摘 要： 目前由于SystemVue仿真軟件在雷達(dá)庫(kù)方面有了重大更新，在雷達(dá)系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用還非常少，但其優(yōu)越的仿真特性在雷達(dá)的工程實(shí)踐中具有重大價(jià)值。簡(jiǎn)要介紹了SystemVue的優(yōu)點(diǎn)和美國(guó)一種典型對(duì)空搜索雷達(dá)的基本理論，并基于SystemVue對(duì)其發(fā)射信號(hào)和無(wú)雜波的點(diǎn)目標(biāo)回波生成信號(hào)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果驗(yàn)證。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)域中將具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： 通信工程論文發(fā)表,SystemVue,美國(guó)典型雷達(dá),對(duì)空搜索,點(diǎn)目標(biāo)回波生成

　　Generation of signal transmitted by a radar based on SystemVue

　　ZHANG Jie1， HE Qiang1， 2， HAN Zhuang?zhi1

　　(1. Department of Electronics and Optics Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China; 2. Unit 63961 of PLA， Beijing 100012， China)

　　Abstract： Recently， as a result of a significant renewal on the radar storehouse based on the simulation software of SystemVue， and there is very little application in radar emulation system. But because of a superior simulation characteristic， it will have an important signification on the engineering practice of radar. The advantage of SystemVue and basic principle of a typical air search radar developed in America are introduced. The procedure design and the simulation consequence verification of its emission signal and point target echo generated signal without clutter were performed. Owing to the uniquely advanced and creative property， the emulation software of SystemVue will have a widespread application in the simulation domain for the radar system.

　　Keywords： SystemVue; American typical radar; transmitted signal generation; echo generation of point target

　　0 引 言

　　SystemVue是美國(guó)安捷倫(Agilent)公司推出的一種專門針對(duì)電子系統(tǒng)級(jí)的仿真工具軟件，主要用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域。它具有與外部文件相通的、開放的算法建模接口，可直接獲得并處理輸入/輸出數(shù)據(jù)，可以與Matlab、C++、HDL、DSP、FPGA、ADS等其他軟件互聯(lián)使用，支持多域化模型的設(shè)計(jì)框架。例如在SystemVue建模環(huán)境中可以方便地直接調(diào)用Matlab，擴(kuò)展SystemVue原生數(shù)學(xué)語(yǔ)言解釋器，支持 Matlab的全部語(yǔ)法和功能;Matlab可通過(guò)SystemVue獲得額外的射頻建模、射頻物理層仿真及測(cè)試能力。和其他仿真軟件相比，SystemVue具有明顯的優(yōu)越性，尤其在做射頻模塊方面：支持射頻?基帶聯(lián)合仿真;支持?jǐn)?shù)據(jù)流仿真;模塊基本齊全，可直接進(jìn)行搭建。以上這些優(yōu)點(diǎn)可滿足雷達(dá)仿真的所有需求，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　SystemVue的資源庫(kù)非常豐富，其中包括雷達(dá)工具箱。它使用雷達(dá)庫(kù)中的模塊編譯程序，無(wú)需與復(fù)雜的程序語(yǔ)言打交道，不用寫一句代碼即可完成各種程序的設(shè)計(jì)與仿真;可快速地建立和修改設(shè)計(jì)程序，訪問(wèn)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，也可方便地加入注釋。SystemVue可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合系統(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)。因此，它可以用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，可進(jìn)行各種時(shí)域和頻域分析、譜分析，對(duì)各種邏輯電路、射頻/模擬電路進(jìn)行理論分析和失真分析。相對(duì)其他軟件來(lái)說(shuō)，它更容易實(shí)現(xiàn)多脈沖串參差脈沖重復(fù)頻率的仿真。

　　雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)電子系統(tǒng)的眼睛，具有捕捉、跟蹤目標(biāo)的能力，對(duì)打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)具有重要的意義。本文以美國(guó)20世紀(jì)70年代末研制的典型頻掃三坐標(biāo)遠(yuǎn)程對(duì)空搜索雷達(dá)AN/SPS?48為例[1]，在SystemVue平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了其發(fā)射信號(hào)的生成，并對(duì)無(wú)雜波的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了回波信號(hào)生成的實(shí)現(xiàn)。在以后的學(xué)習(xí)工作中，還將繼續(xù)基于SystemVue的仿真優(yōu)勢(shì)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)估提供全面合理的仿真環(huán)境。

