射频仿真系统有源干扰模拟逼真度评价方法

崔连虎，费惠佳

(中国人民解放军91336部队， 河北 秦皇岛 066000)

在以微波暗室为中心的导弹半实物仿真系统中，射频仿真系统负责模拟目标回波、有源/无源干扰，环境杂波等信号，为末制导雷达在微波暗室内构建动态变化的战场电磁环境。其中，有源干扰受到人为因素影响程度最深，信号样式多变，半实物仿真环境下的干扰对抗效果与有源干扰模拟逼真度紧密相关，直观、准确地给出了关于有源干扰模拟逼真度的量化评价，是正确利用半实物仿真结果的必要条件[1-4]。

1 射频仿真系统有源干扰模拟原理

1.1 导弹半实物仿真系统组成及原理[5-6]

导弹半实物仿真系统一般采用分布式、强实时的仿真体系结构，主要由微波暗室、末制导雷达、三轴转台、弹道仿真主机、射频仿真系统和仿真试验指挥控制系统组成，如图1所示。

图1 导弹半实物仿真系统结构组成

其中，末制导雷达是半实物仿真中的实装部分，与弹道仿真主机中的弹道模型相结合，模拟一枚导弹的动态作战过程；射频仿真系统用于生成目标回波、干扰及环境杂波，并通过天线阵列在微波暗室内进行空间辐射，为末制导雷达提供模拟的战场电磁环境；三轴转台用于模拟导弹飞行姿态的变化过程；整个半实物仿真系统在仿真试验指挥控制系统统一控制下有序运行。

1.2 有源干扰模拟原理[7-8]

在射频仿真系统中，生成有源干扰信号需要三个子系统参与：有源干扰模型、信号生成单元和信号辐射单元。有源干扰模型精确描述指定样式的有源干扰信号，仿真运行时生成相应控制指令与数据，输出至信号生成单元控制产生有源干扰信号，经由信号辐射单元在微波暗室内进行空间辐射。

在微波暗室内逼真模拟有源干扰信号，需要全面复现信号样式、时域特征、频域特征、空间位置、能量起伏等多维度特征。其中，信号样式的逼真性取决于有源干扰模型的精细程度和准确性；时、频域特征的逼真性取决于信号生成单元的性能；空间位置、能量起伏则与信号辐射单元的阵列控制、三元组合成等因素相关。因此可以说，影响有源干扰模拟逼真度的因素众多，理论上我们可以分析这些因素的作用机理，建立指标体系，评估有源干扰模拟逼真度[9]。但在一次特定的仿真试验任务中，我们通常希望采用更加直观的方式，对比内外场试验数据及结果，直接评价仿真模拟的逼真度[10]。

2 干扰信号相似性分析

对于半实物仿真而言，干扰模拟的逼真包含两个方面的含义：一是信号模拟的逼真，也就是在特定时刻，内场模拟信号与真实信号在空域、频域、能域等方面的参数具有一致性；二是信号变化过程的逼真，信号变化过程需要与导引头工作状态相关联，最终表现为导引头行为特性的相似性。因此，评价导弹半实物仿真试验系统的干扰模拟能力，一看干扰信号层次上的相似，相似程度可量化描述；二看导引头行为特性的相似性，相似程度可量化描述。最终可以利用量化的相似性描述，定义逼真度修正系数，说明仿真试验结果的可用性。

2.1 基于雷达信号处理流程的相似性评价指标

从导引头接收处理回波信号的角度来说，回波信号在空域、频域、能域等方面的诸多特征最终体现在回波采集数据中。因此，对比内外场回波采集数据的相似程度，就能够说明回波的相似性。回波采集数据的对比分析，可以分为原始数据对比和处理结果对比两个层次。其中，原始数据对比的主要内容是信号绝对幅度的对比，可以在某种意义上反映回波的空域、能域特征，但这种结果没有与导引头本身的信号处理特性相关联，仅是一般意义上的对比描述。更进一步的对比就是信号处理结果的对比，将雷达回波原始数据输入到与实装一致的信号处理模拟系统中，观察对比各个处理阶段的过程数据，可以更清晰地提取回波信号的多维特征，而且这种特征与导引头行为特性具有较强的关联性，更能从导引头的视角来说明内外场回波相似程度，本文将其作为研究重点。

