(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003)

0 引言

SystemVue仿真軟件是Agilent公司近些年大力發(fā)展的一款電子系統(tǒng)級(jí)仿真工具軟件，主要針對(duì)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(gè)適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析的仿真平臺(tái)，能夠?qū)ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)字仿真，完成系統(tǒng)性能的合理分析和仿真評(píng)估[1]。它具有與外部文件相通的、開(kāi)放的算法建模接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以與Matlab、C++、HDL、DSP、FPGA、ADS等軟件互聯(lián)使用。與其它仿真軟件相比，SystemVue仿真軟件具有明顯的優(yōu)越性，尤其在射頻模塊方面：支持射頻-基帶聯(lián)合仿真；支持?jǐn)?shù)據(jù)流仿真；模塊齊全，可直接進(jìn)行搭建。以上這些優(yōu)點(diǎn)基本滿(mǎn)足雷達(dá)仿真的需求，在雷達(dá)系統(tǒng)仿真方面有很好的應(yīng)用前景[2-3]。

當(dāng)今雷達(dá)基本上都采用三坐標(biāo)體制，能為操作員提供空中目標(biāo)的高度、速度、方位等詳細(xì)信息。數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)是新一代雷達(dá)實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)所采用的一種先進(jìn)技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是對(duì)不同來(lái)向的信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)和抑制。DBF雷達(dá)通過(guò)對(duì)權(quán)值的控制可以完成自適應(yīng)置零，天線(xiàn)自校正，低副瓣等功能,這些特點(diǎn)大大提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力、分辨力等，因而得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)分為普通數(shù)字波束形成和自適應(yīng)數(shù)字波束形成兩種，區(qū)別在于后者能夠自適應(yīng)地在干擾方向形成“零點(diǎn)”。本文對(duì)其中較為先進(jìn)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成基本原理進(jìn)行介紹，并利用SystemVue軟件平臺(tái)對(duì)DBF體制雷達(dá)進(jìn)行建模，最后給出以線(xiàn)性調(diào)頻脈沖發(fā)射信號(hào)受到干擾的情況的仿真結(jié)果。

1 三坐標(biāo)搜索雷達(dá)空域掃描基本理論

1.1 空域掃描方法

通常三坐標(biāo)雷達(dá)方位掃描采用機(jī)械掃描方式，或者機(jī)掃加相掃。而仰角覆蓋方式有：堆積多波束和電掃描兩種。其中電掃描根據(jù)實(shí)現(xiàn)所用的基本技術(shù)的差別，又可分為頻率掃描法、相位掃描法、頻相掃描法、數(shù)字波束形成等[4-6]。

1.2 自適應(yīng)數(shù)字波束形成的基本原理

數(shù)字波束形成技術(shù)，一般是針對(duì)接收陣列天線(xiàn)而言的，利用陣列天線(xiàn)的孔徑，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理在期望的方向形成接收波束。數(shù)字波束形成技術(shù)兼有相掃和堆積多波束體制的特點(diǎn),其物理意義是：陣列上每個(gè)天線(xiàn)的方向圖都是全向的，接收來(lái)自各個(gè)方向的信號(hào)，利用數(shù)字處理方法，對(duì)陣列多個(gè)接收通道中某一方向的入射信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和處理，補(bǔ)償由于每根天線(xiàn)空間位置不同引起的傳播波程差導(dǎo)致的相位差，實(shí)現(xiàn)該方向的最大能量接收，相當(dāng)于在該方向上形成了一個(gè)“波束”?？梢酝ㄟ^(guò)改變權(quán)值，使得波束指向不同的方向，實(shí)現(xiàn)波束的掃描。通過(guò)多通道并行處理可以同時(shí)形成多個(gè)波束，還可以選擇合適的窗函數(shù)來(lái)降低副瓣電平。圖1是利用數(shù)字波束形成技術(shù)對(duì)n個(gè)波束進(jìn)行自適應(yīng)數(shù)字多波束形成的原理框圖[7]。