　　1 雷達(dá)回波基本理論

　　1.1 雷達(dá)回波生成基本原理

　　雷達(dá)利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射特性(或稱為二次散射現(xiàn)象)來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并對(duì)其位置進(jìn)行測(cè)量[2]。雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)是雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)散射調(diào)制后的延遲。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到目標(biāo)后，就要從目標(biāo)的回波信號(hào)中有效提取目標(biāo)的距離、速度、方位等有關(guān)信息。 　　在常用的脈沖雷達(dá)中，回波信號(hào)是滯后于發(fā)射脈沖[tr]的回波脈沖，由于傳播過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種損失，能量也會(huì)大大衰減。回波信號(hào)的延遲時(shí)間通常是很短促的，一般情況下，目標(biāo)距離[R=ctr2，]其中[c]為光速。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言還要考慮多普勒頻率[fd]的影響，[fd=2vrλ，]其中[vr]為目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度，[λ]為雷達(dá)工作波長(zhǎng)。

　　1.2 該型雷達(dá)的簡(jiǎn)要介紹

　　AN/SPS?48是美國(guó)海軍大型水面艦艇大量裝備的一種三坐標(biāo)遠(yuǎn)程對(duì)空[3]搜索雷達(dá)，其主要功能是提供空中目標(biāo)的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及給武器控制系統(tǒng)提供目標(biāo)指示。該雷達(dá)工作于S波段，工作頻率為2.9～3.1 GHz，在方位上為360°機(jī)械掃描，在仰角上采用頻掃體制。典型情況下8個(gè)波束組形成仰角上45°的掃描，發(fā)射功率和測(cè)量范圍隨覆蓋空域的改變而改變，以提高檢測(cè)概率。該型雷達(dá)采用固態(tài)器件，提高了系統(tǒng)的可用性、可靠性和可維修性;采用先進(jìn)的數(shù)字接收、信號(hào)處理設(shè)備和低副瓣天線系統(tǒng)，提高了接收機(jī)的靈敏度。目前美國(guó)所有的航空母艦、大部分的導(dǎo)彈巡洋艦、驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦以及兩棲指揮艦都裝備了AN/SPS?48。

　　該雷達(dá)發(fā)射波形的脈沖寬度為 3 μs，9 μs和27 μs，脈沖重復(fù)頻率PRF為330～2 750 Hz，最大作用距離為407 km，覆蓋45°空域的最大垂直高度為231.5 km。為了清晰簡(jiǎn)化并實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地生成發(fā)射信號(hào)，假定該雷達(dá)的8個(gè)波束組中，每個(gè)波束組含有2個(gè)波束，那么完成波束組1到波束組8共16個(gè)波束的垂直掃描過(guò)程稱為一個(gè)工作周期，用CPI表示。同時(shí)設(shè)定不同的周期間隔為CPI1和CPI2，通過(guò)這種參差脈沖重復(fù)頻率，可以有效減少盲速產(chǎn)生的影響，同時(shí)還可以解決距離模糊的問(wèn)題。以往的雷達(dá)系統(tǒng)仿真由于受仿真語(yǔ)言的局限，普遍存在著建模功能弱、可重用性差、模型層次不清、分析手段貧乏、仿真效率低等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)的多樣化和復(fù)雜化。例如Matlab實(shí)現(xiàn)脈沖參差重頻時(shí)，其編程不夠靈活且工作量相對(duì)較大;而SystemVue克服了這些缺點(diǎn)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地生成各種參差重頻脈沖串信號(hào)。

　　2 點(diǎn)目標(biāo)回波生成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 SystemVue和雷達(dá)庫(kù)的基本情況

　　SystemVue是以圖符化模塊構(gòu)建理論模型[4]，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，完成電路功能和電路特性的詳細(xì)分析。其分析窗口可根據(jù)仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，實(shí)時(shí)自動(dòng)地呈現(xiàn)出信號(hào)波形圖;還可以根據(jù)需要改變其接收計(jì)算器參數(shù)，快速繪制出時(shí)域、頻域等多種曲線圖，對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)仿真而言具有更強(qiáng)的針對(duì)性和專業(yè)性。

　　目前SystemVue開發(fā)出了更高級(jí)別的版本，其中元件庫(kù)有了重大更新，添加了一部分新的元器件庫(kù)，使其資源庫(kù)在原有基礎(chǔ)上達(dá)到了30余種。該版本建立在核心平臺(tái)的改進(jìn)和基帶設(shè)計(jì)流程集成通信的物理層設(shè)計(jì)上，同時(shí)SystemVue具有高性能的計(jì)算能力：支持多核多線程仿真，支持GPU的加速仿真，支持FPGA/HIL的加速仿真，支持多機(jī)集群分布式仿真，為電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真提供了更為方便有效的操作空間和更廣闊的發(fā)展平臺(tái)。

　　雷達(dá)庫(kù)也提升了模塊的多樣性和全面性，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(kù)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)來(lái)說(shuō)，它可以基于場(chǎng)景的精確運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波進(jìn)行建模，這和傳統(tǒng)的跳?停模型是不同的;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(kù)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。

