11. 仿真¶
一般来说，电子战（EW）仿真是为了节省经费。然而，还有其他或许更为紧迫的理由去进行仿真。仿真能够在尚不存在的条件下，对操作员、装备和技术的性能进行逼真的评估。仿真还能在真实情况下可能导致人员丧命的环境中，为个人提供逼真的训练。
11.1 定义¶
仿真是指创造一种人工情境或刺激，使得结果表现得好像存在相应的真实情境或刺激。EW仿真通常涉及产生与敌方电子装备所发射信号相似的信号。这些人工信号用于训练操作员、评估EW系统与子系统的性能，以及预测敌方电子装备或其控制的武器的性能。
通过仿真，可以让操作员和EW设备在模拟威胁信号的作用下产生与军事交战中相同的反应。通常，仿真涉及根据操作员或设备对威胁信号的响应，对模拟威胁进行交互式更新。
11.1.1 仿真方法¶
仿真通常分为三个子类：计算机仿真、操作员接口仿真和仿真器（emulation）。计算机仿真也称为“建模”。操作员接口仿真通常直接称为“仿真”。这可能造成混淆，因为相同的术语既用来定义整个领域，也用来指代这一特定方法。三种方法都用于训练或测试与评估（T\&E）。表11.1展示了每种方法在不同目的下的使用频率。
11.1.2 建模¶
计算机仿真（或建模）在计算机中进行，利用数学表示来刻画敌我装备，并评估它们之间的相互作用。在建模中，不会生成信号，也不会生成战术操作员控制或显示的表示。其目的是评估能够用数学定义的装备和战术的交互。建模有助于对战略与战术的评估。一个场景被定义后，会实施几种不同的应对方式，并对结果进行比较。需要注意的是，任何仿真或仿真器都必须基于EW系统与威胁环境交互的模型，如图11.1所示。
11.1.3 仿真¶
操作员接口仿真指的是在建模场景运行的基础上，生成操作员显示并读取操作员控制输入，但不生成实际信号。操作员看到计算机生成的显示、听到计算机生成的音频，好像置身于战术情境之中。计算机会读取操作员的控制响应，并相应修改显示的信息。如果操作员的控制动作能够改变战术情境，这也会反映在显示中。
表11.1 仿真方法与目的
| 仿真目的 | 仿真方法 | ||
|---|---|---|---|
| 建模 | 仿真 | 仿真器 | |
| 训练 | 常用 | 常用 | 偶尔 |
| 测试与评估 | 偶尔 | 很少 | 常用 |
图11.1 任何类型的仿真都必须基于装备和/或战术情境的模型。
在某些应用中，操作员接口仿真通过仿真计算机驱动系统显示来实现。开关作为二进制输入读取，模拟控制（如旋钮音量控制）通常通过轴编码器提供计算机可读的旋钮位置。
另一种方式是在计算机屏幕上生成系统显示的人工表示。显示界面以系统显示的图片形式表现，通常除了实际表盘或CRT屏幕，还包括仪表板的一部分。控制元件则显示在计算机屏幕上，并通过鼠标或触控操作。
11.1.4 仿真器¶
当系统中有任何实际部分存在时，就会采用仿真器方法。仿真器生成的信号形式与其注入系统时的实际形式一致。虽然仿真器可用于训练，但几乎总是用于系统或子系统的测试与评估（T\&E）。
如图11.2所示，仿真信号可以注入系统的多个点。关键在于使注入的信号看起来和表现得像是经过整个系统，在模拟的战术情境中产生的。另一个关键点是，注入点下游发生的任何情况都可能影响注入点接收到的信号。如果是这样，注入的信号必须相应修改。
11.1.5 用于训练的仿真¶
用于训练的仿真以安全可控的方式让学员接触体验，从而学习或练习技能。在EW训练中，这通常涉及让学员体验到敌方信号，就像他们在军事岗位上会遇到的一样。EW仿真常与其他类型的仿真结合，提供完整的训练体验。例如，一种特定飞机的座舱模拟器可能包括EW显示，这些显示会像飞机飞入敌方电子环境中一样作出反应。训练仿真通常允许教员观察学员所见与其响应。有时，教员还能在训练演练后的总结中回放整个情境和响应，这是极为有效的学习体验。
图11.2 仿真信号可以注入EW系统的多个点，通常用于对注入点下游的子系统进行逼真测试。
11.1.6 用于测试与评估的仿真¶
用于装备测试与评估的仿真使得设备认为它正在执行设计任务。这可以像生成传感器所设计探测的信号那样简单，也可以像生成一个包含所有信号的逼真信号环境那样复杂，使得完整系统在较长的交战场景中体验到全部信号。此外，该环境还可能随着被测系统根据预设程序或操作员选择的控制和动作而发生变化。它与训练仿真的区别在于其目的是评估设备性能，而不是培养操作员技能。
11.1.7 EW仿真的保真度¶
保真度是设计或选择EW仿真器的重要考量。模型和呈现给系统及操作员的数据必须具备足够的保真度。对于训练仿真，保真度必须足以防止操作员识别出这是仿真（至少不能干扰训练目标）。对于测试与评估仿真，保真度必须足以提供超出被测设备感知阈值的注入信号精度。如图11.3所示，仿真成本通常会随着保真度的提高而呈指数级上升。然而，一旦达到学员或被测设备的感知水平，保真度的价值便不会再增加。
图11.3 仿真成本可能呈指数级增加，而一旦超过被测设备或学员的感知阈值，其价值便不再增加。
11.2 计算机仿真¶
计算机仿真涉及建立某种情境或装备的模型，并通过操控该模型来确定结果。在EW领域的重要仿真包括：
- 分析某EW装备在特定威胁场景下的性能，其中一个或多个威胁辐射源的信号按战斗场景的预期顺序作用；
- 分析电子控制武器与其目标之间的交战，包括施加不同EW装备的影响；
- 分析一架友机、一艘舰船或地面机动装备在各种EW防护条件下的生存能力，模拟其执行典型任务场景的过程。
11.2.1 模型¶
计算机仿真基于模型，在模型中每个“参与者”的相关特性都以数学形式表达。存在一个“游戏区域”，参与者在其中交互。需要注意的是，游戏区域可以有多个维度，如位置、频率、时间等。构建模型的步骤包括：
- 设计游戏区域。行动范围有多大？是否包括最高参与者的高度？参与者之间的影响范围多远？哪种坐标系对仿真最方便？通常可使用笛卡尔坐标系（x和y在平面零高度面上，z表示高度），零点位于游戏区域的一个角上。
- 如有需要，在游戏区域中加入地形高程。
- 描述每个参与者的特性。它有哪些属性？其他参与者的哪些具体行为会改变这些属性？它如何运动？每个属性必须以数值形式描述，运动必须用方程来表示，并将具体行为作为方程的元素。确定所需的模型分辨率并设置模型时间步长。
- 设置参与者的初始位置与状态。
一旦模型建立，仿真即可运行并得出结果。
11.2.2 舰船防护模型示例¶
图11.4展示了一个EW交战模型。它模拟了一艘舰船与一枚雷达制导反舰导弹之间的交战。舰船由箔条云团和诱饵保护。仿真会确定导弹偏离舰船的距离。如果偏离距离小于舰船尺寸，则判定导弹命中。
