1.4 雷达电子战仿真实现

1.4.1 雷达电子战仿真方法

1.雷达电子战仿真的分类

根据仿真系统所采用的模型划分，通常将仿真系统分为以下几类：物理仿真、半实物仿真和数学仿真。物理仿真又称实物仿真，它是以几何相似或物理相似为基础的仿真。半实物仿真是将数学模型、物理模型联合在一起的仿真。数学仿真是以数学模型为基础的仿真，也就是以数学模型代替实际的系统进行仿真实验，模拟系统实际变化的情况，用定量化的方法分析系统变化的全过程。在雷达电子战仿真中，用得较多的仿真形式是数学仿真和半实物仿真。

（1）数学仿真

雷达电子战数学仿真通过在计算机上建立数学模型，模拟雷达电子战系统中的雷达电磁信号环境和雷达系统分系统、干扰系统，来仿真评估雷达电子战系统的技战术性能。按照仿真时间的要求分，可以分为非实时仿真和实时仿真两种。实时信号全数字仿真模拟器采用可编程的脉冲序列生成器，实时产生数字脉冲序列数据。产生的数据集通过脉冲数据总线与被测试系统接口，每个数据集包括了被描述脉冲的参量。这种方法在有频率调谐和天线扫描的功能要求时稍复杂，但该方法的优点也很显著，如代价小、灵活性好、通用性强的明显优势。

（2）半实物仿真

雷达电子战半实物仿真的形式主要有两种：注入式射频仿真和辐射式射频仿真。注入式射频仿真模拟器把每个仿真的脉冲数据集变换为射频信号，并注入到被测试系统的射频级。这种类型的模拟器主要用于测试以下接收系统：比幅测向系统、比相测向系统、天线扫描、频率分集系统、频率调谐系统等。

注入式射频仿真模拟器要求使用昂贵的射频组件，虽然输出信号电平相对较小，但是多波段多端口的配置要求耗资可观的功率衰减和合成器件，增加了对信号放大器的要求。另外，每个频段的每个端口都要求可编程的衰减器。

辐射式射频仿真模拟器通过天线辐射射频脉冲，能用于所有类型的天线和接收系统。因为没有直接的连接，所以，接口问题比较小。但是，受接收、发射天线的位置限制，辐射源在方位和仰角上的运动是不容易仿真的。与注入式射频仿真模拟器一样，辐射式射频仿真模拟器也要求昂贵的射频组件。如果与被测试系统之间的距离比较远，还要受到功率放大的严重影响。另外，外场的辐射也会带来一些安全性和保密性的问题。

从仿真粒度上分，雷达电子战仿真方法主要分为两种：一种是功能仿真；另一种是信号仿真。功能仿真只仿真信号发射、目标、回波、杂波和干扰信号的幅度信息。在对电磁环境进行功能仿真时，利用计算机模拟雷达侦察系统截获的雷达信号参数数据，这些参数用脉冲描述字来描述，仿真信号直接以数字形式描述侦察系统的天线所处的电磁环境，并不输出真实的射频和视频信号。其特点是灵活、效费比高、试验结果处理实时性强、能获得比较全面的数据，其逼真度取决于数学模型建立的准确性和仿真系统设计的合理性。信号仿真即复现信号的发射、在空间传输、经散射体反射、杂波与干扰信号叠加、在空间任一点处电磁环境特性。

2.雷达电子战的功能仿真

实现雷达电子战仿真的主要理论基础是雷达距离方程和干扰方程等。根据雷达距离方程，从距离为R的目标反射回来的再被雷达所接收的回波信号与干扰相互交织在一起。干扰的表现形式为接收机噪声、杂波（来自不需要的散射源）以及电子干扰。信号噪声比或信号干扰比是对有干扰情况下发现目标能力好坏的一种度量。通常，这个比值约为20（约为13.2dB）时，便足以发现目标。但是，这个值取决于许多因素，例如，目标起伏方式，以及信号在接收机里的处理方法。在给定信号干扰比之后，如果再对目标及干扰的起伏统计特性做出适当的假设，便可以计算出发现概率。假设不存在目标，也可能由于干扰信号的起伏特性而得到一次“发现”（超过门限），这样的“发现”称为虚警。出现虚警的概率为虚警概率。

