航空電子對抗裝備測試動目標雷達信號模擬與實現*

唐 曦 李文海 劉 勇 程燕海 吳忠德

（1.海軍航空大學航空作戰勤務學院 煙臺 264001）（2.中國人民解放軍91138部隊 上饒 334109）

1 引言

機載雷達告警裝備是現代作戰飛機上不可或缺的電子對抗裝備，主要用于對敵方雷達威脅信號發出告警提示，以便于飛行員做出相應動作，提高載機戰時生存能力［1～2］?，F代戰場電磁環境日趨復雜，在時域、空域、頻域和能量等幾個方面，具有動態性、廣泛性和密集性的特點，這對機載雷達告警裝備的各項指標和工作性能提出更高的要求。因此需要緊貼現代戰爭特點，構建符合現代戰爭要求的高脈沖密度動態場景電磁環境，對機載雷達告警裝備在上述環境下的實際作戰效能進行評估，例如測向性能的評估。

目前關于這方面的研究較少，文獻［3～5］采用控制電機轉動的方式來模擬載機方位角的變化，實現對比幅測向系統測向能力的檢測，但無法對復雜場景進行模擬。文獻［6～9］采用“雷達信號建模+矢量信號源”的架構，將雷達信號模型解算出來的IQ 基帶數據注入矢量信號源進行IQ 調制，以合成多通道復雜體制雷達模擬信號。該架構為靜態場景雷達信號模擬提供了一個很好的思路，但無法滿足動態電磁場景的要求，所謂動態電磁場景有兩層含義，一是指載機和目標在三維空間中是運動的，在飛行過程中，其所處方位、距離和姿態角都可能隨時間發生變化；二是指目標雷達的工作模式等是會根據戰場具體情況變化的。二者都會對信號造成影響，導致接收機天線截獲信號的參數是動態變化的。而且通過IQ 數據來描述信號需要占用大量內存，不利于高密度場景的長時間模擬［10］和實時性要求。文獻［11～13］采用PDW（脈沖描述字）的形式來描述復雜電磁環境，可以大大壓縮仿真的數據量，但都只做到了純數字仿真，未能付諸于信號級。

針對上述問題，提出電子對抗場景下運動雷達目標信號模擬方法，研究了雷達目標相對載機的空間位置及姿態，與接收機各通道射頻信號功率的映射關系，結合R&S SMW200A 矢量信號源在實驗室內合成任意運動場景下運動雷達目標模擬信號，提高了電子對抗運動場景模擬的逼真度，提升了雷達告警設備的測試精度和效率。

2 基本原理

2.1 比幅測向的基本原理

比幅測向體制的機載雷達告警裝備基于比幅測向原理實現目標方位角檢測。如圖1所示，常用的比幅測向采用4 個相同方向性圖F(θ)的接收天線，均勻布設在360°方位內相鄰天線的張角θs=90°，各天線的方位指向分別為

圖1 比幅測向的原理框圖

如圖2所示，由于各個天線為有向天線，且指向各異，因此同一輻射源信號被不同天線接收時，其截獲到的信號幅值是不同的。而輻射源所處方位必定在其中兩個相鄰接收天線的張角范圍內，則這兩個天線接收到的信號功率會顯著強于另外兩個天線接收到的信號功率，結合最強的這兩路信號功率值和天線的方向性圖就能計算出空間輻射源的方位角，構成了360°全向的測向能力。

圖2 雷達告警裝備二維方向性圖

2.2 信號模擬原理

由比幅測向原理可知，雷達告警設備通過比較接收到的兩路最強信號幅值實現測向，因此欲對其測向性能進行測試，需根據想定場景中目標雷達相對載機的空間位置及姿態，與接收機各通道射頻信號幅值的映射關系，合成4 路特定幅值的雷達相參模擬信號，注入接收機的相應通道。硬件實現如圖3所示，主要由控制計算機和R&S SMW200A 矢量信號源組成?？刂朴嬎銠C可對電子對抗場景進行編輯，包括目標雷達（后文稱目標）和載有雷達告警裝備的飛機（后文稱載機）的運動軌跡和姿態角，天線安裝角、掃描方式和方向性圖，并根據上述參數解算出各路功率值，結合目標工作模式和信號樣式生成4 路接收機通道信號的PDW 數據，最后通過網線將其中4 路信號的PDW 數據實時傳送給R&S SMW200A 矢量信號源，合成4 路射頻模擬信號，注入雷達告警設備的相應接收通道，實現其工作性能的檢測。

