CN106772294B - 一种辐射信号模拟装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射信号模拟装置及实现方法，其中模拟装置包括依次相连的约束条件构造单元、阵列加权系数解算单元、发射阵列幅度控制单元和发射天线阵列单元，依次相连的战情参数管理单元、雷达信号源单元和上变频单元，以及依次相连的接收阵列幅度控制单元、接收天线阵列单元、下变频单元和中频信号处理单元；所述阵列加权系数解算单元与接收阵列幅度控制单元相连，所述上变频单元与发射天线阵列单元相连；其中，所述发射天线阵列单元为若干发射天线阵元组成的一个发射天线阵列，所述接收天线阵列单元为若干接收天线阵元组成的一个接收天线阵列。可以在指定的多个角度上形成零陷，求解过程较快，能模拟具有特定方位回波抑制能力的辐射信号。

Description

一种辐射信号模拟装置及实现方法

技术领域

本发明涉及一种信号模拟装置，特别是涉及一种特殊辐射信号模拟装置及实现方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

随着对抗强散射体干扰、抗反辐射导弹的研究，对雷达天线发射方向图的控制受到国内外学者的广泛关注，并取得了一系列的研究成果。对于雷达天线方向图的控制，常用的方法主要有对雷达发射天线阵元的幅度加权、初始相位加权和阵间距加权。其中初始相位加权和阵间距加权这两种方法需要对加权后的方向图的计算采用线性化近似，控制也相对复杂性，因此幅度加权应用更为广泛。

对于指定的天线方向上形成零陷的研究，对雷达的抗干扰性能具有重要的意义。可以在指定的方位角上形成零陷，从而避免从该方位上进入的强散射体的雷达干扰回波信号干扰从主瓣进入的微弱目标信号。对于零陷的控制，通常的做法是将方向图合成问题建模为最小平方误差零陷功率约束下的最优化问题，通过计算最优加权值，在指定方向上形成指定的零陷宽度。现有文献中，有通过特征空间法控制对波束形成的算法，还有用模拟退火算法、粒子群算法等智能算法求取各阵元的加权值来控制发射波束。以上各种方法都能在一定的条件下形成局部最优值，能在发射波束的指定方位区域形成零陷，但是存在下陷的幅度值较小、系统设计复杂问题，且求解时间相对较长，不适于硬件实现。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种特殊辐射信号模拟装置及实现方法，可以在指定的多个角度上形成零陷，求解过程较快，能模拟具有特定方位回波抑制能力的辐射信号，而且该辐射信号可以抑制空域中特定角度上的干扰信号或强杂波信号，满足各种空间目标对抗仿真需求。其中，特殊辐射信号的特殊性在于能够根据实际需要，通过数字加权，在辐射信号的制定方位向形成零陷，从而抑制制定方向的强杂波或者强干扰信号。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种特殊辐射信号模拟装置，包括依次相连的约束条件构造单元、阵列加权系数解算单元、发射阵列幅度控制单元和发射天线阵列单元，依次相连的战情参数管理单元、雷达信号源单元和上变频单元，以及依次相连的接收阵列幅度控制单元、接收天线阵列单元、下变频单元和中频信号处理单元；所述阵列加权系数解算单元与接收阵列幅度控制单元相连，所述上变频单元与发射天线阵列单元相连；其中，所述发射天线阵列单元为若干发射天线阵元组成的一个发射天线阵列，所述接收天线阵列单元为若干接收天线阵元组成的一个接收天线阵列；

所述约束条件构造单元，用于预先测算出干扰源的位置或者威胁源的方位，构造出约束条件给阵列加权系数解算单元；

所述阵列加权系数解算单元，用于根据约束条件，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

所述发射阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述接收阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向；

所述战情参数管理单元，用于管理仿真参数、下发仿真参数、控制整个模拟实验进程，为雷达信号源单元提供数据支持，分别为约束条件构造单元和阵列加权系数解算单元提供仿真环境参数；

