雷达技术与仿真实现（二）
雷达仿真
1.雷达电抗仿真的内容与组织关系
首先要明确一点，就是什么是仿真，以及雷达电子战仿真覆盖那些内容。
雷达电子战（雷达对抗）是电子战的重要组成部分，雷达电抗仿真是以雷达及由雷达组成的系统为作战目标，以雷达干扰机、雷达侦察机等为主要作战装备，以电磁波的发射、吸收、反射、传输、接收、处理等形式展开，模拟实际战场中敌方电磁频谱的使用和我方电磁频谱的使用有效性的系统工程。
雷达电子战围绕雷达对抗与反对抗展开，包括雷达侦察、雷达干扰、反辐射攻击、雷达隐身和综合雷达对抗，其作战对象主要包括敌方预警探测系统和武器控制系统中的军用雷达，以及由这些雷达构成的雷达网，具体地可分为预警探测雷达、目标监视和引导雷达、火控和制导雷达、雷达导引头等。
雷达侦察利用各种平台上的雷达侦察设备，通过对敌雷达辐射信号的截获、测量、分析、识别和定位，获取雷达信号的技术参数，及雷达位置、类型和部署等情报；
雷达干扰通过辐射、转发、反射或吸收电磁能量，以削弱或破坏敌方雷达探测和跟踪能力，是雷达对抗中的进攻性手段，它是电子软杀伤手段；
反辐射攻击应用电子侦察技术截获和跟踪敌防空体系中的雷达等电磁辐射源目标，并引导杀伤性兵器摧毁辐射源目标，它是硬杀伤手段；
雷达隐身技术通过设计特殊的平台外形、涂覆特殊材料、采取其他措施吸收雷达波，减少目标的雷达反射截面，降低雷达探测距离；
综合雷达对抗综合应用雷达侦察、雷达干扰、反辐射攻击器材和手段，对所选定的目标实施综合对抗，以达到最大的作战效能。
雷达侦察、雷达干扰、反辐射攻击是三个传统的雷达对抗领域，雷达隐身和综合雷达对抗是最近发展的新领域。
随着隐身武器和定向能武器的研制成功与投入使用，以降低目标雷达信号特征为目的的隐身技术，以降低目标隐身能力为目的的反隐身技术，以及以干扰或烧毁军事电子设备为目的的定向能武器（微波武器、激光武器）等技术也逐渐成为雷达电子战的新技术领域。雷达对抗的体系结构，如图所示。
从最近几年的几场战争可以看出，现代战争的表现形态发生了重大而深刻的变化，雷达电子战已成为现代战争中不可缺少的重要组成部分，它贯穿于现代战争的全过程和所有作战行动之中。雷达电子战的战术技术水平已经成为决定现代高技术局部战争胜负的关键因素之一，而雷达电子战本身也已从双方单一装备间的对抗，发展到系统对系统、体系对体系间的对抗。建造与发展一个整体效能佳、效益高、反应快、生存能力强的军事电子战系统是打赢一场高技术战争的必需条件。在此背景下，寻求一种有效技术手段用以分析、评估现代防御系统电子战的性能/效能已成为当前世界各国的研究热点和难点。通过实装演习是评估武器系统雷达电子战能力的可靠方法，但依靠有限的实战演习难以评估雷达及电子干扰装置在实际作战中的电子战能力。另外，实战演习还具有耗时长、费用高、易受环境制约、试验结果不可重复等缺陷，这使得通过实战演习对攻防对抗双方的雷达电子战能力进行全面、综合的评估难以进行。以AN/MPQ-53（“爱国者”雷达）、AN/SPY-1D（“宙斯盾”雷达）、GBR（导弹防御系统地基雷达）等新型雷达系统为例，它们的先进性、对抗性和实战性十分突出，这给鉴定和评估带来了很大的困难，主要体现在以下几个方面：
① 几乎不可能得到真实的作战对象装备；
② 几乎不可能完全准确确定作战对象战时应用的技术状态和参数；
③ 几乎不可能完全按照真实作战战情进行外场实装对抗试验。
仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统和有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统进行研究、分析、评估、决策并参与系统运行的一门多学科的综合性技术。利用现代建模与仿真技术，构建虚拟的战场电磁环境，进行若干典型战情下的电子干扰与抗干扰试验，不但便于实现，而且具有可控、无破坏、安全、可重复、高效等优点。采用这种方法，不仅可以实现新型雷达系统与某一特定电子干扰的单一对抗，而且可以实现它与多种干扰的综合对抗，上升到系统对抗甚至体系对抗的范畴。实际上，由于战场情况瞬息万变，电磁环境极其复杂，通过仿真手段对雷达电子战进行评估甚至是目前唯一有效的方法。
2.雷达仿真的数学模型
根据仿真系统所采用的模型划分，通常将仿真系统分为以下几类：物理仿真、半实物仿真和数学仿真。物理仿真又称实物仿真，它是以几何相似或物理相似为基础的仿真。半实物仿真是将数学模型、物理模型联合在一起的仿真。数学仿真是以数学模型为基础的仿真，也就是以数学模型代替实际的系统进行仿真实验，模拟系统实际变化的情况，用定量化的方法分析系统变化的全过程。在雷达电子战仿真中，用得较多的仿真形式是数学仿真和半实物仿真。
因为研究内容的关系，这里只介绍数学仿真。
