系統(tǒng)領(lǐng)域使用更為普遍。

隨著雷達(dá)裝備仿真的不斷深入,仿真程度越來越精細(xì),以上提及的諸多方面不是完全割裂開的,在同一時間、同一地點可能需要同時用到多種屬性,這就需要仿真平臺能夠在突出自身屬性的同時兼顧到其它幾個屬性,而以往的仿真軟件則很難能夠兼顧。下面介紹幾個常用的雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺,進(jìn)而闡述SystemVue軟件在雷達(dá)系統(tǒng)仿真方面的優(yōu)勢。

3 雷達(dá)系統(tǒng)信號級數(shù)字仿真平臺

數(shù)字仿真始于20世紀(jì)70年代,80年代計算機仿真理論逐漸成熟,在90年代隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其在國外計算機已經(jīng)開始走進(jìn)千家萬戶,雷達(dá)系統(tǒng)仿真得到了迅速發(fā)展。以HLA為代表的功能級仿真平臺有其優(yōu)勢,但隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,信號級仿真平臺正在不斷提高自身運行速度與數(shù)據(jù)處理能力,功能級仿真平臺的優(yōu)勢在不斷縮小。

3.1 早期的SPW系統(tǒng)仿真平臺

美國Cadence公司的SPW(Signal Processing Worksystem)軟件是最早的支持雷達(dá)系統(tǒng)仿真的商用電子系統(tǒng)級仿真平臺[5]。西安電子科技大學(xué)的雷達(dá)信號處理國家重點實驗室在SPW平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行了雷達(dá)系統(tǒng)模型庫的開發(fā),對部分雷達(dá)組件進(jìn)行建模,取得了一定的成果。但是由于SPW軟件是基于Unix、Linux等系統(tǒng),普及程度不高,應(yīng)用范圍受限。2010年,CoWare公司被合并,SPW平臺中包括雷達(dá)庫在內(nèi)的大量專業(yè)庫被移除,轉(zhuǎn)而專注于移動通信信號處理仿真。

3.2 廣泛應(yīng)用的Matlab與Simulink仿真平臺

相對于SPW仿真平臺,Mathworks公司開發(fā)的Matlab仿真軟件在國內(nèi)各個仿真及其它領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[6-7]。由于Matlab具有強大的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理能力,并且有較強的圖表分析能力,編程人員能快速地對程序進(jìn)行編譯和校驗,大大提高工作效率。

Simulink軟件包是Matlab工作環(huán)境下的一個仿真子平臺,適用于動態(tài)系統(tǒng)模型的建模和仿真,用戶能夠在相應(yīng)的圖形用戶界面上,建立需要的系統(tǒng)仿真模型。Simulink還提供了系統(tǒng)函數(shù)(S函數(shù)),故用戶可使用多種高級語言實現(xiàn)仿真模型構(gòu)建,實現(xiàn)自定義Simulink模塊。但是其缺點也顯而易見,比如執(zhí)行速度慢,不能生成可執(zhí)行文件,雷達(dá)專業(yè)模型庫極不完備,需要結(jié)合其他軟件才能實現(xiàn)端口控制和實時控制等。

3.3 SystemVue仿真平臺的優(yōu)勢

SystemVue是Agilent公司近些年大力發(fā)展的一款電子系統(tǒng)級仿真工具軟件,主要針對于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域。它以圖符化模塊構(gòu)建理論模型,是一個適用于動態(tài)系統(tǒng)分析的仿真平臺,能夠?qū)ο到y(tǒng)設(shè)計進(jìn)行數(shù)字仿真,完成系統(tǒng)性能的合理分析和仿真評估[8]。其分析窗口可根據(jù)系統(tǒng)運行結(jié)果同時展現(xiàn)多個仿真波形圖、頻譜圖等等,方便用戶對比分析,還可以根據(jù)需要改變數(shù)據(jù)接收器的參數(shù),快速繪制出時域、頻域等多種曲線圖。

相比較常用的幾種系統(tǒng)仿真軟件,SystemVue在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中的優(yōu)勢主要有以下幾個方面[9～11]：

1) 射頻仿真能力

傳統(tǒng)軟件通常缺少射頻模塊,只能用近似模塊進(jìn)行代替,若要進(jìn)行射頻仿真,用戶需進(jìn)行大量的編程工作,導(dǎo)致工作量大幅提升。而SystemVue中具備射頻模塊設(shè)計資源庫,包括射頻放大器、衰減器、濾波器、旋轉(zhuǎn)開關(guān)等器件模塊。

