【学习笔记】模拟设计（2）：基于SystemVue的炮位侦察雷达炮弹回波信号生成
摘要：目前很多仿真软件对于参差重频的目标回波信号产生都有一定的局限性，本文在SystemVue仿真平台及其雷达信号处理库的基础上，通过设计MATLAB脚本程序动态更新模型参数解决了这一问题。文中简要介绍了SystemVue雷达库的基本情况和SignalX模块的特点，针对一种炮位侦察雷达，在SystemVue的基础上进行了参差重频信号生成、波束控制、输出同步、炮弹弹道和炮弹目标回波生成的程序设计。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很好的应用。
0引言
SystemVue是美国安捷伦（Agilent）公司推出的一种电子系统级仿真工具软件，主要应用于通信、雷达、导航和电子战等领域。它可以与MATLAB、C++、ADS等其他软件协同仿真，同时具有明显的优越性，尤其在射频模块及雷达系统仿真方面有很好的应用前景。
目前在雷达系统仿真方面，对于参差重频信号的产生，很多传统的仿真软件实现方法都有一定的局限性，尤其在考虑波控机实时控制波束扫描和信号参差的情况下，问题就更为明显。这些软件在一次运行中只能实现固定脉冲重复频率（PRF）的仿真，当PRF改变时，整个系统就会停下来重新调度，并且每次都需要调整整个系统的参数，实现起来比较繁琐，效率低且灵活性不足。为了解决这一问题，用SystemVue设计了一个仿真链路，在一次调度中就能产生参差重频信号并实现输出数据同步。
本文基于SystemVue对一种炮位侦察雷达的参差重频发射信号、波束控制、输出同步、炮弹弹道和炮弹目标的回波生成进行了程序设计，充分体现了SystemVue的灵活性和优越性。
1SystemVue在雷达系统仿真中存在的问题
1.1SystemVue雷达库的特点
SystemVue是以图符化模块构建理论模型［1］，对电子系统的实际工作状态进行仿真模拟，完成信号与系统特性的详细分析。SystemVue中的雷达库包括天线、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［1］。对于运动目标来说，它可以基于多样化的场景，对精确运动目标的回波进行建模，这与传统的停跳模型是不同的；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。
1.2雷达系统仿真中结构变化的影响
对于一个固定的PRF［2］，当运动目标的多普勒频率等于整数倍PRF时，就会产生盲速。常用解决方法是参差PRF，它能大大提高第一个盲速，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，当目标实际距离在非模糊范围之外，就存在距离模糊，解决方法也是发射多组参差PRF的脉冲串信号，然后利用余数定理来解决距离模糊，这种方法也适用于解决速度模糊。所以，发射参差重频的脉冲串信号可以有效解决盲速和模糊问题。
炮位侦察雷达有搜索和跟踪两种基本的工作模式［3］，处于不同的模式，雷达系统的信号形式、PRF等关键参数是不同的，这为雷达系统仿真的通用性带来不便。在参差PRF、模式转换和多任务多功能的雷达系统仿真中，传统的SystemVue仿真思路难以适应。例如SystemVue现有的雷达库模块不够灵活，大部分模块要求固定不变的PRF，所以不能实现参差PRF。本文对此进行了改进，较好地解决了这一问题。
2雷达发射信号设计
2.1SignalX模块实现参差重频信号
2.1.1SignalX模块简介
一般的信号生成模块是根据参数产生相应的波形，一旦参数固定，波形就会不变，不能实时变化。SignalX是SystemVue雷达信号处理库中的一个动态信号生成模块，可以灵活地生成参差PRF信号。SignalX模块结构如图1所示。
2.1.2信号生成的改进思路
对于多脉冲串参差PRF信号的产生，典型的实现方法是进行分块程序设计，即不同频率对应不同分块，运行时根据不同PRF调用相应程序，这样完成一次参差PRF的仿真，系统就要运行多次，消耗时间长且灵活性差。基于以上原因，本文用SystemVue来解决这一问题。首先构造一个静态查询表，在静态查询表中预先设置好参差PRF的相应参数，包括PRF及其个数，然后通过查表的方式实时调用这些参数，利用RADAR-SignalX的特性可实现在一次仿真中产生参差重频信号，而且当波束扫描实时变化时，可根据需要产生不同频率的信号，灵活性更加明显。同时SystemVue在参差重频和波束控制的情况下还能够解决输出数据同步问题，这也是本文设计的主要目标。
2.2该型雷达发射信号生成设计
基于SystemVue实现该型雷达的发射信号，该雷达通过天线波束控制BeamController模块［4］在空间形成3种不同的信号波形，覆盖方位角为-45°~+45°，俯仰角为0°~30°的全空域波束扫描。当俯仰角小于10°时，发射信号波形定义为WaveformType0，其连续发射8个脉冲重复间隔PRI为100 μs的线性调频信号；当俯仰角在10°~20°时，发射信号波形定义为WaveformType1，其连续发射10个脉冲重复间隔PRI为200 μs的线性调频信号；当俯仰角在20°~30°时，发射信号波形定义为WaveformType2，其连续发射20个脉冲重复间隔PRI为400 μs的线性调频信号。以上3种波形的脉宽均为20 μs，带宽均为1 MHz，基带采样率均为10 MHz，其发射信号形式见表1。
根据发射信号的3种不同波形形式，在LookUpTable静态查询表中设置相应的CPI和PRF，PRF通过Recip倒数函数模块转化为PRI，然后通过波束控制中发射信号的波形形式实时调用其中的CPI和PRF，获取相应的波形参数。WaveformType0对应的CPI为8，PRF为10 kHz；WaveformType1对应的CPI为10，PRF为5 kHz；WaveformType2对应的CPI为20，PRF为2.5 kHz。将以上的脉宽、带宽、CPI和PRI连接到RADARSignalX动态信号生成模块，可以根据波束照射情况实时灵活地产生相应的波形。