根据雷达距离方程、系统损耗和干扰来计算发现概率和虚警概率，还必须进行一些运算。从严格的意义上来讲，即使这些运算是用计算机来完成的，也不能算做是仿真。要算做是仿真，就必须能够复现检测过程的输出，无论是“发现”（超过门限），还是“未发现”（没有超过门限）。根据对目标是否存在的了解情况，实际上可能有四种情形，如表1-1所列。对检测的输出很容易在统计学或蒙特卡罗（Monte Carlo）的意义上来进行仿真。例如，假设已知有一个目标，而且发现概率为PD。如果产生一个在[0，1]区间上作均匀分布的随机变量u，那么便可以定义，当u≤PD时，为发现目标；相反，当u＞PD时，则没有发现目标。

更具体地说，雷达功能仿真实质上就是在数字计算机上，对一个已知概率的随机事件，用蒙特卡罗统计试验法进行试验，从而得到该随机事件的一个模型。图1-6所示的就是仿真雷达发现目标的随机事件，此事件的发生概率（即发现目标的概率）为PD。因为0≤PD≤1，所以u的取值范围也为[0，1]。假定u的取值为0，0.001，0.002，…，0.999，共1000个点，即做1000次试验。u取上述各值的概率相等（均匀分布）。这样，若PD=0.8，则在上述1000个u值中， u≤PD的点数约为800个，即发现目标800次，占总数的80%；u＞PD的点数约为200个，即未发现目标200次，占总数的20%，而且随着PD的增大，u≤PD的点数便越多，这就表示发现目标的次数也越多。

若目标不存在，则可用相同的办法来仿真虚警概率Pfa。在图1-4中，把仿真检测输出过程中的一般步骤画成框图。采用功能仿真方法时，大量的精力都花在根据目标与雷达的交会几何关系来计算信号及干扰的功率上（如果不存在目标，则发现概率PD换成虚警概率Pfa）。

当对一次飞行试验或一次战斗进行仿真时，功能仿真方法的实际效果就变得很明显。可以随机地在任何时刻出现多个目标，而且每个目标的雷达截面可以不同，此外，雷达截面还可以是目标姿态角的函数。干扰信号也可能是动态的，特别是经过天线方向图扫描之后更是如此。这样的一种仿真，其输出也许就是一份检测报告。这份报告列举了发现目标的时间和位置，以及目标是否真的存在。

在上述仿真中，只利用了雷达的功能性质（所以称为功能仿真），包含在波形和信号处理机中的详细内容没有涉及，只当做某种系统损耗来处理，对于大规模的仿真，这种仿真方法简单实用，特别是当雷达只是整个系统中的一个很小的组成部分时，则更是方便。这种功能仿真法对于某些实时仿真来说也很简便。这种情况下，时间非常重要，例如，在一种显示动态目标情景的供训练用的仿真器中，采用这种方法很合适。

由于波形中的一些细节被忽略了，所以，功能仿真不能用来仿真系统中各个不同点上的具体信号。功能仿真基本上是对各种信号成分（像目标、热噪声、杂波和电子干扰）平均功率的一种描述。雷达距离方程确定这些信号成分的换算关系。为了能利用几种标准检测情况当中的一种，必须用某一种标准情况下的统计特性，去描述输出信号的统计特性。对于一个复杂的雷达环境（如假设干扰信号是高斯噪声与对数正态噪声的混合），要这样做常常是很困难的。在有些应用场合下，就不可能采用功能仿真，例如，非线性接收机和自适应信号处理机的仿真，以及欺骗干扰干扰雷达的仿真等。在这些情况下，进行雷达电子战的信号仿真就十分必要。

