所谓白噪声，是一种随机信号，而随机信号根本谈不上频谱。白噪声的功率谱密度是一个常数。这是因为：白噪声的时域信号中任意两个不同时刻

2005年6月
第28卷第3期
舰船电子对抗
SHIPBOARD ELECTRONIC COUNTERMEASURE
Jun．2005
Vo1．28 No．3
雷达信号模拟器杂波的设计与实现
李淑萍
(船舶重工集团公司723所，扬州225001)
摘要：介绍了一种模拟雷达回波中杂波信号的方法：建立在杂波模型基础上，用软件产生模拟的杂波信号，
可以任意设定杂波模型、调整信杂比，使得测试更具普遍性。
关键词：杂波；瑞利分布；正态分布
中图分类号：TN955．3 文献标识码：B 文章编号：CN32。1413(2005)03．0056．03
Design and Realization of The Clutter in Radar Signal Simulator
LI Shu—ping
(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001。China)
Abstract：This paper introduces a method tO simulate clutter signal in the echo of radar，
which bases on clutter model，makes use of software tO produce simulant clutter signal，can
set up clutter model and adj ust signal clutter ratio wantonly，makes the test more universa1．
Key words：clutter；Rayleigh distribution；normal distribution
0 引 言
随着雷达技术的发展，现代雷达的功能不断
增多，系统越来越复杂，相应的在其研制过程中
用于调试和测试所要花费的人力、物力及财力也
越来越大，为此需要采用雷达信号模拟器。在多
数情况下，雷达模拟器可取代现场实验，最大限
度地降低研制成本，加快研制速度。对于那些计
划工作在偏远地区或恶劣环境的雷达，模拟方法
几乎是必不可少的。而且模拟器具有很强的灵
活性，可通过参数的改变，随意模拟各种实际可
能出现的情况(例如设定不同的气象条件，改变
目标的个数或参数，调整噪声功率等)，从而使测
试更具普遍性，方便地测试雷达各项性能指标。
从本质上讲，雷达是主动地发射电磁波脉
冲，然后接收环境中的各种散射体所反射回来
的、携带了关于该散射体信息的回波，从而实现
雷达的各种功能。然而，雷达的电磁环境中不可
避免地包含有除目标外的其它散射体(比如地
面、植被、雨雪或是人工电磁干扰等)，这些散射
收稿日期：2004一O8一O9
体的回波则形成了影响雷达性能的主要因素，即
杂波；另外，送入信号处理的雷达回波还混有接
收机的各种噪声。因此，目标回波、杂波和噪声
构成了雷达回波的三要素。雷达模拟器的主要
任务也就是怎样逼真地形成这3类信号。
噪声模型设为高斯白噪声，可用M 序列配
以查表法得到，目标回波的产生比较简单，对二
者的模拟就不展开讨论。杂波的产生是建立在
适当的杂波模型基础上的，一般将杂波视为规定
了幅度分布和功率谱形状的随机过程，常用的有
瑞利分布、对数正态分布，频谱为高斯谱或立方
谱等。本模拟器通过软件模拟回波中的杂波信
号，具有参数调整简便、定标准确的特点；而且可
以改变杂波的数学模型，模拟各种杂波，具有通
用性较强的优点。
1 杂波信号的产生原理
所谓雷达杂波，是指从我们感兴趣的目标以
外其他无源散射体所散射回来的信号。通常我
们感兴趣的目标是飞机、导弹、舰船等人造目标，
第3期 李淑萍：雷达信号模拟器杂波的设计与实现 57
而不感兴趣的无源散射体则是地物、云雨、海浪、
鸟群、箔条等无关目标。正是因为杂波的种类比
较多，统计特性各异，所以在对雷达回波信号的
模拟过程中，杂波信号的模拟是最重要且较复杂
的一部分。以下讨论各种杂波模型的选取，并介
绍一种产生杂波序列的方法。
1．1 杂波模型的选取
对杂波进行模拟，首先要选取杂波模型。由
于实际影响杂波统计特性的因素很多，所以无法
从理论上预测杂波的统计特性。最常见的方法
是根据实测杂波数据来寻找一定的数学模型与
之拟合。和杂波的分析手段相类似，其模型的确
定，也往往从幅度分布和功率谱特征两方面进行
描述。目前，各种资料对海杂波的分布函数意见
基本一致，认为海杂波分布处于瑞利分布和对数
正态分布之间，瑞利分布是理想情况，对数正态
分布是极限情况。瑞利分布的概率密度为：
一
1
唧(-- >
其功率谱是高斯型的，可表示为：
c(厂)一Coexp(一 ) (2)
对数正态分布的概率密度为：
P( )一 exp(一 )， >0 (3)
在低分辨率的雷达体制下，地杂波的幅度分
布服从瑞利分布，但在高分辨率的雷达体制下则
服从对数正态分布。其频谱分布除了在风速很
大时高频端有所伸展外，绝大多数情况为正态分
布。所以其功率谱表达式同式(2)。由于式(2)
中 r一! ( 为雷达工作波长)，所以可改写为：
c(厂)一Coexp(一簿) 4)
选用式(3)、式(4)为地杂波的数学模型。
气象杂波、箔条杂波的分布特性与海杂波、
地杂波的不同，前者服从体杂波的分布特性，后
者服从面杂波的分布特性。气象杂波的分布特
性处于瑞利分布和对数正态分布之间。箔条杂
