摘 要： 目前由于SystemVue仿真软件在雷达库方面有了重大更新，在雷达系统仿真中的应用还非常少，但其优越的仿真特性在雷达的工程实践中具有重大价值。简要介绍了SystemVue的优点和美国一种典型对空搜索雷达的基本理论，并基于SystemVue对其发射信号和无杂波的点目标回波生成信号进行了程序设计及仿真结果验证。SystemVue仿真软件以其独特的先进性和新颖性，在雷达系统仿真领域中将具有广泛的应用前景。
关键词： 通信工程论文发表,SystemVue,美国典型雷达,对空搜索,点目标回波生成
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是美国安捷伦(Agilent)公司推出的一种专门针对电子系统级的仿真工具软件，主要用于通信、雷达、导航和电子战等领域。它具有与外部文件相通的、开放的算法建模接口，可直接获得并处理输入/输出数据，可以与Matlab、C++、HDL、DSP、FPGA、ADS等其他软件互联使用，支持多域化模型的设计框架。例如在SystemVue建模环境中可以方便地直接调用Matlab，扩展SystemVue原生数学语言解释器，支持 Matlab的全部语法和功能;Matlab可通过SystemVue获得额外的射频建模、射频物理层仿真及测试能力。和其他仿真软件相比，SystemVue具有明显的优越性，尤其在做射频模块方面：支持射频?基带联合仿真;支持数据流仿真;模块基本齐全，可直接进行搭建。以上这些优点可满足雷达仿真的所有需求，拥有非常广阔的应用前景。
SystemVue的资源库非常丰富，其中包括雷达工具箱。它使用雷达库中的模块编译程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种程序的设计与仿真;可快速地建立和修改设计程序，访问和调整系统参数，也可方便地加入注释。SystemVue可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统。因此，它可以用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真，可进行各种时域和频域分析、谱分析，对各种逻辑电路、射频/模拟电路进行理论分析和失真分析。相对其他软件来说，它更容易实现多脉冲串参差脉冲重复频率的仿真。
雷达是现代战争电子系统的眼睛，具有捕捉、跟踪目标的能力，对打赢信息化战争具有重要的意义。本文以美国20世纪70年代末研制的典型频扫三坐标远程对空搜索雷达AN/SPS?48为例[1]，在SystemVue平台上设计实现了其发射信号的生成，并对无杂波的点目标进行了回波信号生成的实现。在以后的学习工作中，还将继续基于SystemVue的仿真优势建立一个完整的雷达系统仿真平台，为雷达系统性能评估提供全面合理的仿真环境。
1 雷达回波基本理论
1.1 雷达回波生成基本原理
雷达利用目标对电磁波的反射特性(或称为二次散射现象)来发现目标并对其位置进行测量[2]。雷达目标回波信号是雷达的发射信号经目标散射调制后的延迟。当雷达探测到目标后，就要从目标的回波信号中有效提取目标的距离、速度、方位等有关信息。 在常用的脉冲雷达中，回波信号是滞后于发射脉冲[tr]的回波脉冲，由于传播过程中不可避免地会产生各种损失，能量也会大大衰减。回波信号的延迟时间通常是很短促的，一般情况下，目标距离[R=ctr2，]其中[c]为光速。对于运动目标而言还要考虑多普勒频率[fd]的影响，[fd=2vrλ，]其中[vr]为目标相对于雷达的径向速度，[λ]为雷达工作波长。
1.2 该型雷达的简要介绍
AN/SPS?48是美国海军大型水面舰艇大量装备的一种三坐标远程对空[3]搜索雷达，其主要功能是提供空中目标的三坐标数据以及给武器控制系统提供目标指示。该雷达工作于S波段，工作频率为2.9～3.1 GHz，在方位上为360°机械扫描，在仰角上采用频扫体制。典型情况下8个波束组形成仰角上45°的扫描，发射功率和测量范围随覆盖空域的改变而改变，以提高检测概率。该型雷达采用固态器件，提高了系统的可用性、可靠性和可维修性;采用先进的数字接收、信号处理设备和低副瓣天线系统，提高了接收机的灵敏度。目前美国所有的航空母舰、大部分的导弹巡洋舰、驱逐舰和护卫舰以及两栖指挥舰都装备了AN/SPS?48。
该雷达发射波形的脉冲宽度为 3 μs，9 μs和27 μs，脉冲重复频率PRF为330～2 750 Hz，最大作用距离为407 km，覆盖45°空域的最大垂直高度为231.5 km。为了清晰简化并实时准确地生成发射信号，假定该雷达的8个波束组中，每个波束组含有2个波束，那么完成波束组1到波束组8共16个波束的垂直扫描过程称为一个工作周期，用CPI表示。同时设定不同的周期间隔为CPI1和CPI2，通过这种参差脉冲重复频率，可以有效减少盲速产生的影响，同时还可以解决距离模糊的问题。以往的雷达系统仿真由于受仿真语言的局限，普遍存在着建模功能弱、可重用性差、模型层次不清、分析手段贫乏、仿真效率低等缺点，难以适应雷达系统的多样化和复杂化。例如Matlab实现脉冲参差重频时，其编程不够灵活且工作量相对较大;而SystemVue克服了这些缺点，能实时准确地生成各种参差重频脉冲串信号。
