1.4 雷達電子戰仿真實現

1.4.1 雷達電子戰仿真方法

1.雷達電子戰仿真的分類

根據仿真系統所采用的模型劃分，通常將仿真系統分為以下幾類：物理仿真、半實物仿真和數學仿真。物理仿真又稱實物仿真，它是以幾何相似或物理相似為基礎的仿真。半實物仿真是將數學模型、物理模型聯合在一起的仿真。數學仿真是以數學模型為基礎的仿真，也就是以數學模型代替實際的系統進行仿真實驗，模擬系統實際變化的情況，用定量化的方法分析系統變化的全過程。在雷達電子戰仿真中，用得較多的仿真形式是數學仿真和半實物仿真。

（1）數學仿真

雷達電子戰數學仿真通過在計算機上建立數學模型，模擬雷達電子戰系統中的雷達電磁信號環境和雷達系統分系統、干擾系統，來仿真評估雷達電子戰系統的技戰術性能。按照仿真時間的要求分，可以分為非實時仿真和實時仿真兩種。實時信號全數字仿真模擬器采用可編程的脈沖序列生成器，實時產生數字脈沖序列數據。產生的數據集通過脈沖數據總線與被測試系統接口，每個數據集包括了被描述脈沖的參量。這種方法在有頻率調諧和天線掃描的功能要求時稍復雜，但該方法的優點也很顯著，如代價小、靈活性好、通用性強的明顯優勢。

（2）半實物仿真

雷達電子戰半實物仿真的形式主要有兩種：注入式射頻仿真和輻射式射頻仿真。注入式射頻仿真模擬器把每個仿真的脈沖數據集變換為射頻信號，并注入到被測試系統的射頻級。這種類型的模擬器主要用于測試以下接收系統：比幅測向系統、比相測向系統、天線掃描、頻率分集系統、頻率調諧系統等。

注入式射頻仿真模擬器要求使用昂貴的射頻組件，雖然輸出信號電平相對較小，但是多波段多端口的配置要求耗資可觀的功率衰減和合成器件，增加了對信號放大器的要求。另外，每個頻段的每個端口都要求可編程的衰減器。

輻射式射頻仿真模擬器通過天線輻射射頻脈沖，能用于所有類型的天線和接收系統。因為沒有直接的連接，所以，接口問題比較小。但是，受接收、發射天線的位置限制，輻射源在方位和仰角上的運動是不容易仿真的。與注入式射頻仿真模擬器一樣，輻射式射頻仿真模擬器也要求昂貴的射頻組件。如果與被測試系統之間的距離比較遠，還要受到功率放大的嚴重影響。另外，外場的輻射也會帶來一些安全性和保密性的問題。

從仿真粒度上分，雷達電子戰仿真方法主要分為兩種：一種是功能仿真；另一種是信號仿真。功能仿真只仿真信號發射、目標、回波、雜波和干擾信號的幅度信息。在對電磁環境進行功能仿真時，利用計算機模擬雷達偵察系統截獲的雷達信號參數數據，這些參數用脈沖描述字來描述，仿真信號直接以數字形式描述偵察系統的天線所處的電磁環境，并不輸出真實的射頻和視頻信號。其特點是靈活、效費比高、試驗結果處理實時性強、能獲得比較全面的數據，其逼真度取決于數學模型建立的準確性和仿真系統設計的合理性。信號仿真即復現信號的發射、在空間傳輸、經散射體反射、雜波與干擾信號疊加、在空間任一點處電磁環境特性。

2.雷達電子戰的功能仿真

實現雷達電子戰仿真的主要理論基礎是雷達距離方程和干擾方程等。根據雷達距離方程，從距離為R的目標反射回來的再被雷達所接收的回波信號與干擾相互交織在一起。干擾的表現形式為接收機噪聲、雜波（來自不需要的散射源）以及電子干擾。信號噪聲比或信號干擾比是對有干擾情況下發現目標能力好壞的一種度量。通常，這個比值約為20（約為13.2dB）時，便足以發現目標。但是，這個值取決于許多因素，例如，目標起伏方式，以及信號在接收機里的處理方法。在給定信號干擾比之后，如果再對目標及干擾的起伏統計特性做出適當的假設，便可以計算出發現概率。假設不存在目標，也可能由于干擾信號的起伏特性而得到一次“發現”（超過門限），這樣的“發現”稱為虛警。出現虛警的概率為虛警概率。

