鄭昌艷， 何強(qiáng)， 張杰

軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003

　　摘要：目前很多仿真軟件對(duì)于參差重頻的目標(biāo)回波信號(hào)產(chǎn)生都有一定的局限性，本文在SystemVue仿真平臺(tái)及其雷達(dá)信號(hào)處理庫的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)MATLAB腳本程序動(dòng)態(tài)更新模型參數(shù)解決了這一問題。文中簡要介紹了SystemVue雷達(dá)庫的基本情況和SignalX模塊的特點(diǎn)，針對(duì)一種炮位偵察雷達(dá)，在SystemVue的基礎(chǔ)上進(jìn)行了參差重頻信號(hào)生成、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標(biāo)回波生成的程序設(shè)計(jì)。SystemVue仿真軟件以其獨(dú)特的先進(jìn)性和新穎性，在雷達(dá)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中將具有很好的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：SystemVue；發(fā)射信號(hào)生成；波束控制；輸出同步；炮彈彈道；回波生成

0引言

　　SystemVue是美國安捷倫（Agilent）公司推出的一種電子系統(tǒng)級(jí)仿真工具軟件，主要應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域。它可以與MATLAB、C++、ADS等其他軟件協(xié)同仿真，同時(shí)具有明顯的優(yōu)越性，尤其在射頻模塊及雷達(dá)系統(tǒng)仿真方面有很好的應(yīng)用前景。

　　目前在雷達(dá)系統(tǒng)仿真方面，對(duì)于參差重頻信號(hào)的產(chǎn)生，很多傳統(tǒng)的仿真軟件實(shí)現(xiàn)方法都有一定的局限性，尤其在考慮波控機(jī)實(shí)時(shí)控制波束掃描和信號(hào)參差的情況下，問題就更為明顯。這些軟件在一次運(yùn)行中只能實(shí)現(xiàn)固定脈沖重復(fù)頻率（PRF）的仿真，當(dāng)PRF改變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停下來重新調(diào)度，并且每次都需要調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來比較繁瑣，效率低且靈活性不足。為了解決這一問題，用SystemVue設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真鏈路，在一次調(diào)度中就能產(chǎn)生參差重頻信號(hào)并實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)同步。

　　本文基于SystemVue對(duì)一種炮位偵察雷達(dá)的參差重頻發(fā)射信號(hào)、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標(biāo)的回波生成進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了SystemVue的靈活性和優(yōu)越性。

1SystemVue在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中存在的問題

　　1.1SystemVue雷達(dá)庫的特點(diǎn)

　　SystemVue是以圖符化模塊構(gòu)建理論模型［1］，對(duì)電子系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，完成信號(hào)與系統(tǒng)特性的詳細(xì)分析。SystemVue中的雷達(dá)庫包括天線、陣列信號(hào)處理、環(huán)境、信號(hào)源、發(fā)射、接收、信號(hào)處理等多種模型庫［1］。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)來說，它可以基于多樣化的場(chǎng)景，對(duì)精確運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波進(jìn)行建模，這與傳統(tǒng)的停跳模型是不同的；同時(shí)支持多散射點(diǎn)目標(biāo)建模，支持目標(biāo)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡建模，支持起伏波動(dòng)的RCS類型建模，支持傳播效應(yīng)的建模。所以對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真時(shí)，可以根據(jù)設(shè)定的程序和場(chǎng)景需要，從相應(yīng)的雷達(dá)模型庫中選擇相對(duì)應(yīng)的元件模塊進(jìn)行系統(tǒng)搭建，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行模擬仿真。

　　1.2雷達(dá)系統(tǒng)仿真中結(jié)構(gòu)變化的影響

　　對(duì)于一個(gè)固定的PRF［2］，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率等于整數(shù)倍PRF時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生盲速。常用解決方法是參差PRF，它能大大提高第一個(gè)盲速，使目標(biāo)的任何速度都盡可能小于這個(gè)盲速，從而解決盲速問題且不會(huì)減小非模糊距離。同樣，當(dāng)目標(biāo)實(shí)際距離在非模糊范圍之外，就存在距離模糊，解決方法也是發(fā)射多組參差PRF的脈沖串信號(hào)，然后利用余數(shù)定理來解決距離模糊，這種方法也適用于解決速度模糊。所以，發(fā)射參差重頻的脈沖串信號(hào)可以有效解決盲速和模糊問題。

