第一章雷达系统仿真技术2-PPT文档资料

雷达信号处理国防科技重点实验室12020/3/14雷达系统仿真与性能评估张娟jzhangxidian.edu88202580雷达信号处理国防科技重点实验室22020/3/14教材：《RadarSystemsAnalysisandDesignUsingMATLAB》雷达信号处理国防科技重点实验室32020/3/14第一章：系统仿真技术第二章：雷达发射机建模与仿真第三章：雷达天线建模与仿真第四章：雷达接收机建模与仿真第五章：雷达回波建模与仿真第六章：雷达信号处理建模与仿真第七章：雷达数据处理建模与仿真第八章：雷达系统建模与性能评估本课程内容安排雷达信号处理国防科技重点实验室42020/3/14第一章：系统仿真技术1.1系统仿真技术1.2雷达系统建模仿真技术系统仿真的概念系统仿真的分类系统仿真的应用雷达系统功能级仿真雷达系统信号级仿真雷达系统分布式仿真雷达系统半实物仿真仿真软件平台的选择雷达系统建模雷达信号处理国防科技重点实验室52020/3/14雷达(radarRadioDetectionandranging)；就是利用无线电的方法来探测目标并测定目标在空间中的位置；雷达的任务就是测量目标的距离、方位和仰角，还包括目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。雷达信号处理国防科技重点实验室62020/3/14雷达发射机收发转换开关天线发射的电磁波接收的电磁波目标雷达接收机信号处理机数据处理机终端显示雷达信号处理国防科技重点实验室72020/3/141.2雷达系统建模仿真技术雷达系统仿真：雷达系统仿真就是在计算机上重现整个雷达系统和其动态工作过程，并调整参数反复运行，使系统性能最优。经济性：系统仿真模型是数学模型，不涉及实物，实验成本低，同时通过反复仿真和修改模型和模型参数，可以在系统设计之前，对系统的性能有充分的了解，可以缩短研制周期。灵活性：通过计算机软件可以方便地对雷达系统的参数、工作场景、电磁环境进行控制，根据需要进行改变，可以确定系统的最佳工作状态。可重复性：实际环境往往是随机因素众多和非常复杂。系统的性能一般不能严格地按照设计要求在现场得到全面的鉴定与评价，因为很多条件是难以满足的。但系统仿真方法则能考虑各种因素，并能不断地重复。可继承性：由于采用模块化、图形化设计，建立的子模型或单元模型可以被其他系统使用雷达信号处理国防科技重点实验室82020/3/14在现代复杂电子战条件下,电磁威胁环境日益复杂,干扰技术非常丰富和多样化，相应的雷达系统工作体制和抗干扰措施日益增多,对雷达系统研究与设计日趋复杂。对新算法和新的分系统设计进行测试和验证，对系统的各项性能进行评估。优化设计雷达的工作方式、系统参数、雷达的部署和配置。缩短整个系统的研制周期，降低研制耗费外场模拟：模拟环境单一，耗资巨大，试验次数有限，实验结果不全面，造成试验周期长和巨大浪费。利用计算机仿真技术的可控制性、可重复性、无破坏性、安全性、经济性等特点与优势，对雷达进行仿真与效能评估，是当前和未来雷达与电子对抗领域研究中的一种重要手段。雷达信号处理国防科技重点实验室92020/3/14雷达终端显控雷达探测性能分析数据库目标环境仿真雷达系统的仿真雷达目标环境建模雷达发射机建模收发天线建模接收机建模信号处理建模完成仿真集成开发仿真系统系统数据管理系统协调控制仿真方案设计对仿真系统进行整体规划，确定仿真平台的初步框架。构建效能评估指标体系对雷达系统的探测能力、跟踪精度、识别能力、抗干扰能力等指标进行评估。数据处理建模二维显示（电子地图）三维视景显示仿真波形显示抗干扰性能分析跟踪性能分析外部数据导入仿真数据的保存与回放雷达信号处理国防科技重点实验室102020/3/14接收天线信号处理抗干扰雷达信号处理性能评估模块抗干扰性能评估检测性能评估跟踪性能评估资源调度模块波形选择波束驻留时间事件调度及数据率发射功率控制天线方向图产生雷达接收机目标环境生成模块目标回波杂波噪声传输衰减干扰雷达发射机雷达发射信号发射天线雷达数据处理雷达信号处理国防科技重点实验室112020/3/14雷达系统仿真方法分类(1)功能级仿真(2)信号级仿真(3)分布式交互仿真(4)半实物仿真雷达信号处理国防科技重点实验室122020/3/14从发射信号功率及各种环境回波（包括杂波、干扰、多径、噪声）的功率的角度出发，考虑雷达信号处理各个环节上的增益，计算不同场景和工作方式下雷达的检测概率、探测距离、威力范围、测量精度等性能指标，从而对雷达的系统参数进行优化，并由此对系统做出分析和判断。