3.雷达电子战的信号仿真

这里的“信号”是指零中频信号，或者是经零中频处理或等效零中频处理的信号。“信号”既包括幅度信息，又包括相位信息。信号仿真是仿真信号的发射、传输、目标回波、杂波与干扰叠加以及接收滤波、抗干扰、信号处理直到门限检测这一全过程，检测概率是最终的结果之一，但检测概率是通过做N次检测试验有M次检测到目标而获得的，并不像功能仿真中那样通过求信噪比由检测曲线获得。

信号仿真的基本定义，就是要逼真地复现既包含幅度又包含相位的信号，复现这种信号的发射、在空间传输、经散射体反射、杂波与干扰信号叠加，以及在接收机内进行处理的全过程。尽管可以利用线性叠加的方法，对各个单元进行组合或重新排列，从而省掉某些计算，但还是可以直接对雷达系统中实际信号的流通情况进行仿真。只要所提供的基本的目标模型和环境模型足够好，就可以使信号仿真的精度足够高。

通过对来自单个散射体的既包含幅度又包含相位的接收信号进行仿真，再对一个个的信号采用叠加的办法，就可以仿真来自多个散射体的合成信号。这样也就仿真了多个散射体之间相位矢量的干涉现象。这也是目前仿真复杂散射环境的唯一有效办法。在接收到了所有散射体散射信号和辐射源信号之后，便可以仿真接收机中所进行的各种不同的信号处理步骤。通常对这些步骤进行仿真时，其顺序和接收机的信号处理顺序相同，若有必要，也可以仿真非线性运算，例如，限幅和A/D转换。至于检测、检后处理、跟踪和参数估计等功能，也都容易仿真。

信号仿真有两个重要特点：一是相参性；二是零中频信号。所谓相参性是指信号仿真不仅能复现信号的幅度，还能复现信号的相位。对于相参处理雷达，如果仿真的信号不具有相参性，则不能仿真利用相位信息提高雷达检测性能的信号处理环节（如动目标显示、动目标检测等）。另外，如果在系统仿真中直接仿真射频（RF）信号，则要求的数学仿真系统采样率太高，普通计算机是不能满足这样高的运算能力的，况且也完全没有必要这样做，因为零中频信号已经包含了射频信号除载频以外的所有信息，而实际雷达处理射频信号时，总是先进行混频使信号载频下变频到一个可以处理的频率，因此，仿真中用零中频代替射频，等于省略了若干混频细节而不影响信号的检测等性能。

信号仿真包含幅度信息和相位信息，因此，可以用复信号来表示实际的信号，有几个显著的优点。首先是物理分析简便。用复信号表示，由于正交、同相分量之间满足希尔波特（Hilbert）变换关系，则信号只有正频谱，分析起来更为方便、有效；其次是可以省略信号处理的某些线性环节，特别是一些需要提取相位信息的环节。例如，在相参接收中，经相位检波产生的 I、Q 正交双通道信号，包含了回波的相位调制信息，可以得到目标的特征信息；而如果仿真系统直接使用复信号，则相位检波可以省略，因为信号的相位信息已经直接体现在其实部和虚部中了。另外，也利于信号处理运算，许多线性处理环节，可以在数学仿真系统中用快速傅里叶变换（FFT）、相乘等运算实现。

1.4.2 雷达电子战仿真的一般步骤

以数学仿真为例，介绍雷达电子战仿真的一般步骤。

1.问题阐述

问题提出并阐述是系统分析研究的第一步，它需要说明需要解决什么问题、或者需要干什么，所提出的问题必须是清楚明白的，必要时可以对问题进行重复陈述。问题一般由决策者与领域专家共同提出，或者是在获得决策者对问题同意的情况下由系统分析人员提出。

2.目标确定

由系统分析人员和领域专家对系统进行分析，明确可重用的资源（包括模型、算法、仿真建模工具、数据等）、系统须具备的能力、存在的技术难点、需要解决的关键问题，同时对解决问题的途径、系统研发的时间要求、经费预算、预期效益、人员配备等进行分析与权衡，提供多种方案供决策者选择。

3.系统分析与描述

首先给出系统的详细定义，明确系统的构成、边界、环境和约束。其次确定系统模型的详细程度，即模型是精细的还是简化的。例如，对于运动平台，是采用运动学模型还是空气动力学模型；还要充分考虑系统研发中可重用的资源和需要新研发的模型与软件。最后还要确定仿真系统的体系结构与功能，如是采用集中式仿真还是采用分布式仿真等。