　　炮位偵察雷達(dá)有搜索和跟蹤兩種基本的工作模式［3］，處于不同的模式，雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)形式、PRF等關(guān)鍵參數(shù)是不同的，這為雷達(dá)系統(tǒng)仿真的通用性帶來不便。在參差PRF、模式轉(zhuǎn)換和多任務(wù)多功能的雷達(dá)系統(tǒng)仿真中，傳統(tǒng)的SystemVue仿真思路難以適應(yīng)。例如SystemVue現(xiàn)有的雷達(dá)庫模塊不夠靈活，大部分模塊要求固定不變的PRF，所以不能實(shí)現(xiàn)參差PRF。本文對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，較好地解決了這一問題。

2雷達(dá)發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)

　　2.1SignalX模塊實(shí)現(xiàn)參差重頻信號(hào)

　　2.1.1SignalX模塊簡介

　　一般的信號(hào)生成模塊是根據(jù)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的波形，一旦參數(shù)固定，波形就會(huì)不變，不能實(shí)時(shí)變化。SignalX是SystemVue雷達(dá)信號(hào)處理庫中的一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)生成模塊，可以靈活地生成參差PRF信號(hào)。SignalX模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.1.2信號(hào)生成的改進(jìn)思路

　　對(duì)于多脈沖串參差PRF信號(hào)的產(chǎn)生，典型的實(shí)現(xiàn)方法是進(jìn)行分塊程序設(shè)計(jì)，即不同頻率對(duì)應(yīng)不同分塊，運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同PRF調(diào)用相應(yīng)程序，這樣完成一次參差PRF的仿真，系統(tǒng)就要運(yùn)行多次，消耗時(shí)間長且靈活性差?；谝陨显?，本文用SystemVue來解決這一問題。首先構(gòu)造一個(gè)靜態(tài)查詢表，在靜態(tài)查詢表中預(yù)先設(shè)置好參差PRF的相應(yīng)參數(shù)，包括PRF及其個(gè)數(shù)，然后通過查表的方式實(shí)時(shí)調(diào)用這些參數(shù)，利用RADAR-SignalX的特性可實(shí)現(xiàn)在一次仿真中產(chǎn)生參差重頻信號(hào)，而且當(dāng)波束掃描實(shí)時(shí)變化時(shí)，可根據(jù)需要產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)，靈活性更加明顯。同時(shí)SystemVue在參差重頻和波束控制的情況下還能夠解決輸出數(shù)據(jù)同步問題，這也是本文設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

　　2.2該型雷達(dá)發(fā)射信號(hào)生成設(shè)計(jì)

　　基于SystemVue實(shí)現(xiàn)該型雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，該雷達(dá)通過天線波束控制BeamController模塊［4］在空間形成3種不同的信號(hào)波形，覆蓋方位角為-45°~+45°，俯仰角為0°~30°的全空域波束掃描。當(dāng)俯仰角小于10°時(shí)，發(fā)射信號(hào)波形定義為WaveformType0，其連續(xù)發(fā)射8個(gè)脈沖重復(fù)間隔PRI為100 μs的線性調(diào)頻信號(hào)；當(dāng)俯仰角在10°~20°時(shí)，發(fā)射信號(hào)波形定義為WaveformType1，其連續(xù)發(fā)射10個(gè)脈沖重復(fù)間隔PRI為200 μs的線性調(diào)頻信號(hào)；當(dāng)俯仰角在20°~30°時(shí)，發(fā)射信號(hào)波形定義為WaveformType2，其連續(xù)發(fā)射20個(gè)脈沖重復(fù)間隔PRI為400 μs的線性調(diào)頻信號(hào)。以上3種波形的脈寬均為20 μs，帶寬均為1 MHz，基帶采樣率均為10 MHz，其發(fā)射信號(hào)形式見表1。