根據雷達距離方程、系統損耗和干擾來計算發現概率和虛警概率，還必須進行一些運算。從嚴格的意義上來講，即使這些運算是用計算機來完成的，也不能算做是仿真。要算做是仿真，就必須能夠復現檢測過程的輸出，無論是“發現”（超過門限），還是“未發現”（沒有超過門限）。根據對目標是否存在的了解情況，實際上可能有四種情形，如表1-1所列。對檢測的輸出很容易在統計學或蒙特卡羅（Monte Carlo）的意義上來進行仿真。例如，假設已知有一個目標，而且發現概率為PD。如果產生一個在[0，1]區間上作均勻分布的隨機變量u，那么便可以定義，當u≤PD時，為發現目標；相反，當u＞PD時，則沒有發現目標。

更具體地說，雷達功能仿真實質上就是在數字計算機上，對一個已知概率的隨機事件，用蒙特卡羅統計試驗法進行試驗，從而得到該隨機事件的一個模型。圖1-6所示的就是仿真雷達發現目標的隨機事件，此事件的發生概率（即發現目標的概率）為PD。因為0≤PD≤1，所以u的取值范圍也為[0，1]。假定u的取值為0，0.001，0.002，…，0.999，共1000個點，即做1000次試驗。u取上述各值的概率相等（均勻分布）。這樣，若PD=0.8，則在上述1000個u值中， u≤PD的點數約為800個，即發現目標800次，占總數的80%；u＞PD的點數約為200個，即未發現目標200次，占總數的20%，而且隨著PD的增大，u≤PD的點數便越多，這就表示發現目標的次數也越多。

若目標不存在，則可用相同的辦法來仿真虛警概率Pfa。在圖1-4中，把仿真檢測輸出過程中的一般步驟畫成框圖。采用功能仿真方法時，大量的精力都花在根據目標與雷達的交會幾何關系來計算信號及干擾的功率上（如果不存在目標，則發現概率PD換成虛警概率Pfa）。

當對一次飛行試驗或一次戰斗進行仿真時，功能仿真方法的實際效果就變得很明顯?？梢噪S機地在任何時刻出現多個目標，而且每個目標的雷達截面可以不同，此外，雷達截面還可以是目標姿態角的函數。干擾信號也可能是動態的，特別是經過天線方向圖掃描之后更是如此。這樣的一種仿真，其輸出也許就是一份檢測報告。這份報告列舉了發現目標的時間和位置，以及目標是否真的存在。

在上述仿真中，只利用了雷達的功能性質（所以稱為功能仿真），包含在波形和信號處理機中的詳細內容沒有涉及，只當做某種系統損耗來處理，對于大規模的仿真，這種仿真方法簡單實用，特別是當雷達只是整個系統中的一個很小的組成部分時，則更是方便。這種功能仿真法對于某些實時仿真來說也很簡便。這種情況下，時間非常重要，例如，在一種顯示動態目標情景的供訓練用的仿真器中，采用這種方法很合適。

由于波形中的一些細節被忽略了，所以，功能仿真不能用來仿真系統中各個不同點上的具體信號。功能仿真基本上是對各種信號成分（像目標、熱噪聲、雜波和電子干擾）平均功率的一種描述。雷達距離方程確定這些信號成分的換算關系。為了能利用幾種標準檢測情況當中的一種，必須用某一種標準情況下的統計特性，去描述輸出信號的統計特性。對于一個復雜的雷達環境（如假設干擾信號是高斯噪聲與對數正態噪聲的混合），要這樣做常常是很困難的。在有些應用場合下，就不可能采用功能仿真，例如，非線性接收機和自適應信號處理機的仿真，以及欺騙干擾干擾雷達的仿真等。在這些情況下，進行雷達電子戰的信號仿真就十分必要。

