典型相控阵雷达抗干扰仿真平台设计与实现*

冯明月，何明浩，郁春来，王冰切

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

0 引言

新体制相控阵雷达在防空反导、预警监视等领域具有广泛的应用，由于具有灵活多变的波束特征以及先进的信号数据处理系统，使其同时具有良好的抗干扰性能[1]，因此相控阵雷达干扰和抗干扰技术的研究也一直是电子对抗领域研究的重点问题[2]。其中，计算机仿真技术因其相对于实装对抗演练具有价格低、可操作强、移植性好等优点，得以广泛的应用[3-4]。

目前对于相控阵雷达的计算机数字仿真主要有2种方法:一种是功能级仿真，一种是信号级仿真[5-7]。虽然功能级仿真凭借其实现简单的特点被很多学者采用，但相对于信号级仿真而言却比较粗糙，不能模拟信号处理过程中相位信息，体现不出信号之间的相参特征，仿真精度较低，这也就制约了相控阵雷达干扰和抗干扰技术的进一步发展。而信号级仿真虽然较为复杂，但却可以复现雷达信号传播和处理的全过程，是一种高精度的仿真方法[5]。Matlab的图形化设计(GUI)模块具有操作简便，结构友好的特点[8]，利用GUI模块设计信号级仿真可以使用户不必考虑信号级仿真实现的复杂过程，只需输入指标参数，即可由计算机按照要求完成预定的仿真功能，可以大大降低信号级仿真实现的复杂度。

综上所述，本文设计了利用Matlab的GUI模块实现典型相控阵雷达抗干扰的仿真平台，该平台以典型相控阵雷达信号抗干扰系统为基础进行设计，可以更加贴近实装，采用信号级仿真的方法，从而确保了较高的仿真精度，而GUI模块的运用则降低了信号级仿真实现的复杂度。

1 抗干扰功能

本文研究典型相控阵雷达信号处理流程中的抗干扰系统。该系统由反干扰和旁瓣对消分系统和信号处理与信息提取分系统组合而成，通过对雷达回波进行信号处理来抑制干扰和杂波，以提高相控阵雷达的抗干扰性能[1]。

反干扰和旁瓣对消分系统在抗干扰方面功能包括3方面：①对有源干扰进行数字旁瓣对消处理；②对有源干扰进行数字旁瓣匿影处理；③进行自适应频率分级指令产生。信号处理与信息提取分系统在干扰方面功能包括3方面：①对回波进行脉冲压缩处理；②脉冲压缩后的信号进行动目标显示(MTI)或者脉冲多普勒(PD)处理；③MTI或PD处理后的信号进行恒虚警检测。图1给出了相控阵雷达抗干扰系统的结构组成。

图中虚线部分为抗干扰系统，其中信号产生模块接收到控制指令后可产生针对干扰的自适应捷变频信号，其他模块功能可参考相应文献。

2 抗干扰能力建模

2.1 信号产生模型

相控阵雷达主要信号形式为线性调频信号和相位编码信号，信号产生模块可以产生的信号类型应与其保持一致。

在接收到自适应频率捷变指令后，为了能够产生自适应变化的频点，设计了可以灵活控制变频范围和变频频点数的载频产生功能：

(1)

式中：fi为输出频点；fH为最大频点；fL为最小频点；N为频点数；fn第n个频点取值；fi=random(fn)‖fi=order(fn)为输出频点从N个频点中随机选择或按照特定规则选择。

图1 相控阵雷达抗干扰系统组成图Fig.1 Structure of phased array radar phased array radar interference suppression system

2.2 旁瓣对消模型

自适应旁瓣对消处理根据最小均方误差准则进行设计，其数学模型实现如下[9]：

(1) 将N个辅助通道接收到的目标回波与干扰信号融合成信号矩阵X=(X1(t),X2(t),…，XN(t))，设主通道接收到的目标回波与干扰信号为y(t)。

(2) 计算信号矩阵X的自相关矩阵：

R=E(XXT).

(2)

(3) 计算信号矩阵X与y(t)的互相关矩阵：

d=E [Xy*(t)].

