張國(guó)兵 齊兆龍

（91336部隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

隨著軍事訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化要求不斷深化，促使了部隊(duì)重視并強(qiáng)化全面軍事訓(xùn)練，不斷提高戰(zhàn)斗力，雷達(dá)裝備職手操管技能訓(xùn)練也得到大力發(fā)展，尤其是雷達(dá)仿真模擬訓(xùn)練得到了長(zhǎng)足發(fā)展。雷達(dá)仿真模擬訓(xùn)練由于不受各種自然和人為因素的制約，又可以防止雷達(dá)發(fā)射頻率、脈沖重復(fù)周期、抗干擾措施等重要參數(shù)的泄露，并具有成本低、訓(xùn)練效益高的優(yōu)點(diǎn)。因此，倍受軍事院校和一線部隊(duì)的青睞［1］。

為了滿足雷達(dá)職手仿真訓(xùn)練需求，雷達(dá)訓(xùn)練模擬器必須保證系統(tǒng)模擬的逼真度和系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。模擬逼真度主要是指雷達(dá)探測(cè)環(huán)境信號(hào)特征模擬的逼真度、終端顯示效果的逼真度，以及各種抗干擾技術(shù)措施反饋效果的逼真度；實(shí)時(shí)性主要是指系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性與對(duì)應(yīng)實(shí)裝一致。倘若，雷達(dá)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)無法同時(shí)滿足以上兩種關(guān)鍵指標(biāo)，則將使雷達(dá)職手的訓(xùn)練質(zhì)效大打折扣。為了保障雷達(dá)訓(xùn)練的實(shí)戰(zhàn)化和高效益，本文提出一種基于等效方法的雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，該方法在保證系統(tǒng)模擬逼真度和實(shí)時(shí)性的前提下，從雷達(dá)探測(cè)機(jī)理出發(fā)，采用等效仿真的思路，對(duì)各分系統(tǒng)模塊處理效果進(jìn)行等效模擬，即僅考慮輸入輸出的映射關(guān)系，盡量簡(jiǎn)化內(nèi)部處理的復(fù)雜性，依次構(gòu)建雷達(dá)整個(gè)系統(tǒng)。該方式構(gòu)建的雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)具有較明顯的效費(fèi)比優(yōu)勢(shì)。

2 雷達(dá)探測(cè)機(jī)理

雷達(dá)是以電磁波為介質(zhì)，對(duì)所屬空間進(jìn)行探測(cè)，并利用電磁波的直線傳播，以及遇到物體發(fā)生反射的特性來探測(cè)目標(biāo)在空間的位置，甚至利用目標(biāo)對(duì)電磁波調(diào)制的獨(dú)特特性作為目標(biāo)具體類型識(shí)別的依據(jù)［2］。然而，雷達(dá)面臨實(shí)際的環(huán)境不僅有感興趣的回波信號(hào)，同時(shí)還有其它不感興趣的回波信號(hào)、雜波信號(hào)和干擾信號(hào)，以及接收機(jī)內(nèi)部噪聲。因此，雷達(dá)系統(tǒng)在接收、提取、檢測(cè)目標(biāo)回波的過程中，同時(shí)還需要對(duì)其它不感興趣信號(hào)進(jìn)行抑制或消除［3］。在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到有效地濾除不感興趣的不良信號(hào)，保留和提取感興趣目標(biāo)回波信號(hào)的目的，往往在系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)采用硬件技術(shù)或者軟件技術(shù)優(yōu)化處理過程。例如頻率捷變、副瓣消隱、脈沖壓縮和恒虛警等技術(shù)，都一定程度地改善了雷達(dá)探測(cè)性能。以脈沖體制雷達(dá)為例，其系統(tǒng)主要由天饋模塊、發(fā)射模塊、接收機(jī)模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)處理與顯控模塊組成，如圖1所示。