3.雷達電子戰的信號仿真

這里的“信號”是指零中頻信號，或者是經零中頻處理或等效零中頻處理的信號。“信號”既包括幅度信息，又包括相位信息。信號仿真是仿真信號的發射、傳輸、目標回波、雜波與干擾疊加以及接收濾波、抗干擾、信號處理直到門限檢測這一全過程，檢測概率是最終的結果之一，但檢測概率是通過做N次檢測試驗有M次檢測到目標而獲得的，并不像功能仿真中那樣通過求信噪比由檢測曲線獲得。

信號仿真的基本定義，就是要逼真地復現既包含幅度又包含相位的信號，復現這種信號的發射、在空間傳輸、經散射體反射、雜波與干擾信號疊加，以及在接收機內進行處理的全過程。盡管可以利用線性疊加的方法，對各個單元進行組合或重新排列，從而省掉某些計算，但還是可以直接對雷達系統中實際信號的流通情況進行仿真。只要所提供的基本的目標模型和環境模型足夠好，就可以使信號仿真的精度足夠高。

通過對來自單個散射體的既包含幅度又包含相位的接收信號進行仿真，再對一個個的信號采用疊加的辦法，就可以仿真來自多個散射體的合成信號。這樣也就仿真了多個散射體之間相位矢量的干涉現象。這也是目前仿真復雜散射環境的唯一有效辦法。在接收到了所有散射體散射信號和輻射源信號之后，便可以仿真接收機中所進行的各種不同的信號處理步驟。通常對這些步驟進行仿真時，其順序和接收機的信號處理順序相同，若有必要，也可以仿真非線性運算，例如，限幅和A/D轉換。至于檢測、檢后處理、跟蹤和參數估計等功能，也都容易仿真。

信號仿真有兩個重要特點：一是相參性；二是零中頻信號。所謂相參性是指信號仿真不僅能復現信號的幅度，還能復現信號的相位。對于相參處理雷達，如果仿真的信號不具有相參性，則不能仿真利用相位信息提高雷達檢測性能的信號處理環節（如動目標顯示、動目標檢測等）。另外，如果在系統仿真中直接仿真射頻（RF）信號，則要求的數學仿真系統采樣率太高，普通計算機是不能滿足這樣高的運算能力的，況且也完全沒有必要這樣做，因為零中頻信號已經包含了射頻信號除載頻以外的所有信息，而實際雷達處理射頻信號時，總是先進行混頻使信號載頻下變頻到一個可以處理的頻率，因此，仿真中用零中頻代替射頻，等于省略了若干混頻細節而不影響信號的檢測等性能。

信號仿真包含幅度信息和相位信息，因此，可以用復信號來表示實際的信號，有幾個顯著的優點。首先是物理分析簡便。用復信號表示，由于正交、同相分量之間滿足希爾波特（Hilbert）變換關系，則信號只有正頻譜，分析起來更為方便、有效；其次是可以省略信號處理的某些線性環節，特別是一些需要提取相位信息的環節。例如，在相參接收中，經相位檢波產生的 I、Q 正交雙通道信號，包含了回波的相位調制信息，可以得到目標的特征信息；而如果仿真系統直接使用復信號，則相位檢波可以省略，因為信號的相位信息已經直接體現在其實部和虛部中了。另外，也利于信號處理運算，許多線性處理環節，可以在數學仿真系統中用快速傅里葉變換（FFT）、相乘等運算實現。

1.4.2 雷達電子戰仿真的一般步驟

以數學仿真為例，介紹雷達電子戰仿真的一般步驟。

1.問題闡述

問題提出并闡述是系統分析研究的第一步，它需要說明需要解決什么問題、或者需要干什么，所提出的問題必須是清楚明白的，必要時可以對問題進行重復陳述。問題一般由決策者與領域專家共同提出，或者是在獲得決策者對問題同意的情況下由系統分析人員提出。

2.目標確定

由系統分析人員和領域專家對系統進行分析，明確可重用的資源（包括模型、算法、仿真建模工具、數據等）、系統須具備的能力、存在的技術難點、需要解決的關鍵問題，同時對解決問題的途徑、系統研發的時間要求、經費預算、預期效益、人員配備等進行分析與權衡，提供多種方案供決策者選擇。

3.系統分析與描述

首先給出系統的詳細定義，明確系統的構成、邊界、環境和約束。其次確定系統模型的詳細程度，即模型是精細的還是簡化的。例如，對于運動平臺，是采用運動學模型還是空氣動力學模型；還要充分考慮系統研發中可重用的資源和需要新研發的模型與軟件。最后還要確定仿真系統的體系結構與功能，如是采用集中式仿真還是采用分布式仿真等。