2) 完備的模型庫

SystemVue具有完備的雷達(dá)、電子戰(zhàn)資源庫,覆蓋了雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真的方方面面,為用戶提供了便利條件,用戶能夠集中時間用于關(guān)鍵模塊設(shè)計上。

3) 面向?qū)ο蟮哪K化界面

SystemVue具有模塊化結(jié)構(gòu),仿真系統(tǒng)更加貼近裝備實際,這種模塊化的結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)代武器裝備結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。而且設(shè)計者還能夠根據(jù)自己的需求對相應(yīng)功能模塊進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),創(chuàng)造新的功能模塊。

4) 與常用軟件的交互能力

系統(tǒng)仿真過程中常會運用到大量信號處理算法,以往這些較為成熟的算法通常是利用Matlab等軟件進(jìn)行編譯的,最新版本的SystemVue可以完全兼容Matlab。其中的Matlab模塊不僅具有調(diào)用m文件的能力,并且可以根據(jù)用戶的需要,設(shè)置輸入和輸出端口的數(shù)量以及數(shù)據(jù)格式等,在算法實現(xiàn)部分可大量調(diào)用模塊。

5) 豐富的用戶自定義功能

在SystemVue的雷達(dá)庫模型中,大多數(shù)模塊都擁有用戶自編輯的功能,用戶可以在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行更改,或者直接編輯產(chǎn)生需要的模塊,既方便了用戶的編輯,又拓展了該模塊的功能,能夠滿足特定用戶的特殊要求。

6) 可擴(kuò)充可重用可嵌套

SystemVue軟件可以通過建立子系統(tǒng),實現(xiàn)無限層的嵌套、擴(kuò)充。該軟件能夠?qū)?fù)雜雷達(dá)系統(tǒng)的仿真。這種子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實際上是將復(fù)雜系統(tǒng)按照一定的層級關(guān)系進(jìn)行分層,使得仿真系統(tǒng)中各個仿真單元清晰化,這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠使用戶在短時間內(nèi)清晰地了解一個龐大復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。

4 SystemVue仿真設(shè)計流程

SystemVue仿真平臺憑借著其圖符化、模塊化的設(shè)計,順應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)電子裝備模塊化、數(shù)字化的趨勢,非常符合雷達(dá)電子戰(zhàn)領(lǐng)域設(shè)計人員的認(rèn)識,在仿真實現(xiàn)上易懂易行。簡言之,利用SystemVue仿真平臺進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)仿真設(shè)計時,由上而下進(jìn)行設(shè)計,由下而上進(jìn)行實現(xiàn)。

4.1 頂層構(gòu)建

仿真系統(tǒng)的實現(xiàn),需要明確整個仿真系統(tǒng)的架構(gòu)。這里又分幾個小步驟。

4.1.1 確定層級

頂層構(gòu)建首先需要明確該仿真系統(tǒng)分為幾層。整個系統(tǒng)的實現(xiàn)不應(yīng)當(dāng)把所有的模塊都堆積到顯示屏幕上,即使精心布局的連線也會導(dǎo)致仿真界面不夠簡潔,甚至引起誤連、混連。故分層尤其重要,充分利用SystemVue平臺可重復(fù)、多層嵌套的功能。

4.1.2 劃分功能模塊

確定層級之后,需要根據(jù)仿真對象的側(cè)重,劃分功能模塊。通常雷達(dá)仿真系統(tǒng)可以分為：平臺位置模塊、天線控制模塊、射頻傳遞模塊、信號處理模塊；在特殊的平臺設(shè)計,比如多基地雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計中,可能還會涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊等。

4.1.3 明確自定義模塊

在動手仿真之前,用戶要根據(jù)自身需要,明確自身需要構(gòu)建哪些功能模塊,哪些模塊需要調(diào)用C++或者M(jìn)atlab進(jìn)行實現(xiàn)。用戶應(yīng)當(dāng)盡量充分利用SystemVue中的雷達(dá)庫模塊,既節(jié)省自身時間,又能提高仿真速度,進(jìn)而集中精力完善自定義模塊。

4.2 底層實現(xiàn)

在頂層設(shè)計完畢后,即需要用戶由下向上,從最底層開始逐步向上完成仿真平臺的搭建。每做好一層,便對該層進(jìn)行測試,測試結(jié)果符合預(yù)期,即可完成該層的封裝,進(jìn)而轉(zhuǎn)向上一層的仿真,最后完成整個仿真系統(tǒng)的搭建。

5 基于SystemVue的脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)仿真

5.1 某型脈沖多普勒雷達(dá)