所述雷达信号源单元，用于根据战情参数管理单元提供的数据支持，产生相应的雷达波形，产生雷达发射中频信号给上变频单元；

所述上变频单元，用于将雷达发射中频信号调制到仿真实验要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

所述发射天线阵列单元，用于根据发射阵列幅度控制单元对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

所述接收天线阵列单元，用于根据接收阵列幅度控制单元对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向，接收来自空间的雷达回波信号；

所述下变频单元，用于将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；

所述中频信号处理单元，用于将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

本发明的模拟装置进一步设置为：所述约束条件构造单元包括依次相连的预知信息探测分析模块、强干扰及强回波方位角度计算模块和方位向约束条件构造模块，所述方位向约束条件构造模块与阵列加权系数解算单元相连；

所述预知信息探测分析模块，为一个无源探测设备，用于通过在不同的方位向进行扫描，将扫描到的回波数据传递给强干扰及强回波方位角计算模块；

所述强干扰及强回波方位角度计算模块，用于根据回波数据，采用最大幅度法和相应的判决门限，计算得到强干扰位置对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

所述方位向约束条件构造模块，用于根据方位角构造约束条件。

本发明的模拟装置进一步设置为：所述发射阵列幅度控制单元包括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，所述发射ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述发射程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个发射天线阵元调制不同的衰减值，所述发射程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使发射信号波束中心指向要求的方位。

本发明的模拟装置进一步设置为：所述接收阵列幅度控制单元包括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，所述接收ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述接收程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个接收天线阵元调制不同的衰减值，所述接收程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使接收天线合成波束中心指向要求的方位。

本发明的模拟装置进一步设置为：所述中频信号处理单元包括依次相连的A/D变换器和FPGA信号处理板，所述A/D变换器用于将中频模拟信号转换为数字信号，所述FPGA信号处理板用于雷达数据处理。

本发明还提供一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法，包括以下步骤：

1)战情参数管理单元设置相应的仿真参数，包括雷达发射信号样式、工作频率、工作带宽、仿真空间环境参数；

战情参数管理单元给雷达信号源单元传递达发射信号样式、工作频率和工作带宽，雷达信号源单元根据战情参数管理单元提供的数据支持，生成满足要求的数字中频信号，经DA变换后产生模拟形式的雷达发射中频信号给上变频单元；

2)上变频单元根据仿真实验要求的工作频率，通过混频电路将雷达发射中频信号调制到要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

3)战情参数管理单元下发仿真空间环境参数给约束条件构造单元中的预知信息探测分析模块，预知信息探测分析模块根据仿真空域参数对相应的方位向进行扫描，得到不同方位向的强干扰的回波数据给强干扰及强回波方位角计算模块；

强干扰及强回波方位角计算模块采用最大幅度法和相应的判决门限，得到强干扰回波对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

方位向约束条件构造模块根据方位角，构造出约束条件w^TP(θ)＝0给阵列加权系数解算单元；

4)阵列加权系数解算单元根据约束条件，以及仿真参数管理单元下发的窗函数，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

5)发射阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

6)接收阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向，由接收天线阵列单元接收来自空间的雷达回波信号；

7)下变频单元将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；中频信号处理单元将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

其中，所述步骤4)中的通过非线性规划算法计算阵列加权系数，具体为，

4-1)对于阵列天线，若不采用加权因子，假设辐射方向为方位0度，则天线阵的方向图为式(1)，

其中，N为天线阵中阵元的数目，Ψ_n为第n个天线阵元的相对相位，Ψ_n以第一个天线阵元作为天线阵的相位参考，j为虚数单位，d为阵元间距、其以波长为单位，k为波数，k＝2π/λ，λ为发射信号的波长；