4.建立系统的数学模型

领域专家根据系统分析的结果，确定系统中的变量，依据变量间的相互关系以及约束条件，将它们用数学的形式描述出来，并确定其中的参数，即构成系统的数学模型。所建立的数学模型必须是对系统的那些与研究目的有关的基本特性的抽象，即利用数学模型所描述的变量及作用关系必须接近于真实系统。同时，数学模型的复杂度应当适中。模型过于简单，可能无法真实完整地反映系统的内在机制；而模型过于复杂，可能会降低模型的效率，同时又增加了不必要的计算过程。

5.数据收集

构造数学模型和收集所需数据之间是相互影响的，当模型的复杂程度改变时，所需的数据元素也将改变。数据收集包括收集与系统的输入/输出（I/O）有关的数据以及反映系统各部分之间关系的数据。

6.建立系统的仿真模型

仿真模型是指能够在计算机上实现并运行的模型。建立系统仿真模型过程包括根据系统数学模型确定仿真模型的模块结构，确定各个模块的输入/输出接口，确定模型和数据的存储方式，选择编制模型的程序设计语言等。程序设计语言包括通用语言和专用仿真语言。专用仿真语言的优点是使用方便，建模仿真功能强，有良好的诊断措施等。缺点是模型格式确定，缺乏灵活性。仿真模型的建立一般由软件开发人员来完成。

7.模型验证

模型的验证需要回答下述问题，即系统模型（包括对系统组成成分、系统结构以及参数值的假设、抽象和简化）是否准确地由仿真模型或计算机程序表示出来。验证与仿真模型及计算机程序有关，将复杂的系统模型转换成可执行的计算机程序不是容易的事，必须经过一定工作量的调试，若输入参数以及模型的逻辑结构在程序中是正确表达的，则模型验证通过。

8.模型确认

模型确认是确定模型是否精确地代表实际系统，是把模型及其特性与现实系统及其特性进行比较的过程。对模型的确认工作往往是通过对模型的校正来完成的，比较模型和实际系统的特性是一个迭代过程，同时应用两者之间的差异，以对系统和模型获得透彻的理解，从而达到改进模型的目的。这个过程重复进行直到认为模型足够准确为止。

对于经过确认的模型，把其作为可重用的资源存入模型库中。

9.仿真实验设计

仿真实验设计就是确定需要进行的仿真实验的方案。方案的选择与系统分析设计的目的以及模型可能的执行情况有关，同时也与计算机的计算能力以及对仿真结果的分析能力有关。通常仿真实验设计涉及的内容包括初始化周期的长度、仿真运行时间、每次运行的重复次数等。

10.仿真运行研究

仿真运行就是将系统的仿真模型放在计算机上执行计算。在运行过程中了解模型对各种不同的输入数据及各种不同的仿真机制的输出响应情况，通过观察获得所需要的仿真实验数据，从而预测系统的实际运行规律。模型的仿真运行是一个动态过程，需要进行反复的运行仿真实验。

11.仿真结果分析

对仿真结果进行分析的目的是确定仿真实验中所得到的信息是否合理和充分，是否满足系统的目标要求，同时将仿真结果分析整理成报告，确定比较系统不同方案的准则、仿真实验结果和数据的评价标准及问题可能的解，为系统方案的最终决策提供辅助支持。

综上所述，雷达电子战数学仿真的一般步骤，如图1-5所示。

1.4.3 雷达电子战仿真模型及其校验

雷达电子战仿真的核心是各种模型，模型的可信度决定了整个系统的可信度。相似性原理指出，对于自然界的任一系统，存在另一个系统，它们在某种意义上可以建立相似的数学描述或有相似的物理属性。换句话说，一个系统可以用模型（或者“替身”）在某种意义上来近似，这是整个系统仿真的理论基础。雷达电子战仿真过程中所建立的模型或者说寻找的“替身”具有一些基本特点：一是相似性，即真实系统的“原型”与“替身”之间具有相似的物理属性或数学描述；二是简单性，即在模型建立过程中，忽略了一些次要因素，实际的模型是一个简化了的近似模型；三是多面性，对于由许多实体组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所要搜集的与系统有关的信息也是不同的，所以，用来表示系统的模型并不是唯一的。换句话说，工程技术人员、靶场试验人员、指挥官所关注的问题不同，这会导致针对同样的原型所建立的模型不同。