　　根據(jù)發(fā)射信號(hào)的3種不同波形形式，在LookUpTable靜態(tài)查詢表中設(shè)置相應(yīng)的CPI和PRF，PRF通過Recip倒數(shù)函數(shù)模塊轉(zhuǎn)化為PRI，然后通過波束控制中發(fā)射信號(hào)的波形形式實(shí)時(shí)調(diào)用其中的CPI和PRF，獲取相應(yīng)的波形參數(shù)。WaveformType0對(duì)應(yīng)的CPI為8，PRF為10 kHz；WaveformType1對(duì)應(yīng)的CPI為10，PRF為5 kHz；WaveformType2對(duì)應(yīng)的CPI為20，PRF為2.5 kHz。將以上的脈寬、帶寬、CPI和PRI連接到RADARSignalX動(dòng)態(tài)信號(hào)生成模塊，可以根據(jù)波束照射情況實(shí)時(shí)靈活地產(chǎn)生相應(yīng)的波形。

　　2.3BeamController波控設(shè)計(jì)

　　當(dāng)前在雷達(dá)系統(tǒng)參差重頻信號(hào)生成的仿真中，很少考慮波控機(jī)對(duì)波束掃描和信號(hào)產(chǎn)生的影響。為了實(shí)現(xiàn)控制波束掃描和信號(hào)參差的目的，在仿真鏈路中加入波控模塊，由波束位置控制產(chǎn)生不同重復(fù)頻率的信號(hào)。另外通過波控模塊輸出的波形編號(hào)和波位，統(tǒng)一調(diào)度雷達(dá)資源，進(jìn)行全局指揮。

　　BeamController波束控制是一個(gè)子網(wǎng)模塊，可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生波束掃描，靈活控制雷達(dá)系統(tǒng)。其子網(wǎng)框圖如圖2所示。

　　全空域波束掃描在MATLAB中的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，波束會(huì)在10°和20°處有不同波形的變化，程序代碼根據(jù)每個(gè)波位處的波束高度進(jìn)行累加，當(dāng)波束掃描到俯仰角10°和20°時(shí)，根據(jù)波束中心在它們上下的位置選擇相應(yīng)的波形。

　　2.4DistributorM同步設(shè)計(jì)

　　2.4.1同步數(shù)據(jù)流

　　同步數(shù)據(jù)流（Synchronous Data Flow，SDF）是指保持一個(gè)數(shù)據(jù)流或者不同數(shù)據(jù)流之間的時(shí)間關(guān)系，是一個(gè)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣泛的計(jì)算模型，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能部件的緩存優(yōu)化，還能減少系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。

　　同步數(shù)據(jù)流在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中可使系統(tǒng)在時(shí)間上保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，這對(duì)系統(tǒng)仿真而言至關(guān)重要。對(duì)于固定重復(fù)頻率的信號(hào)易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于參差重頻信號(hào)不容易實(shí)現(xiàn)，因此就需要針對(duì)不同的情況設(shè)計(jì)仿真鏈路。本文通過具體的方法在該雷達(dá)參差重頻發(fā)射信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)輸出數(shù)據(jù)同步進(jìn)行設(shè)計(jì)，使DistributorM模塊每次輸入輸出的數(shù)據(jù)流大小相同，達(dá)到數(shù)據(jù)同步的目的，同時(shí)也為后續(xù)的多路信號(hào)處理帶來方便。

　　2.4.2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　DistributorM是一個(gè)子網(wǎng)模塊，子網(wǎng)中C1、C2和C3為3個(gè)常數(shù)控制源，分別對(duì)應(yīng)于CPI1、CPI2和CPI3的采樣點(diǎn)數(shù)，且每個(gè)采樣點(diǎn)處的值均為0。定義C1、C2和C3的輸出值分別為波形ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3， RADARSignalX為Input。當(dāng)波束為WaveformType0時(shí)，3個(gè)輸出接口Output1~Output3輸出的波形分別為Input、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3；當(dāng)波束為WaveformType1時(shí)，3個(gè)輸出接口輸出的波形分別為ZerosWaveform1、Input和ZerosWaveform3；當(dāng)波束為WaveformType2時(shí)，3個(gè)輸出接口輸出的波形分別為ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和Input。

