鄭昌艷， 何強， 張杰

軍械工程學院 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003

　　摘要：目前很多仿真軟件對于參差重頻的目標回波信號產(chǎn)生都有一定的局限性，本文在SystemVue仿真平臺及其雷達信號處理庫的基礎(chǔ)上，通過設計MATLAB腳本程序動態(tài)更新模型參數(shù)解決了這一問題。文中簡要介紹了SystemVue雷達庫的基本情況和SignalX模塊的特點，針對一種炮位偵察雷達，在SystemVue的基礎(chǔ)上進行了參差重頻信號生成、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標回波生成的程序設計。SystemVue仿真軟件以其獨特的先進性和新穎性，在雷達系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中將具有很好的應用。

　　關(guān)鍵詞：SystemVue；發(fā)射信號生成；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)級仿真工具軟件，主要應用于通信、雷達、導航和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域。它可以與MATLAB、C++、ADS等其他軟件協(xié)同仿真，同時具有明顯的優(yōu)越性，尤其在射頻模塊及雷達系統(tǒng)仿真方面有很好的應用前景。

　　目前在雷達系統(tǒng)仿真方面，對于參差重頻信號的產(chǎn)生，很多傳統(tǒng)的仿真軟件實現(xiàn)方法都有一定的局限性，尤其在考慮波控機實時控制波束掃描和信號參差的情況下，問題就更為明顯。這些軟件在一次運行中只能實現(xiàn)固定脈沖重復頻率（PRF）的仿真，當PRF改變時，整個系統(tǒng)就會停下來重新調(diào)度，并且每次都需要調(diào)整整個系統(tǒng)的參數(shù)，實現(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設計了一個仿真鏈路，在一次調(diào)度中就能產(chǎn)生參差重頻信號并實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)同步。

　　本文基于SystemVue對一種炮位偵察雷達的參差重頻發(fā)射信號、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和炮彈目標的回波生成進行了程序設計，充分體現(xiàn)了SystemVue的靈活性和優(yōu)越性。

1SystemVue在雷達系統(tǒng)仿真中存在的問題

　　1.1SystemVue雷達庫的特點

　　SystemVue是以圖符化模塊構(gòu)建理論模型［1］，對電子系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)進行仿真模擬，完成信號與系統(tǒng)特性的詳細分析。SystemVue中的雷達庫包括天線、陣列信號處理、環(huán)境、信號源、發(fā)射、接收、信號處理等多種模型庫［1］。對于運動目標來說，它可以基于多樣化的場景，對精確運動目標的回波進行建模，這與傳統(tǒng)的停跳模型是不同的；同時支持多散射點目標建模，支持目標復雜運動軌跡建模，支持起伏波動的RCS類型建模，支持傳播效應的建模。所以對雷達系統(tǒng)進行設計仿真時，可以根據(jù)設定的程序和場景需要，從相應的雷達模型庫中選擇相對應的元件模塊進行系統(tǒng)搭建，設置參數(shù)進行模擬仿真。

　　1.2雷達系統(tǒng)仿真中結(jié)構(gòu)變化的影響

　　對于一個固定的PRF［2］，當運動目標的多普勒頻率等于整數(shù)倍PRF時，就會產(chǎn)生盲速。常用解決方法是參差PRF，它能大大提高第一個盲速，使目標的任何速度都盡可能小于這個盲速，從而解決盲速問題且不會減小非模糊距離。同樣，當目標實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，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可以有效解決盲速和模糊問題。

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

2雷達發(fā)射信號設計

　　2.1SignalX模塊實現(xiàn)參差重頻信號

　　2.1.1SignalX模塊簡介

　　一般的信號生成模塊是根據(jù)參數(shù)產(chǎn)生相應的波形，一旦參數(shù)固定，波形就會不變，不能實時變化。SignalX是SystemVue雷達信號處理庫中的一個動態(tài)信號生成模塊，可以靈活地生成參差PRF信號。SignalX模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.1.2信號生成的改進思路