雷达电子战模型的建立方法，或者说寻找反映问题主要矛盾的“替身”的方法主要有三类。一是演绎法。即通过定理、定律、公理以及已经验证了的理论推演出数学模型，这种方法适用于内部结构和特性很明确的系统，可以利用已知的定律，利用力、能量等平衡关系来确定系统内部的运动关系，大多数工程系统属于这一类。二是归纳法。通过大量的试验数据，分析、总结、归纳出数学模型。对那些内部结构不十分清楚的系统，可以根据系统输入/输出的测试数据来建立系统的数学模型。三是混合方法。这是将演绎法和归纳法互相结合的一种建模方法，通常采用先验知识确定系统模型的结构形式，再用归纳法来确定具体参数。这种方法是最常用也是比较有效的。

简单地说，雷达电子战仿真中可以分为三个阶段：模型建立阶段、模型变换阶段和模型试验阶段。在模型建立阶段，核心问题就是要寻找所研究的雷达电子战对象的“替身”，这个“替身”称为“模型”。模型是对某个系统、实体、现象或过程的一种物理的、数学的或逻辑的表达，它不是原型的“复制品”，而是按照需要对实际系统进行的简化提炼，以利于使用者抓住问题的主要矛盾。模型变换阶段主要是根据模型的形式、计算机的类型及仿真目的，用建立的模型来替代实际的电磁环境，并建立相应的仿真软件，转换成适合计算机处理的形式。模型试验阶段的主要任务是根据雷达电子战仿真的方案，在计算机上运行建立的仿真软件，以规定输入数据，观察模型中变量的变化情况，对输出结果进行整理、分析并形成报告。

雷达电子战仿真系统主要体现对抗条件下典型传感器、通信设备、导航设备、敌我识别设备等对武器装备作战效能的影响。仿真时，需要多种从不同角度描述系统的数学模型，涉及的主要数学模型如图1-6所示。主要包括战情环境模型、雷达系统模型、雷达侦察系统模型、雷达干扰系统模型、武器系统模型、雷达电子战系统视景仿真模型及模型的校核、验证与确认等。

由图1-6可以看出，在进行雷达电子战仿真时，涉及众多系统的模型，其中最关键的模型是雷达系统的模型和干扰系统的模型。模型的可信度是决定仿真系统逼真与可靠与否的关键因素，为保证模型的置信水平，必须进行模型效验。

模型效验是仿真中一个极为重要的环节，它直接关系到仿真的可信度。校模过程是对模型的一个分析、评估过程，有时统称为VVA（Verification，Validation，Accreditation），它们的含义如下：校核（Verification）——对模型是否正确符合设计要求、算法、内部关系和其他技术说明的一种确定过程。验证（Validation）——根据模型预期的使用目的，对模型是否精确表示了真实世界中客观事物的一种确定过程。确认（Accreditation）——由管理部门根据专家评审和经验，证明模型在特定的应用领域使用是可接受的一种过程。

以相控阵雷达电子战相干视频信号仿真为例，这种类型的仿真需要模拟相控阵雷达系统工作的全过程，包括信号的发射、传播、目标回波、杂波与干扰叠加以及接收滤波、抗干扰、信号处理等环节，模型复杂，环节众多。因此，通常采取系统级校模和子系统校模相结合的方法。

各个子模块的有效性是整个系统有效的必要条件。在校模工作中，应先将仿真系统模型分到不可再分的子模块上去单独校验，即将该子系统从系统中抽出，在相同的输入条件下，比较系统的输出与实际输出，调整子系统中的可调参数，使该子系统的逼真度达到设定的值。然后再进行上一级模块的验证，如此下去，最后进行整体模型的校验。图1-7以相控阵雷达仿真系统的模型校验为例，给出了一种模型校验的思路。