圖1 自適應(yīng)數(shù)字多波束形成原理框圖

圖1中每個(gè)陣元接收的射頻回波信號(hào)送至數(shù)字T/R模塊的接收通道，經(jīng)過(guò)接收系統(tǒng)相應(yīng)的處理,輸出正交的I/Q數(shù)字信號(hào)。數(shù)字波束形成模塊對(duì)每一個(gè)波束的每個(gè)I/Q數(shù)字信號(hào)分別進(jìn)行復(fù)加權(quán)和求和運(yùn)算處理，形成所要求的波束。

其具體復(fù)加權(quán)和求和運(yùn)算用矢量方式表達(dá)如下所示：

對(duì)于N陣元天線(xiàn)，N個(gè)數(shù)字T/R模塊輸出的信號(hào)矢量為：

X=[x1…xi…xN]T

(1)

第i個(gè)T/R模塊輸出的復(fù)信號(hào)xi為：

xi=Ii+jQi

(2)

則第1個(gè)、第k個(gè)、第n個(gè)波束的接收信號(hào)的矢量的加權(quán)矢量W1、Wk、Wn分別為：

W1= [W11…W1 i…W1N]T(3)

Wk=[Wk 1…Wki…WkN]T

(4)

Wn= [Wn 1…Wn i…WnN]T

(5)

加權(quán)后的復(fù)信號(hào)經(jīng)過(guò)相加、求和之后，便可以得到第1個(gè)、第k個(gè)、第n個(gè)波束的輸出函數(shù)：

F1(θ) =W1TX

(6)

Fk(θ) =WkTX

(7)

Fn(θ) =WnTX

(8)

|F1(θ)|、|Fk(θ)|、|Fn(θ)|分別是第1、k、n個(gè)波束的方向圖函數(shù)。不同方向的F(θ)模值不同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)方向角θ的選擇，即實(shí)現(xiàn)了空域?yàn)V波[8-9]。

2 三坐標(biāo)DBF雷達(dá)設(shè)計(jì)相關(guān)軟件模塊

2.1 SystemVue雷達(dá)模塊

SystemVue是以圖符化模塊構(gòu)建理論模型，對(duì)電子系統(tǒng)電路的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)地仿真模擬，完成電子線(xiàn)路功能和電路特性的詳細(xì)分析。其雷達(dá)庫(kù)包括完整的信號(hào)源、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、天線(xiàn)收發(fā)、環(huán)境和信號(hào)處理等12類(lèi)模塊。模塊齊全，功能完善，能夠適應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)仿真的絕大部分需求。在這里我們主要研究陣列收發(fā)、陣列信號(hào)處理這兩類(lèi)模塊。

2.2 陣列收發(fā)模塊

RADAR_Phased Array_Rx是相控陣接收天線(xiàn)模塊，利用該模型可以對(duì)線(xiàn)性陣列和任意平面陣列接收功能進(jìn)行仿真。其參數(shù)有以下幾類(lèi)：相控陣天線(xiàn)模式、天線(xiàn)坐標(biāo)軸/軸平面設(shè)置、二維陣列形狀、陣列天線(xiàn)單元數(shù)、陣列天線(xiàn)單元位置分布、可靠性參數(shù)、天線(xiàn)坐標(biāo)中的目標(biāo)仰角和方位角、天線(xiàn)坐標(biāo)中波束仰角和方位角、窗口函數(shù)設(shè)置、移相器設(shè)置等。其輸入有：從空間接收或上一級(jí)傳輸?shù)纳漕l信號(hào)、天線(xiàn)坐標(biāo)中的目標(biāo)仰角和方位角參數(shù)信號(hào)、天線(xiàn)坐標(biāo)中波束仰角和方位角參數(shù)信號(hào)。其輸出是相控陣天線(xiàn)各接收通道輸出的射頻信號(hào)。

圖2 陣列收發(fā)仿真模塊

RADAR_MultiCH_Rx是多通道接收機(jī)模塊，利用該模型可以對(duì)多通道接收機(jī)輸入信號(hào)從射頻到基帶的處理過(guò)程進(jìn)行仿真。其參數(shù)有：接收機(jī)內(nèi)部本振頻率、輸出噪聲頻譜密度、基準(zhǔn)相位、I/Q通道的增益/相位不平衡度、通道數(shù)目、通道的不平衡系數(shù)等。其輸入是上一級(jí)的射頻信號(hào)，其輸出是正交的I/Q數(shù)字信號(hào)。

