基于SystemVue的电子侦察仿真系统设计

林 曦，任 赫，陈 研

(中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802)



基于SystemVue的电子侦察仿真系统设计

林 曦，任 赫，陈 研

(中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802)

电子侦察系统仿真的主要目的是建立典型电子侦察系统的数学模型以及模拟电磁环境，通过射频接收、数字处理、信号分选实现电子侦察系统功能。利用SystemVue系统仿真软件、ADS软件和VC软件协同建模仿真，搭建了一套包含雷达信号生成、空间传播、天线、接收机、处理机、显控界面等模块组成的典型电子侦察仿真系统，并对该系统进行了性能测试。该系统的建立，不仅能为外场试验提供仿真数据，同时也能为电子侦察系统对抗试验评估提供有力支撑。

SystemVue；协同仿真；ADS软件；电子侦察

0 引 言

仿真技术是以相似原理、信息技术、系统工程为基础，以电子计算机及相关设备(仿真器)为工具，利用模型对系统进行研究、分析和评估的多学科综合性技术[1]。近年来，随着建模仿真技术的进步，其在军用和民用领域中的应用更是不断向深度和广度拓展[2]，同时对于仿真系统的要求也越来越高。

利用现代建模和仿真技术，构建虚拟的战场环境，进行电子对抗的仿真，与传统的外场实验和实兵演习等方法相比具有费效比高、可控性强、显示直观、可大量重复实验等优点[3-4]。针对典型电子战系统及装备，建立装备及其作战环境的数学模型和仿真模型，构建全数字电子战仿真系统，实现电子战装备的仿真设计和作战效能的评估，已经成为现代电子装备研制、论证、发展建设和作战运用研究的有效手段。

本系统以典型电子侦察装备为出发点，建立辐射源信号、空间传播及接收机系统、处理机系统的模型，以封装的仿真模型和软件模型的形式在计算机中进行功能再现；同时考虑各模块间的协同、通讯问题，以标准的接口方式组建成完整电子战装备的数字样机，使其具有正常雷达信号侦察处理显示能力；对关键信号设置耦合检测端口，实现雷达信号等的图形化显示并进行作战效能的评估；完成了电子战装备从仿真设计、验证到虚拟测试的任务，可用于支持靶场电子战装备的仿真设计、验证和虚拟测试，为外场效应试验方案设计提供技术支撑。

仿真采用SystemVue环境和VS环境联合开发，发挥各自的优势，实现电子侦察系统各部分的仿真设计，并通过通信接口和网络接口实现环境的数据传递，搭建完整的典型电子侦察仿真系统。

1 系统设计

1.1 物理模型

采用波束扫描搜索体制的典型电子侦察设备主要由天线单元、接收机单元、处理机单元、主机等部分组成。其中，天线通过伺服转动进行扫描侦收，实现360°覆盖，在空间上、频率上完成辐射信号的预选。接收机主要完成射频信号的超外差变频接收，输出中频信号给数字信号处理模块，数字信号处理模块完成信号的采样、检测、参数测量，并形成完整的脉冲描述字(PDW)，完成方位上的PDW的分选，将分选结果上报给主机，主机进行分批处理并显示。

针对上述典型电子侦察设备的构成，通过构建典型侦察接收系统的电路组成模型，选取器件的典型参数，模拟典型侦察接收系统的工作过程，建立典型电子侦察仿真系统。根据设计需要，将整个仿真系统分为雷达模块、空间传播模块、侦察接收天线模块、微波接收机电路模块、信号处理模块、信号分选模块、显控界面几大部分，如图1所示。

1.2 仿真设计

本文建立的仿真系统基于SystemVue软件平台，联合ADS软件和VC软件开发。SystemVue[5-11]是一款专为电子系统级设计的电子设计自动化(EDA)产品，支持射频系统链路与数字信号处理单元协同仿真，其作为专用的电子系统级(ESL)设计和信号处理算法开发平台，可以替代通用的数字、模拟和数学仿真环境。产品内部搭载了详细的雷达、电子战模块，可形成纯软件的完整的雷达对抗系统。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++、数字信号处理(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、ADS等其他软件互联使用，支持多域化模型的设计框架。基于其灵活性与拓展性，选择SystemVue作为整个系统的软件开发平台。