4-2)将式(1)用远场阵列的方向图表示为，

求和后并化简得，

|E(sinψ)|在ψ＝0取得最大值，对其归一化后的场强方向图为式(4)，

则归一化的辐射方向图为式(5)，

若辐射方向为ψ₀，将阵列的主波束扫描至角度正弦为sinψ₀处，由改变两个阵元的相位差来实现的，则归一化的辐射方向图为式(6)，

对应的第n个阵元的相对相位为

4-3)对各个天线阵元进行加权，并在指定的方位波束指向零陷的形成，使发射波束在指定方位的角度形成零陷外，其他方位不改变天线的方向图，使其误差最小；

采用非线性规划的方法实现最小误差，具体为，

4-3-1)得到原始的天线方向加权因子w0，其是一个N×1维的向量；

4-3-2)构造非线性规划的目标函数；

采用两个向量之间的2-范数来定义两个向量之间的误差，构造目标函数为式(7)，

其中，x(i)为待求解的阵列加权系数，ω0(i)为迭代初始值、即原始的天线方向加权因子w0，ω0(i)根据仿真参数管理单元下发的窗函数得到；

4-3-3)构造零陷约束条件；

a)指定需要形成零陷的角度θ，其由强干扰及强回波方位角计算模块得到；θ是一个矢量，对应在天线的多个方向上形成零陷，形成零陷的角度不在天线的主瓣内，形成零陷的角度的数目m≤N/2；

b)构造约束条件；

加权以后在指定的方向形成零陷，即指定的方向加权后的功率和接近于零，因此构造约束条件为式(8)，

w^TP(θ)＝0 (8)

其中，w为待求解的阵列加权系数向量，P(θ)为指定的零陷对应的方向的各个天线阵元的增益数值，若θ为一个矢量，则P(θ)为一个矩阵；

c)约束条件分析；

将P(θ)拆为两个实矩阵P_re(θ)和P_im(θ)，P_re(θ)对应于P(θ)的实部，P_im(θ)对应于P(θ)的虚部；这样，约束条件变为式(9)，

w^TP₁(θ)＝0 (9)

其中，P₁(θ)＝[P_re(θ)；P_im(θ)]；

4-3-4)利用非线性规划求解满足约束条件的最优加权值，输出新加权系列加权后的方向图，观测重新加权后的方向图是否满足要求，若满足则输出该方向图，若不满足则返回步骤4-3-1)。

本发明的模拟装置的实现方法进一步设置为：所述步骤5)中的发射阵列幅度控制单元括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，发射阵列幅度控制单元通过发射ROM存储器将阵列加权系数存储、通过发射调制程控衰减器对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制、通过发射程控移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述步骤6)中的接收阵列幅度控制单元括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，接收阵列幅度控制单元通过接收ROM存储器将阵列加权系数存储、通过接收调制程控衰减器对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制、通过接收程控移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向。

本发明的模拟装置的实现方法进一步设置为：所述步骤4-1)中的阵列天线为阵元数位32的线性均匀线性阵列。

本发明的模拟装置的实现方法进一步设置为：所述步骤4-3)中的对各个天线阵元进行加权，是采用窗函数对天线方向图进行加权，所述窗函数为矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克本窗、3阶卡塞尔窗、6阶卡塞尔窗或泰勒窗。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

通过预先测算干扰源的位置或者威胁源的方位，并控制阵列天线的天线方向图，采用非线性规划算法来计算相应的阵列加权系数，以及结合中频信号处理单元、上变频单元、阵列天线单元和相应的控制模块等来模拟具有特定方位回波抑制能力的辐射信号，该辐射信号信号可以抑制空域中特定角度上的干扰信号或强杂波信号；其中，采用非线性规划算法，可以在指定的多个角度上形成零陷，求解过程较快；而采用预知信息分析解算和天线方向图控制结合工作，将二者融合为一体，通过相关无源探测和预知信息分析为天线方向图控制参数的计算提供依据，并通过计算得参数控制天线方向图，二者紧密配合，能够有效的对抗强散射体干扰目标和反辐射导弹，提高接收机的检测能力。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明一种特殊辐射信号模拟装置的结构框图；