2.3 陣列信號(hào)處理模塊

RADAR_ADBF，陣列最佳濾波器，該模型根據(jù)最優(yōu)化準(zhǔn)則，通過(guò)模型內(nèi)嵌的最佳權(quán)向量準(zhǔn)則(MMSE、MVDR、MSNR)完成接收信號(hào)權(quán)系數(shù)的求取與更新。其仿真雷達(dá)一般為矩形陣列接收天線(xiàn)，ADBF模塊的參數(shù)有：矩形陣列天線(xiàn)X軸/Y軸中的單元數(shù)，X軸/Y軸的天線(xiàn)單元間距，對(duì)天線(xiàn)仰角關(guān)注的程度，對(duì)天線(xiàn)方位角關(guān)注的程度，波形基帶采樣率，估計(jì)系數(shù)矩陣的樣本個(gè)數(shù)(通常將樣本數(shù)量設(shè)置為信號(hào)通道數(shù)量的10倍或更多)。ADBF模塊的輸入有：用于估計(jì)權(quán)重的輸入信號(hào)，天線(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注方向的仰角/方位角。其輸出是輸入信號(hào)的權(quán)重。

圖3 陣列信號(hào)處理模塊

RADAR_DBF數(shù)字波束形成模塊，用來(lái)完成數(shù)字基帶信號(hào)與權(quán)系數(shù)的相乘、加權(quán)求和運(yùn)算從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成。其輸入是接收機(jī)每個(gè)接收通道輸出的I/Q數(shù)字信號(hào)和每個(gè)信號(hào)的權(quán)系數(shù)(來(lái)自ADBF模塊)，輸出是完成自適應(yīng)數(shù)字波束形成處理后的信號(hào)。其功能有：改變波束指向，干擾的自適應(yīng)消除，提高目標(biāo)和干擾器的高分辨率角度估計(jì)等。

在進(jìn)行自適應(yīng)數(shù)字波束形成仿真時(shí)，RADAR_ADBF模塊來(lái)估計(jì)接收信號(hào)的權(quán)系數(shù)并將權(quán)系數(shù)輸入到RADAR_DBF模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成，兩者共同完成自適應(yīng)數(shù)字波束形成。

2.4 自適應(yīng)數(shù)字波束形成最佳權(quán)向量準(zhǔn)則

自適應(yīng)數(shù)字波束形成是在最佳權(quán)向量準(zhǔn)則下尋求最優(yōu)權(quán)矢量，完成接收信號(hào)權(quán)系數(shù)的求取與更新，SystemVue軟件中RADAR_ADBF模塊內(nèi)嵌的算法準(zhǔn)則為MMSE、MVDR和MSNR。

2.4.1 最小均方誤差準(zhǔn)則(MMSE)

MMSE準(zhǔn)則是利用參考信號(hào)求解權(quán)矢量的一種準(zhǔn)則，參考信號(hào)根據(jù)期望信號(hào)特性求得。其數(shù)學(xué)定義是：使未知量與已知量的均方誤差達(dá)到最小化，在這種條件下來(lái)確定所需的未知量。陣列自適應(yīng)權(quán)矢量的求解是使參考信號(hào)與陣列加權(quán)相加的輸出信號(hào)之差的均方值最小化。應(yīng)用該準(zhǔn)則的前提尋找輸入信號(hào)與期望信號(hào)的互相關(guān)矩陣，計(jì)算量大，是一種最優(yōu)維納解，多應(yīng)用于旁瓣相消和自適應(yīng)均衡。

2.4.2 最小方差無(wú)失真響應(yīng)準(zhǔn)則(MVDR)

MVDR是一種基于最大信噪比準(zhǔn)則的自適應(yīng)的空間波數(shù)譜估計(jì)算法。通過(guò)MVDR算法得到的權(quán)系數(shù)可以使在期望方向上的陣列輸出功率最小，同時(shí)信噪比最大，有良好的弱信號(hào)檢測(cè)、高分辨力和噪聲抑制性能。MVDR算法采用矩陣求逆(SMI)算法，具有較快的收斂速度。該算法存在兩個(gè)問(wèn)題：(1)在強(qiáng)干擾存在的情況下，容易產(chǎn)生病態(tài)解；(2)在有限次快拍條件下，協(xié)方差矩陣估計(jì)存在誤差，帶來(lái)一定的信噪比損失。