波的幅度分布为指数分布，概率密度表达式为：
P( )一吉exp(一 )， 一0．15A N (5)
式中：N为有效箔条偶极子数量。
气象杂波和箔条杂波的功率谱分布较复杂，
根据设计要求可将其简化为正态分布。
1．2 正态谱分布随机序列的模拟
由以上讨论可以看出，对杂波模拟的核心问
题是如何模拟高斯谱分布的随机序列，下面将简
要地叙述如何用软件模拟幅度为对数正态分布、
功率谱为高斯型的随机序列。杂波产生过程可
用如图1所示的流程图直观说明。其中(1)、
(2)、(3)、(4)分别对应数据处理的过程。
(1)I均匀分I(2’I两路独I(3)I高斯功率I(4)I展宽了
— 叫布随机}．——．．1立的正卜_—叫谱的正态}_— l的杂波
I过程l l态序列l I 序列I I信号
图1 杂渡信号的严生
(1)素数模乘同除法
快速产生统计性质优良的均匀随机数是计
算机模拟随机序列的基础。在实际模拟前，总是
先产生[0，1]区间上均匀分布的随机数，然后再
作适当的变换，产生各种所需的随机数。采用素
数模乘同除法产生随机序列，其运算表达式为：
zf一 l+ b(modL) (6)
式中：L为素数。
以初值 。代入递推，可得[0，1]区间均匀分
布的随机序列{ }。通过计算机仿真，这样产生
的随机序列幅度分布满足均匀分布特性，功率谱
也基本为白色。
(2)数值变换
得到均匀分布的随机序列之后，可以简单地
将其转化为正态分布的白谱序列，比如用查表
法。但在模拟速度允许的前提下，可以使用公式
变换法。这种方法更加直观，而且大大减少了对
计算机硬件资源的占用。
此方法的核心是：设 。、 是[0，1]区间上
的2个相互独立的随机数，通过下式变换可以产
生均值为 ，方差为 的正态分布的随机数：
Yl— = os2 l— ) (7)
Yz一 (√= _cos2姐2一 ) (8)
(3)线性滤波
将高斯白噪声通过线性滤波器，得到正态功
率谱：
s( )一e-(弓)。一I H0o)I ·1 (9)
58 舰船电子对抗 第28卷
将谱函数Taylor展开，取高阶近似，求出滤
波器系数：
H ( )一 — — 一 (1o)
(扣)
f = 0
确定传递函数后，由双线性变换确定相应的
数字滤波器，对白谱高斯序列进行滤波，就可能
得到高斯功率谱的正态分布序列。
(4)展宽杂波信号
由于雷达发射的是非线性调频波形，回波信
号要经过脉冲压缩，所以我们需要模拟展宽后的
杂波信号。此过程也是线性滤波，用非线性调频
波形的采样序列与以上产生的高斯谱正态随机
序列卷积，就得到展宽后的杂波信号。
通过以上均匀分布序列产生、公式变换、滤
波等一系列过程，就可产生各种谱序列，完成对
杂波的模拟。
2 雷达信号模拟器杂波软件设计
及其实现
本雷达信号模拟器以PC机为基础，设计1
块扩展板作为专用硬件，采用软、硬件相结合的
方式进行雷达回波信号的模拟。图2是本模拟
器就杂波和目标的模拟给出软件所需的基类及
派生类。就杂波的派生类展开讨论。
图2 软件涉及的类层次
杂波分为海杂波、气象杂波、箔条杂波和地
杂波。这几类杂波无本质区别，仅多普勒频率中
心和谱宽不同。谱的形状统一设为高斯形。
杂波类的定义如下：
Class Clutter：public Output{
public：
Clutter()；／／初始化
protected：
complex Randomphase[]；／／随机相位数据
float RayleighData[]；／／瑞利分布随机数
)
初始化函数Clutter()完成初始化工作，准
备数据，为杂波计算节省时间。先产生Eo，2兀]
之间的随机数，并计算相应单位向量的正交分
量，再产生服从瑞利分布的随机数序列。
以海杂波为例，杂波子类定义如下：
Class SeaClutter：public Clutter{
public：
SeaClutter()；／／初始化
void SetCoefficient()；／／设定参数
void OverlayReserved()；／／重叠保留法完成分段卷
积，产生展宽波形
void GenerateClutter()；／／产生杂波
private：
complex ClutterSpectrum[-]；／／杂波谱形
float DopplerCenter；／／多普勒频率中心
float SpectrumWidth；／／杂波谱宽
Boolean CircorSec；／／扇形或环形控制
int CircStart ／／环形起点
int Circend；／／环形终点
int SecStart；／／扇区起点
int SecEnd；／／扇区终点
)
函数SeaClutter()按给定的多普勒频率中
心产生谱形。函数SetCoefficient()为用户界面
接口，设置各类参数。无论是扇区杂波还是环状
杂波在数据结构上都是一个二维矩阵，因此没有
本质区别。产生杂波时，假定杂波在空间上分布
独立。因此，以方位优先填充数据，再在距离方
向作脉冲压缩波形展宽处理。函数OverlayRe—
served()完成脉冲展宽功能。
3 结束语
本文介绍的这种通过附加硬件，用高速PC
机软件模拟雷达杂波信号的方法，已在实际中得
到应用，完成了雷达信号处理分机对信杂比、动
目标改善因子的测量，尤其是对动目标处理器的
调试起到了不可忽视的作用，节省了调试时间。
参考文献
Eli 曹志刚，钱亚生．现代通信原理[M]．北京：清华大
学出版社，1992．
[23 方再根．计算机模拟和蒙特卡罗方法[M]．北京：
北京工业学院出版社，1988．