1.2.1雷达系统功能级仿真雷达信号处理国防科技重点实验室132020/3/14功能级仿真的基础是雷达距离方程雷达接收信号包括目标回波信号、干扰、杂波、噪声等。信号干扰噪声比，是对有干扰情况下发现目标能力好坏的一种量度。计算信号及噪声的平均功率检测曲线交会几何关系雷达距离方向雷达距离方程的系数目标RCS模型杂波与噪声模型干扰方程与系数等门限虚警概率发现概率PD目标、杂波、噪声、电子干扰雷达信号处理国防科技重点实验室142020/3/14功能级仿真步骤：（2）分析各种干扰和抗干扰手段对雷达探测性能的影响，对干扰和抗干扰能力做出初步的评估计算；（3）对不同场景下的雷达探测过程进行功能仿真试验。（1）在各种干扰/抗干扰条件下，运用雷达方程、干扰方程以及干扰/抗干扰基本原理建立仿真计算综合信噪比的数学模型。雷达信号处理国防科技重点实验室152020/3/14功能级仿真主要数学模型1）雷达回波信号功率234(4)ttrrpsPGGLGPRln,1,2x22lnln(1)0,3,4x雷达信号处理国防科技重点实验室162020/3/142）噪声功率接收机噪声服从均值为零的正态分布,方差为2nRFKTBN功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室172020/3/143）干扰有源干扰按载体方式的不同可分为掩护式和自卫式两种，按照工作方式的不同可分为阻塞式和瞄准式。2122(4)JtJJJJPPGGLXRX=干扰带宽与雷达瞬时带宽重叠的带宽干扰信号的带宽功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室182020/3/144）杂波地杂波和海杂波一般视为“面”杂波，气象杂波、箔条云等一般视为体杂波。a．面杂波功率24(4)tecrrcsRGALPR(/2)seccBRc功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室192020/3/14b．体杂波功率雷达截面雷达分辨单元的体积单位体积内的微粒的平均总后向散射截面2234(4)trvrcvPGLPRvmiV()()(/2)4mBBVRRci功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室202020/3/145）几种抗干扰措施的考虑a．脉冲压缩理想情况下，脉压滤波器能使输出信噪比改善D倍，D为脉压比。实际中，为了降低脉压后输出脉冲的副瓣电平，必须对匹配滤波器的幅频特性进行适当的加权。一般而言，因加权使信噪比损失1.2-1.4dB，故一般取脉压改善因子为0.8D。功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室212020/3/14b．脉冲积累改善因子c．旁瓣对消干扰对消比相干积累非相关积累NMNJCR=采用旁瓣对消前系统输出干扰功率采用旁瓣对消后系统输出干扰功率功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室222020/3/14d．采用捷变频抗干扰措施雷达接收天线接收到的干扰功率应当乘以一个系数X才是有效的干扰功率。X=干扰带宽与雷达瞬时带宽重叠的带宽干扰信号的带宽雷达瞬时带宽雷达捷变频带宽功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室232020/3/14综合信噪比实际应用中，一般用MontoCarlo方法求综合信噪比的均值作为最后结果。