圖1 脈沖雷達(dá)組成示意圖

3 主要等效數(shù)學(xué)模型

圖2 雷達(dá)探測(cè)環(huán)境建模示意圖

雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是以雷達(dá)探測(cè)機(jī)理為基礎(chǔ)對(duì)雷達(dá)整個(gè)處理過程進(jìn)行仿真模擬，尤其是模擬抑制雜波或干擾信號(hào)的軟硬件處理效果，使其具有與模擬對(duì)象一致的功能和性能。雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括雷達(dá)探測(cè)環(huán)境模擬［4］和雷達(dá)系統(tǒng)模擬［5］兩部分。雷達(dá)探測(cè)環(huán)境模擬主要包括目標(biāo)回波、各種雜波和干擾信號(hào)等部分的數(shù)學(xué)建模，如圖2所示；雷達(dá)系統(tǒng)模擬主要是對(duì)圖1中的各分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

3.1 雷達(dá)探測(cè)環(huán)境建模

3.1.1 目標(biāo)回波模擬

目標(biāo)回波信號(hào)模擬是根據(jù)模擬目標(biāo)隨姿態(tài)變化的RCS值和距雷達(dá)的距離，并通過雷達(dá)方程實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)端的回波功率的大小，如式（1）所示。同時(shí)根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的參數(shù)和模擬目標(biāo)的速度解算生成目標(biāo)回波信號(hào)的頻率、相位、多普勒頻移和時(shí)間延遲等參數(shù)，使其具有真實(shí)環(huán)境下目標(biāo)回波的各種特性。對(duì)于不同脈沖間目標(biāo)回波幅度變化特性模擬采用Swirling數(shù)學(xué)模型［6］。

目標(biāo)回波功率仿真計(jì)算模型即

式中σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積（m2）；Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率（W）；Gt為目標(biāo)方向雷達(dá)發(fā)射天線增益；Gr為目標(biāo)方向雷達(dá)接收天線增益；D為雷達(dá)抗干擾改善因子；R為目標(biāo)與雷達(dá)距離（m）；Lr為雷達(dá)接收綜合損耗；Lt為雷達(dá)發(fā)射綜合損耗；LAtm為電磁波在大氣中的傳輸損耗；Lb為雷達(dá)損耗補(bǔ)償系數(shù)；λ雷達(dá)工作波長(zhǎng)為雷達(dá)天線方向圖傳輸因子［7］。

3.1.2 雜波模擬

通常雜波信號(hào)分為面雜波和體雜波，地雜波和海雜波一般視為面雜波，氣象雜波以及箔條一般視為體雜波。

1）面雜波計(jì)算模型

（1）地雜波功率計(jì)算模型［8］

地面雷達(dá)以擦地角φ照射地面，照射面Ac，它的寬度由方位波束寬度 θB決定，它沿距離方向的長(zhǎng)度由雷達(dá)脈沖寬度τ決定，并且仰角波束寬度決定。地面雷達(dá)地雜波功率計(jì)算式為

因此，面雜波回波功率Prcs與距離的三次方成反比，而不像點(diǎn)目標(biāo)情況那樣，與距離的四次方成反比。并利用數(shù)字地圖的高程信息量化被照射地物的雷達(dá)截面積σ0值。

（2）海雜波雷達(dá)截面積的計(jì)算模型［9］

海雜波是均勻的，不像地雜波一樣的遮蔽效應(yīng)。在極坐標(biāo)中的每一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)海情，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的雷達(dá)截面積，并且把它表示成海雜波模型（多種模型）。這樣也得到了在方位角和時(shí)間延遲（距離）的離散點(diǎn)上，得到海雜波雷達(dá)截面積的采樣值σ0。海雜波一般采用下面的模型：

式中：ss為海情級(jí)數(shù)（1-5級(jí)）；θg為擦地角或入射余 角θc=arcsin(λ/4πhe)，he≈ 0.025+0.046ss1.72（m）。