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

　　由上述介紹可知，該型雷達(dá)會(huì)在空間形成8個(gè)不同仰角的波束組，即波束組1到波束組8。正常工作時(shí)，8個(gè)波束組依次工作，設(shè)定波束組1～8的最大作用距離分別為407 km，310 km，231.5 km，160 km，105 km，65 km，40 km和31.5 km，相應(yīng)的延遲時(shí)間為：

　　[tr=2Rc] (1)

　　式中：[R]為雷達(dá)到目標(biāo)的作用距離;[c]為光速。

　　同時(shí)需要考慮信號(hào)處理時(shí)打入脈壓加權(quán)和終端系統(tǒng)噪聲采樣所需的時(shí)間，且為了保留一定的冗余度等綜合因素，因此將計(jì)算出的各波束組的脈沖重復(fù)間隔PRI分別設(shè)為2 800 μs，2 150 μs，1 610 μs，1 130 μs，760 μs，490 μs，400 μs和370 μs。相應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率PRF為：

　　[PRF=1PRI] (2)

　　該型雷達(dá)正常工作時(shí)，每個(gè)CPI周期中完成一次45°垂直空間的掃描。采用二參差可以解決盲速問(wèn)題。參差時(shí)相鄰工作周期是不相等的，原因是因?yàn)樵谙噜徶芷谥懈靼l(fā)射脈沖的間隔不等，因此有CPI1和CPI2兩種工作時(shí)序。

　　對(duì)于一個(gè)給定的PRF[5]，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率等于整數(shù)倍PRF時(shí)，這些運(yùn)動(dòng)目標(biāo)就會(huì)被MTI濾波器抑制掉。對(duì)應(yīng)于這些多普勒頻率(即脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍)的徑向速度稱為盲速，這是因?yàn)榫哂羞@些徑向速度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)也會(huì)被抑制掉。距離的非模糊范圍[Rua]為：

　　[Rua=c2PRF] (3)

　　對(duì)應(yīng)于多普勒頻率[fd=PRF]時(shí)的第一個(gè)盲速為：

　　[Vblind=λPRF2=cPRF2f0] (4)

　　式中[f0]為載波頻率。

　　由式(3)和(4)可知，給定一個(gè)發(fā)射載頻，當(dāng)PRF增加時(shí)，距離的非模糊范圍減小，而第一個(gè)盲速增加;但如果PRF較高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較小的非模糊距離。一種解決方法是利用參差的PRF，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)參差PRF系統(tǒng)，其第一個(gè)真正盲速的多普勒頻率是所有參差PRF都是盲速的最低多普勒頻率，即參差 PRF組的最小公倍數(shù)。它能夠大大提高第一個(gè)盲速，可以使目標(biāo)的任何速度都盡可能小于這個(gè)盲速，從而解決盲速問(wèn)題，且不會(huì)減小非模糊距離。 　　同樣由式(3)和(4)可知，當(dāng)目標(biāo)實(shí)際距離在非模糊范圍之外時(shí)，就存在距離模糊問(wèn)題。常用的解決方法也是發(fā)射多組參差脈沖重復(fù)頻率的脈沖串信號(hào)，然后利用余數(shù)定理來(lái)解決距離模糊。這種方法也可同樣用于解決速度模糊，目前國(guó)內(nèi)外的脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)幾乎都使用這種方案。所以，發(fā)射參差脈沖重復(fù)頻率的脈沖串信號(hào)可以有效解決盲速和模糊問(wèn)題。

　　設(shè)定每個(gè)波束組中的兩個(gè)波束間隔均為2 μs，前3個(gè)波束組的脈寬均為27 μs，中間3個(gè)波束組的脈寬均為9 μs，后兩個(gè)波束組的脈寬均為3 μs。由各不同的脈沖重復(fù)間隔PRI之和，可得一個(gè)工作周期CPI1的長(zhǎng)度，同樣改變PRI間隔可得CPI2的長(zhǎng)度。為了保留一定的冗余空間，本文選用 20 500 μs的時(shí)間長(zhǎng)度，可以完全顯示CPI1和CPI2的信號(hào)波形，本組脈沖串的線性調(diào)頻信號(hào)帶寬均為2.5 MHz，采樣頻率為20 MHz。設(shè)計(jì)程序如圖1所示。

　　圖1中，Radar?LFM模塊為線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器，該模塊用來(lái)生成線性調(diào)頻信號(hào)。由該型雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波形的產(chǎn)生形式和參數(shù)特征，對(duì)其脈沖寬度、脈沖重復(fù)間隔、波形帶寬和基帶采樣率進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置;然后通過(guò)Set Sample Rate采樣模塊將產(chǎn)生的線性調(diào)頻波形變?yōu)殡x散化的信號(hào);最后將信號(hào)送入Sink數(shù)據(jù)接收器中進(jìn)行處理，即可產(chǎn)生所需的發(fā)射信號(hào)。