游戏区域必须足够大，能涵盖全部行动。当导弹到达舰船雷达地平线（约10 km外）时会开启雷达。由于我们不知道攻击方向，游戏区域必须至少覆盖舰船周围的一个\(10 \mathrm{~km}\)半径的圆。如果仿真中不考虑导弹末端的爬升和俯冲机动，则游戏区域可以是二维的。游戏区域的唯一其他元素是风，其具有速度和方向。
参与者包括舰船、导弹、诱饵和箔条云团。
舰船具有位置、速度矢量和雷达截面积（RCS）。如果舰船不转向，其位置可以通过在航行方向上按航速移动来计算。在某些条件下，当探测到导弹雷达时，可以进行最大速率转向。对于任何舰船在任何航速下，最大速率转向的前进与横向位置都可以通过表格获得。航迹呈螺旋状，因为转向会使舰船减速。舰船的RCS可通过图形或表格形式，按舰艏方向角和仰角表示。
图11.4 导弹与EW防护舰船之间的交战模型还将包括所有防护资产。
导弹具有位置、速度矢量和雷达参数。通常，导弹以恒速飞行，保持在海面上方一个小的固定高度。其飞行方向由雷达接收的信号决定。导弹的位置由其上一次位置加上速度乘以计算间隔得到，方向由雷达决定。确定该方向是仿真的核心，将在下文介绍。我们假设导弹雷达为脉冲型，采用垂直扇形波束。重要的雷达参数包括有效辐射功率（ERP）、频率、脉冲宽度、水平波束宽度和扫描参数。如果舰船使用雷达探测来袭导弹，那么导弹的RCS也很重要。在此示例中，我们假设舰船仅能探测到导弹的雷达。
箔条云团具有位置、速度矢量和RCS。其速度矢量由风决定，因为云团随风漂移。对于任何特定频率（即导弹雷达的工作频率），箔条云团的RCS是固定的。在本次仿真中，假设箔条云团处于最大化RCS的最佳高度。
诱饵具有位置、速度矢量、增益和最大输出功率。它接收雷达信号，并以可能的最大ERP重发这些信号——即接收功率经过诱饵的通道增益（包括天线增益）放大后发射。诱饵的通道增益形成一个有效的RCS。有趣的是，预激发振荡器诱饵在接收到的雷达信号最弱时（即最大作用距离）产生最大RCS，随着导弹接近诱饵，RCS按距离平方减小。如果诱饵是漂浮的，它将完全不动。它也可以是一种按预设模式运动的诱饵，以引诱导弹远离舰船。
11.2.3 舰船防护仿真示例¶
仿真从舰船以某一方位航行、导弹在距离舰船10 km处开启雷达并以巡航速度朝舰船飞行开始。
导弹雷达扫描一个角度区段，直到获取目标。如果在雷达开启前已投放了诱饵或箔条云团，导弹可能会锁定它们而不是舰船；然而，我们假设最坏情况——导弹雷达锁定舰船。获取目标后，雷达会引导导弹朝舰船雷达回波方向飞行。
如图11.5所示，导弹雷达的分辨单元深度等于脉冲宽度乘以\(0.3 \mathrm{~m}/\mathrm{ns}\)。（注意，这个值常用于涉及舰船箔条防护的计算，而对于机载或地基雷达则使用该值的一半。）分辨单元的宽度等于雷达\(3-\mathrm{dB}\)水平波束宽度一半正弦值的两倍再乘以雷达到目标的距离。分辨单元是雷达无法区分两个目标回波的区域。如果分辨单元内存在两个目标，雷达会将其视为一个目标，该目标位置在两者之间，并按相对RCS大小偏向更强回波的位置（见图11.6）。当导弹距离舰船较远时，分辨单元较宽；当其接近时，分辨单元逐渐收窄。如果导弹击中舰船，则在撞击瞬间分辨单元宽度为零。
图11.5 雷达分辨单元是脉冲宽度和天线波束宽度的函数。
图11.6 导弹雷达使其分辨单元始终对准最强回波信号看似发出的地点。这可能是分辨单元内两个或多个物体的组合。
如图11.7所示，在每一个计算间隔内，导弹按其速度乘以计算间隔的距离，向表观目标位置移动。
从导弹雷达的角度看，舰船的RCS为其在雷达频率下、雷达相对于舰艏的角度处的RCS。如果舰船转向，或导弹的观测角变化，RCS也会随之改变。箔条云团的RCS在交战中保持恒定。诱饵的RCS取决于接收到的雷达功率以及诱饵的ERP。
随着分辨单元收窄，防护装置或舰船之一将脱离分辨单元——假设它们不在导弹的飞行方向上。如果防护装置在关键时刻提供更强的RCS，它将捕获导弹的分辨单元并保护舰船。如果分离几何条件或相对RCS不足以捕获分辨单元，导弹将命中舰船。
图11.7 在一个时间增量内，导弹向其雷达分辨单元中心移动一个计算距离。
11.3 交战场景模型¶
在11.2节中，我们讨论了一个反舰导弹与由箔条和诱饵保护的舰船之间的计算机交战模型。本节将向简化模型中引入一些数值，以展示交战模型的实现方法。分析的目标是确定导弹是否脱靶，以及偏离舰船的距离。尽管可以使用任何计算程序，这里我们采用电子表格。
请注意，这里并未暗示所用战术是舰船防御的最佳方式。目的在于利用模型分析在采用这些战术时会发生什么。图11.8展示了仿真情境。为简化起见：雷达分辨单元用矩形表示；舰船的RCS特性被大幅简化；仅考虑导弹、舰船和箔条云团；交战从箔条云团已完全展开至最大RCS时开始。所有数值以一致单位输入模型。
图11.8 在这个简化交战模型中，舰船仅由箔条保护；导弹飞向雷达分辨单元的中心。
11.3.1 模型中的数值¶
以下数值用于描述交战中的游戏区域和参与者：游戏区域为公海，风速\(2.83 \mathrm{~m}/\mathrm{sec}\)，风向方位角\(45^{\circ}\)。游戏区域采用以舰船为中心的二维坐标系。交战的时间分辨率为\(1 \mathrm{sec}\)。舰船以\(12 \mathrm{~m}/\mathrm{sec}\)的速度正北航行，并在交战中保持航向。舰船的雷达RCS如图11.9所示。
仿真开始时，导弹位于距舰船6 km、方位角\(270^{\circ}\)的位置。其雷达已锁定舰船。导弹以\(250 \mathrm{~m}/\mathrm{sec}\)的速度贴近水面飞行，装备有\(5^{\circ}\)宽的垂直扇形波束天线。假设天线在波束内增益均匀，波束外增益为零。雷达脉冲宽度为\(1 \mu \mathrm{sec}\)。导弹指向其分辨单元的中心，该中心位于分辨单元内的表观雷达回波（即若有两个目标在分辨单元内，则中心位置在两者之间，按RCS大小比例偏向较大者）。箔条云团已完全展开，RCS为\(30,000 \mathrm{~m}^{2}\)，位于雷达分辨单元的左下角。由于问题中未包含诱饵、干扰机或ESM系统，且舰船与箔条云团均为无源雷达反射器，因此无需指定雷达的ERP、天线增益或工作频率。
图11.9 在本分析中，受保护舰船的RCS为\(10,000 \mathrm{~m}^{2}\)，但在舰艏\(90^{\circ}\)两侧\(2^{\circ}\)范围内例外。RCS是对称的（左右）。
11.3.2 使用箔条的舰船防御¶
箔条的最佳投放位置是在雷达分辨单元内，并且处于能够使风产生舰船与箔条云团最大分离的位置。
