摘 要： 目前由于SystemVue仿真軟件在雷達庫方面有了重大更新，在雷達系統仿真中的應用還非常少，但其優越的仿真特性在雷達的工程實踐中具有重大價值。簡要介紹了SystemVue的優點和美國一種典型對空搜索雷達的基本理論，并基于SystemVue對其發射信號和無雜波的點目標回波生成信號進行了程序設計及仿真結果驗證。SystemVue仿真軟件以其獨特的先進性和新穎性，在雷達系統仿真領域中將具有廣泛的應用前景。

　　關鍵詞： 通信工程論文發表,SystemVue,美國典型雷達,對空搜索,點目標回波生成

　　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是美國安捷倫(Agilent)公司推出的一種專門針對電子系統級的仿真工具軟件，主要用于通信、雷達、導航和電子戰等領域。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/輸出數據，可以與Matlab、C++、HDL、DSP、FPGA、ADS等其他軟件互聯使用，支持多域化模型的設計框架。例如在SystemVue建模環境中可以方便地直接調用Matlab，擴展SystemVue原生數學語言解釋器，支持 Matlab的全部語法和功能;Matlab可通過SystemVue獲得額外的射頻建模、射頻物理層仿真及測試能力。和其他仿真軟件相比，SystemVue具有明顯的優越性，尤其在做射頻模塊方面：支持射頻?基帶聯合仿真;支持數據流仿真;模塊基本齊全，可直接進行搭建。以上這些優點可滿足雷達仿真的所有需求，擁有非常廣闊的應用前景。

　　SystemVue的資源庫非常豐富，其中包括雷達工具箱。它使用雷達庫中的模塊編譯程序，無需與復雜的程序語言打交道，不用寫一句代碼即可完成各種程序的設計與仿真;可快速地建立和修改設計程序，訪問和調整系統參數，也可方便地加入注釋。SystemVue可以構造各種復雜的模擬、數字、數模混合系統和各種多速率系統。因此，它可以用于各種線性或非線性控制系統的設計和仿真，可進行各種時域和頻域分析、譜分析，對各種邏輯電路、射頻/模擬電路進行理論分析和失真分析。相對其他軟件來說，它更容易實現多脈沖串參差脈沖重復頻率的仿真。

　　雷達是現代戰爭電子系統的眼睛，具有捕捉、跟蹤目標的能力，對打贏信息化戰爭具有重要的意義。本文以美國20世紀70年代末研制的典型頻掃三坐標遠程對空搜索雷達AN/SPS?48為例[1]，在SystemVue平臺上設計實現了其發射信號的生成，并對無雜波的點目標進行了回波信號生成的實現。在以后的學習工作中，還將繼續基于SystemVue的仿真優勢建立一個完整的雷達系統仿真平臺，為雷達系統性能評估提供全面合理的仿真環境。

　　1 雷達回波基本理論

　　1.1 雷達回波生成基本原理

　　雷達利用目標對電磁波的反射特性(或稱為二次散射現象)來發現目標并對其位置進行測量[2]。雷達目標回波信號是雷達的發射信號經目標散射調制后的延遲。當雷達探測到目標后，就要從目標的回波信號中有效提取目標的距離、速度、方位等有關信息。 　　在常用的脈沖雷達中，回波信號是滯后于發射脈沖[tr]的回波脈沖，由于傳播過程中不可避免地會產生各種損失，能量也會大大衰減。回波信號的延遲時間通常是很短促的，一般情況下，目標距離[R=ctr2，]其中[c]為光速。對于運動目標而言還要考慮多普勒頻率[fd]的影響，[fd=2vrλ，]其中[vr]為目標相對于雷達的徑向速度，[λ]為雷達工作波長。

　　1.2 該型雷達的簡要介紹

　　AN/SPS?48是美國海軍大型水面艦艇大量裝備的一種三坐標遠程對空[3]搜索雷達，其主要功能是提供空中目標的三坐標數據以及給武器控制系統提供目標指示。該雷達工作于S波段，工作頻率為2.9～3.1 GHz，在方位上為360°機械掃描，在仰角上采用頻掃體制。典型情況下8個波束組形成仰角上45°的掃描，發射功率和測量范圍隨覆蓋空域的改變而改變，以提高檢測概率。該型雷達采用固態器件，提高了系統的可用性、可靠性和可維修性;采用先進的數字接收、信號處理設備和低副瓣天線系統，提高了接收機的靈敏度。目前美國所有的航空母艦、大部分的導彈巡洋艦、驅逐艦和護衛艦以及兩棲指揮艦都裝備了AN/SPS?48。

　　該雷達發射波形的脈沖寬度為 3 μs，9 μs和27 μs，脈沖重復頻率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。為了清晰簡化并實時準確地生成發射信號，假定該雷達的8個波束組中，每個波束組含有2個波束，那么完成波束組1到波束組8共16個波束的垂直掃描過程稱為一個工作周期，用CPI表示。同時設定不同的周期間隔為CPI1和CPI2，通過這種參差脈沖重復頻率，可以有效減少盲速產生的影響，同時還可以解決距離模糊的問題。以往的雷達系統仿真由于受仿真語言的局限，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，難以適應雷達系統的多樣化和復雜化。例如Matlab實現脈沖參差重頻時，其編程不夠靈活且工作量相對較大;而SystemVue克服了這些缺點，能實時準確地生成各種參差重頻脈沖串信號。