圖3 系統組成框圖

3 信號模擬方法與實現

實際情況下本機和目標在三維空間中并不是靜止的，其位置、姿態角和運動速度可能會不斷變化，且目標的雷達天線也是不斷掃描的。因此欲合成空間輻射源模擬信號，首先需要根據實際場景編輯本機和目標在空間中的三維坐標值、姿態角和運動速度的時間函數，定義雷達告警接收機天線三維方向性圖、目標發射天線三維方向性圖和天線掃描方式等參數；接下來通過坐標變換的方法，分別解算目標相對于本機的方位角、俯仰角、距離，以及本機相對于目標的方位角、俯仰角、距離等參數，將其代入發射和接收天線方向性圖函數求出發射增益和接收增益；最后結合電磁波自由空間傳播損耗公式，求得最終雷達告警接收機各天線接收到信號的功率，結合目標信號樣式生成PDW 數據，將其注入到R&S SMW200A 矢量信號源中合成4 路射頻模擬信號。

3.1 場景編輯

本模擬方法以場景編輯信息為輸入，例如設置載機和目標的初始坐標、運動速度、模擬時長、天線方向性圖、天線掃描方式、發射功率等參數。下面為了便于介紹，對模擬場景做了一些具化的設置。

1）雷達告警接收機天線設置

設置雷達告警設備四個接收天線在本機的水平朝向分別為45°、135°、225°和315°方向。

雷達告警設備主要測目標的方位角，不測俯仰角［14］，因此其天線的方向性圖形狀左右寬上下窄，它的4 個接收根天線的功率方向性圖相同，其歸一化后在水平面和鉛垂面的投影都為高斯函數（以常見的高斯函數為例［15］），其中在水平面上投影的數學表達式如下：

其中，θ為方位角；G(θ)為天線在θ方向上的功率增益，單位為dB；θ0為天線水平朝向；θr為水平方向上的半功率波束寬度。

在鉛垂面上投影的數學表達式如下：

其中，β為俯仰角；G(β)為天線在β方向上的功率增益，單位為dB；β0為天線俯仰朝向；βr為俯仰方向上的半功率波束寬度。

因此易得在θ方位上和β俯仰角上的天線功率增益為

將天線功率增益取對數轉換為dB單位，則：

因此當天線最大接收功率增益為G1dB，可得天線功率增益函數為

由于接收天線在水平方向的半功率波束寬度比較大，俯仰方向上的半功率波束寬度比較小，因此使θr取π/3，βr取π/9，四個天線的三維方向性如圖4所示。

圖4 雷達告警設備接收天線方向性圖

2）目標飛機天線設置

設置目標飛機發射天線的初始水平朝向為機頭方向，即0°方向。同時天線在目標飛機XOY 平面內進行扇掃，扇掃角度范圍為（-π/3，+π/3），扇掃角速度為2π/s（扇掃周期為2/3s）。俯仰朝向始終為0°方向。

機載雷達要求測角精度很高，因此其波束寬度要很窄，天線的功率方向性圖歸一化后在水平面和鉛垂面的投影也都為高斯函數（以常見的高斯函數為例），同理可得，當最大發射增益為G2dB時，其在在θ方位上和β俯仰角上的天線功率增益為

其中，θ為方位角；β為俯仰角；G(θ,β)為天線在(θ,β)方向上的功率增益，單位為dB；G2為天線增益，單位為dB；θ0為天線水平朝向；β0為天線俯仰朝向；θr為水平方向上的半功率波束寬度；βr為俯仰方向上的半功率波束寬度。由于發射天線在水平和俯仰方向上的半功率波束寬度都比較小，因此使θr和βr都取π/18，其三維方向性如圖5所示。