雷达电子战数学仿真通过在计算机上建立数学模型，模拟雷达电子战系统中的雷达电磁信号环境和雷达系统分系统、干扰系统，来仿真评估雷达电子战系统的技战术性能。按照仿真时间的要求分，可以分为非实时仿真和实时仿真两种。实时信号全数字仿真模拟器采用可编程的脉冲序列生成器，实时产生数字脉冲序列数据。产生的数据集通过脉冲数据总线与被测试试系统接口，每个数据集包括了被描述脉冲的参量。这种方法在有频率调谐和天线扫描的功能要求时稍复杂，但该方法的优点也很显著，如代价小、灵活性好、通用性强的明显优势。
实现雷达电子战仿真的主要理论基础是雷达距离方程和干扰方程等。根据雷达距离方程，从距离为R的目标反射回来的再被雷达所接收的回波信号与干扰相互交织在一起。干扰的表现形式为接收机噪声、杂波（来自不需要的散射源）以及电子干扰。信号噪声比或信号干扰比是对有干扰情况下发现目标能力好坏的一种度量。通常，这个比值约为20（约为13.2dB）时，便足以发现目标。但是，这个值取决于许多因素，例如，目标起伏方式，以及信号在接收机里的处理方法。在给定信号干扰比之后，如果再对目标及干扰的起伏统计特性做出适当的假设，便可以计算出发现概率。假设不存在目标，也可能由于干扰信号的起伏特性而得到一次“发现”（超过门限），这样的“发现”称为虚警。出现虚警的概率为虚警概率。
根据雷达距离方程、系统损耗和干扰来计算发现概率和虚警概率，还必须进行一些运算。从严格的意义上来讲，即使这些运算是用计算机来完成的，也不能算做是仿真。要算做是仿真，就必须能够复现检测过程的输出，无论是“发现”（超过门限），还是“未发现”（没有超过门限）。根据对目标是否存在的了解情况，实际上可能有四种情形，如表1-1所列。对检测的输出很容易在统计学或蒙特卡罗（Monte Carlo）的意义上来进行仿真。例如，假设已知有一个目标，而且发现概率为PD。如果产生一个在[0，1]区间上作均匀分布的随机变量u，那么便可以定义，当u≤PD时，为发现目标；相反，当u＞PD时，则没有发现目标。
更具体地说，雷达功能仿真实质上就是在数字计算机上，对一个已知概率的随机事件，用蒙特卡罗统计试验法进行试验，从而得到该随机事件的一个模型。图1-6所示的就是仿真雷达发现目标的随机事件，此事件的发生概率（即发现目标的概率）为PD。因为0≤PD≤1，所以u的取值范围也为[0，1]。假定u的取值为0，0.001，0.002，…，0.999，共1000个点，即做1000次试验。u取上述各值的概率相等（均匀分布）。这样，若PD=0.8，则在上述1000个u值中，u≤PD的点数约为800个，即发现目标800次，占总数的80%；u＞PD的点数约为200个，即未发现目标200次，占总数的20%，而且随着PD的增大，u≤PD的点数便越多，这就表示发现目标的次数也越多。
若目标不存在，则可用相同的办法来仿真虚警概率Pfa。在图1-4中，把仿真检测输出过程中的一般步骤画成框图。采用功能仿真方法时，大量的精力都花在根据目标与雷达的交会几何关系来计算信号及干扰的功率上（如果不存在目标，则发现概率PD换成虚警概率Pfa）。
当对一次飞行试验或一次战斗进行仿真时，功能仿真方法的实际效果就变得很明显。可以随机地在任何时刻出现多个目标，而且每个目标的雷达截面可以不同，此外，雷达截面还可以是目标姿态角的函数。干扰信号也可能是动态的，特别是经过天线方向图扫描之后更是如此。这样的一种仿真，其输出也许就是一份检测报告。这份报告列举了发现目标的时间和位置，以及目标是否真的存在。
在上述仿真中，只利用了雷达的功能性质（所以称为功能仿真），包含在波形和信号处理机中的详细内容没有涉及，只当做某种系统损耗来处理，对于大规模的仿真，这种仿真方法简单实用，特别是当雷达只是整个系统中的一个很小的组成部分时，则更是方便。这种功能仿真法对于某些实时仿真来说也很简便。这种情况下，时间非常重要，例如，在一种显示动态目标情景的供训练用的仿真器中，采用这种方法很合适。
由于波形中的一些细节被忽略了，所以，功能仿真不能用来仿真系统中各个不同点上的具体信号。功能仿真基本上是对各种信号成分（像目标、热噪声、杂波和电子干扰）平均功率的一种描述。雷达距离方程确定这些信号成分的换算关系。为了能利用几种标准检测情况当中的一种，必须用某一种标准情况下的统计特性，去描述输出信号的统计特性。对于一个复杂的雷达环境（如假设干扰信号是高斯噪声与对数正态噪声的混合），要这样做常常是很困难的。在有些应用场合下，就不可能采用功能仿真，例如，非线性接收机和自适应信号处理机的的仿真，以及欺骗干扰干扰雷达的仿真等。在这些情况下，进行雷达电子战的信号仿真就十分必要。
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