4.建立系統的數學模型

領域專家根據系統分析的結果，確定系統中的變量，依據變量間的相互關系以及約束條件，將它們用數學的形式描述出來，并確定其中的參數，即構成系統的數學模型。所建立的數學模型必須是對系統的那些與研究目的有關的基本特性的抽象，即利用數學模型所描述的變量及作用關系必須接近于真實系統。同時，數學模型的復雜度應當適中。模型過于簡單，可能無法真實完整地反映系統的內在機制；而模型過于復雜，可能會降低模型的效率，同時又增加了不必要的計算過程。

5.數據收集

構造數學模型和收集所需數據之間是相互影響的，當模型的復雜程度改變時，所需的數據元素也將改變。數據收集包括收集與系統的輸入/輸出（I/O）有關的數據以及反映系統各部分之間關系的數據。

6.建立系統的仿真模型

仿真模型是指能夠在計算機上實現并運行的模型。建立系統仿真模型過程包括根據系統數學模型確定仿真模型的模塊結構，確定各個模塊的輸入/輸出接口，確定模型和數據的存儲方式，選擇編制模型的程序設計語言等。程序設計語言包括通用語言和專用仿真語言。專用仿真語言的優點是使用方便，建模仿真功能強，有良好的診斷措施等。缺點是模型格式確定，缺乏靈活性。仿真模型的建立一般由軟件開發人員來完成。

7.模型驗證

模型的驗證需要回答下述問題，即系統模型（包括對系統組成成分、系統結構以及參數值的假設、抽象和簡化）是否準確地由仿真模型或計算機程序表示出來。驗證與仿真模型及計算機程序有關，將復雜的系統模型轉換成可執行的計算機程序不是容易的事，必須經過一定工作量的調試，若輸入參數以及模型的邏輯結構在程序中是正確表達的，則模型驗證通過。

8.模型確認

模型確認是確定模型是否精確地代表實際系統，是把模型及其特性與現實系統及其特性進行比較的過程。對模型的確認工作往往是通過對模型的校正來完成的，比較模型和實際系統的特性是一個迭代過程，同時應用兩者之間的差異，以對系統和模型獲得透徹的理解，從而達到改進模型的目的。這個過程重復進行直到認為模型足夠準確為止。

對于經過確認的模型，把其作為可重用的資源存入模型庫中。

9.仿真實驗設計

仿真實驗設計就是確定需要進行的仿真實驗的方案。方案的選擇與系統分析設計的目的以及模型可能的執行情況有關，同時也與計算機的計算能力以及對仿真結果的分析能力有關。通常仿真實驗設計涉及的內容包括初始化周期的長度、仿真運行時間、每次運行的重復次數等。

10.仿真運行研究

仿真運行就是將系統的仿真模型放在計算機上執行計算。在運行過程中了解模型對各種不同的輸入數據及各種不同的仿真機制的輸出響應情況，通過觀察獲得所需要的仿真實驗數據，從而預測系統的實際運行規律。模型的仿真運行是一個動態過程，需要進行反復的運行仿真實驗。

11.仿真結果分析

對仿真結果進行分析的目的是確定仿真實驗中所得到的信息是否合理和充分，是否滿足系統的目標要求，同時將仿真結果分析整理成報告，確定比較系統不同方案的準則、仿真實驗結果和數據的評價標準及問題可能的解，為系統方案的最終決策提供輔助支持。

綜上所述，雷達電子戰數學仿真的一般步驟，如圖1-5所示。

1.4.3 雷達電子戰仿真模型及其校驗

雷達電子戰仿真的核心是各種模型，模型的可信度決定了整個系統的可信度。相似性原理指出，對于自然界的任一系統，存在另一個系統，它們在某種意義上可以建立相似的數學描述或有相似的物理屬性。換句話說，一個系統可以用模型（或者“替身”）在某種意義上來近似，這是整個系統仿真的理論基礎。雷達電子戰仿真過程中所建立的模型或者說尋找的“替身”具有一些基本特點：一是相似性，即真實系統的“原型”與“替身”之間具有相似的物理屬性或數學描述；二是簡單性，即在模型建立過程中，忽略了一些次要因素，實際的模型是一個簡化了的近似模型；三是多面性，對于由許多實體組成的系統來說，由于其研究目的不同，就決定了所要搜集的與系統有關的信息也是不同的，所以，用來表示系統的模型并不是唯一的。換句話說，工程技術人員、靶場試驗人員、指揮官所關注的問題不同，這會導致針對同樣的原型所建立的模型不同。