根據(jù)式（3）所給出的模型可以畫出不同海情下，海面反射率隨雷達(dá)波束入射余角變化的曲線。

2）體雜波計(jì)算模型

雨是典型的體雜波，雨、雹云和霧也都呈現(xiàn)體雜波特性［10］，所以一般認(rèn)為氣象雜波屬于體雜波，雷達(dá)接收的體雜波功率為

式中，G為天線增益；R為雜波中心距雷達(dá)斜距離；σν氣象雜波雷達(dá)截面，可表示為

其中，Vm為雷達(dá)分辨單元的體積，亦即垂直波束寬度為φ3dB，水平波束寬度為θ3dB和脈寬為τ的雷達(dá)波束所占有的體積，近似為

實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)雨等不同氣象類型的體雜波求Σσi的表達(dá)式，它與降雨量、風(fēng)速等參數(shù)有關(guān)。

3.1.3 干擾信號(hào)模擬［11］

對(duì)搜索雷達(dá)實(shí)施的干擾主要包括壓制性干擾和欺騙性干擾。壓制性干擾一般有窄帶瞄準(zhǔn)式、寬帶阻塞式、掃頻式等，其干擾回波特征一般為噪聲調(diào)頻（噪聲調(diào)相）、噪聲調(diào)幅和噪聲調(diào)頻調(diào)幅等；有源欺騙干擾主要密集假目標(biāo)、航跡假目標(biāo)等。對(duì)雷達(dá)實(shí)施干擾的戰(zhàn)術(shù)方式有：1）遠(yuǎn)距離支援式干擾（SOD），即干擾機(jī)遠(yuǎn)離被掩護(hù)目標(biāo)，以遠(yuǎn)距離實(shí)施干擾來掩護(hù)目標(biāo)；2）隨隊(duì)干擾（ESJ），即干擾機(jī)與被掩護(hù)目標(biāo)在同一距離附近，它對(duì)雷達(dá)干擾的目的是形成雷達(dá)主瓣干擾和盡可能的副瓣干擾；3）自衛(wèi)式干擾（SDJ），即干擾機(jī)裝載在目標(biāo)上，主要用于掩護(hù)自身載體目標(biāo)，它對(duì)雷達(dá)干擾的目的是形成雷達(dá)主瓣干擾。則雷達(dá)接收機(jī)端的干擾功率為

式中，Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率（W）；Gj干擾機(jī)天線對(duì)雷達(dá)方向的增益；Gjr為雷達(dá)天線在干擾機(jī)方向上的增益；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)（m）；γj為干擾回波特征對(duì)雷達(dá)天線的極化損失；Rj為雷達(dá)與干擾機(jī)之間的距離（m）；Lr為雷達(dá)接收綜合損耗；Lj為干擾機(jī)發(fā)射綜合損耗；Ljt為干擾機(jī)到雷達(dá)距離上的干擾回波特征大氣損耗（單程的）；Br為雷達(dá)接收機(jī)瞬時(shí)帶寬；Bj為干擾回波特征帶寬。

3.2 雷達(dá)系統(tǒng)建模

雷達(dá)系統(tǒng)建模主要是對(duì)雷達(dá)各分系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行建模仿真，如圖1所示。其中，天饋模塊、接收機(jī)模塊和信號(hào)處理模塊采用等效處理的方式實(shí)現(xiàn)。天饋模塊采用實(shí)測(cè)方向圖數(shù)據(jù)對(duì)接收或發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；接收機(jī)和信號(hào)處理模塊均采用對(duì)應(yīng)參數(shù)的改善因子調(diào)制輸入信號(hào)得出與實(shí)裝一致的輸出信號(hào)。即根據(jù)它們?cè)谙嚓P(guān)參數(shù)確定的條件下對(duì)SNR（信噪比）或ISR（干信比）的改善結(jié)果來歸一化等效實(shí)時(shí)調(diào)制雜波信號(hào)幅度、干擾信號(hào)幅度和目標(biāo)回波信號(hào)幅度，使其達(dá)到相應(yīng)處理的改善效果，例如MTI處理的改善效果為30dB，則雜波信號(hào)幅度歸一化衰減30dB，具體處理或操作的調(diào)整量與雜波的多普勒頻移有關(guān)。