图2为本发明一种特殊辐射信号模拟装置中中频信号处理单元的结构框图；

图3为本发明一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法的流程图；

图4为本发明一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法中非线性规划的方法流程图；

图5为采用矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克本窗4种窗函数加权后的天线辐射图；

图6为采用矩形窗、3阶卡塞尔窗、6阶卡塞尔窗、泰勒窗4种窗函数加权后的天线辐射图；

图7为矩形窗加权与零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)；

图8为泰勒窗加权与零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)；

图9为指定零陷角处的零陷深度(零陷点为20°和75.4°)；

图10为矩形窗加权与汉明窗零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)；

图11为汉明窗加权与汉明窗零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种特殊辐射信号模拟装置，如图1所示，包括依次相连的约束条件构造单元、阵列加权系数解算单元、发射阵列幅度控制单元和发射天线阵列单元，依次相连的战情参数管理单元、雷达信号源单元和上变频单元，以及依次相连的接收阵列幅度控制单元、接收天线阵列单元、下变频单元和中频信号处理单元；所述阵列加权系数解算单元与接收阵列幅度控制单元相连，所述上变频单元与发射天线阵列单元相连；其中，所述发射天线阵列单元为若干发射天线阵元组成的一个发射天线阵列，所述接收天线阵列单元为若干接收天线阵元组成的一个接收天线阵列；

所述约束条件构造单元，用于预先测算出干扰源的位置或者威胁源的方位，构造出约束条件给阵列加权系数解算单元；

所述阵列加权系数解算单元，用于根据约束条件，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

所述发射阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述接收阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向；

所述战情参数管理单元，用于管理仿真参数、下发仿真参数、控制整个模拟实验进程，为雷达信号源单元提供数据支持，分别为约束条件构造单元和阵列加权系数解算单元提供仿真环境参数；

所述雷达信号源单元，用于根据战情参数管理单元提供的数据支持，产生相应的雷达波形，产生雷达发射中频信号给上变频单元；

所述上变频单元，用于将雷达发射中频信号调制到仿真实验要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

所述发射天线阵列单元，用于根据发射阵列幅度控制单元对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

所述接收天线阵列单元，用于根据接收阵列幅度控制单元对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向，接收来自空间的雷达回波信号；

所述下变频单元，用于将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；

所述中频信号处理单元，用于将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

如图1所示，所述约束条件构造单元包括依次相连的预知信息探测分析模块、强干扰及强回波方位角度计算模块和方位向约束条件构造模块，所述方位向约束条件构造模块与阵列加权系数解算单元相连；

所述预知信息探测分析模块，为一个无源探测设备，用于通过在不同的方位向进行扫描，将扫描到的回波数据传递给强干扰及强回波方位角计算模块；

所述强干扰及强回波方位角度计算模块，用于根据回波数据，采用最大幅度法和相应的判决门限，计算得到强干扰位置对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

所述方位向约束条件构造模块，用于根据方位角构造约束条件。

进一步地，所述发射阵列幅度控制单元包括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，所述发射ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述发射程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个发射天线阵元调制不同的衰减值，所述发射程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使发射信号波束中心指向要求的方位。

进一步地，所述接收阵列幅度控制单元包括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，所述接收ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述接收程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个接收天线阵元调制不同的衰减值，所述接收程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使接收天线合成波束中心指向要求的方位。

进一步地，所述中频信号处理单元包括依次相连的A/D变换器和FPGA信号处理板，所述A/D变换器用于将中频模拟信号转换为数字信号，所述FPGA信号处理板用于雷达数据处理，如图2所示。

本发明还提供一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)战情参数管理单元设置相应的仿真参数，包括雷达发射信号样式、工作频率、工作带宽、仿真空间环境参数；

战情参数管理单元给雷达信号源单元传递达发射信号样式、工作频率和工作带宽，雷达信号源单元根据战情参数管理单元提供的数据支持，生成满足要求的数字中频信号，经DA变换后产生模拟形式的雷达发射中频信号给上变频单元；

2)上变频单元根据仿真实验要求的工作频率，通过混频电路将雷达发射中频信号调制到要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

3)战情参数管理单元下发仿真空间环境参数给约束条件构造单元中的预知信息探测分析模块，预知信息探测分析模块根据仿真空域参数对相应的方位向进行扫描，得到不同方位向的强干扰的回波数据给强干扰及强回波方位角计算模块；