雷達電子戰模型的建立方法，或者說尋找反映問題主要矛盾的“替身”的方法主要有三類。一是演繹法。即通過定理、定律、公理以及已經驗證了的理論推演出數學模型，這種方法適用于內部結構和特性很明確的系統，可以利用已知的定律，利用力、能量等平衡關系來確定系統內部的運動關系，大多數工程系統屬于這一類。二是歸納法。通過大量的試驗數據，分析、總結、歸納出數學模型。對那些內部結構不十分清楚的系統，可以根據系統輸入/輸出的測試數據來建立系統的數學模型。三是混合方法。這是將演繹法和歸納法互相結合的一種建模方法，通常采用先驗知識確定系統模型的結構形式，再用歸納法來確定具體參數。這種方法是最常用也是比較有效的。

簡單地說，雷達電子戰仿真中可以分為三個階段：模型建立階段、模型變換階段和模型試驗階段。在模型建立階段，核心問題就是要尋找所研究的雷達電子戰對象的“替身”，這個“替身”稱為“模型”。模型是對某個系統、實體、現象或過程的一種物理的、數學的或邏輯的表達，它不是原型的“復制品”，而是按照需要對實際系統進行的簡化提煉，以利于使用者抓住問題的主要矛盾。模型變換階段主要是根據模型的形式、計算機的類型及仿真目的，用建立的模型來替代實際的電磁環境，并建立相應的仿真軟件，轉換成適合計算機處理的形式。模型試驗階段的主要任務是根據雷達電子戰仿真的方案，在計算機上運行建立的仿真軟件，以規定輸入數據，觀察模型中變量的變化情況，對輸出結果進行整理、分析并形成報告。

雷達電子戰仿真系統主要體現對抗條件下典型傳感器、通信設備、導航設備、敵我識別設備等對武器裝備作戰效能的影響。仿真時，需要多種從不同角度描述系統的數學模型，涉及的主要數學模型如圖1-6所示。主要包括戰情環境模型、雷達系統模型、雷達偵察系統模型、雷達干擾系統模型、武器系統模型、雷達電子戰系統視景仿真模型及模型的校核、驗證與確認等。

由圖1-6可以看出，在進行雷達電子戰仿真時，涉及眾多系統的模型，其中最關鍵的模型是雷達系統的模型和干擾系統的模型。模型的可信度是決定仿真系統逼真與可靠與否的關鍵因素，為保證模型的置信水平，必須進行模型效驗。

模型效驗是仿真中一個極為重要的環節，它直接關系到仿真的可信度。校模過程是對模型的一個分析、評估過程，有時統稱為VVA（Verification，Validation，Accreditation），它們的含義如下：校核（Verification）——對模型是否正確符合設計要求、算法、內部關系和其他技術說明的一種確定過程。驗證（Validation）——根據模型預期的使用目的，對模型是否精確表示了真實世界中客觀事物的一種確定過程。確認（Accreditation）——由管理部門根據專家評審和經驗，證明模型在特定的應用領域使用是可接受的一種過程。

以相控陣雷達電子戰相干視頻信號仿真為例，這種類型的仿真需要模擬相控陣雷達系統工作的全過程，包括信號的發射、傳播、目標回波、雜波與干擾疊加以及接收濾波、抗干擾、信號處理等環節，模型復雜，環節眾多。因此，通常采取系統級校模和子系統校模相結合的方法。

各個子模塊的有效性是整個系統有效的必要條件。在校模工作中，應先將仿真系統模型分到不可再分的子模塊上去單獨校驗，即將該子系統從系統中抽出，在相同的輸入條件下，比較系統的輸出與實際輸出，調整子系統中的可調參數，使該子系統的逼真度達到設定的值。然后再進行上一級模塊的驗證，如此下去，最后進行整體模型的校驗。圖1-7以相控陣雷達仿真系統的模型校驗為例，給出了一種模型校驗的思路。