(3)

(4) 计算最优权值矩阵：

Wopt=R-1d.

(4)

(5) 计算信号s(t)作为主通道旁瓣对消处理的输出信号：

(5)

2.3 脉冲压缩模型

因为频域FFT法与时域卷积法相比，具有更快的运算速度，较高的脉压主副瓣比指标，所以利用频域FFT法实现脉冲压缩处理，其数学模型为

(6)

式中:s(n)为接收到的回波信号采样；h(n)为匹配滤波的单位脉冲响应；y(n)为脉冲压缩处理输出。

欲达到一定的距离旁瓣，可采用加窗的方法来实现，并且不同的窗函数具有不同的距离旁瓣值[10]，加窗模型：

h(n)=h1(n)w(n)，

(7)

式中：h1(n)为雷达发射信号；w(n)为窗函数。

2.4 MTI模型

采用最优权值的MTI处理方式，数学模型为

(8)

式中：x(n)为第n个回波脉冲；T为脉冲重复周期；w(i)为加权系数；y(n)为MTI滤波结果；N为MTI对消延迟线个数。例如三脉冲对消处理时N=2。w(i)采用最佳权重，选择为带有交错符号的二项式系数。

(9)

从理论上讲，N脉冲对消的改善因子为

(10)

式中：fr为雷达的脉冲重复频率；σt为杂波标准差。因此在给定改善因子后，通过式(10)即可计算出理论上的最小对消脉冲数。

2.5 PD处理模型

通过FFT变换的方法来实现PD处理，设xn(m)(0≤m≤M-1)为第n个距离单元的回波脉冲串，M为回波个数，PD处理的实现模型为：

(1) 根据设定的雷达多普勒滤波器组数目L对xn(m)补零；

(2) 对补零后的xn(m)进行L点的FFT变换。

2.6 恒虚警处理模型

恒虚警处理进行目标检测实现模型为：

(1) 根据选择的恒虚警处理方法确定对应的恒虚警模型[4]，通过模型估计噪声电平n(i)值。

(2) 根据恒虚警类型、虚警概率、参考单元长度计算恒虚警检测门限系数λ[11]，从而确定检测门限。

(3) 确定检测门限后，根据自适应判决准则对第i个判决单元x(i)进行检测判决：

(11)

式中：H1为有目标的假设；H0为没有目标的假设。

3 抗干扰软件设计

抗干扰软件设计主要分为界面设计和后台回调函数设计2个部分，并分别保存为.fig和.m文件中[12]。其中界面设计目的是进行参数设置和一些功能指令的实现，回调函数设计旨在根据输入的指令参数实现具体功能。图2给出了软件的组成框图。

3.1 界面设计

界面设计主要有信号产生，处理系统和功能区3个部分，采用Matlab软件提供的radio button来设计选择功能，采用static text来设计提示文字，采用edit text来设计需要填入的数据，采用listbox来实现恒虚警处理方式的选择，采用push button来设计功能按键。软件界面示意图如图3所示。

图2 软件组成框图Fig.2 Structure of software

图3 软件界面设计Fig.3 Software interface design

3.2 处理功能设计

回调函数中的处理功能设计就是通过编写不同的函数文件实现第2节描述的不同功能的数学模型。函数的输入变量为设定参数和其他相关函数的处理结果，函数的输出变量为该功能相关的处理结果。下面以恒虚警处理模块为例进行说明，恒虚警的调用函数为

[y,m]=cfar(s,Pf,n,np,nt,k),

(12)

式中:y为恒虚警处理后的输出信号；m为距离单元位置；s为恒虚警待处理信号；Pf为虚警概率；n为参考单元个数；np为保护单元个数；nt为检测单元个数；k为选择的恒虚警处理样式。

3.3 数据传递设计

数据传递设计主要分为2方面内容：一方面是设计界面数据的导入；一方面是程序内部数据的导入和导出。对设计界面输入数据通过get(handles.tag,′value′)指令获得，然后根据数据不同进行类型转化，再传递给变量。例如

B=str2double(get(handles.edit1,′string′)).