2 点目标回波生成系统的设计实现
2.1 SystemVue和雷达库的基本情况
SystemVue是以图符化模块构建理论模型[4]，对电子系统电路的实际工作状态进行虚拟现实地仿真模拟，完成电路功能和电路特性的详细分析。其分析窗口可根据仿真系统运行结果，实时自动地呈现出信号波形图;还可以根据需要改变其接收计算器参数，快速绘制出时域、频域等多种曲线图，对于雷达系统仿真而言具有更强的针对性和专业性。
目前SystemVue开发出了更高级别的版本，其中元件库有了重大更新，添加了一部分新的元器件库，使其资源库在原有基础上达到了30余种。该版本建立在核心平台的改进和基带设计流程集成通信的物理层设计上，同时SystemVue具有高性能的计算能力：支持多核多线程仿真，支持GPU的加速仿真，支持FPGA/HIL的加速仿真，支持多机集群分布式仿真，为电子系统的设计和仿真提供了更为方便有效的操作空间和更广阔的发展平台。
雷达库也提升了模块的多样性和全面性，包括天线、阵列信号处理、环境、信号源、发射、接收、信号处理等多种模型库。对于运动目标来说，它可以基于场景的精确运动目标回波进行建模，这和传统的跳?停模型是不同的;同时支持多散射点目标建模，支持目标复杂运动轨迹建模，支持起伏波动的RCS类型建模，支持传播效应的建模。所以对雷达系统进行设计仿真时，可以根据设定的程序和场景需要，从相应的雷达模型库中选择相对应的元件模块进行系统搭建，设置参数进行模拟仿真。
2.2 该型雷达发射信号生成设计
由上述介绍可知，该型雷达会在空间形成8个不同仰角的波束组，即波束组1到波束组8。正常工作时，8个波束组依次工作，设定波束组1～8的最大作用距离分别为407 km，310 km，231.5 km，160 km，105 km，65 km，40 km和31.5 km，相应的延迟时间为：
[tr=2Rc] (1)
式中：[R]为雷达到目标的作用距离;[c]为光速。
同时需要考虑信号处理时打入脉压加权和终端系统噪声采样所需的时间，且为了保留一定的冗余度等综合因素，因此将计算出的各波束组的脉冲重复间隔PRI分别设为2 800 μs，2 150 μs，1 610 μs，1 130 μs，760 μs，490 μs，400 μs和370 μs。相应的脉冲重复频率PRF为：
[PRF=1PRI] (2)
该型雷达正常工作时，每个CPI周期中完成一次45°垂直空间的扫描。采用二参差可以解决盲速问题。参差时相邻工作周期是不相等的，原因是因为在相邻周期中各发射脉冲的间隔不等，因此有CPI1和CPI2两种工作时序。
对于一个给定的PRF[5]，当运动目标的多普勒频率等于整数倍PRF时，这些运动目标就会被MTI滤波器抑制掉。对应于这些多普勒频率(即脉冲重复频率的整数倍)的径向速度称为盲速，这是因为具有这些径向速度的运动目标也会被抑制掉。距离的非模糊范围[Rua]为：
[Rua=c2PRF] (3)
对应于多普勒频率[fd=PRF]时的第一个盲速为：
[Vblind=λPRF2=cPRF2f0] (4)
式中[f0]为载波频率。
由式(3)和(4)可知，给定一个发射载频，当PRF增加时，距离的非模糊范围减小，而第一个盲速增加;但如果PRF较高时，就会产生较小的非模糊距离。一种解决方法是利用参差的PRF，因为对于一个参差PRF系统，其第一个真正盲速的多普勒频率是所有参差PRF都是盲速的最低多普勒频率，即参差 PRF组的最小公倍数。它能够大大提高第一个盲速，可以使目标的任何速度都尽可能小于这个盲速，从而解决盲速问题，且不会减小非模糊距离。 同样由式(3)和(4)可知，当目标实际距离在非模糊范围之外时，就存在距离模糊问题。常用的解决方法也是发射多组参差脉冲重复频率的脉冲串信号，然后利用余数定理来解决距离模糊。这种方法也可同样用于解决速度模糊，目前国内外的脉冲多普勒雷达系统几乎都使用这种方案。所以，发射参差脉冲重复频率的脉冲串信号可以有效解决盲速和模糊问题。
设定每个波束组中的两个波束间隔均为2 μs，前3个波束组的脉宽均为27 μs，中间3个波束组的脉宽均为9 μs，后两个波束组的脉宽均为3 μs。由各不同的脉冲重复间隔PRI之和，可得一个工作周期CPI1的长度，同样改变PRI间隔可得CPI2的长度。为了保留一定的冗余空间，本文选用 20 500 μs的时间长度，可以完全显示CPI1和CPI2的信号波形，本组脉冲串的线性调频信号带宽均为2.5 MHz，采样频率为20 MHz。设计程序如图1所示。