　　對于多脈沖串參差PRF信號的產(chǎn)生，典型的實現(xiàn)方法是進行分塊程序設計，即不同頻率對應不同分塊，運行時根據(jù)不同PRF調(diào)用相應程序，這樣完成一次參差PRF的仿真，系統(tǒng)就要運行多次，消耗時間長且靈活性差?；谝陨显?，本文用SystemVue來解決這一問題。首先構(gòu)造一個靜態(tài)查詢表，在靜態(tài)查詢表中預先設置好參差PRF的相應參數(shù)，包括PRF及其個數(shù)，然后通過查表的方式實時調(diào)用這些參數(shù)，利用RADAR-SignalX的特性可實現(xiàn)在一次仿真中產(chǎn)生參差重頻信號，而且當波束掃描實時變化時，可根據(jù)需要產(chǎn)生不同頻率的信號，靈活性更加明顯。同時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，這也是本文設計的主要目標。

　　2.2該型雷達發(fā)射信號生成設計

　　基于SystemVue實現(xiàn)該型雷達的發(fā)射信號，該雷達通過天線波束控制BeamController模塊［4］在空間形成3種不同的信號波形，覆蓋方位角為-45°~+45°，俯仰角為0°~30°的全空域波束掃描。當俯仰角小于10°時，發(fā)射信號波形定義為WaveformType0，其連續(xù)發(fā)射8個脈沖重復間隔PRI為100 μs的線性調(diào)頻信號；當俯仰角在10°~20°時，發(fā)射信號波形定義為WaveformType1，其連續(xù)發(fā)射10個脈沖重復間隔PRI為200 μs的線性調(diào)頻信號；當俯仰角在20°~30°時，發(fā)射信號波形定義為WaveformType2，其連續(xù)發(fā)射20個脈沖重復間隔PRI為400 μs的線性調(diào)頻信號。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)射信號形式見表1。

　　根據(jù)發(fā)射信號的3種不同波形形式，在LookUpTable靜態(tài)查詢表中設置相應的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)射信號的波形形式實時調(diào)用其中的CPI和PRF，獲取相應的波形參數(shù)。WaveformType0對應的CPI為8，PRF為10 kHz；WaveformType1對應的CPI為10，PRF為5 kHz；WaveformType2對應的CPI為20，PRF為2.5 kHz。將以上的脈寬、帶寬、CPI和PRI連接到RADARSignalX動態(tài)信號生成模塊，可以根據(jù)波束照射情況實時靈活地產(chǎn)生相應的波形。

　　2.3BeamController波控設計

　　當前在雷達系統(tǒng)參差重頻信號生成的仿真中，很少考慮波控機對波束掃描和信號產(chǎn)生的影響。為了實現(xiàn)控制波束掃描和信號參差的目的，在仿真鏈路中加入波控模塊，由波束位置控制產(chǎn)生不同重復頻率的信號。另外通過波控模塊輸出的波形編號和波位，統(tǒng)一調(diào)度雷達資源，進行全局指揮。

　　BeamController波束控制是一個子網(wǎng)模塊，可以實時產(chǎn)生波束掃描，靈活控制雷達系統(tǒng)。其子網(wǎng)框圖如圖2所示。

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

　　2.4DistributorM同步設計

　　2.4.1同步數(shù)據(jù)流

　　同步數(shù)據(jù)流（Synchronous Data Flow，SDF）是指保持一個數(shù)據(jù)流或者不同數(shù)據(jù)流之間的時間關(guān)系，是一個在系統(tǒng)設計中應用很廣泛的計算模型，它可以實現(xiàn)對系統(tǒng)功能部件的緩存優(yōu)化，還能減少系統(tǒng)反應時間。

　　同步數(shù)據(jù)流在雷達系統(tǒng)仿真中可使系統(tǒng)在時間上保持數(shù)據(jù)同步，這對系統(tǒng)仿真而言至關(guān)重要。對于固定重復頻率的信號易于實現(xiàn)，但對于參差重頻信號不容易實現(xiàn)，因此就需要針對不同的情況設計仿真鏈路。本文通過具體的方法在該雷達參差重頻發(fā)射信號的基礎(chǔ)上對輸出數(shù)據(jù)同步進行設計，使DistributorM模塊每次輸入輸出的數(shù)據(jù)流大小相同，達到數(shù)據(jù)同步的目的，同時也為后續(xù)的多路信號處理帶來方便。