(13)

该指令含义为得到图3中调频带宽数值，并将其赋给变量B。

数据的导入和导出则通过Matlab自带的save和load函数实现，并生成相应的mat数据文件，该函数具体用法可参考相关Matlab文献。

3.4 绘图功能设计

回调函数中的绘图功能受图3中的过程监视指令控制，通过if语句判断对于某个处理过程是否需要绘图。绘图的输入信号为3.2中相应功能函数的输出信号。出于模块化设计的考虑，绘图功能也通过函数的形式进行调用，如

y=procesure(s,t,k)，

(14)

式中：y为绘图结束指令；s为各个处理过程的输出信号；采用元胞数组的形式进行存储，其元素与控制指令k一一对应；t为系统时序。

4 仿真平台应用

4.1 应用条件

本文以某型新体制相控阵雷达技术参数为基础进行仿真应用，参数设置如图4所示。

图4 参数输入情况Fig.4 Situation of intercalating parameters

图4中信号产生模块处于自检模式，需人工设定产生的信号参数。实际中若已根据干扰情况生成自适应指令，则只需选择自适应指令，不用对信号类型、频率和重复周期进行设置。导入数据包括雷达发射信号类型、载频、带宽、中频、脉宽、脉冲重复周期等雷达参数以及雷达接收机主、副通道的回波信号。

4.2 产生信号应用

根据图4给出的信号产生对于信号类型、频率、重复周期的设计要求，产生的线性调频信号具有重频抖动和脉组频率捷变的特性。图5画出了信号2～10 s的时域波形图和一个脉组的频谱图。

图5 信号产生模块效果图Fig.5 View of signal creating module

从时域波形中可以看出，产生信号为脉冲重复周期为2 ms、抖动量为1 μs的重频抖动信号；从频域图中可以发现，产生的线性调频信号带宽为4 MHz，载频为2 940 MHz，与预先设定参数相符。因此可知，证明信号产生模块产生的自适应信号具有较高准确度，在接收到自适应波形指令后能够实现产生设定信号的功能。

4.3 处理系统应用

雷达发射的线性调频信号载频为3 GHz，中频为28 MHz，脉冲重复周期为240 ms，信号带宽为2 MHz，脉冲宽度为40 μs。导入的回波信号中包含目标回波、杂波和干扰信号3部分，其中目标回波包括2个运动目标，运动目标径向速度分别为100和300 m/s，距离雷达80和248 km；固定目标距离雷达30 km，在距离雷达105 km处有干扰杂波，雷达受到2个干扰源的分布式噪声压制干扰，干信比为30 dB。

图6给出了处理系统按照图4中设定参数对回波信号处理的效果图，从旁瓣消隐后的结果可知，在2个干扰源的情况下，经计算对于干扰信号的最大抑制比为22 dB，可以明显地对消噪声干扰信号。脉冲压缩采用了Hamming窗，距离旁瓣为-43 dB，从脉冲压缩结果可知，回波信号得到了相应的匹配滤波增益，信号幅度得以增强。从动目标显示结果可知，杂波和固定目标回波得到了抑制，回波中已经无法观测到杂波和固定目标信号，经计算改善因子为63 dB。从恒虚警检测结果可知，经过整个处理系统，可以从具有噪声、干扰、固定目标的雷达回波中成功地完成对于2个运动目标的检测。通过对以上分析可知，处理系统的各个模块达到了预先设计的功能要求，可以成功运用于抗干扰技术和干扰技术研究等领域。

图6 处理系统监视图Fig.6 Surveillance images of processing system

5 结束语

本文利用Mtalab的GUI模块开发了典型相控阵雷达抗干扰仿真平台。基于对典型相控阵雷达抗干扰系统的研究，建立了实现信号级仿真功能的数学模型，开发了简单、经济、可靠性强的仿真平台，并以典型相控阵雷达参数为基础进行了运用验证。该仿真平台操作简单直观，能够实现典型相控阵雷达的高精度仿真功能，可为相控阵雷达干扰、抗干扰以及干扰效果评估等技术的研究提供经济、高效、可靠的平台，具有较强的实际应用价值。

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