雷达分辨单元在箔条云团进入前始终以舰船为中心——当箔条云团进入分辨单元后，舰船与箔条云团开始分离。箔条随风漂移，而舰船继续航行。仿真的目的是确定交战过程中导弹与舰船的相对位置。
首先，考虑游戏区域中各参与者的初始位置：舰船位于原点\((0/0)\)；箔条云团位于\(x=-125 \mathrm{~m}\)，\(y=-250 \mathrm{~m}\)；导弹位于\((-6000/1)\)。箔条的速度矢量为\(2.83 \mathrm{~m}/\mathrm{sec}\)，方位角\(225^{\circ}\)，因为它随风漂移。导弹的速度矢量为\(250 \mathrm{~m}/\mathrm{sec}\)，方向指向分辨单元中的表观目标（即分辨单元中心，如图11.10所示）。雷达能看到分辨单元内的所有目标，并将其分辨单元位置调整为所有物体RCS之和的表观位置。
每秒，交战场景程序使用电子表格公式计算所有参与者的位置和速度矢量。图11.11是用于计算舰船和/或箔条云团是否仍在雷达分辨单元内的示意图。
图11.12展示了如何建立计算的电子表格。第2–16行包含问题的输入参数。第19–42行是交战的实际计算。B列显示交战开始时的状态；C列显示1秒后所有参与者的位置，同时计算速度矢量并判断舰船或箔条云团是否仍在分辨单元内；D列显示输入到电子表格C列中的公式。需要注意（或许会感到惊讶）的是这里只展示了交战的第一秒。如果想知道导弹是否击中舰船，就需要将公式输入到C列，删除D列，并将C列复制到许多后续列。公式会自动递增到正确的引用单元。第31行显示导弹与舰船的距离。如果该距离为零，舰船被击中。如果导弹脱靶，则导弹与舰船的距离将先减小到最小值（脱靶距离），再增大。
运行问题时会注意到，在交战初期，舰船的RCS占主导，直到几何关系变化使导弹离开舰船的高RCS角度。第24行的公式用反正切公式计算方位角。公式之所以复杂，是由函数的性质决定的。在判断舰船或箔条云团是否在导弹雷达分辨单元内的计算中，图11.11中的数值通过三角恒等式推导，以避免计算实际角度的复杂性。
图11.10 在本例中，我们使用矩形简化表示雷达的分辨单元。
此外，当导弹距离舰船仅剩1秒航程时，最好将时间分辨率提高到0.1秒，以更精确地计算最小导弹-舰船距离。
图11.11 本图用于计算舰船和/或箔条云团是否在雷达分辨单元内。
图11.12 交战计算电子表格。
11.4 操作员接口仿真¶
一种重要的仿真类别仅重现操作员接口。这有时被简称为“仿真”，与“仿真器”相对，后者涉及在过程中某一点生成实际信号来驱动操作员接口。在操作员接口仿真中，仅包括操作员所见、所听、所触的部分。幕后发生的一切对操作员而言是透明的，因此只有当其反映在操作员接口上时才重要。
在大多数情况下，完全通过软件仿真一种军事交战或装备交互是可行的。这样就能确定操作员在这种假设情境下会看到、听到和感受到什么。同样也能监测操作员采取的动作，并判断情境如何随之变化，以及这种变化如何被操作员感知。操作员接口仿真器通常基于装备和交战的数字模型运行，以确定合适的操作员接口并呈现给操作员。
如果能实时感知操作员的动作（且具备足够保真度），并让操作员实时体验由此产生的情境（且具备足够保真度），那么就能提供必要的训练体验。
到目前为止，我们所讨论的几乎就是飞行模拟器，但这一切同样适用于教授EW装备操作的仿真。事实上，这类仿真可（且已经被）应用于飞行模拟器或任何其他军事平台中，训练EW装备的作战使用。
11.4.1 主要用于训练¶
首先要理解，操作员接口仿真与评估被模拟设备的性能无关。其主要价值在于训练操作员执行各种任务，这些任务从简单的“旋钮操作”（即哪个旋钮对应哪个功能？）到极度紧张情境下的EW装备复杂操作，能够提供逼真的战斗体验而不会造成伤亡。操作员接口仿真的另一个用途是评估某系统所提供的操作员接口是否足够完善，判断系统的控制和显示是否足以让操作员完成必须的任务。
11.4.2 两种基本方法¶
操作员接口仿真有两种基本方法。一种是提供系统的实际控制与显示面板，但由计算机直接驱动，如图11.13所示。这种方法的优点是能提供逼真的操作员训练体验。真实的旋钮在应有的位置，并且大小和形状正确。显示具有正确的闪烁水平等等。这种方法有三个问题：设备可能是昂贵的军规（mil-spec）硬件，需要维护，并且通常需要特殊硬件和软件将系统硬件与计算机接口。军规硬件价格昂贵，额外的接口设备必须构建并维护。这些都会增加成本。
图11.13 操作员接口仿真可以通过实际系统控制与显示面板实现，由仿真计算机直接驱动。
显示通过注入与设备实际使用时相同形式和格式的显示信号来驱动。同样，从操作员控制/显示面板发出的信号被感知并转换为计算机最易接收的形式。
第二种方法是使用标准商用计算机显示器来模拟操作显示。控制件可以由商用零件制作，或在计算机屏幕上仿真并通过键盘或鼠标操作，如图11.14所示。
图11.15展示了一种AN/APR-39A雷达告警接收机座舱显示的计算机仿真。屏幕上的符号会随模拟飞机机动而移动。在该仿真中，控制开关也显示在屏幕上。如果操作员用鼠标点击开关，屏幕上的开关会改变位置，系统对该动作的响应也会被仿真。
如果使用模拟控制面板，而不是屏幕上的控制图片，则需要感知控制并将其位置输入计算机。图11.16展示了基本技术。每个开关在打开时会向数字寄存器的特定位置提供逻辑电平“1”电压。具体电压取决于所用逻辑类型。或者，开关在打开时可能仅接地该位置。对于模拟控制（例如旋钮），使用轴编码器。轴编码器通常在控制旋转几度时提供脉冲，上/下计数器将这些脉冲转换为数字控制位置字，并输入到寄存器中的适当位置。
图11.14 操作系统的控制与显示可通过标准商用计算机外设来实现。
图11.15 这是一个计算机仿真的操作员接口再现（原图由I3C公司提供）。
计算机会周期性读取寄存器，以感知控制位置。这是一个非常低速的过程，因为人手动作的速度较慢。
11.4.3 保真度¶
模拟操作员接口所需的保真度由简单的标准决定：如果操作员无法感知，就无需纳入仿真。保真度的要素包括控制响应精度、显示精度以及二者的时间精度。先来看时间保真度。人眼需要大约42毫秒才能接收一幅图像。因此，如果显示以每秒24次更新（如电影），操作员会感知为平滑的动作。在涉及操作员周边视觉的仿真中，动作必须更快。周边视觉更敏感，因此在24帧/秒的显示中会察觉到闪烁。电影（可能在广角屏幕上播放）的解决办法是每帧显示两次光源闪烁，使周边视觉无法跟随48帧/秒的闪烁率。
图11.16 在模拟控制面板中，控制位置必须转换为数字字以输入计算机。
另一项感知因素是，人类对光暗模式（即运动）变化的感知速度比对颜色变化的感知更快。视觉显示的这两个要素称为“亮度”和“色度”。在视频压缩方案中，通常做法是以两倍于色度的速率更新亮度。