相参末制导雷达可以识别和处理雷达回波的多维特征，可以作为一种手段测试干扰信号的特性参数。以线性调频相参雷达信号处理为例，构建对应的信号相似性评价指标如图2所示。

图2 相似性评价指标与雷达信号处理流程关系

在相参雷达信号处理过程中，对于脉冲压缩处理后的结果，内外场有可能的区别表现在两个方面：一是干扰波形的相似性，表现为压制干扰下的目标可见性、欺骗干扰下的目标个数；二是干扰的覆盖率，干扰是否覆盖雷达发射脉冲串中的每一个脉冲。而对于相参积累后的结果，我们更关注利用该数据能否正确检测出目标，也就是要对数据进进行聚类识别处理，观察能够识别目标个数的差异。

2.2 干扰波形相似度

对于某一单脉冲雷达回波，其中可能包含压制干扰信号或欺骗干扰信号，干扰的影响体现在两个方面：一是目标不可见，淹没在噪声中；二是可见目标数量增加，其中有虚假目标，甚至全部都是假目标。在这里，我们立足脉压处理后的回波数据，通过类恒虚警率处理(CFAR)的分析处理，对干扰波形相似性进行量化描述。

恒虚警率处理(CFAR)，经典的方法采用邻近单元均值类CFAR，有CA_CFAR、SO-CFAR、GO-CFAR和WCA。这里采用CA-CFAR方法对脉压后数据进行处理，同时改进比较器环节，保留目标信噪比作为检测结果，以便于描述目标的显著性。

为了便于量化描述内外场相似性，这里定义类CFAR处理后的单脉冲条件下目标幅度序列分别为：

外场：A0、A1、…、An，个数为N；

内场：a0、a1、…、am，个数为m。

其中，第0个目标是为了后续处理方便增加的虚拟目标，与数据无关，其幅度为类CFAR处理中的检测门限。那么，可以定义内外场波形相似度为：

(1)

干扰波形相似度定义中包含两个部分：一是目标信噪比最大值的相似，信噪比最大的目标直接影响雷达跟踪行为，内外场在最大目标信噪比上接近，则可认为内外场相似性强；二是目标个数的接近，目标个数一致说明回波在整体上与雷达检测相关的统计特性类似。两个方面相结合，可以较为完整地描述内外场干扰波形相似性。干扰相似度取值范围(0,1]，相似度越大说明内外场一致性越好。

2.3 干扰覆盖率

对于压制类干扰，干扰机对末制导雷达实施干扰，特别是同时干扰多部雷达时，存在信号侦收概率、干扰资源分配、干扰战术等问题，干扰信号通常不能完全覆盖每一脉冲，典型结果如图3所示。

图3 有源干扰不完全覆盖典型结果

为了便于量化描述内外场相似性，这里定义一组脉冲条件下干扰覆盖率为：

R=n/N

(2)

式(2)中：N是一组脉冲总数；n是受干扰脉冲数。

据此，可以定义干扰覆盖相似系数为：

S2=1-|R1-R2|

(3)

干扰覆盖相似系数取值范围为[0,1]，相似系数越大说明内外场一致性越好。

2.4 聚类识别目标个数

相参体制雷达通过相参积累技术可以进一步减小压制干扰的影响，提高信干比。在相参积累处理的基础上，进行CFAR检测和聚类识别，可以在距离-多普勒二维平面内确定目标个数，雷达根据设定选捕准则选择跟踪目标。因此，在目标聚类识别阶段，我们希望内外场数据在目标个数意义上具有一致性。

为了便于量化描述内外场相似性，这里定义外场数据聚类识别目标个数为N，相应的内场目标个数为m。那么，可以定义内外场识别目标个数相似度为：

(4)

相似度定义描述了目标个数的接近程度，相似度取值范围(0,1]，相似度越大说明内外场一致性越好。

3 导引头行为相似性分析

如果内外场试验环境一致，那么导引头在内外场相似的试验场景下应该具有基本相同的行为特性，因此可以用导引头在内外场条件下的行为特性相似程度来间接描述内场有源干扰环境构设的逼真度。行为特性的相似，包含两个层次：一是工作状态上的覆盖，如果导引头在外场有源干扰条件下可能出现三种工作状态，内场应该能够使得导引头同样能够出现这几种工作状态；二是在试验结果层次上统计干扰成功率(或者对应的抗干扰成功率)，相似试验态势下内外场应该具有比较接近的试验结果。