2.4.3 最大信噪比準(zhǔn)則(MSNR)

MSNR準(zhǔn)則是在輸出信噪比最大的條件下求得最優(yōu)權(quán)矢量，應(yīng)用該準(zhǔn)則需要知道信號(hào)自相關(guān)矩陣和噪聲自相關(guān)矩陣，需要的樣本數(shù)較大，計(jì)算量大，是一種最優(yōu)維納解。

3 三坐標(biāo)DBF雷達(dá)仿真實(shí)現(xiàn)

上文我們對(duì)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成原理和相關(guān)仿真軟件模塊進(jìn)行了介紹。在這里我們對(duì)DBF體制三坐標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行仿真。

3.1 DBF雷達(dá)仿真原理

DBF體制雷達(dá)，接收時(shí)全向接收各個(gè)方向的信號(hào)， 將目標(biāo)信號(hào)與環(huán)境中的雜波、干擾一同接收，在通過(guò)DBF模塊自適應(yīng)權(quán)矢量的求解后，判定出目標(biāo)信號(hào)方向和干擾信號(hào)方向，用數(shù)字方法調(diào)整陣列接收的方向增益聚集在目標(biāo)信號(hào)的方向上，并對(duì)干擾信號(hào)方向進(jìn)行抑制。該雷達(dá)仿真的關(guān)鍵在于對(duì)多路接收信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)數(shù)字多波束形成處理。其主要由兩部分組成，一部分是陣列最佳濾波器，其功能是根據(jù)最佳權(quán)向量準(zhǔn)則完成權(quán)系數(shù)的求取與更新；另一部分是數(shù)字波束形成模塊，其功能是完成數(shù)字基帶信號(hào)的復(fù)加權(quán)和求和運(yùn)算，進(jìn)而得到波束信號(hào)[8]。

3.2 仿真場(chǎng)景設(shè)置

在DBF雷達(dá)坐標(biāo)30度方向上設(shè)置一個(gè)信號(hào)發(fā)射器向DBF雷達(dá)發(fā)射線(xiàn)性調(diào)頻脈沖信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)射信號(hào))，在雷達(dá)坐標(biāo)60度方向上設(shè)置有一個(gè)干擾器發(fā)射干擾信號(hào)。發(fā)射信號(hào)與干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)一段理想空間傳播，到達(dá)DBF雷達(dá)處，被DBF雷達(dá)的相控陣天線(xiàn)一同接收，兩者的混合信號(hào)進(jìn)入DBF雷達(dá)。