强干扰及强回波方位角计算模块采用最大幅度法和相应的判决门限，得到强干扰回波对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

方位向约束条件构造模块根据方位角，构造出约束条件w^TP(θ)＝0给阵列加权系数解算单元；

4)阵列加权系数解算单元根据约束条件，以及仿真参数管理单元下发的窗函数，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

5)发射阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

6)接收阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向，由接收天线阵列单元接收来自空间的雷达回波信号；

7)下变频单元将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；中频信号处理单元将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

其中，所述步骤4)中的通过非线性规划算法计算阵列加权系数，具体为，

4-1)对于阵列天线，若不采用加权因子，假设辐射方向为方位0度，则天线阵的方向图为式(1)，

其中，N为天线阵中阵元的数目，Ψ_n为第n个天线阵元的相对相位，Ψ_n以第一个天线阵元作为天线阵的相位参考，j为虚数单位，d为阵元间距、其以波长为单位，k为波数，k＝2π/λ，λ为发射信号的波长；

4-2)将式(1)用远场阵列的方向图表示为，

求和后并化简得，

|E(sinψ)|在ψ＝0取得最大值，对其归一化后的场强方向图为式(4)，

则归一化的辐射方向图为式(5)，

若辐射方向为ψ₀，将阵列的主波束扫描至角度正弦为sinψ₀处，由改变两个阵元的相位差来实现的，则归一化的辐射方向图为式(6)，

对应的第n个阵元的相对相位为

4-3)对各个天线阵元进行加权，并在指定的方位波束指向零陷的形成，使发射波束在指定方位的角度形成零陷外，其他方位不改变天线的方向图，使其误差最小；

采用非线性规划的方法实现最小误差，具体为，如图4所示，

4-3-1)得到原始的天线方向加权因子w0，其是一个N×1维的向量；

4-3-2)构造非线性规划的目标函数；

采用两个向量之间的2-范数来定义两个向量之间的误差，构造目标函数为式(7)，

其中，x(i)为待求解的阵列加权系数，ω0(i)为迭代初始值、即原始的天线方向加权因子w0，ω0(i)根据仿真参数管理单元下发的窗函数得到；

4-3-3)构造零陷约束条件；

a)指定需要形成零陷的角度θ，其由强干扰及强回波方位角计算模块得到；θ是一个矢量，对应在天线的多个方向上形成零陷，形成零陷的角度不在天线的主瓣内，形成零陷的角度的数目m≤N/2；

b)构造约束条件；

加权以后在指定的方向形成零陷，即指定的方向加权后的功率和接近于零，因此构造约束条件为式(8)，

w^TP(θ)＝0 (8)

其中，w为待求解的阵列加权系数向量，P(θ)为指定的零陷对应的方向的各个天线阵元的增益数值，若θ为一个矢量，则P(θ)为一个矩阵；

c)约束条件分析；

将P(θ)拆为两个实矩阵P_re(θ)和P_im(θ)，P_re(θ)对应于P(θ)的实部，P_im(θ)对应于P(θ)的虚部；这样，约束条件变为式(9)，

w^TP₁(θ)＝0 (9)

其中，P₁(θ)＝[P_re(θ)；P_im(θ)]；

4-3-4)利用非线性规划求解满足约束条件的最优加权值，输出新加权系列加权后的方向图，观测重新加权后的方向图是否满足要求，若满足则输出该方向图，若不满足则返回步骤4-3-1)。

其中，所述步骤5)中的发射阵列幅度控制单元括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，发射阵列幅度控制单元通过发射ROM存储器将阵列加权系数存储、通过发射调制程控衰减器对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制、通过发射程控移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述步骤6)中的接收阵列幅度控制单元括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，接收阵列幅度控制单元通过接收ROM存储器将阵列加权系数存储、通过接收调制程控衰减器对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制、通过接收程控移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向。