为了复现实际装备的灵敏度、增益和信噪比等参数，仿真系统中的射频部分必须用有热噪声的射频元件搭建，这种设计方法与SystemVue的数据流仿真方法并不一致，故采用ADS软件来进行接收机电路的搭建。

同时，为了实现SystemVue软件无法完成的复杂处理和人机交互功能，采用VC软件进行数据处理和显控界面的开发。

综上所述，整个系统的仿真分为电路仿真模块、信号处理模块、显控界面三部分，基于电路仿真软件ADS、电子系统级设计软件SystemVue和VC软件来实现，以完成对典型电子侦察系统的电路级、信号级和系统级操作方式的仿真，如图2所示。电路仿真与显控界面集成入SystemVue系统仿真软件中，最后形成一个整体仿真系统。

首先通过VC显控界面设置仿真场景，在电子系统级设计软件SystemVue中产生辐射源信号，并通过空间传播模型组到达接收天线模型，由软件SystemVue将该复信号传递给电路仿真环境ADS。当电路仿真环境ADS接收到电子系统级设计软件SystemVue传递的经过接收天线口面的到达射频前端电路的复包络信号流以后，调用包络仿真器进行电路输出包络信号的计算，然后再将响应的复包络信号传递回电子系统级设计软件SystemVue，进行模拟/数字(A/D)采样、信号处理、信号分选，输出分选结果并显示。图3为SystemVue工程整体结构(仅作示意用)。

2 关键模型设计

电子侦察仿真系统的模型来自2种设计方法：一方面，通过分析典型电子战装备各部分分机、模型的数学原理和结构功能，在SystemVue软件中通过基本元件搭建，或是采用C++编写仿真模型；另一方面，为弥补SystemVue在复杂算法实现、仿真控制、参数设置和态势显示上不够直观和灵活的缺陷，采用VS2010环境编写软件模块，并组成数据处理与显控软件，实现复杂的数据处理、策略分析和人机交互功能。

2.1 空间传播模型组

空间传播模型组包括坐标转换模型和传播损耗模型。坐标转换模型用于将侦察站和雷达站的空间坐标转化为以各站为中心的极坐标系的相对方位与俯仰，提供给各站的发射或接收天线，使得天线模型输出的信号带有天线方向图调制特征。传播损耗模型包括三维距离解算模型、大气损耗模型和延时模型，通过计算侦察站与辐射源的实时距离，在雷达信号中附加大气损耗和传播延时。

2.2 微波接收机电路模型

微波接收机电路模型主要是仿真典型侦察接收机的整个电路组成，用于建构整个电路模型。由于SystemVue的主要仿真流程为数据流仿真，即根据设置的时钟周期产生数据，链路上模型依次对数据进行处理。其自带的算法库提供了在数据流仿真状态下的时域射频模型，可以展示理想状态下一些射频元件的处理效果，但在非线性、噪声以及泄露等射频器件的非理想效果上表现不佳。

为了弥补这一缺陷，采用频域射频仿真模型进行设计，利用ADS软件进行射频链路的仿真设计工作，可以真实复现实际装备的灵敏度、增益和信噪比等参数。

在ADS软件中，依据器件的性能搭建两级变频超外差接收机电路原理图，如图4所示。

进入接收机的微弱信号首先通过限幅器，然后经低噪声放大器进行放大。射频滤波器是为了抑制进入接收机的外部干扰，混频器将雷达的射频信号变换为中频信号，再经中频放大器进行中频放大。对于不同频率，不同频带的接收机都可以通过变换本振频率，使其形成固定中频频率和带宽的中频信号。SystemVue工程中的接收机模型在仿真时会调用ADS软件，加载该工程文件以进行接收机链路仿真。