与时间相关的另一个仿真关键考虑是我们对自身动作结果的感知。魔术师常说“手比眼快”，但这并不正确。即使最快的手部动作（例如再次按下秒表按钮）也需要150毫秒以上。可以试试看，在电子表上最短能反应多少时间。然而，人类可以更快地感知视觉变化。例如，当你打开电灯开关时，期望灯立刻亮起。只要灯在42毫秒内点亮，你的体验与真实情况无异（见图11.17）。在操作员接口仿真中，仿真器必须跟踪二进制开关动作以及旋钮转动等模拟控制动作。虽然我们对旋钮转动结果的感知不如开关精确，但假设旋钮位置应在42毫秒内转化为视觉反馈，才能达到完整的时间保真度。
位置精度则更复杂。人类不擅长感知位置或强度的绝对值，但非常擅长感知相对差异。这意味着如果两个物体应处于相同角度或距离，我们能察觉它们之间极小的差异。另一方面，如果二者同时偏离几个度数或几个百分点的距离，我们可能不会注意到。这就产生了索引游戏区域的需求，将在后文介绍。
图11.17 为实现理想的保真度，从控制动作到显示呈现的总时间不应超过42毫秒。
11.5 操作员接口仿真的实际考量¶
在操作员接口仿真中，有一些不那么显而易见的因素必须考虑。包括EW仿真与其他类型仿真的协调、真实硬件中异常效应的表现、过程延迟，以及“足够好”的概念。
11.5.1 游戏区域¶
在11.2节中我们简要提到，游戏区域应足够大以容纳所有“参与者”。为了更清晰，考虑支持带有EW的飞行模拟器的模型中游戏区域的含义。
如图11.18所示，游戏区域是地面以上的一个空间盒子。其高度是模拟中最高飞行器（或威胁飞行器）的最大飞行高度。其x和y轴覆盖了被模拟飞行器任务的整个飞行航迹，以及所有将被模拟飞行器系统观测到的威胁（空中或地面）。
图11.18 EW游戏区域包括所有参与者。每个参与者根据自身传感器感知相对地感知其他参与者。
安装在模拟飞行器上的任何传感器与飞行器在游戏区域中具有相同位置。其\(x,y,z\)值由模拟器“飞行员”的飞控操作决定。威胁的\(x,y,z\)值由模型决定。
传感器对威胁的观测由它们的瞬时相对位置决定。距离和视角由\(x,y,z\)值计算。这些参数反过来决定驾驶舱显示器中显示的内容。
11.5.2 游戏区域索引¶
飞行模拟器中通常存在多个游戏区域——每种传感器对应一个。EW游戏区域包括所有EW威胁。雷达地貌游戏区域包括地形形状。视觉游戏区域包括飞行员所见的一切——地形、建筑物、其他飞机以及威胁的视觉特征。
为了在飞行模拟器中提供逼真的训练，驾驶舱显示向操作员呈现的各种情况必须一致。敌机在驾驶舱视角中的位置与表观大小由模拟飞行器和建模敌机的相对位置和方向决定。如图11.19所示，EW系统显示（此处为雷达告警接收机屏幕）应在相应位置显示威胁符号，且该位置符合敌机的类型、距离和角度。同样，平面位置指示器雷达显示应在相应距离与方位显示回波。
控制模拟飞行员所见提示一致性的机制是规定各种游戏区域的索引。例如，如果规定游戏区域索引为100英尺：
- 雷达和视觉显示应在100英尺范围内显示地面上任意点的相同高度；
- 模拟飞行器和所有其他参与者的位置在所有游戏区域中应在100英尺范围内保持一致；
- 视距判断和由此产生的显示数据变化应在100英尺精度内。
图11.19 游戏区域的索引决定了各系统显示和视觉仿真之间信息一致性的精确程度。
11.5.3 硬件异常¶
仿真的一条原则是，仿真器设计要负责“仿真点”上游的所有内容。如图11.20所示，仿真器在“仿真点”处提供输入，模拟左侧的所有设备和/或过程，以供右侧的设备与过程作用。仿真点右侧的硬件和过程中的问题对模拟输入的影响与其对真实输入的影响相同。然而，左侧过程中的异常（由于被仿真而实际上不存在）不会出现，除非将其纳入仿真。
人们往往假设所有模拟硬件和软件都能如预期工作，并将这种理想操作纳入仿真。不幸的是，当设备遇到真实环境时，有时会出现“创造性”问题。由于操作员接口仿真器模拟了大部分甚至全部硬件，它通常要负责所有设备异常。
图11.20 仿真器负责仿真点上游的一切。
图11.21展示了EW系统中硬件异常的真实案例。早期的一种数字RWR，其系统处理器将威胁位置信息收集到“箱体”（固定存储位置）中。系统从每个活动位置（相对于飞机的距离和到达角）收集当前威胁数据，并在固定时间后“超时”并丢弃旧数据。其存储时间设置使得飞机可以在旧数据超时前快速转弯激活新箱体。因此，在某些操作条件下，单个SA-2导弹阵地可能会显示为多个不同角度的阵地。图中情况展示的是飞机进行高过载左转时接收到的强SA-2信号的实际距离数据。
如果该系统在训练模拟器中被仿真，但这种硬件异常未被再现，那么学员将被训练成只预期正确符号。这被称为“负训练”，应尽可能避免。
图11.21 早期的数字雷达告警接收机在飞机高过载转弯时显示额外的虚假威胁信号。
11.5.4 过程延迟¶
在操作员接口仿真器设计中必须考虑的典型软硬件问题是过程延迟。延迟是某个过程完成所需的时间。尤其在计算机较慢的旧系统中，处理延迟可能与操作员眼睛24帧/秒的更新率相比显得显著。这可能导致，例如，当飞机高速滚转时，符号显示位置错误。
模拟器为人为创建某些战术情境所需数据的处理，可能比系统在真实环境中执行任务的处理更复杂，也可能更简单。
此外，仿真计算机可能比真实计算机更快或更慢。重要的是要确保模拟器的过程延迟（无论过大或过小）不会导致负训练。
11.5.5 “是的，但够好吗？”¶
我们一直从人类感知角度讨论仿真所需的保真度。但这并非总是正确答案。保真度往往是模拟器成本的重要驱动因素，而超过训练需求的保真度则是浪费。真正的问题是：“仿真需要多好，才能使学员掌握训练目标所需的技能？”一个很好的例子是视觉显示的图形质量。如果敌机看起来“粗糙”，但运动方式正确，训练仍然有效。需要注意的是，这些评论专门针对训练仿真；在讨论用于设备测试与评估的仿真时，适用的标准会有所不同。
11.6 仿真器（Emulation）¶
仿真器涉及生成真实信号，由接收系统或其部分接收。这么做的目的是测试系统（或子系统），或训练操作员操作设备。
为了仿真威胁辐射，必须了解所发射信号的所有要素，并理解该信号在传输、接收和处理的每个阶段会发生什么。接着，设计一个在路径某特定阶段看起来像真实信号的信号。该信号被生成并在所需点注入过程。要求是仿真点下游的所有设备“认为”它们在作战情境中看到的是真实信号。
11.6.1 仿真信号生成¶