2.3BeamController波控设计
当前在雷达系统参差重频信号生成的仿真中，很少考虑波控机对波束扫描和信号产生的影响。为了实现控制波束扫描和信号参差的目的，在仿真链路中加入波控模块，由波束位置控制产生不同重复频率的信号。另外通过波控模块输出的波形编号和波位，统一调度雷达资源，进行全局指挥。
BeamController波束控制是一个子网模块，可以实时产生波束扫描，灵活控制雷达系统。其子网框图如图2所示。
全空域波束扫描在MATLAB中的运行结果如图3所示，波束会在10°和20°处有不同波形的变化，程序代码根据每个波位处的波束高度进行累加，当波束扫描到俯仰角10°和20°时，根据波束中心在它们上下的位置选择相应的波形。
2.4DistributorM同步设计
2.4.1同步数据流
同步数据流（Synchronous Data Flow，SDF）是指保持一个数据流或者不同数据流之间的时间关系，是一个在系统设计中应用很广泛的计算模型，它可以实现对系统功能部件的缓存优化，还能减少系统反应时间。
同步数据流在雷达系统仿真中可使系统在时间上保持数据同步，这对系统仿真而言至关重要。对于固定重复频率的信号易于实现，但对于参差重频信号不容易实现，因此就需要针对不同的情况设计仿真链路。本文通过具体的方法在该雷达参差重频发射信号的基础上对输出数据同步进行设计，使DistributorM模块每次输入输出的数据流大小相同，达到数据同步的目的，同时也为后续的多路信号处理带来方便。
2.4.2设计实现
DistributorM是一个子网模块，子网中C1、C2和C3为3个常数控制源，分别对应于CPI1、CPI2和CPI3的采样点数，且每个采样点处的值均为0。定义C1、C2和C3的输出值分别为波形ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3， RADARSignalX为Input。当波束为WaveformType0时，3个输出接口Output1~Output3输出的波形分别为Input、ZerosWaveform2和ZerosWaveform3；当波束为WaveformType1时，3个输出接口输出的波形分别为ZerosWaveform1、Input和ZerosWaveform3；当波束为WaveformType2时，3个输出接口输出的波形分别为ZerosWaveform1、ZerosWaveform2和Input。
这样做的原因就是当波束为不同的WaveformType时，3个输出接口Output1~Output3每次输出的总采样点数是一致的，即输入输出数据流一样。这是为了保证在后续的多路信号接收处理过程中的时间相同，使整个系统在每次处理时保持同步状态。
2.5目标回波生成设计
2.5.1炮弹弹道设计
把炮弹作为目标，然后定义炮弹的参数，仿真其自由弹道轨迹（抛物线）情况。在MathLang数学语言模块中的Equations中编写炮弹发射的弹道轨迹程序代码，并在I/O输入输出接口中建立需要的输出接口。程序中定义雷达波束的方位角为0°，即炮弹正对于雷达进行发射，炮弹和雷达的距离为10 km，炮弹的初始速度为300 m/s，发射角度为70π/180。参数定义是灵活多变的，可以修改程序代码来改变炮弹的发射方向、角度、初始速度和距离等相关信息，也可以根据需要设置多发炮弹。
本程序炮弹弹道设计的子网框图和MATLAB仿真结果分别如图4和5所示。
2.5.2炮弹回波生成
将上述产生的实时矩阵波形送入DynamicUnpackM动态数据转换模块，将矩阵数据按照行最大的形式依次取出数据，然后这些数据流经过10 MHz的SetSampleRate采样模块进行采样，变为离散化的信号后，再送入Sink数据接收器处理即可产生发射信号。将发射信号送入CxToEnv模块进行载波调制，将转换后的上变频信号送入RADARAntennaTx天线发射模块进行信号发射，再接入RADARTarget目标模块，设置相应的参数，即对发射信号产生目标回波。将产生的回波信号送入RADARAntennaRx天线接收模块，再将接收到的回波信号通过EnvToCx转换模块将上变频信号变为复合信号，最后送入Sink数据接收器中产生模拟的回波生成信号。其中天线发射模块和接收模块的波束方位角及高低角统一由BeamController波控模块进行同步控制，目标方位角及高低角统一由CannonBall炮弹模块控制。
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，而且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能根据波束控制灵活实时地生成参差重频的脉冲串信号并产生目标回波，并没有加入杂波，只是针对炮弹目标进行回波生成。以后会逐步加入杂波并考虑天线转动等因素，全面分析回波信号。
3结束语
SystemVue［5］是一款能够实现数据流仿真的信号级仿真软件，并且应用于射频方面很有优势，能够达到良好的射频仿真效果。本文对一种炮位侦察雷达的发射信号、波束控制、输出同步、炮弹弹道和无杂波炮弹目标的回波生成进行了程序设计,以后还将继续基于SystemVue的仿真优势加入杂波和天线因素进行回波生成、回波接收和信号处理等方面的工作，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一个全面合理的仿真环境。
参考文献
［1］ 林森,高明明.SystemVue环境下MLink的应用［J］.中国科技信息,2008(23):91，93.
［2］ RICHARDS M A. Fundamentals of radar signal processing［M］.北京:电子工业出版社,2010.
［3］ 丁鹭飞,耿富录.雷达原理(第3版)［M］.西安:西安电子科技大学出版社,2002.
［4］ 章琴,刘以安.基于改进的Morlet小波变换的雷达信号特征提取［J］.微型机与应用,2015,34(10):70-73.
［5］ 程文清.基于SystemVue的无线通信原理仿真实验教学研究［J］.中国现代教育装备,2012(13)：50-53.