2.3 数字信号处理模型

数字信号处理的任务是配合射频接收机，实现对中频信号的采样、检测和幅度、频率等参数的测量，送脉冲字形成模块形成脉冲描述字(PDW)。子模型包括：

(1) 表征频率变换

为了提高仿真速率、降低带通数字仿真系统的采样频率，目前的仿真软件是以包络信号的方式来表征带通信号的，即用数字序列描述信号的基带成分，用表征频率描述信号的中心频率。因此，包络仿真信号的数字序列并不能通过相位变化来测量变频之后的频率残余，需要将表征频率变至0，使数字序列部分能够完整地描述带通信号。实现这一过程的模型是表征频率变换模型。

(2) A/D采样模型

虽然仿真软件中的中频信号仍然是时间离散的数字序列，但其幅度仍然是以精度较高的浮点数表示的。利用SystemVue自带的A/D采样模型，对中频信号进行采样，得到时域和频率都离散的真正意义上的数字信号，此时信号幅度带有A/D量化误差。

(3) 数字下变频模型

对中频信号进行数字下变频，将中频信号的中心频率变至零频，得到I/Q两路正交数字信号，同时采样率降低了一半。

(4) 检波(幅度测量)和相位测量模型

检波的目的是得到中频信号的视频包络信号，同时得到信号幅度，方法是求I、Q两路信号幅度的平方和后开方。相位测量是测量中频信号的相位，方法是求I/Q两路信号比值后再求反正切。二者在SystemVue仿真中可同时实现，方法为使用SystemVue“RectToPolar”元件，将I、Q两路信号作类型转换得到复信号的幅度和相位。

(5) 自适应检测模型

本模型通过对信号噪声平均幅度的估计，结合预设的检测信噪比，判定信号中是否存在有用成分；同时以滑窗法更新噪声幅度的估计值，实现复杂环境下的自适应检测。可利用反馈函数动态计算调整，实现恒虚警检测等方式。

(6) 频率测量模型

模型通过相差变化率即为频率的基本原理，对相位解缠绕后求得信号频率。

2.4 信号分选模型

信号分选主要包括预分选和主分选模型。

信号预分选是对PDW的聚类处理，将频率、到达时间、脉宽和幅度等参数按一定门限进行相关处理，将全部参数都在某类均值的一定范围内的PDW归入该类中并更新均值，起到尽可能将不同辐射源的PDW区分开的作用。

针对预分选结果，主分选模型将通过最大值分选法确定目标方位[12]，通过其幅度的周期性变化，寻找幅度最大的PDW字区间，计算对应的天线方向，即得到目标方位角。下面简述最大值分选处理流程：

(1) 扫描周期判定、数据输出与更新。

判定当前采样点是否位于新的扫描周期内。

如是，判断每个信号源的脉冲是否满包(脉冲数达到PDW_PACK_LEN)。已满包的，计算历史最大脉幅(PA)脉冲组的脉冲重复间隔(PRI)并输出；未满包的，计算当前脉冲组的PRI并输出。输出后清空缓存内所有变量。

(2) 采样点有效判定

通过射频(RF)等参数判断当前采样点是否为有效PDW字。如否，跳过剩余步骤，结束当前处理，进入新的处理周期，开始步骤(1)。

(3) 按RF及到达方向(DOA)进行脉冲相关处理

根据设定的RF容差与DOA容差区分来自多个信号源的脉冲。将当前有效PDW字的RF、DOA依次与缓存内各信号源的当前脉冲组平均RF、平均DOA作差比较，两者均在容差范围内的归入对应信号源当前脉冲组。若未与任何信号源相关，则建立新的信号源标志，将PDW字归入该组。相关后，计算当前组脉冲平均PA并更新。容差与测量精度相关，精度越高则容差越小。