3.3 DBF雷達(dá)仿真建模

根據(jù)雷達(dá)仿真基本原理[10-12]，總體仿真框圖如圖4所示。

圖4 DBF體制三坐標(biāo)雷達(dá)仿真

為了能夠清晰地分析整個(gè)仿真框圖，將其分成幾個(gè)分塊圖進(jìn)行解釋說(shuō)明，分別如圖5～8所示。

圖5 發(fā)射信號(hào)分塊

圖6 干擾分塊

圖7 接收分塊

圖8 自適應(yīng)數(shù)字多波束形成分塊

圖5中，Radar_LEM信號(hào)源模塊產(chǎn)生的線(xiàn)性調(diào)頻發(fā)射信號(hào)經(jīng)Set_Sample_Rate采樣模塊采樣后，送入Cx_To_Env模塊進(jìn)行載波調(diào)制，將轉(zhuǎn)換后的復(fù)包絡(luò)信號(hào)送入接收分塊。圖6中RADAR_EWJamming干擾模塊產(chǎn)生干擾信號(hào)，經(jīng)Set_Sample_Rate采樣模塊采樣后，送入Cx-To-Env模塊進(jìn)行載波調(diào)制，然后送入接收分塊。圖7為接收分塊，在此仿真中有兩套接收分塊分別接收發(fā)射信號(hào)和干擾信號(hào)，RADAR Phased Array Rx相控陣天線(xiàn)接收模塊，接收來(lái)到的發(fā)射信號(hào)(干擾信號(hào))，再將接收到的發(fā)射信號(hào)(干擾信號(hào))送入RADAR_MultiCH_ RX多通道接收機(jī)模塊處理，自定義編程的MATLAB模塊將處理后的發(fā)射信號(hào)和干擾信號(hào)的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行混合相加，然后將混合信號(hào)送入自適應(yīng)數(shù)字多波束形成分塊。圖8中，RADAR-ADBF陣列最佳濾波器模塊對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)模型內(nèi)嵌的最佳權(quán)向量準(zhǔn)則完成接收信號(hào)權(quán)系數(shù)的求取與更新，并將自適應(yīng)估計(jì)權(quán)系數(shù)輸入到RADAR_DBF模塊。RADAR_DBF模塊用來(lái)完成數(shù)字基帶信號(hào)的復(fù)加權(quán)和求和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)數(shù)字多波束形成。

4 仿真結(jié)果驗(yàn)證

將以上設(shè)計(jì)程序在SystemVue仿真平臺(tái)上運(yùn)行，得到仿真結(jié)果如圖9～13所示。圖9為發(fā)射信號(hào)的時(shí)域仿真波形(圖(a)為多脈沖波形，圖(b)為脈沖內(nèi)線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)波形)，圖10干擾信號(hào)的時(shí)域仿真波形，圖11為混合信號(hào)的時(shí)域仿真波形，圖12為RADAR-ADBF模塊對(duì)混合信號(hào)處理得到的自適應(yīng)估計(jì)權(quán)系數(shù)，圖13為混合信號(hào)經(jīng)自適應(yīng)DBF處理后的時(shí)域仿真波形(圖(a)是處理后多脈沖時(shí)域波形，圖(b)是處理后脈沖內(nèi)調(diào)頻信號(hào)波形)。

圖9 發(fā)射信號(hào)的時(shí)域仿真結(jié)果

圖10 干擾信號(hào)的時(shí)域仿真結(jié)果

圖11 混合信號(hào)的時(shí)域仿真結(jié)果

圖12 自適應(yīng)估計(jì)權(quán)系數(shù)仿真仿真結(jié)果

圖13 混合信號(hào)經(jīng)自適應(yīng)DBF處理后的時(shí)域仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果波形(圖11)可知，發(fā)射信號(hào)和干擾信號(hào)的相互混合，發(fā)射信號(hào)淹沒(méi)在干擾中，無(wú)法進(jìn)行識(shí)別。經(jīng)過(guò)ADBF模塊獲取自適應(yīng)權(quán)值后，可以判定發(fā)射信號(hào)的方向和干擾信號(hào)的方向。從自適應(yīng)權(quán)值波形圖(圖12)得出，在雷達(dá)坐標(biāo)30度方向發(fā)射信號(hào)權(quán)值最大，在雷達(dá)坐標(biāo)60度方向干擾權(quán)值最小。再經(jīng)過(guò)DBF模塊的數(shù)字波束形成處理后，可有效提取出發(fā)射信號(hào)波形，由圖13可以看出，其信號(hào)波形與發(fā)射前信號(hào)波形基本相同，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)程序和仿真結(jié)果的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)三坐標(biāo)DBF雷達(dá)的SystemVue仿真建模方法進(jìn)行研究，分析了DBF的基本理論，并對(duì)SystemVue雷達(dá)模塊庫(kù)中用于三坐標(biāo)DBF雷達(dá)空域掃描仿真的陣列收發(fā)模塊、陣列信號(hào)處理模塊的功能及參數(shù)進(jìn)行了研究分析，完成了DBF雷達(dá)系統(tǒng)的建模。在仿真驗(yàn)證中，以線(xiàn)性調(diào)頻脈沖發(fā)射信號(hào)受到干擾的情況進(jìn)行仿真，通過(guò)ADBF的自適應(yīng)估計(jì)權(quán)系數(shù),可以有效地判定干擾方向和發(fā)射信號(hào)方向，從接收陣列DBF模塊得到的波形可以看出，從混合信號(hào)中有效地識(shí)別出了發(fā)射信號(hào)波形，達(dá)到了良好的干擾抑制效果，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。