　　2 點目標回波生成系統的設計實現

　　2.1 SystemVue和雷達庫的基本情況

　　SystemVue是以圖符化模塊構建理論模型[4]，對電子系統電路的實際工作狀態進行虛擬現實地仿真模擬，完成電路功能和電路特性的詳細分析。其分析窗口可根據仿真系統運行結果，實時自動地呈現出信號波形圖;還可以根據需要改變其接收計算器參數，快速繪制出時域、頻域等多種曲線圖，對于雷達系統仿真而言具有更強的針對性和專業性。

　　目前SystemVue開發出了更高級別的版本，其中元件庫有了重大更新，添加了一部分新的元器件庫，使其資源庫在原有基礎上達到了30余種。該版本建立在核心平臺的改進和基帶設計流程集成通信的物理層設計上，同時SystemVue具有高性能的計算能力：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，支持多機集群分布式仿真，為電子系統的設計和仿真提供了更為方便有效的操作空間和更廣闊的發展平臺。

　　雷達庫也提升了模塊的多樣性和全面性，包括天線、陣列信號處理、環境、信號源、發射、接收、信號處理等多種模型庫。對于運動目標來說，它可以基于場景的精確運動目標回波進行建模，這和傳統的跳?停模型是不同的;同時支持多散射點目標建模，支持目標復雜運動軌跡建模，支持起伏波動的RCS類型建模，支持傳播效應的建模。所以對雷達系統進行設計仿真時，可以根據設定的程序和場景需要，從相應的雷達模型庫中選擇相對應的元件模塊進行系統搭建，設置參數進行模擬仿真。

　　2.2 該型雷達發射信號生成設計

　　由上述介紹可知，該型雷達會在空間形成8個不同仰角的波束組，即波束組1到波束組8。正常工作時，8個波束組依次工作，設定波束組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，相應的延遲時間為：

　　[tr=2Rc] (1)

　　式中：[R]為雷達到目標的作用距離;[c]為光速。

　　同時需要考慮信號處理時打入脈壓加權和終端系統噪聲采樣所需的時間，且為了保留一定的冗余度等綜合因素，因此將計算出的各波束組的脈沖重復間隔PRI分別設為2 800 μs，2 150 μs，1 610 μs，1 130 μs，760 μs，490 μs，400 μs和370 μs。相應的脈沖重復頻率PRF為：

　　[PRF=1PRI] (2)

　　該型雷達正常工作時，每個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題。參差時相鄰工作周期是不相等的，原因是因為在相鄰周期中各發射脈沖的間隔不等，因此有CPI1和CPI2兩種工作時序。

　　對于一個給定的PRF[5]，當運動目標的多普勒頻率等于整數倍PRF時，這些運動目標就會被MTI濾波器抑制掉。對應于這些多普勒頻率(即脈沖重復頻率的整數倍)的徑向速度稱為盲速，這是因為具有這些徑向速度的運動目標也會被抑制掉。距離的非模糊范圍[Rua]為：

　　[Rua=c2PRF] (3)

　　對應于多普勒頻率[fd=PRF]時的第一個盲速為：

　　[Vblind=λPRF2=cPRF2f0] (4)

　　式中[f0]為載波頻率。

　　由式(3)和(4)可知，給定一個發射載頻，當PRF增加時，距離的非模糊范圍減小，而第一個盲速增加;但如果PRF較高時，就會產生較小的非模糊距離。一種解決方法是利用參差的PRF，因為對于一個參差PRF系統，其第一個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。它能夠大大提高第一個盲速，可以使目標的任何速度都盡可能小于這個盲速，從而解決盲速問題，且不會減小非模糊距離。 　　同樣由式(3)和(4)可知，當目標實際距離在非模糊范圍之外時，就存在距離模糊問題。常用的解決方法也是發射多組參差脈沖重復頻率的脈沖串信號，然后利用余數定理來解決距離模糊。這種方法也可同樣用于解決速度模糊，目前國內外的脈沖多普勒雷達系統幾乎都使用這種方案。所以，發射參差脈沖重復頻率的脈沖串信號可以有效解決盲速和模糊問題。

　　設定每個波束組中的兩個波束間隔均為2 μs，前3個波束組的脈寬均為27 μs，中間3個波束組的脈寬均為9 μs，后兩個波束組的脈寬均為3 μs。由各不同的脈沖重復間隔PRI之和，可得一個工作周期CPI1的長度，同樣改變PRI間隔可得CPI2的長度。為了保留一定的冗余空間，本文選用 20 500 μs的時間長度，可以完全顯示CPI1和CPI2的信號波形，本組脈沖串的線性調頻信號帶寬均為2.5 MHz，采樣頻率為20 MHz。設計程序如圖1所示。