為了保證數(shù)據(jù)處理和顯控模塊與實(shí)裝一致性，則采用移植實(shí)裝軟件并對(duì)其進(jìn)行適應(yīng)性修改，例如人工操控指令以參數(shù)的方式送給各子系統(tǒng)，使其改變相應(yīng)的處理模塊，輸出等效的處理結(jié)果，確保各種操控指令都能得到正確的效果反饋。在檢測(cè)處理過程中，采用了完整的雷達(dá)檢測(cè)處理算法，例如滑窗檢測(cè)法、恒虛警處理和目標(biāo)航跡的建批、起航算法等［12］。保證了訓(xùn)練系統(tǒng)與實(shí)裝具有相比擬的檢測(cè)性能（發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率）［13］。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信息流程

雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件主要由操控臺(tái)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成，其功能實(shí)現(xiàn)主要由軟件功能模塊組成。其軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與信息流程如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與信息流程

系統(tǒng)軟件模塊主要包括態(tài)勢(shì)編輯與顯示、態(tài)勢(shì)導(dǎo)調(diào)控制、回波特征模擬模塊、終端顯示控制和等模塊。態(tài)勢(shì)編輯顯示模塊主要是完成目標(biāo)環(huán)境編輯、雜波（云雨雜波、海雜波）參數(shù)設(shè)置、干擾環(huán)境編輯以及態(tài)勢(shì)信息二維顯示功能；態(tài)勢(shì)導(dǎo)調(diào)控制模塊主要完成訓(xùn)練過程導(dǎo)調(diào)控制、目標(biāo)和干擾實(shí)時(shí)導(dǎo)調(diào)控制功能；回波特征模擬模塊主要包括初始化參數(shù)計(jì)算模塊、目標(biāo)回波特征模擬模塊、雜波回波特征模擬模塊、干擾回波特征模擬模塊、波束調(diào)制模塊和抗干擾因子計(jì)算模塊等，主要完成目標(biāo)、雜波、干擾等回波特征的模擬，以及抗干擾處理效果模擬；終端顯示控制模塊主要包括信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示控制與處理模塊，主要是對(duì)雷達(dá)界面顯示、操作控制及其響應(yīng)、回波及干擾顯示模擬；訓(xùn)練管理與考評(píng)模塊主要完成訓(xùn)練態(tài)勢(shì)接收與存儲(chǔ)、訓(xùn)練人員及考核信息管理、訓(xùn)練科目?jī)?nèi)容管理以及訓(xùn)練考核評(píng)估功能［14］。

4.2 模擬結(jié)果

以某型雷達(dá)為對(duì)象，對(duì)其體制、信號(hào)類型、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理以及抗干擾改善等部分進(jìn)行等效模擬，模擬效果實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在雷達(dá)顯控終端，模擬結(jié)果具有較高的逼真度，如圖4所示。

圖4 某型雷達(dá)終端模擬顯示效果

5 結(jié)語

基于等效方法的雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是采用仿真手段構(gòu)建雷達(dá)裝備的探測(cè)效能，用于雷達(dá)職手裝備技能運(yùn)用訓(xùn)練，具有顯著的軍事經(jīng)濟(jì)效益。但是，采用等效仿真手段實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)模擬系統(tǒng)是介于功能級(jí)和信號(hào)級(jí)之間的仿真系統(tǒng)，在雷達(dá)探測(cè)環(huán)境仿真和系統(tǒng)仿真的逼真度方面還有一定的差距，需要進(jìn)一步深化和提升。