SystemVue中的雷達(dá)庫主要是面向雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真,下面以脈沖多普勒雷達(dá)(PD-Radar)為例,對其仿真過程加以介紹。其框圖如圖1所示。

該仿真系統(tǒng)按順序主要包括脈沖信號產(chǎn)生器、上變頻器、射頻發(fā)射器、天線、雜波、射頻接收器、包絡(luò)信號轉(zhuǎn)換器、動目標(biāo)檢測(MTD)、恒虛警率(CFAR)處理器、信號檢測以及各自對應(yīng)的數(shù)據(jù)接收器等模塊。脈沖信號經(jīng)上變頻調(diào)制后,通過發(fā)射機將脈沖信號從天線發(fā)射出去,加入雜波,產(chǎn)生的回波信號經(jīng)接收機接收后進(jìn)行數(shù)字下變頻,然后在零中頻上對回波信號做MTD以及CFAR等處理。

圖1 PD雷達(dá)仿真系統(tǒng)

以脈沖信號產(chǎn)生器為例,其實現(xiàn)模塊如圖2所示；圖3所示為線性調(diào)頻信號模塊,SystemVue中還有很多復(fù)雜的信號產(chǎn)生模塊,比如參差重頻等模塊等,在此不一一列舉。

圖2 脈沖信號產(chǎn)生

圖3 線性調(diào)頻信號產(chǎn)生

仿真系統(tǒng)中大部分模塊還包括底層實現(xiàn)模塊。以雜波模塊為例,其底層模塊如圖4所示。

圖4 雜波底層模塊

其余模塊如MTD以及CFAR等模塊的底層實現(xiàn),可仿照雜波模塊,用雷達(dá)庫中的模塊進(jìn)行構(gòu)建；也可以根據(jù)自身需要調(diào)用Matlab等模塊協(xié)助實現(xiàn)。在SystemVue的最新版本中已經(jīng)完全兼容Matlab以及C++,用戶可以方便地把設(shè)計好的程序移植到仿真系統(tǒng)當(dāng)中。

5.2 仿真測試結(jié)果

圖5 回波信號

圖6 1點MTD

圖7 32點MTD

圖8 CFAR處理結(jié)果

該雷達(dá)系統(tǒng)的仿真結(jié)果如下圖所示,圖5為接收機接收到的帶有雜波的混合信號,目標(biāo)信號被淹沒在雜波中。圖6為經(jīng)過1點MTD處理后的回波信號,回波信號仍然淹沒在雜波之中；圖7為經(jīng)過32點MTD處理之后的回波信號,目標(biāo)信號淹沒在雜波中,但其幅度大于雜波信號；圖8為經(jīng)過CFAR處理后的清晰可見的目標(biāo)信號。

6 結(jié)語

在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中,不同的仿真軟件都有各自的優(yōu)勢。而SystemVue是一款基于數(shù)據(jù)流又能控制時間、強在基帶處理但射頻部分同樣完備、可實現(xiàn)功能仿真又能深入到信號層面的集大成者,在雷達(dá)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越多的重視。本文介紹了用SystemVue仿真的基本流程,以簡單的脈沖多普勒雷達(dá)實例,講述了SystemVue軟件在雷達(dá)系統(tǒng)仿真上的應(yīng)用,并展示了其仿真結(jié)果。SystemVue仿真軟件以其獨特的新穎性以及完備的雷達(dá)模型庫,將在雷達(dá)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中擁有更為廣闊的發(fā)展空間。

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An Application for Radar System Simulation Based on SystemVue

ZHAO Yang SHANG Chaoxuan HAN Zhuangzhi

(Department of Electronics and Optics Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003)

According to the different classification methods, based on the status of weapons and equipment simulation, a detailed analysis of the existing several different means of simulation is conducted, the development in the field of radar system digital simulation is summarized, the shortcomings of the traditional simulation software are pointed out and the superiority of the SystemVue software in radar system simulation is put out. The general procedure of using SystemVue is came up with, finally combining with an instance of a pulse doppler radar, this paper introduces the main simulation module, gives the simulation results, which has certain reference value in radar system simulation.

SystemVue, radar system, digital simulation, pulse doppler

2016年7月9日,

2016年8月26日

趙楊,男,碩士研究生,研究方向:電子對抗,射頻隱身。尚朝軒,男,博士,教授,研究方向:電子對抗,雷達(dá)信號處理。韓壯志,男,博士,副教授,研究方向:電子對抗,雷達(dá)信號處理。

TN97

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.019