　　圖1中，Radar?LFM模塊為線性調頻信號產生器，該模塊用來生成線性調頻信號。由該型雷達發射信號波形的產生形式和參數特征，對其脈沖寬度、脈沖重復間隔、波形帶寬和基帶采樣率進行相應的設置;然后通過Set Sample Rate采樣模塊將產生的線性調頻波形變為離散化的信號;最后將信號送入Sink數據接收器中進行處理，即可產生所需的發射信號。

　　2.3 該型雷達點目標回波信號生成設計

　　根據雷達回波[6]信號生成基本原理，總體設計程序框圖如圖2所示。

　　圖1 發射信號生成程序

　　圖2 點目標回波信號生成程序

　　為了能夠清晰地分析整個程序框圖，將其分成幾個小詳圖進行解釋說明，分別如圖3～圖6所示。

　　圖3 發射信號分塊

　　圖4 回波生成分塊

　　圖5 回波接收分塊

　　圖6 目標位置分塊

　　圖3中，Radar?LFM模塊將產生的線性調頻發射信號經Set Sample Rate采樣模塊采樣后，送入Cx?To?Env模塊進行載波調制;將轉換后的復包絡信號送入Radar?Antenna?Tx天線發射模塊進行信號發射，Const常數模塊將波束的方位角和高低角固定為0°。圖4中，將發射出去的脈沖串信號送入Radar?Echo?Generator回波生成模塊，其中雷達發射平臺和接收平臺都使用同一個Radar?Platform模塊，這樣是為了保證雷達信號收發在同一個位置。通過 Radar?Target?Scatter?Location目標位置模塊可以設定目標的狀態信息，包括目標速度、加速度、有效散射截面積和相對雷達的距離等，根據這些有效信息產生回波。圖5中，將產生的回波信號送入Radar?Antenna?Rx天線接收模塊后，再將接收到的回波信號通過 Env?To?Cx轉換模塊將包絡信號變為復合信號，最后送入Sink數據接收器中，產生模擬的回波生成信號。圖6中，通過 Radar?Loc?In?Antenna?Frame模塊，將波束和目標的方位角及高低角均設為0°，即波束照射過程中，目標位于波束的中心軸上。由雷達原理可知，接收到的回波信號會根據目標的距離和環境影響產生相應的時間延遲和能量衰減。因為電磁波在空間的傳播速度非常快，雷達技術常用的時間單位為 μs，回波脈沖滯后于發射脈沖一個微秒時，所對應的目標距離[R]為0.15 km。程序中通過Radar?Target?Scatter?Location目標位置模塊將目標和單基地雷達平臺的距離設為10 km，則相應的延遲時間大約為66.67 μs。

　　這里需要說明的是回波生成很復雜，回波信號中應該包含發射信號、雜波、干擾和目標信號，而雜波又分為多種類型，同時還需考慮天線方向圖等綜合因素。所以本文為了說明SystemVue能快速準確地生成參差脈沖重復頻率的脈沖串信號并產生回波信號，沒有加入雜波，只是針對點目標進行回波生成。

　　3 仿真結果驗證

　　將以上設計程序在SystemVue仿真平臺[7]上運行，得到的仿真結果如圖7，圖8所示。圖7為該型雷達發射信號仿真波形，圖8為回波生成仿真波形。

　　圖7 發射信號仿真波形

　　為了更直觀、清楚地分析波形，將發射信號和回波信號的一小部分分別進行放大，如圖9和圖10所示。

　　由仿真結果波形圖分析可知，發射信號由CPI1和CPI2兩個相鄰工作周期不等的脈沖串循環組成，且都為線性調頻信號，和上述該型雷達的基本理論完全吻合。從回波信號放大波形可以看到，其幅度有了一定的衰減，且有了一定的時間延遲;從圖10中可以看出其延遲時間大約為66.6 μs，與上述回波原理分析結果基本相一致，從而驗證了設計程序和仿真結果的正確性。

　　圖8 回波信號仿真波形

　　圖9 發射信號放大波形

　　圖10 回波信號放大波形

　　4 結 語

　　在雷達系統仿真應用中，不同的仿真軟件可以實現不同的模擬效果。有的只能實現功能級仿真，分辨率較低;有的不能實現射頻仿真，射頻效果不能完全體現出來;而SystemVue是一款能夠實現數據流仿真的信號級仿真軟件，分辨率高并且在做射頻方面是強項，能夠達到良好的射頻效果。本文對美國一種典型對空搜索雷達的發射信號和無雜波點目標的回波生成信號進行了程序設計，并驗證了其仿真結果的確切性。SystemVue仿真軟件以其獨特的先進性和新穎性，在雷達系統仿真領域中將具有非常廣闊的應用前景。

　　參考文獻

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　　[2] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].3版.西安：西安電子科技大學出版社，2002.

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　　[5] RICHARDS M A.雷達信號處理基礎[M].北京：電子工業出版社，2008.