1.4.4 典型的雷达电子战仿真系统

目前，雷达电子战仿真的相关技术发展迅速，相关的软件系统很多，较著名的有加拿大渥太华防御科学研究所（DREO）和澳大利亚防御科学技术组织（DSTO）联合研制的先进战斗机雷达仿真器（SAFIRE）；美国Cadence-Comdisco公司的SPW （Signal Processing Workstation）；ELANIX公司的商用软件System View；Sergey A.Leonov和Alexander I. Leonov等开发的可进行测试、试验和评估的雷达系统模拟软件等。下面以SAFIRE为例，介绍其组成和功能。

SAFIRE 研制的目的是开发机载截击雷达的电子防护措施（EPM），它由雷达信号产生器（RSG）、雷达数据处理器（RDP）、图形用户接口（GUI）三部分组成。RSG可以逐个脉冲地计算生成目标回波、杂波以及电磁干扰（ECM）信号的幅度、相位，它可以支持任意长时间的仿真场景和支持动态仿真环境（如雷达工作模式的切换）。RSG的ECM模型主要针对现代相干干扰技术，包括基于数字射频存储器（DRFM）的距离波门拖引干扰（RGPO）、灵巧噪声干扰、多假目标干扰等。RDP主要考虑机载截击雷达在“空—空”模式下的数据处理，这是最易受欺骗式 ECM 影响的工作模式。具体来说，机载截击雷达的“空-空”模式包括以下四种模式：速度搜索模式（VS）、边测距边搜索模式（RWS）、边扫描边跟踪模式（TWS）、单目标跟踪模式（STT）。GUI用于用户进行仿真参数装订，显示仿真运行期间的各种输出，例如，雷达显示器画面、低层次信息（用于诊断，如每个 CPI 期间获得的距离-多普勒地图）。此外，GUI 还允许用户在仿真期间进行有限的人工干预，如改变雷达模式和开关接收机。RSG的组成和工作流程，如图1-8所示。

SAFIRE 功能多样，它可作为机载截击雷达电子干扰效果分析、雷达抗干扰技术研发的通用型仿真实验工具，也可进行采购研究和相关人员培训，还可作为机组操作人员的模拟训练。SAFIRE使用灵活，仿真实时性良好，可进行多次、大场景、复杂的仿真实验与模拟训练。

同美国、俄罗斯等军事强国相比，我国在雷达电子战仿真方面的工作起步较晚，起点也较低，但是经过十多年的努力建设，国内也出现了一批高水平、实用化的电子战计算机仿真系统。如船舶重工集团723所研发的雷达电子战半实物仿真系统，它由以下几个分系统组成：主仿真计算机模拟分系统、雷达信号环境模拟分系统、雷达目标模拟分系统、通用雷达接收机模拟分系统、导弹导引头姿态模拟分系统、天线阵列和微波暗室等。它的关键技术包括：采用Windows NT+RTX操作系统为主仿真计算机的操作系统，采用广播内存网技术进行实时通信；建立了仿真实验所需要的各类仿真模型并根据实时性要求及仿真实验准确度进行优化和验证；采用直接数字合成器（DDS）和宽频带混频技术完成了全相参、宽频带、低谐波和杂散的快速频率合成器设计；采用（DDS）和宽频带数字射频存储技术实现了对全相参雷达的全相参干扰及目标回波生成；采用高速数字信号处理（DSP）搭建平台，实现高敏度、多体制、全方位雷达信号生成。

国防科技大学多年来一直从事先进雷达电子战系统的建模与仿真工作，特别是在先进相控阵雷达系统仿真方面在国内居领先地位，研制了包括升级的预警雷达（UEWR）、X波段地基雷达（XBR）等多部雷达在内的计算机仿真模型和相应软件系统。图1-9是国防科技大学研制的基于高层体系结构（HLA）的导弹防御相控阵雷达对抗仿真系统组成和显示界面。