如图11.22所示，仿真（emulation）与其他类型的仿真一样，首先从待仿真的模型开始。首先必须对威胁信号的特性建模。然后，需要建模EW系统将如何感知这些威胁。该交战模型决定系统将看到哪些威胁，以及在何种距离和入射角下看到各个威胁。最后，还必须建立EW系统的某种模型（或至少部分模型）。必须存在这样的系统模型，因为注入的信号将被修改，以模拟注入点上游所有部分的作用。这些上游部件也可能受到下游部件动作的影响，例如自动增益控制和预期的操作员控制动作。
图11.22 仿真根据威胁、交战和被注入信号的设备模型生成注入信号。
11.6.2 仿真注入点¶
图11.23展示了威胁信号在整个发射、接收和处理路径中的简化图，以及仿真信号可以注入的点。表11.2总结了选择各注入点所需的仿真任务，以下讨论对相关应用与意义进行展开。
图11.23 威胁信号的仿真可在传输/接收/处理路径中的多个点注入。
表11.2 仿真注入点
| 注入点 | 注入技术 | 仿真路径部分 |
|---|---|---|
| A | 全能力威胁模拟器 | 威胁调制与工作模式 |
| B | 广播模拟器 | 威胁调制与天线扫描 |
| C | 接收信号能量模拟器 | 发射信号、传输路径损耗与入射角效应 |
| D | 射频信号模拟器 | 发射信号、路径损耗及接收天线效应（包括入射角） |
| E | 中频信号模拟器 | 发射信号、路径损耗、接收天线效应及射频设备效应 |
| F | 音频/视频输入模拟器 | 发射信号、路径损耗、接收天线与射频设备效应，以及中频滤波器选择效应 |
| G | 音频/视频输出模拟器 | 发射信号、路径损耗、接收天线与射频设备效应，以及中频滤波器与解调效应 |
| H | 显示信号模拟器 | 整个传输/接收/处理路径 |
注入点A 全能力威胁模拟器：该技术创建一个可独立运行的威胁模拟器，通常能完成真实威胁能做的所有事情。它通常安装在一个载体上，以模拟实际威胁的机动性。由于使用与威胁发射机相同的真实天线，天线扫描非常逼真；多个接收机在不同时间、适当距离接收到扫描波束。整个接收系统的运行可被观察。然而，该技术一次仅能生成一个威胁，且通常成本很高。
注入点B 广播模拟器：该技术直接向被测接收机发射信号。发射信号将包括威胁天线扫描的仿真。其优点是单个模拟器可以发射多个信号。如果使用高增益定向天线，仿真信号可在较低功率下传输，并通过窄波束宽度降低对其他接收机的干扰。
注入点C 接收信号能量模拟器：该技术将信号直接传输到接收天线，通常使用隔离帽限制传输到选定天线。优点是能测试整个接收系统。来自多个隔离帽的协调传输可用于测试多天线阵列，例如测向阵列。
注入点D 射频信号模拟器：该技术注入一个看似来自接收天线输出的信号。其频率与发射频率相同，且信号强度与天线接收到的信号一致。信号幅度被调整，以模拟天线增益随入射角的变化。对于多天线系统，通常将协调的射频信号注入各射频端口，以模拟天线在测向操作中的协同作用。
注入点E 中频信号模拟器：该技术将信号注入系统的中频（IF）端口。其优点是不需要合成器来生成全频段的传输频率（因为系统会将所有射频信号转换为IF）。然而，模拟器必须感知EW系统的调谐控制，以便仅在系统前端（若存在）调谐到威胁信号频率时才注入IF信号。任何类型的调制都可应用于IF注入信号。IF输入信号的动态范围通常小于射频电路必须处理的动态范围。
注入点F 音频/视频输入模拟器：该技术仅在中频与音频/视频电路接口特别复杂时才适用。通常应选择注入点E或G。
注入点G 音频/视频输出模拟器：这种非常常见的技术将音频或视频信号注入处理器。注入信号包含路径上游所有元件的效应，包括由处理器或操作员启动的任何上游控制功能的效应。尤其在使用数字驱动显示的系统中，该技术能以最低成本提供出色的逼真度。它还允许在最低仿真复杂度和成本下检验系统软件。它可以模拟系统天线接收到的多个信号。
注入点H 显示信号模拟器：这与前面讨论的操作员接口仿真不同，因为它将信号注入到实际向操作员显示的硬件中。仅在使用模拟显示硬件时适用。它既能测试显示硬件的工作，也能测试操作员对该硬件的操作（可能是复杂的）。
11.6.3 注入点的一般优缺点¶
总体而言，信号注入位置越靠前，EW系统操作仿真就越逼真。如果需要在仿真信号中准确再现接收设备的异常情况，则必须谨慎。总体而言，注入位置越靠后，仿真就越简单、成本越低。通常，发射型仿真技术必须限制在非机密信号，因此不能使用真实敌方的调制与频率。然而，采用硬线将信号注入EW系统的技术可以使用真实信号特性，以便在软件测试和操作员训练中实现最逼真的效果。
11.7 天线仿真¶
在将信号输入接收机的仿真器中，必须生成由接收天线引起的信号特性。
11.7.1 天线特性¶
天线的特性包括增益和方向性。如果接收天线对准发射机方向，则接收到的信号会因天线增益而增强。该增益随天线类型、尺寸和信号频率不同，大约在-20 dB到+55 dB之间。天线的方向性由其增益方向图提供。增益方向图显示天线相对于波束中心在不同入射角下的增益。
11.7.2 天线功能的仿真¶
在天线仿真器中，波束中心增益（也称主瓣峰值增益）通过增加（或减少）射频信号发生器输出功率来模拟。模拟DOA（到达方向）则稍微复杂。
如图11.24所示，每个“接收”信号的DOA必须编程输入到仿真器中。在某些仿真器系统中，单个射频发生器可以模拟多个不同的非同时发射源。这些信号通常为脉冲信号，但也可以是其他短占空比信号。在这种情况下，天线仿真器必须提前接收指令，知道正在模拟哪个发射源，以便设置相应参数。并非所有系统都具备天线控制功能，但若具备，通常会旋转单根天线或选择多根天线。
对于定向天线（与全向增益天线不同），信号发生器输出的信号会随天线波束中心到模拟DOA的角度变化而衰减。天线方向由读取天线控制功能的输出确定。
图11.24 天线仿真器必须为接收机提供包含天线接收到的所有发射源信号的输入。
11.7.3 抛物面天线示例¶
图11.25展示了抛物面天线的增益方向图。天线增益最大的方向称为波束中心。当发射源的DOA偏离该角度时，该信号所对应的增益迅速下降。增益方向图在主瓣边缘经过零点后形成旁瓣。图中模式为单维（如方位），还会有正交方向的模式（此处为俯仰）。该增益方向图通过在无回波暗室中旋转天线测得。测得的增益方向图可存储为数字文件（增益与角度对应），并用于确定模拟任意入射角时所需的衰减。
图11.25 在典型的天线仿真器中，到达方向通过调整信号强度来再现天线在该角度的增益。
虽然真实天线的旁瓣幅度不均匀，但天线仿真器中的旁瓣通常恒定。它们的幅度低于波束中心水平，差值等于模拟天线规定的旁瓣隔离度。
如果仿真是为测试配备旋转抛物面天线的接收系统，那么每个模拟目标信号会以包含天线波束中心增益的强度输入仿真器。随后，随着天线控制功能旋转天线（手动或自动），天线仿真器会增加适当的衰减，以模拟该偏离角度下的接收天线增益。偏离角度的计算方法如图11.26所示。