3.1 工作状态一致性

在一种稳定的有源干扰条件下，导引头有可能会转入其他工作状态：例如，丢失目标转搜索、跟踪错误目标位置、对抗小范围搜索、跟踪目标但跟踪误差增大、或者无明显影响等等。

假设在某项有源干扰试验任务中，分别在内场、外场设置基本一致的试验态势，多次试验中导引头工作状态分布如图4所示。

图4 内外场试验导引头工作状态分布

图4中，设某型导引头所有可能工作状态数量为n；多次试验中导引头在内外场均出现的工作状态(如图4中E1、E2)数量为n1，仅在外场出现的工作状态数量为n2(如图4中E3)，仅在内场出现的工作状态数量为n3(如图4中E4)，那么可以定义工作状态相似度为：

(5)

式(5)表明，内外场都出现的工作状态越多，相似度越大；出现单独内场(或者单独外场)条件下的工作状态越多，相似度越小；最好的情况是n2、n3均为0，对应相似度取最大值1，说明内外场在导引头工作状态层次上完全一致。

各种工作状态是否在外场出现，通过图4中的B外来表示；是否在内场出现，通过图4中的B内来表示，那么就可以修正工作状态统计量如下：

n1=∑kiB外iB内i

(6)

n2=∑kiB外i-n1

(7)

n3=∑kiB内i-n1

(8)

在此基础上计算的S4就可以体现试验人员对不同工作状态重要性的专家理解，从而使得评价结果更贴近专家直观判断结果。

3.2 试验统计结果一致性

在更宏观层次上，我们希望内外场试验在试验结果层次上具有一致性。这种一致性可以通过统计结果的对比进行量化描述。

假设某有源干扰试验在外场的有效试验总次数为N，其中判定为干扰有效的次数为M，对应干扰有效统计概率P1；相似试验态势下的内场有效试验总次数为n，判定为干扰有效的次数为m，对应干扰有效统计概率P2。那么，可以定义试验统计结果相似度为：

(9)

内外场统计结果越接近，相似度越接近于1。

4 模拟逼真度评价

干扰信号相似性分析得出3个相似性度量，分别从脉冲波形、脉冲组、积累结果3个层次上对内外场回波相似性进行了量化描述。实际应用中，我们往往更关心一个干扰对抗过程的相似性，因而通常取各相似性度量的均值作为最终评判量。于是，工程上可定义内外场信号相似度为：

(10)

将导引头工作状态一致性和试验统计结果一致性综合起来，可以得到导引头内外场行为相似度：

Sact=S4×S5

(11)

对于特定的导引头和特定的有源干扰，利用式(11)进行计算即可。

综合回波相似程度、导引头行为特性相似性两方面的定量评价结果，可得到内场仿真环境模拟逼真度的量化表达为：

S=Ssignal×Sact

(12)

以某次舷外有源诱饵干扰内外场对比试验为例，在相同试验态势下分别采集外场试验回波数据、内场半实物仿真试验数据，然后开展数据对比分析和相似度计算。

首先进行干扰信号相似性分析计算，得到相似性度量时间均值分别为：内外场波形相似度均值0.93，干扰覆盖率相似系数均值0.98，识别目标个数相似度均值0.99，三者相乘后得到内外场相似度Ssignal为0.90。干扰信号相似性结果如图5所示。

图5 干扰信号相似性结果

然后进行导引头行为相似性分析。在内外场对比试验中，共动用三型导引头，其干扰条件下的工作状态全集可以定义为{E1—丢失目标转搜索；E2—跟踪错误目标位置；E3—对抗小范围搜索；E4—无明显影响}，各种工作状态出现时实际统计结果如表1所示。可以看出，各导引头在内外场具有完全相同的工作状态，因此工作状态相似度均为1。

表1 导引头工作状态统计结果

最后，从干扰有效性角度对上述试验结果进行统计，统计结果如表2所示。

表2 有源干扰试验结果统计结果

三型导引头试验统计结果相似度计算结果分别为0.98、0.97、0.96，综合工作状态相似度计算结果，三者相乘后得到内外场行为相似度综合评定结果为0.91。

将上述案例计算结果代入式(12)，可得内场仿真有源干扰模拟逼真度为0.82。

5 结论

1) 通过研究有源干扰信号在雷达信号处理各个环节的特征变化过程，建立基于雷达回波相似程度和末制导雷达行为相似性的有源干扰模拟逼真度评价指标体系，可以直观、全面反映射频仿真系统有源干扰模拟逼真度。

2) 建立的逼真度综合评价方法具有较强的客观性，可以有效减少人为因素影响。

3) 逼真度评价指标体系及综合评估方法，实现了末制导雷达视角下有源干扰模拟逼真度的直接、客观、量化评价，可为半实物仿真系统逼真度、结果可信性分析提供支撑，并方便相关技术人员开展工作和技术交流，提升仿真试验结果的可用性。