图1中，Radar?LFM模块为线性调频信号产生器，该模块用来生成线性调频信号。由该型雷达发射信号波形的产生形式和参数特征，对其脉冲宽度、脉冲重复间隔、波形带宽和基带采样率进行相应的设置;然后通过Set Sample Rate采样模块将产生的线性调频波形变为离散化的信号;最后将信号送入Sink数据接收器中进行处理，即可产生所需的发射信号。
2.3 该型雷达点目标回波信号生成设计
根据雷达回波[6]信号生成基本原理，总体设计程序框图如图2所示。
图1 发射信号生成程序
图2 点目标回波信号生成程序
为了能够清晰地分析整个程序框图，将其分成几个小详图进行解释说明，分别如图3～图6所示。
图3 发射信号分块
图4 回波生成分块
图5 回波接收分块
图6 目标位置分块
图3中，Radar?LFM模块将产生的线性调频发射信号经Set Sample Rate采样模块采样后，送入Cx?To?Env模块进行载波调制;将转换后的复包络信号送入Radar?Antenna?Tx天线发射模块进行信号发射，Const常数模块将波束的方位角和高低角固定为0°。图4中，将发射出去的脉冲串信号送入Radar?Echo?Generator回波生成模块，其中雷达发射平台和接收平台都使用同一个Radar?Platform模块，这样是为了保证雷达信号收发在同一个位置。通过 Radar?Target?Scatter?Location目标位置模块可以设定目标的状态信息，包括目标速度、加速度、有效散射截面积和相对雷达的距离等，根据这些有效信息产生回波。图5中，将产生的回波信号送入Radar?Antenna?Rx天线接收模块后，再将接收到的回波信号通过 Env?To?Cx转换模块将包络信号变为复合信号，最后送入Sink数据接收器中，产生模拟的回波生成信号。图6中，通过 Radar?Loc?In?Antenna?Frame模块，将波束和目标的方位角及高低角均设为0°，即波束照射过程中，目标位于波束的中心轴上。由雷达原理可知，接收到的回波信号会根据目标的距离和环境影响产生相应的时间延迟和能量衰减。因为电磁波在空间的传播速度非常快，雷达技术常用的时间单位为 μs，回波脉冲滞后于发射脉冲一个微秒时，所对应的目标距离[R]为0.15 km。程序中通过Radar?Target?Scatter?Location目标位置模块将目标和单基地雷达平台的距离设为10 km，则相应的延迟时间大约为66.67 μs。
这里需要说明的是回波生成很复杂，回波信号中应该包含发射信号、杂波、干扰和目标信号，而杂波又分为多种类型，同时还需考虑天线方向图等综合因素。所以本文为了说明SystemVue能快速准确地生成参差脉冲重复频率的脉冲串信号并产生回波信号，没有加入杂波，只是针对点目标进行回波生成。
3 仿真结果验证
将以上设计程序在SystemVue仿真平台[7]上运行，得到的仿真结果如图7，图8所示。图7为该型雷达发射信号仿真波形，图8为回波生成仿真波形。
图7 发射信号仿真波形
为了更直观、清楚地分析波形，将发射信号和回波信号的一小部分分别进行放大，如图9和图10所示。
由仿真结果波形图分析可知，发射信号由CPI1和CPI2两个相邻工作周期不等的脉冲串循环组成，且都为线性调频信号，和上述该型雷达的基本理论完全吻合。从回波信号放大波形可以看到，其幅度有了一定的衰减，且有了一定的时间延迟;从图10中可以看出其延迟时间大约为66.6 μs，与上述回波原理分析结果基本相一致，从而验证了设计程序和仿真结果的正确性。
图8 回波信号仿真波形
图9 发射信号放大波形
图10 回波信号放大波形
4 结 语
在雷达系统仿真应用中，不同的仿真软件可以实现不同的模拟效果。有的只能实现功能级仿真，分辨率较低;有的不能实现射频仿真，射频效果不能完全体现出来;而SystemVue是一款能够实现数据流仿真的信号级仿真软件，分辨率高并且在做射频方面是强项，能够达到良好的射频效果。本文对美国一种典型对空搜索雷达的发射信号和无杂波点目标的回波生成信号进行了程序设计，并验证了其仿真结果的确切性。SystemVue仿真软件以其独特的先进性和新颖性，在雷达系统仿真领域中将具有非常广阔的应用前景。
参考文献
[1] 赵登平，周万幸，鞠新春.世界海用雷达手册[M].2版.北京：国防工业出版社，2012.
[2] 丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2002.
[3] 孔德培，汪连栋，王国良，等.对空警戒雷达功能仿真研究[J].系统仿真学报，2003(15)：1300?1303.
[4] 林森，高明明.SystemVue环境下M?Link的应用[J].中国科技信息，2008(23)：91?93.
[5] RICHARDS M A.雷达信号处理基础[M].北京：电子工业出版社，2008.