1.4.4 典型的雷達電子戰仿真系統

目前，雷達電子戰仿真的相關技術發展迅速，相關的軟件系統很多，較著名的有加拿大渥太華防御科學研究所（DREO）和澳大利亞防御科學技術組織（DSTO）聯合研制的先進戰斗機雷達仿真器（SAFIRE）；美國Cadence-Comdisco公司的SPW （Signal Processing Workstation）；ELANIX公司的商用軟件System View；Sergey A.Leonov和Alexander I. Leonov等開發的可進行測試、試驗和評估的雷達系統模擬軟件等。下面以SAFIRE為例，介紹其組成和功能。

SAFIRE 研制的目的是開發機載截擊雷達的電子防護措施（EPM），它由雷達信號產生器（RSG）、雷達數據處理器（RDP）、圖形用戶接口（GUI）三部分組成。RSG可以逐個脈沖地計算生成目標回波、雜波以及電磁干擾（ECM）信號的幅度、相位，它可以支持任意長時間的仿真場景和支持動態仿真環境（如雷達工作模式的切換）。RSG的ECM模型主要針對現代相干干擾技術，包括基于數字射頻存儲器（DRFM）的距離波門拖引干擾（RGPO）、靈巧噪聲干擾、多假目標干擾等。RDP主要考慮機載截擊雷達在“空—空”模式下的數據處理，這是最易受欺騙式 ECM 影響的工作模式。具體來說，機載截擊雷達的“空-空”模式包括以下四種模式：速度搜索模式（VS）、邊測距邊搜索模式（RWS）、邊掃描邊跟蹤模式（TWS）、單目標跟蹤模式（STT）。GUI用于用戶進行仿真參數裝訂，顯示仿真運行期間的各種輸出，例如，雷達顯示器畫面、低層次信息（用于診斷，如每個 CPI 期間獲得的距離-多普勒地圖）。此外，GUI 還允許用戶在仿真期間進行有限的人工干預，如改變雷達模式和開關接收機。RSG的組成和工作流程，如圖1-8所示。

SAFIRE 功能多樣，它可作為機載截擊雷達電子干擾效果分析、雷達抗干擾技術研發的通用型仿真實驗工具，也可進行采購研究和相關人員培訓，還可作為機組操作人員的模擬訓練。SAFIRE使用靈活，仿真實時性良好，可進行多次、大場景、復雜的仿真實驗與模擬訓練。

同美國、俄羅斯等軍事強國相比，我國在雷達電子戰仿真方面的工作起步較晚，起點也較低，但是經過十多年的努力建設，國內也出現了一批高水平、實用化的電子戰計算機仿真系統。如船舶重工集團723所研發的雷達電子戰半實物仿真系統，它由以下幾個分系統組成：主仿真計算機模擬分系統、雷達信號環境模擬分系統、雷達目標模擬分系統、通用雷達接收機模擬分系統、導彈導引頭姿態模擬分系統、天線陣列和微波暗室等。它的關鍵技術包括：采用Windows NT+RTX操作系統為主仿真計算機的操作系統，采用廣播內存網技術進行實時通信；建立了仿真實驗所需要的各類仿真模型并根據實時性要求及仿真實驗準確度進行優化和驗證；采用直接數字合成器（DDS）和寬頻帶混頻技術完成了全相參、寬頻帶、低諧波和雜散的快速頻率合成器設計；采用（DDS）和寬頻帶數字射頻存儲技術實現了對全相參雷達的全相參干擾及目標回波生成；采用高速數字信號處理（DSP）搭建平臺，實現高敏度、多體制、全方位雷達信號生成。

國防科技大學多年來一直從事先進雷達電子戰系統的建模與仿真工作，特別是在先進相控陣雷達系統仿真方面在國內居領先地位，研制了包括升級的預警雷達（UEWR）、X波段地基雷達（XBR）等多部雷達在內的計算機仿真模型和相應軟件系統。圖1-9是國防科技大學研制的基于高層體系結構（HLA）的導彈防御相控陣雷達對抗仿真系統組成和顯示界面。