在仿真实验中，采用的阵列天线为阵元数位32的线性均匀线性阵列，辐射方位中心角度为0度。

按照本发明实现方法，对各个天线阵元进行加权，采用的窗函数包括矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克本窗、3阶卡塞尔窗、6阶卡塞尔窗或泰勒窗。需要注意的是，由于窗函数具有对称性，在设置零陷角的时候，如设置零陷角在+20°的时候，对称的会在-20°的地方出现零陷，这个问题对采用加窗函数幅度加权的所有方法中均存在。此外，考虑到线性方程组有解的条件限制，所以通常要求设置形成零陷的角度的数目应该不大于阵元数目的一半，即零陷的角度的数目m≤N/2，N为天线阵中阵元的数目。

仿真结果分析：

采用阵元数位32的线性均匀线性阵列，主波束指向为0°，即归一化后的辐射天线方向图为式(5)所示。

采用不同的窗函数对天线方向图进行加权，对比不同加权后的天线方向展宽和旁瓣压低的效果。采用的加权窗函数分别为矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克本窗、3阶卡塞尔窗、6阶卡塞尔窗和泰勒窗。

如图5所示为，采用矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克本窗4种窗函数加权后的天线辐射图；如图6所示为，采用矩形窗、3阶卡塞尔窗、6阶卡塞尔窗、泰勒窗4种窗函数加权后的天线辐射图。

由图5和图6可知，不同的窗函数对天线辐射图加权后，虽然会降低天线旁瓣的幅值，同时也会带来主瓣的展宽和主瓣幅度的降低。仿真中主波束的幅值均用矩形加窗函数的幅值的最大值作归一化处理。由图可知，除了泰勒(Taylor)窗以外，其余窗函数都会造成主瓣峰值的明显降低，且泰勒窗函数可以导致天线辐射图的主瓣展宽和较小，且第一旁瓣达到-30dB。其他窗函数则可以达到较低的旁瓣峰值，同时主瓣展宽和主瓣峰值的下降也很明显。在实际中可需要根据具体情况选择窗函数。

以下采用泰勒窗加权函数来验证非线性规划算法形成指定零陷点的效果。

在仿真中，以Taylor函数作为基准构件目标函数，设置零陷点为20°和75.4°，以此构造约束线性方程组约束条件，求解最优加权值后，利用约束条件下求得的最优权值对个天线阵元加权，仿真结果如图7和图8所示。图7所示为矩形窗加权与零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)，图8所示为泰勒窗加权与零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)。

由图7和图8的仿真结果可知，与矩形窗相比，第一旁瓣的峰值由-13.6dB下降到了-30dB，在-20dB时主瓣展宽约2°，主瓣峰值没有发生变化。

如图9所示为，指定零陷角处的零陷深度(零陷点为20°和75.4°)；由图7可知，在指定的零陷角20°和75.4°处形成了超过-140dB的零陷，对其他非零陷角度的辐射方向图(包括主瓣)影响都相对很小。

图10和图11中给出了对汉明窗函数使用该算法后形成零陷值的仿真结果，图10所示为矩形窗加权与汉明窗零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)，图11所示为汉明窗加权与汉明窗零陷加权后的幅值方向图(零陷点为20°和75.4°)。由图10和图11的仿真图可知，该算法对各种窗函数都可以优化，并在指定的零陷方位上形成超过-140dB的零陷，并且对辐射图的主瓣基本没有影响。

本发明的创新点在于，采用非线性规划算法，可以在指定的多个角度上形成零陷，求解过程较快；通过控制接收天线，控制良好的接收天线方向图，可以抑制特定空域的强散射体的干扰和特定空域的敌方电子干扰信号，以提高雷达工作的检测性能；通过控制发射天线，控制发射天线方向图，可以控制雷达规避特定方向的信号，以躲避敌方的电子侦察设备的侦察或反辐射导弹的攻击。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种辐射信号模拟装置，其特征在于：包括依次相连的约束条件构造单元、阵列加权系数解算单元、发射阵列幅度控制单元和发射天线阵列单元，依次相连的战情参数管理单元、雷达信号源单元和上变频单元，以及依次相连的接收阵列幅度控制单元、接收天线阵列单元、下变频单元和中频信号处理单元；所述阵列加权系数解算单元与接收阵列幅度控制单元相连，所述上变频单元与发射天线阵列单元相连；其中，所述发射天线阵列单元为若干发射天线阵元组成的一个发射天线阵列，所述接收天线阵列单元为若干接收天线阵元组成的一个接收天线阵列；