(4) 满包判定

脉冲相关后，针对相关的信号源判断当前组中脉冲数是否满包。若当前组满包，计算组内平均PA，与历史最大PA脉冲组的平均PA比较。若当前组的PA均值较大，用当前组覆盖历史最大组。无论比较结果如何，清空当前组内的所有数据，以容纳后续相关脉冲。

2.5 数据处理与显控模块

为了实现SystemVue软件无法完成的复杂处理和人机交互功能，需要通过编写显控和数据处理软件来进行数据处理和显示控制，其与SystemVue的数据传递是通过通信口和网络端口实现的。图5为该电子侦察仿真系统配套的显控软件界面。可在参数设置页进行仿真场景和仿真参数的设置，通过SystemVue提供的通信接口实现对模型和数字样机的参数设置和仿真控制。仿真产生的数据可由SystemVue网络发送方式实时获取。

3 模型功能测试

在建立了典型电子侦察系统仿真模型之后，需要对其功能进行验证。本文通过验证系统建立的数据测试节点输出进行信号图形化显示。典型电子侦察仿真系统正常工作时接收到雷达信号，信号经由这些模型的变化过程如图6和图7所示。图中分别给出了在1.2 μs和0.081 μs时间区域内，信号经由天线调制、混频到中频输出，至A/D量化后的各端口波型。信号波形符合预期，与实际样机类似。

设辐射源与接收机距离为150 km，接收机天线增益18 dB，仿真系统信号侦察仿真分析见表1。通过设置不同的雷达发射功率，功率大小由74 dBm减至28 dBm，经过侦察仿真系统，分选结果如表1所示。由表1可知，系统具有正常的雷达信号侦察能力。当发射功率降至34 dBm时，收到脉冲个数较少，分选结果受到影响。通过计算可知，此时接收口面信号大小在-73 dBm左右，接近系统灵敏度，与实际样机吻合，整个电子侦察仿真模型的等效性较好。

表1 系统信号侦察仿真分析

4 结束语

本文利用SystemVue协同ADS、VC软件，针对实际典型电子侦察系统仿真分析需求，建立了一套典型电子侦察仿真系统，并详细阐述了该系统的组成结构及重要模型实现方法。通过对搭建系统各关键输出节点及系统关键指标的测试，表明系统具备了典型电子侦察系统仿真模拟的能力。该仿真系统具有较强的灵活性与拓展性，它使用功能模型去描述程序，可方便地完成各种模型的设计与仿真，快速建立和修改模型，访问与调整参数，能为真实电子设备的研发提供全新的数字化设计方法，亦可验证真实样机的功能与性能。在全系统仿真效能评估方面有极大的应用前景。

[1] 杨明，张冰，马萍.仿真系统VV&A发展的五大关键问题[J].系统仿真学报，2003,15(11)：1506-1513.

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[3] 杨娜，袁舒，侯磊.陆军电子对抗仿真系统设计与实现[J].系统仿真学报，2013,25(S)：187-190.

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[12]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.

DesignofElectronicReconnaissanceSimulationSystemBasedonSystemVue

LIN Xi,REN He,CHEN Yan
(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

The main purpose of electronic reconnaissance system simulation is to establish mathematical models of typical electronic reconnaissance system and simulate electromagnetic environment.Through radio frequency reception,digital processing and signal sorting,the function of electronic reconnaissance system is realized.A set of typical electronic reconnaissance simulation system including radar signal generation module,space broadcast module,antenna module,receiver module,processor module and display and control interface module,etc. is constructed by means of the collaborative modeling and simulation of system simulation software SystemVue,ADS software and VC software,and the performance test to the system is performed.The established system not only provides the simulation data for the outfield experiment but also provides the powerful support for the countermeasure test assessment of electronic reconnaissance countermeasure system.

SystemVue;co-simulation;ADS software;electronic reconnaissance

2017-03-15

TN971

：A

：CN32-1413(2017)03-0092-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.023