rr/10log()PPsinJcscvPSNPP功能级仿真主要数学模型雷达信号处理国防科技重点实验室242020/3/14功能级仿真优点根据雷达距离方程，干扰方程，从功率角度来计算发现概率和虚警概率，仿真速度比较快，提高仿真的实时性。适合系统整体性能的仿真评估。雷达信号处理国防科技重点实验室252020/3/14功能仿真缺点和局限性（1）对于一个复杂的雷达环境（例如，假设干扰信号是高斯噪声与对数正态噪声的混合），无法描述输出信号的统计特性。（2）使用范围局限。不适合欺骗式干扰、合成孔径雷达、自适应处理等仿真，以及对分系统的精确仿真。（3）功能仿真只能仿真点目标。忽略具体的波形，所以不能用来查看仿真系统中各个不同节点上的信号。缺点：雷达信号处理国防科技重点实验室262020/3/141.2.2雷达系统信号级仿真利用高速的数字仿真手段，逼真地复现雷达系统中信号的动态处理过程。信号级仿真在仿真过程中既包括信号的幅度信息，又包括相位信息。与功能仿真不同，相干信号仿真要仿真信号的发射、传播、目标回波、杂波与干扰叠加接收滤波、抗干扰、信号处理、数据处理这一全过程。对雷达信号系统进行数字仿真，首先必须了解雷达系统的工作过程，并将工作过程抽象为数学模型。抽象数学模型是一个复杂的过程，其中往往包括大量艰深的数学工作，而有些模型则要依据具体系统的一些敏感的经验数据来建立。雷达信号处理国防科技重点实验室272020/3/14发射信号20()()()cos(())2rrtrtkTtkTutPrectwtkT雷达信号处理国防科技重点实验室282020/3/14002()2()djftjftrrstPutee目标回波信号234(4)trrtGGPPRL雷达信号处理国防科技重点实验室292020/3/14脉冲压缩之后的信号雷达信号处理国防科技重点实验室302020/3/14雷达信号级仿真的特点优点:(1)能够精确反映仿真系统各个节点的波形，适合单个模块或分系统的测试、评估。(2)仿真结果更精确，可信度更强。缺点：仿真数据量大，仿真速度慢。雷达信号处理国防科技重点实验室312020/3/141.2.3雷达系统的分布式仿真仿真是一个建模-实验-分析-修改模型-再实验-分析……不断反复的过程，它涉及到好几个功能软件，如建模软件，实验设计软件，仿真执行软件，结果分析软件等，各功能软件之间存在着信息联系，为了提高仿真效率，必须将它们集成起来(或称为一体化)。雷达信号处理国防科技重点实验室322020/3/14分布式交互仿真（DIS）是指采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网或广域网，将分散在各地的仿真设备互联，形成可参与的综合性仿真环境。HLA是分布式交互仿真的高层体系结构，它的基本思想就是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统的对象模型（OM），以获得仿真联邦高层次的互操作和重用。雷达信号处理国防科技重点实验室332020/3/14多个软件联合仿真联合仿真：提高软件的开放性，能够方便地与国外先进的软件相接，充分吸收国外现有软件的优点，综合他们的优势，构建集成的仿真平台MATLAB伺服系统C信号处理系统COSIMPlatformSPW天馈系统接收系统A\DD\A信号生成系统飞控机模块初始化模块计算模块目标模块杂波模块干扰模块可视化系统雷达信号处理国防科技重点实验室342020/3/14不同功能软件通过一个管理软件利用数据转换接口实现一体化。重新划分功能块，建立模型库、参数库、实验框架库，然后通过数据库实现一体化。在仿真操作系统的支持下，实验对仿真关联资源的有效管理，并支持这些资源的匹配与运行，实现整个仿真软件系统的高度一体化雷达信号处理国防科技重点实验室352020/3/14分布式仿真的过程对模型库中基本模型或子模型进行拼接形成系统模型由实验框架库中取出实验框架形成模型/框架对：它规定了一次具体的仿真实验通过实验运行系统，调用规定的算法对这个模型/