11.7.4 RWR天线示例¶
雷达告警接收机（RWR）常用的天线在波束中心具有峰值增益，该增益随频率变化显著。然而，这些天线被设计为最佳增益方向图。在其工作频率范围内，增益斜率大体符合图11.27所示，即增益按角度相对于波束中心的偏离量恒定下降（以dB计），直到\(90^{\circ}\)。超过\(90^{\circ}\)后，增益可以忽略（即处理会忽略天线在此角度的信号）。
图11.26 每个模拟威胁信号被分配一个方位角，相应地计算偏离角。
复杂之处在于天线增益方向图相对于波束中心呈圆锥对称。这意味着天线仿真器必须产生与天线波束中心到每个信号DOA的球面角成比例的衰减，如图11.28所示。
这些天线通常安装在飞机机头的\(45^{\circ}\)和\(135^{\circ}\)位置，并略微向下倾斜至偏航平面以下。此外，战术飞机通常不会保持机翼水平，因此可能从任何（球面）入射角受到威胁攻击。
计算偏离角的常见方法是：首先计算威胁在飞机位置处的入射方位与俯仰分量，然后建立一个球面三角形，计算每个天线波束中心与指向发射机的矢量之间的球面角。
图11.27 典型RWR天线的增益方向图相对于波束中心以固定dB/度速率下降——真实球面角。
图11.28 天线波束中心与信号到达方向之间的真实角度取决于发射机与接收机的相对位置，以及天线所在载具的姿态。
在典型的RWR仿真器应用中，飞机上的每根天线对应一个输出端口（通常为4根或更多）。会为每个天线输出计算威胁与该天线波束中心的球面角，并据此设置衰减。
11.7.5 其他多天线仿真器¶
通过测量两个天线接收信号相位差的测向系统（干涉仪）需要非常复杂的仿真器——或者非常简单的仿真器。要实现连续可变的相位关系非常复杂，因为相位测量非常精确（有时达到电度的分数）。因此，许多系统通过使用具有适当长度关系的电缆组来创建单个DOA的正确相位关系进行测试。
11.8 接收机仿真¶
上一节讨论了天线仿真。天线仿真器产生的信号输入接收机，好像接收机处于某个特定的作战环境中一样。本节将讨论如何对接收机进行仿真。
如图11.29所示，射频发生器可以产生表示到达接收机位置的发射信号的信号。天线仿真器会调整信号强度，以再现接收天线的作用。接收机仿真器随后确定操作员的控制动作，并产生相应的输出信号，就像接收机在该方式下被控制一样。
通常，仅仅仿真接收机功能是不太有用的，而是将接收机功能包含在一个代表接收机输出上游所有过程的仿真器（模拟器）中。这种组合型仿真器通常会被告知（通过数字输入）接收信号的参数以及操作员的控制动作。根据这些信息，仿真器生成相应的输出信号。
11.8.1 接收机功能¶
本节的目的是考察代表接收机的那部分仿真。首先，考虑接收机的功能——撇开接收机设计的具体机制。最基本上，接收机是一个设备，它从天线输出端到达的信号中恢复调制。为了恢复该调制，接收机必须调谐到该信号的频率，并且必须具备适合该信号调制类型的判别器。
接收机仿真器将接受到达接收机输入端的信号参数，并读取操作员设置的控制。接收机随后会生成输出信号，这些输出信号代表了在特定信号存在且操作员输入了这些控制动作时应有的输出。
图11.29 接收信号的仿真可分为截获几何关系、接收天线位置和接收机配置三个方面。
11.8.2 接收机信号流程¶
图11.30展示了一个典型接收机的基本功能框图。它可以工作在任何频率范围，并可应对任何类型的信号。
该接收机有一个调谐器，其中包括一个带宽相对较宽的预选滤波器。调谐器输出的是宽带中频（WBIF）信号，送至中频全景显示器。IF全景显示器显示预选器通带内的所有信号。预选器通常宽度为数兆赫，WBIF通常以几个标准中频之一为中心（455 kHz、\(10.7 \mathrm{MHz}\)、21.4 MHz、60 MHz、140 MHz或160 MHz，取决于接收机的频率范围）。任何被调谐器接收到的信号都会出现在WBIF输出中。当接收机调谐跨过一个信号时，IF全景显示器会显示该信号在调谐器通带内反向移动。WBIF频带的中心表示接收机所调谐的频率，该输出信号随接收信号强度而变化。
WBIF信号进入IF放大器，在该接收机中，它包括多个以中频为中心的可选带通滤波器。该假设的接收机有一个窄带中频（NBIF）输出，可能用于驱动测向或检前记录功能。NBIF信号具有所选带宽。NBIF信号的强度是接收信号强度的函数，但这种关系可能并不线性，因为IF放大器可能具有对数响应或包括自动增益控制（AGC）。
NBIF信号进入操作员（或计算机）选择的若干判别器之一。解调后的信号为音频或视频。其幅度和频率不依赖于接收信号强度，而取决于发射机对接收信号施加的调制参数。
图11.30 典型接收机的基本功能框图，仅涉及基本接收功能，与工作频率和设计细节无关。
11.8.3 仿真器¶
图11.31展示了该接收机的仿真器可能实现方式之一。如果仿真器用于测试某些处理硬件，可能需要模拟接收机的异常情况。然而，如果目的是训练操作员，则通常只需在接收机未正确调谐或判别器选择不当时关闭输出即可。
图11.32展示了为训练设计的接收机仿真器逻辑的频率与调制部分。设模拟信号的频率为“SF”，接收机调谐频率（即输入仿真器的调谐命令）为“RTF”。
若信号要在WBIF输出中显示，则SF与RTF的绝对差值必须小于WBIF带宽（WBIF BW）的一半。其输出频率为：
其中“IF”为WBIF中心频率。这将导致生成的信号在IF全景显示器上反向移动。注意该信号应具有正确的调制。
若SF与RTF的绝对差小于所选NBIF带宽的一半，该信号将出现在NBIF输出中。其频率由同样的公式决定，但此时“IF”为NBIF中心频率。
图11.31 接收机仿真器需提供在接收机调谐与模式命令正确时应从接收机输出的信号。
图11.32 接收机仿真器逻辑根据操作员或控制计算机的输入控制确定输出信号。
由于这是一个训练仿真器，逻辑仅要求接收信号的调制与操作员所选的解调器相匹配。
11.8.4 信号强度仿真¶
输入接收机的信号强度取决于信号的有效辐射功率和入射方向上的天线增益。如图11.33所示，各IF输出的信号强度依赖于净增益传递函数。在该接收机中，WBIF输出电平与接收信号强度呈线性关系，因为调谐器的增益和损耗是线性的。NBIF输出与接收信号强度的对数成正比，因为IF放大器具有对数传递函数。
图11.33 IF输出电平由接收机输入到信号输出的净增益决定。调制电平决定音频或视频输出电平。
11.8.5 处理器仿真¶
通常，现代处理器接受IF或视频输出，并提取接收信号的信息（如到达方向、调制等）。这些信息通常以计算机生成的音频或视觉指示的形式呈现给操作员。因此，处理器仿真仅需在仿真要求接收特定信号时生成相应的显示即可。