　　2.4.2設計實現(xiàn)

　　DistributorM是一個子網(wǎng)模塊，子網(wǎng)中C1、C2和C3為3個常數(shù)控制源，分別對應于CPI1、CPI2和CPI3的采樣點數(shù)，且每個采樣點處的值均為0。定義C1、C2和C3的輸出值分別為波形ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3， RADARSignalX為Input。當波束為WaveformType0時，3個輸出接口Output1~Output3輸出的波形分別為Input、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3；當波束為WaveformType1時，3個輸出接口輸出的波形分別為ZerosWaveform1、Input和ZerosWaveform3；當波束為WaveformType2時，3個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波束為不同的WaveformType時，3個輸出接口Output1~Output3每次輸出的總采樣點數(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)的多路信號接收處理過程中的時間相同，使整個系統(tǒng)在每次處理時保持同步狀態(tài)。

　　2.5目標回波生成設計

　　2.5.1炮彈彈道設計

　　把炮彈作為目標，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。程序中定義雷達波束的方位角為0°，即炮彈正對于雷達進行發(fā)射，炮彈和雷達的距離為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)需要設置多發(fā)炮彈。

　　本程序炮彈彈道設計的子網(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)生的實時矩陣波形送入DynamicUnpackM動態(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采樣模塊進行采樣，變?yōu)殡x散化的信號后，再送入Sink數(shù)據(jù)接收器處理即可產(chǎn)生發(fā)射信號。將發(fā)射信號送入CxToEnv模塊進行載波調(diào)制，將轉(zhuǎn)換后的上變頻信號送入RADARAntennaTx天線發(fā)射模塊進行信號發(fā)射，再接入RADARTarget目標模塊，設置相應的參數(shù)，即對發(fā)射信號產(chǎn)生目標回波。將產(chǎn)生的回波信號送入RADARAntennaRx天線接收模塊，再將接收到的回波信號通過EnvToCx轉(zhuǎn)換模塊將上變頻信號變?yōu)閺秃闲盘枺詈笏腿隨ink數(shù)據(jù)接收器中產(chǎn)生模擬的回波生成信號。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波控模塊進行同步控制，目標方位角及高低角統(tǒng)一由CannonBall炮彈模塊控制。

　　這里需要說明的是，回波生成很復雜，回波信號中應該包含發(fā)射信號、雜波、干擾和目標信號，而且雜波又分為多種類型，同時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)波束控制靈活實時地生成參差重頻的脈沖串信號并產(chǎn)生目標回波，并沒有加入雜波，只是針對炮彈目標進行回波生成。以后會逐步加入雜波并考慮天線轉(zhuǎn)動等因素，全面分析回波信號。

3結(jié)束語

　　SystemVue［5］是一款能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流仿真的信號級仿真軟件，并且應用于射頻方面很有優(yōu)勢，能夠達到良好的射頻仿真效果。本文對一種炮位偵察雷達的發(fā)射信號、波束控制、輸出同步、炮彈彈道和無雜波炮彈目標的回波生成進行了程序設計,以后還將繼續(xù)基于SystemVue的仿真優(yōu)勢加入雜波和天線因素進行回波生成、回波接收和信號處理等方面的工作，建立一個完整的雷達系統(tǒng)仿真平臺，為雷達系統(tǒng)性能評估提供一個全面合理的仿真環(huán)境。

　　參考文獻

　　［1］ 林森,高明明.SystemVue環(huán)境下MLink的應用［J］.中國科技信息,2008(23):91，93.

　?。?］ RICHARDS M A. Fundamentals of radar signal processing［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

　　［3］ 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理(第3版)［M］.西安:西安電子科技大學出版社,2002.

　?。?］ 章琴,劉以安.基于改進的Morlet小波變換的雷達信號特征提?。跩］.微型機與應用,2015,34(10):70-73.

　　［5］ 程文清.基于SystemVue的無線通信原理仿真實驗教學研究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備,2012(13)：50-53.