所述约束条件构造单元，用于预先测算出干扰源的位置或者威胁源的方位，构造出约束条件给阵列加权系数解算单元；

所述阵列加权系数解算单元，用于根据约束条件，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

所述发射阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述接收阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向；

所述战情参数管理单元，用于管理仿真参数、下发仿真参数、控制整个模拟实验进程，为雷达信号源单元提供数据支持，分别为约束条件构造单元和阵列加权系数解算单元提供仿真环境参数；

所述雷达信号源单元，用于根据战情参数管理单元提供的数据支持，产生相应的雷达波形，产生雷达发射中频信号给上变频单元；

所述上变频单元，用于将雷达发射中频信号调制到仿真实验要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

所述发射天线阵列单元，用于根据发射阵列幅度控制单元对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

所述接收天线阵列单元，用于根据接收阵列幅度控制单元对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向，接收来自空间的雷达回波信号；

所述下变频单元，用于将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；

所述中频信号处理单元，用于将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

2.根据权利要求1所述的一种辐射信号模拟装置，其特征在于：所述约束条件构造单元包括依次相连的预知信息探测分析模块、强干扰及强回波方位角度计算模块和方位向约束条件构造模块，所述方位向约束条件构造模块与阵列加权系数解算单元相连；

所述预知信息探测分析模块，为一个无源探测设备，用于通过在不同的方位向进行扫描，将扫描到的回波数据传递给强干扰及强回波方位角计算模块；

所述强干扰及强回波方位角度计算模块，用于根据回波数据，采用最大幅度法和相应的判决门限，计算得到强干扰位置对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

所述方位向约束条件构造模块，用于根据方位角构造约束条件。

3.根据权利要求1所述的一种辐射信号模拟装置，其特征在于：所述发射阵列幅度控制单元包括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，所述发射ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述发射程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个发射天线阵元调制不同的衰减值，所述发射程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使发射信号波束中心指向要求的方位。

4.根据权利要求1所述的一种辐射信号模拟装置，其特征在于：所述接收阵列幅度控制单元包括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，所述接收ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述接收程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个接收天线阵元调制不同的衰减值，所述接收程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使接收天线合成波束中心指向要求的方位。

5.根据权利要求1所述的一种辐射信号模拟装置，其特征在于：所述中频信号处理单元包括依次相连的A/D变换器和FPGA信号处理板，所述A/D变换器用于将中频模拟信号转换为数字信号，所述FPGA信号处理板用于雷达数据处理。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)战情参数管理单元设置相应的仿真参数，包括雷达发射信号样式、工作频率、工作带宽、仿真空间环境参数；

战情参数管理单元给雷达信号源单元传递达发射信号样式、工作频率和工作带宽，雷达信号源单元根据战情参数管理单元提供的数据支持，生成满足要求的数字中频信号，经DA变换后产生模拟形式的雷达发射中频信号给上变频单元；

2)上变频单元根据仿真实验要求的工作频率，通过混频电路将雷达发射中频信号调制到要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

3)战情参数管理单元下发仿真空间环境参数给约束条件构造单元中的预知信息探测分析模块，预知信息探测分析模块根据仿真空域参数对相应的方位向进行扫描，得到不同方位向的强干扰的回波数据给强干扰及强回波方位角计算模块；

强干扰及强回波方位角计算模块采用最大幅度法和相应的判决门限，得到强干扰回波对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

方位向约束条件构造模块根据方位角，构造出约束条件w^TP(θ)＝0给阵列加权系数解算单元；w为待求解的阵列加权系数向量，P(θ)为指定的零陷对应的方向的各个天线阵元的增益数值，θ为指定需要形成零陷的角度；