11.9 威胁仿真¶
在第11.7和11.8节中，我们讨论了接收机硬件仿真。现在我们来讨论仿真信号的生成。
11.9.1 威胁仿真类型¶
根据仿真注入接收系统的位置，信号可以以其音频或视频调制形式表示，也可以是调制中频信号或调制射频信号。以下讨论描述了这几类仿真信号的性质及其生成方式。
11.9.2 脉冲雷达信号¶
现代雷达可以是脉冲式（脉冲上可有调制或无调制）、连续波（CW）或连续调制波。先考虑脉冲信号。如图11.34所示，威胁环境中的每个信号都有自己的脉冲列。该图显示了一个非常简单的环境，其中包括两个具有固定脉冲重复间隔（PRI）的信号。它们被绘制为具有不同脉宽和幅度，以便于区分。输入到一个带宽足够的接收机中的仿真信号应包括如图所示的交织脉冲列。一个真实的宽带接收机环境会包含多个信号，总脉冲密度可达每秒数百万个脉冲。
接下来考虑接收机所观测到的雷达天线扫描特性。如图11.35所示，抛物面天线有一个大的主瓣和较小的旁瓣。当天线扫描过接收机位置时，威胁天线产生的时间变化信号强度模式如图底部所示。接收主瓣之间的时间间隔是威胁天线的扫描周期。威胁天线扫描有多种类型，每种都会产生不同的接收功率-时间模式。下一节将考虑几种典型扫描及其在接收机中的表现。
图11.34 视频信号环境仿真包括落入接收机带宽内的所有信号脉冲。
该扫描模式信号的脉冲如图11.36所示。脉冲列(a)被功率调整以符合扫描模式(b)，如(c)所示。在(d)行的底部，将图11.34中的一个脉冲列修改为该扫描雷达信号。这一组合脉冲列可输入到EW系统的处理器，以仿真处理器所看到的信号环境。
图11.35 扫描威胁天线的增益方向图在接收机中表现为随时间变化的信号幅度。
图11.36 扫描雷达的脉冲信号在天线扫描经过接收机时会出现脉冲幅度的变化，以反映天线增益的变化。
为了将该环境输入接收机，必须在适当频率下生成射频脉冲。图11.37展示了一个非常简单环境下的射频频率要求。注意，信号1的频率在其脉冲期间始终存在，信号2的频率在其脉冲期间存在。当没有脉冲时，频率无关紧要，因为传输仅在脉冲期间进行。
对于中频信号的精确仿真，图11.37中的两个信号频率应在接收机的中频带宽内。例如，若信号注入的中频输入接受\(160 \mathrm{MHz} \pm 1 \mathrm{MHz}\)，而两个信号的射频频率相差1 MHz，且接收机调谐在两个信号的中点，则中频注入频率应为159.5 MHz和160.5 MHz。
图11.37 对脉冲信号进行射频仿真时，每个脉冲必须在其所代表信号的正确射频频率下出现。
11.9.3 脉冲信号仿真¶
图11.38展示了一个多脉冲雷达信号的基本仿真器。该仿真器有若干脉冲-扫描发生器，每个生成一个信号的脉冲与扫描特性。为节约成本，仿真器共用一个射频发生器，必须在输出每个脉冲时调谐至正确的射频频率。这种方法经济高效，因为脉冲-扫描发生器比射频发生器复杂性低得多。需要注意的是，合成的脉冲-扫描输出可输入EW处理器，或作为射频发生器的调制输入。然而，必须使用同步方案使射频发生器在脉冲间逐个调谐。如果两个脉冲重叠，射频发生器只能为其中一个脉冲提供正确的频率。
11.9.4 通信信号¶
通信信号具有连续调制，传输不断变化的信息。因此，音频处理信号通常来自录音机输出。然而，在测试接收机时，使用简单调制波形（正弦波等）可能更实用。当对通信射频信号进行仿真时，每个同时存在的信号都必须有独立的射频发生器。这意味着，若为按键发话网（一次仅有一个发射机工作），则可用一个射频发生器进行仿真；若多个网络（不同频率）共享一个射频发生器，必须保证发射时间短且可忽略信号重叠。否则，每个信号都需要一个射频发生器。
图11.38 多个脉冲-扫描发生器的合成输出可送入EW系统的处理器，或作为调制输入送入同步的射频发生器，为EW接收机生成复合射频环境。
图11.39展示了典型通信环境仿真器的配置。需要注意，该配置同样可用于仿真CW、调制CW或脉冲多普勒雷达，因为这些信号的占空比极高（或100%），因此无法共用一个射频发生器。
11.9.5 高保真脉冲仿真器¶
在另一种情况下，需要使用独立的射频发生器配置，即高保真脉冲仿真器，其中不允许出现脉冲丢失。由于共用射频发生器在任意时刻只能位于一个频率上，若脉冲重叠（或几乎重叠），则除一个脉冲外，其余脉冲必须被丢弃。如果处理器正在处理脉冲列，丢失的脉冲可能导致其输出错误答案。脉冲丢失的影响可能妨碍有效训练或严格的系统测试——因此在预算允许的情况下，有时必须使用独立的射频发生器。
图11.39 脉冲或通信调制可加载到并行的射频发生器上，以生成通信信号环境或雷达环境，且不同信号脉冲之间不会相互干扰。
11.10 威胁天线方向图仿真¶
不同类型雷达所使用的天线扫描模式取决于其任务。在威胁仿真中，必须重建接收机在固定位置上所观测到的威胁天线增益的时间历程。
本节中的四幅图展示了各种扫描类型。每种扫描类型均根据天线的运动方式，以及固定位置接收机所观测到的威胁天线增益时间历程进行描述。
11.10.1 圆周扫描¶
圆周扫描天线以整圆旋转，如图11.40所示。接收到的模式特点是在主瓣观测之间的时间间隔均匀。
图11.40 天线扫描被分类为圆周、扇区、螺旋和光栅时，接收机观测到的模式非常相似。差别在于主瓣的时序和幅度。
11.10.2 扇区扫描¶
如图11.40所示，扇区扫描不同于圆周扫描，其天线在某一角度区段来回摆动。主瓣之间的时间间隔有两个值，除非接收机正好位于扫描区段的中心。
11.10.3 螺旋扫描¶
螺旋扫描覆盖\(360^{\circ}\)方位，并在每次扫描中改变仰角，如图11.40所示。其表现为主瓣时间间隔恒定，但当威胁天线仰角远离接收机位置的仰角时，主瓣幅度减小。
11.10.4 光栅扫描¶
光栅扫描以平行线覆盖角区域，如图11.40所示。其表现为扇区扫描，但当威胁天线覆盖的光栅“线”未通过接收机位置时，主瓣截获的幅度减小。
11.10.5 圆锥扫描¶
圆锥扫描表现为正弦变化波形，如图11.41所示。当接收机位置(T)靠近由扫描天线形成的圆锥中心时，正弦波幅度减小。当接收机正好位于圆锥中心时，信号幅度无变化，因为天线始终等距偏离接收机。
11.10.6 螺旋圆锥扫描¶
螺旋扫描类似于圆锥扫描，但圆锥角度逐渐增大或减小，如图11.41所示。在经过接收机位置的那次旋转中，其模式与圆锥扫描相似。随着螺旋路径远离接收机位置，天线增益幅度减小。该模式的不规则性来自天线波束与接收机位置夹角的时间历程。