圖5 目標雷達天線方向性圖

3.2 信號建模與解算

為了便于計算，在求解收發天線的增益時采用機體坐標軸的形式。

1）坐標轉換

如圖6所示，為載機和目標飛機在三維空間中位置和姿態角的示意圖，左側為載機四個接收天線的方向性圖，右側為目標飛機和雷達波束?？梢娚鲜鰞烧叩南鄬ξ恢煤透髯缘淖藨B角決定了載機四個接收天線收到目標飛機雷達輻射信號功率的大小。因此首先需根據預設場景，得出本機和目標飛機在地面絕對直角坐標系下的位置坐標、姿態角（含偏航角、俯仰角和滾轉角）和速度等參數的時間函數。

圖6 比幅測向三維示意圖

根據模擬場景的參數設置進行坐標轉換，得到本機在目標飛機機體坐標系下位置坐標的時間函數，從而計算出本機在該坐標系下的方位角θre、俯仰角βre和距離；同理可得到目標飛機在本機機體坐標系下坐標的時間函數，從而計算出目標飛機在該坐標系下的方位角θra、俯仰角βra和距離。

2）天線接收信號功率計算

根據電磁波傳播原理可知天線接收到的信號功率可由下式結算得到：

其中，Pre為接收天線收到的信號功率，單位為dBm；PT為目標雷達的發射功率，單位為dBm；GT為目標雷達天線發射增益，單位為dB；L 為電磁波自由空間傳播損耗，單位為dB；GR為接收天線接收增益，單位為dB。

下面分步來求以上這些參數，根據上步坐標轉換后得到的坐標值，可分別得到本機在目標飛機機體坐標系下的方位角和俯仰角(θre,βre)，和目標在本機機體坐標系下的方位角和俯仰角(θra,βra)，將其分別代入式（6）、式（7），可得到發射天線的發射增益GT和4個接收天線的接受增益GRi，i=1，2，3，4。

電磁波自由空間傳播損耗為

其中，f為信號的頻率，單位為MHz；d為收發天線之間的距離，單位為km。

最后將上述參數代入式（8）便可得到接收機4路通道的射頻信號功率值。

3.3 算法驗證

設置本機做勻速直線運動，初始坐標為（0 m，0 m，0 m），速度（90 m/s，-120 m/s，62.5 m/s）；目標飛機也做勻速直線運動，初始坐標為（25000 m，8000 m，6000 m），速度（-240 m/s，-80 m/s，-60 m/s）；PT取68 dBm（約6000 W），G2取33 dB，G1取0 dB，雷達信號的載波頻率f 取5 GHz，發射天線掃描方式為水平扇掃，扇掃角度范圍為（-π/3，+π/3），扇掃角速度為2π/s，仿真時間為60 s。在上述模擬場景下，將本算法解算結果與羅德斯瓦茨公司開發的脈沖生成軟件R&S Pulse Sequencer 的仿真結果進行對比，發現接收天線1 和接收天線2 為接收到信號功率較強的兩路，其隨時間的變化趨勢如圖7～圖10所示，兩種方法所得結果非常相近。

圖7 本算法模擬的接收天線1信號功率

圖8 Pulse Sequencer 仿真的接收天線1信號功率

圖9 本算法模擬的接收天線2信號功率

圖10 Pulse Sequencer 仿真的接收天線1信號功率

3.4 射頻信號測試與驗證

根據3.3節定義場景下得到的各路接收信號功率值，結合目標信號樣式（以常見的線性調頻脈沖信號為例）生成符合R&S格式規范的PDW數據，并通過網線將PDW 數據實時傳給R&S SMW200A 矢量信號源，合成4 路射頻模擬信號。采用矢量信號分析儀對其中兩路最強的信號進行測試，測試結果如圖11 和圖12所示，兩路射頻信號的功率值隨時間變化趨勢與3.3 節的仿真結果相符，從測試結果來看信號參數與設置值相符。

圖11 天線1通道射頻模擬信號功率

圖12 天線2通道射頻模擬信號功率

4 結語

本文針對雷達告警裝備的檢測問題，提出了一種電子對抗場景下運動雷達目標信號模擬方法，結合R&S SMW200A 矢量信號源，可在實驗室環境下合成電子對抗場景下三維空間運動雷達目標模擬信號。實驗結果表明，該方法靈活快捷、模擬逼真度高，且具有高脈沖密度長時間信號模擬的能力，在電子對抗場景信號模擬和電子對抗設備測試領域具有一定應用和參考價值。