4)阵列加权系数解算单元根据约束条件，以及仿真参数管理单元下发的窗函数，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

5)发射阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

6)接收阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向，由接收天线阵列单元接收来自空间的雷达回波信号；

7)下变频单元将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；中频信号处理单元将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

7.根据权利要求6所述的一种辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤4)中的通过非线性规划算法计算阵列加权系数，具体为，

4-1)对于阵列天线，若不采用加权因子，假设辐射方向为方位0度，则天线阵的方向图为式(1)，

其中，N为天线阵中阵元的数目，Ψ_n为第n个天线阵元的相对相位，Ψ_n以第一个天线阵元作为天线阵的相位参考，Ψ为相位，j为虚数单位，d为阵元间距、其以波长为单位，k为波数，k＝2π/λ，λ为发射信号的波长；

4-2)将式(1)用远场阵列的方向图表示为，

求和后并化简得，

|E(sinψ)|在ψ＝0取得最大值，对其归一化后的场强方向图为式(4)，

则归一化的辐射方向图为式(5)，

若辐射方向为ψ₀，将阵列的主波束扫描至角度正弦为sinψ₀处，由改变两个阵元的相位差来实现的，则归一化的辐射方向图为式(6)，

对应的第n个阵元的相对相位为

4-3)对各个天线阵元进行加权，并在指定的方位波束指向零陷的形成，使发射波束在指定方位的角度形成零陷外，其他方位不改变天线的方向图，使其误差最小；

采用非线性规划的方法实现最小误差，具体为，

4-3-1)得到原始的天线方向加权因子w0，其是一个N×1维的向量；

4-3-2)构造非线性规划的目标函数；

采用两个向量之间的2-范数来定义两个向量之间的误差，构造目标函数为式(7)，

其中，x(i)为待求解的阵列加权系数，ω0(i)为迭代初始值、即原始的天线方向加权因子w0，ω0(i)根据仿真参数管理单元下发的窗函数得到；

4-3-3)构造零陷约束条件；

a)指定需要形成零陷的角度θ，其由强干扰及强回波方位角计算模块得到；θ是一个矢量，对应在天线的多个方向上形成零陷，形成零陷的角度不在天线的主瓣内，形成零陷的角度的数目m≤N/2；

b)构造约束条件；

加权以后在指定的方向形成零陷，即指定的方向加权后的功率和接近于零，因此构造约束条件为式(8)，

w^TP(θ)＝0 (8)

其中，w为待求解的阵列加权系数向量，P(θ)为指定的零陷对应的方向的各个天线阵元的增益数值，若θ为一个矢量，则P(θ)为一个矩阵；

c)约束条件分析；

将P(θ)拆为两个实矩阵P_re(θ)和P_im(θ)，P_re(θ)对应于P(θ)的实部，P_im(θ)对应于P(θ)的虚部；这样，约束条件变为式(9)，

w^TP₁(θ)＝0 (9)

其中，P₁(θ)＝[P_re(θ)；P_im(θ)]；

4-3-4)利用非线性规划求解满足约束条件的最优加权值，输出新加权系列加权后的方向图，观测重新加权后的方向图是否满足要求，若满足则输出该方向图，若不满足则返回步骤4-3-1)。

8.根据权利要求7所述的一种辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤5)中的发射阵列幅度控制单元括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，发射阵列幅度控制单元通过发射ROM存储器将阵列加权系数存储、通过发射调制程控衰减器对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制、通过发射程控移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述步骤6)中的接收阵列幅度控制单元括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，接收阵列幅度控制单元通过接收ROM存储器将阵列加权系数存储、通过接收调制程控衰减器对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制、通过接收程控移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向。

9.根据权利要求7所述的一种辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤4-1)中的阵列天线为阵元数位32的线性均匀线性阵列。

10.根据权利要求7所述的一种辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤4-3)中的对各个天线阵元进行加权，是采用窗函数对天线方向图进行加权，所述窗函数为矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克本窗、3阶卡塞尔窗、6阶卡塞尔窗或泰勒窗。