图11.41 圆锥扫描天线接收到的信号幅度为正弦模式。正弦波幅度随接收机在波束中的位置而变化。螺旋扫描接收模式类似，但接收机在圆锥中的位置会随着天线螺旋进出而变化。
11.10.7 Palmer扫描¶
Palmer扫描是一个随直线移动的圆周扫描，如图11.42所示。如果接收机位于某个圆的正中心，该次旋转的幅度将保持恒定。在图中假定接收机接近中心但并非完全居中，因此第三个周期表现为低幅正弦波。当圆锥远离接收机位置时，正弦波幅度恢复全尺寸，但信号幅度减弱。
11.10.8 Palmer-光栅扫描¶
如果圆锥扫描按光栅模式移动，如图11.42所示，则接收机观测到的威胁增益历程在经过接收机位置的光栅线上类似于Palmer扫描。否则，模式接近正弦波，且随着光栅线远离接收机角度位置，幅度逐渐减小。
图11.42 Palmer扫描是一个沿直线移动的圆锥扫描。Palmer-光栅扫描则是沿光栅模式移动的圆锥扫描。分瓣天线在发射天线切换其瓣区时表现为阶跃幅度模式。如果只有接收天线分瓣，接收机看到的信号幅度恒定。
11.10.9 分瓣切换¶
如图11.42所示，天线在四个指向角之间跳动，形成一个正方形，以提供必要的跟踪信息。与其他模式类似，接收的威胁天线增益历程是威胁天线与接收机位置夹角的函数。
11.10.10 发射恒定-接收分瓣¶
在这种情况下，如图11.42所示，威胁雷达跟踪目标（接收机位置），并保持发射天线始终指向目标。接收天线进行分瓣切换以提供跟踪信息。接收机看到的信号电平恒定，因为发射天线始终指向它。
图11.43 相控阵天线可以从任意指向角直接跳到另一个指向角，因此接收模式会表现为随机变化的幅度。如果天线具有垂直相控阵并配合机械方位控制，其模式类似于圆周扫描，但主瓣幅度随机变化。
11.10.11 相控阵¶
由于相控阵是电子扫描的，如图11.43所示，它可以瞬间从任意指向角跳至另一角。因此，接收机观测不到有规律的幅度历程。接收增益取决于瞬时威胁天线指向角与接收机位置的夹角。
11.10.12 电子俯仰扫描与机械方位扫描¶
在这种情况下，如图11.43所示，假设威胁天线具有圆周扫描，其俯仰由垂直相控阵任意调整，从而保持主瓣之间的时间间隔恒定，但幅度可无规律变化。方位扫描也可以是扇区扫描，或可被命令固定在某些方位角上。
11.11 多信号仿真¶
电子战威胁环境的一个特点是许多信号的占空比较短。因此，可以使用一个发生器产生多个威胁信号。这大大降低了每个信号的成本。然而，如你将看到的，这种成本节省可能带来性能上的代价。本节将讨论实现多信号仿真的各种方式。
以下讨论涵盖了两种基本方法。两种方法的基本权衡是成本与保真度。
11.11.1 并行发生器¶
为了获得最高保真度，仿真器被设计为具有完整的并行仿真通道，如图11.44所示。每个通道都有一个调制发生器、一个射频发生器和一个衰减器。衰减器可以模拟威胁扫描和距离损耗，以及（如果适用）接收天线方向图。调制发生器可以提供任何类型的威胁调制：脉冲、CW或调制CW。这种配置能够提供比通道数量更多的信号，因为并非所有信号都是同时存在的。然而，它最多能提供等于通道数量的同时信号。例如，具有四个通道时，它可以提供一个CW信号和三个重叠的脉冲。
11.11.2 分时发生器¶
如果任意时刻只需存在一个信号，则可以用一套仿真组件（如图11.45所示）提供多个信号。这种配置通常仅用于脉冲信号环境。一个控制子系统包含所有待仿真信号的时序和参数信息。它按脉冲逐个控制仿真组件。该方法的缺点是任意时刻只能输出一个射频信号。这意味着它可以输出一个CW或调制CW信号，或任意数量的不重叠脉冲信号。如下面所示，实际上即使是时间上非常接近的脉冲（即使不真正重叠）也会受到限制。
图11.44 多个仿真通道的输出可合成为复杂信号环境的高精度再现。
图11.45 一套仿真组件可通过逐脉冲控制各组件来提供多信号脉冲输出。
11.11.3 一个简单的脉冲信号场景¶
图11.46展示了一个非常简单的脉冲场景，其中包含三个不重叠的信号脉冲。所有这些脉冲都可以由一个单一的仿真器通道逐脉冲控制来提供。图11.47的第一行展示了三个信号合成后的视频信号。这就是覆盖所有三个信号频率的晶体视频接收机将接收到的信号。第二行显示了在仿真器的射频输出中包含这三个信号所需的频率控制。注意，正确的信号频率必须在整个脉冲持续期间保持不变。然后，射频仿真器中的合成器利用脉冲间隔时间调谐到下一个脉冲的频率。需要注意的是，合成器的调谐速度和稳定速度必须足够快，以便在最短的脉冲间隔时间内完成整个频率范围的切换。图的第三行显示了逐脉冲仿真所有信号所需的输出功率。这意味着衰减器必须在最小的脉冲间隔时间内，以所需的精度稳定到正确的电平。脉冲之间的变化可能达到全衰减范围。根据仿真器的配置，这种衰减可能仅包括威胁扫描和距离衰减，或者还包括接收天线的仿真。
图11.46 这是一个包含三个信号的非常简单的脉冲场景。在该示例中，脉冲之间没有重叠。
图11.47 将三个信号合并并逐脉冲控制仿真器时，需要在输出频率和功率上进行这些变化。
11.11.4 脉冲丢失¶
在合成器和衰减器开始调整到下一个脉冲的正确数值之前，它们必须接收到控制信号。该控制信号是一个数字字（“信号-ID字”），如图11.48所示，它必须在脉冲前沿之前提前一段时间（称为“预置时间”）发出。预置时间必须足够长，以覆盖衰减器和合成器在最坏情况下的稳定时间。两者中较长的那个决定了所需的预置时间。在图中，衰减器的最坏情况稳定时间比合成器更长。“锁定期”是信号-ID字发送后到可以发送下一个信号-ID字之间的延迟。如果某个脉冲出现在前一个脉冲宽度加上预置时间的总和之内，它将被仿真器输出中丢弃。
图11.48 控制信号必须在每个脉冲之前提前足够的时间发出，以保证频率和输出功率设置能够稳定。后续脉冲会受到预置时间和脉冲宽度总和的限制。
11.11.5 主备仿真器¶
如果使用第二个仿真器通道来提供主仿真器通道丢失的脉冲，则可以显著降低脉冲丢失的百分比。对不同仿真器配置中丢失脉冲百分比的分析使用了二项式方程，这在其他几个电子战应用中也非常有用。
11.11.6 方法选择¶
选择多信号仿真的方法是成本与保真度之间的权衡。在需要高保真且信号较少的系统中，显然应选择完整的并行通道。在可以接受略低保真度（如1%或0.1%脉冲丢失）的场景中，如果信号数量较多，最好使用一个主仿真器和一个或多个次级仿真器。在可以容忍脉冲丢失的情况下，单通道仿真器能够以显著节省成本的方式完成任务。通过对信号设定优先级，避免丢失高优先级信号的脉冲，可以将丢失脉冲的影响降至最小。
一种可能产生良好结果的方法是：对指定的威胁辐射源使用专用仿真器，而使用单通道多信号发生器来提供背景信号。这样可以测试系统在高密度脉冲环境中处理特定信号的能力。