　　這樣做的原因就是當(dāng)波束為不同的WaveformType時(shí)，3個(gè)輸出接口Output1~Output3每次輸出的總采樣點(diǎn)數(shù)是一致的，即輸入輸出數(shù)據(jù)流一樣。這是為了保證在后續(xù)的多路信號(hào)接收處理過程中的時(shí)間相同，使整個(gè)系統(tǒng)在每次處理時(shí)保持同步狀態(tài)。

　　2.5目標(biāo)回波生成設(shè)計(jì)

　　2.5.1炮彈彈道設(shè)計(jì)

　　把炮彈作為目標(biāo)，然后定義炮彈的參數(shù)，仿真其自由彈道軌跡（拋物線）情況。在MathLang數(shù)學(xué)語言模塊中的Equations中編寫炮彈發(fā)射的彈道軌跡程序代碼，并在I/O輸入輸出接口中建立需要的輸出接口。程序中定義雷達(dá)波束的方位角為0°，即炮彈正對(duì)于雷達(dá)進(jìn)行發(fā)射，炮彈和雷達(dá)的距離為10 km，炮彈的初始速度為300 m/s，發(fā)射角度為70π/180。參數(shù)定義是靈活多變的，可以修改程序代碼來改變炮彈的發(fā)射方向、角度、初始速度和距離等相關(guān)信息，也可以根據(jù)需要設(shè)置多發(fā)炮彈。

　　本程序炮彈彈道設(shè)計(jì)的子網(wǎng)框圖和MATLAB仿真結(jié)果分別如圖4和5所示?！　?/p>

　　2.5.2炮彈回波生成

　　將上述產(chǎn)生的實(shí)時(shí)矩陣波形送入DynamicUnpackM動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將矩陣數(shù)據(jù)按照行最大的形式依次取出數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)流經(jīng)過10 MHz的SetSampleRate采樣模塊進(jìn)行采樣，變?yōu)殡x散化的信號(hào)后，再送入Sink數(shù)據(jù)接收器處理即可產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。將發(fā)射信號(hào)送入CxToEnv模塊進(jìn)行載波調(diào)制，將轉(zhuǎn)換后的上變頻信號(hào)送入RADARAntennaTx天線發(fā)射模塊進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，再接入RADARTarget目標(biāo)模塊，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即對(duì)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生目標(biāo)回波。將產(chǎn)生的回波信號(hào)送入RADARAntennaRx天線接收模塊，再將接收到的回波信號(hào)通過EnvToCx轉(zhuǎn)換模塊將上變頻信號(hào)變?yōu)閺?fù)合信號(hào)，最后送入Sink數(shù)據(jù)接收器中產(chǎn)生模擬的回波生成信號(hào)。其中天線發(fā)射模塊和接收模塊的波束方位角及高低角統(tǒng)一由BeamController波控模塊進(jìn)行同步控制，目標(biāo)方位角及高低角統(tǒng)一由CannonBall炮彈模塊控制。

　　這里需要說明的是，回波生成很復(fù)雜，回波信號(hào)中應(yīng)該包含發(fā)射信號(hào)、雜波、干擾和目標(biāo)信號(hào)，而且雜波又分為多種類型，同時(shí)還需考慮天線方向圖等綜合因素。所以本文為了說明SystemVue能根據(jù)波束控制靈活實(shí)時(shí)地生成參差重頻的脈沖串信號(hào)并產(chǎn)生目標(biāo)回波，并沒有加入雜波，只是針對(duì)炮彈目標(biāo)進(jìn)行回波生成。以后會(huì)逐步加入雜波并考慮天線轉(zhuǎn)動(dòng)等因素，全面分析回波信號(hào)。

3結(jié)束語

　　SystemVue［5］是一款能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流仿真的信號(hào)級(jí)仿真軟件，并且應(yīng)用于射頻方面很有優(yōu)勢(shì)，能夠達(dá)到良好的射頻仿真效果。本文對(duì)一種炮位偵察雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和無雜波炮彈目標(biāo)的回波生成進(jìn)行了程序設(shè)計(jì),以后還將繼續(xù)基于SystemVue的仿真優(yōu)勢(shì)加入雜波和天線因素進(jìn)行回波生成、回波接收和信號(hào)處理等方面的工作，建立一個(gè)完整的雷達(dá)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，為雷達(dá)系統(tǒng)性能評(píng)估提供一個(gè)全面合理的仿真環(huán)境。

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