　　2.3 該型雷達(dá)點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)生成設(shè)計(jì)

　　根據(jù)雷達(dá)回波[6]信號(hào)生成基本原理，總體設(shè)計(jì)程序框圖如圖2所示。

　　圖1 發(fā)射信號(hào)生成程序

　　圖2 點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)生成程序

　　為了能夠清晰地分析整個(gè)程序框圖，將其分成幾個(gè)小詳圖進(jìn)行解釋說(shuō)明，分別如圖3～圖6所示。

　　圖3 發(fā)射信號(hào)分塊

　　圖4 回波生成分塊

　　圖5 回波接收分塊

　　圖6 目標(biāo)位置分塊

　　圖3中，Radar?LFM模塊將產(chǎn)生的線性調(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Radar?Antenna?Tx天線發(fā)射模塊進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，Const常數(shù)模塊將波束的方位角和高低角固定為0°。圖4中，將發(fā)射出去的脈沖串信號(hào)送入Radar?Echo?Generator回波生成模塊，其中雷達(dá)發(fā)射平臺(tái)和接收平臺(tái)都使用同一個(gè)Radar?Platform模塊，這樣是為了保證雷達(dá)信號(hào)收發(fā)在同一個(gè)位置。通過(guò) Radar?Target?Scatter?Location目標(biāo)位置模塊可以設(shè)定目標(biāo)的狀態(tài)信息，包括目標(biāo)速度、加速度、有效散射截面積和相對(duì)雷達(dá)的距離等，根據(jù)這些有效信息產(chǎn)生回波。圖5中，將產(chǎn)生的回波信號(hào)送入Radar?Antenna?Rx天線接收模塊后，再將接收到的回波信號(hào)通過(guò) Env?To?Cx轉(zhuǎn)換模塊將包絡(luò)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)。圖6中，通過(guò) Radar?Loc?In?Antenna?Frame模塊，將波束和目標(biāo)的方位角及高低角均設(shè)為0°，即波束照射過(guò)程中，目標(biāo)位于波束的中心軸上。由雷達(dá)原理可知，接收到的回波信號(hào)會(huì)根據(jù)目標(biāo)的距離和環(huán)境影響產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)間延遲和能量衰減。因?yàn)殡姶挪ㄔ诳臻g的傳播速度非常快，雷達(dá)技術(shù)常用的時(shí)間單位為 μs，回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖一個(gè)微秒時(shí)，所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離[R]為0.15 km。程序中通過(guò)Radar?Target?Scatter?Location目標(biāo)位置模塊將目標(biāo)和單基地雷達(dá)平臺(tái)的距離設(shè)為10 km，則相應(yīng)的延遲時(shí)間大約為66.67 μs。

　　這里需要說(shuō)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(shuō)明SystemVue能快速準(zhǔn)確地生成參差脈沖重復(fù)頻率的脈沖串信號(hào)并產(chǎn)生回波信號(hào)，沒有加入雜波，只是針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行回波生成。

　　3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

　　將以上設(shè)計(jì)程序在SystemVue仿真平臺(tái)[7]上運(yùn)行，得到的仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。圖7為該型雷達(dá)發(fā)射信號(hào)仿真波形，圖8為回波生成仿真波形。

　　圖7 發(fā)射信號(hào)仿真波形

　　為了更直觀、清楚地分析波形，將發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的一小部分分別進(jìn)行放大，如圖9和圖10所示。

　　由仿真結(jié)果波形圖分析可知，發(fā)射信號(hào)由CPI1和CPI2兩個(gè)相鄰工作周期不等的脈沖串循環(huán)組成，且都為線性調(diào)頻信號(hào)，和上述該型雷達(dá)的基本理論完全吻合。從回波信號(hào)放大波形可以看到，其幅度有了一定的衰減，且有了一定的時(shí)間延遲;從圖10中可以看出其延遲時(shí)間大約為66.6 μs，與上述回波原理分析結(jié)果基本相一致，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)程序和仿真結(jié)果的正確性。

　　圖8 回波信號(hào)仿真波形

　　圖9 發(fā)射信號(hào)放大波形

　　圖10 回波信號(hào)放大波形

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　在雷達(dá)系統(tǒng)仿真應(yīng)用中，不同的仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)不同的模擬效果。有的只能實(shí)現(xiàn)功能級(jí)仿真，分辨率較低;有的不能實(shí)現(xiàn)射頻仿真，射頻效果不能完全體現(xiàn)出來(lái);而SystemVue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，分辨率高并且在做射頻方面是強(qiáng)項(xiàng)，能夠達(dá)到良好的射頻效果。本文對(duì)美國(guó)一種典型對(duì)空搜索雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)和無(wú)雜波點(diǎn)目標(biāo)的回波生成信號(hào)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了其仿真結(jié)果的確切性。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)域中將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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