Windows平臺(tái)下的機(jī)載雷達(dá)顯控終端仿真

馮嘯羽

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

作為雷達(dá)人機(jī)交互界面的雷達(dá)顯示器是雷達(dá)系統(tǒng)仿真中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。利用計(jì)算機(jī)的屏幕模擬雷達(dá)的顯示器，具有開(kāi)發(fā)方便、不依賴(lài)特定的硬件、通用性強(qiáng)和可移植性好等特點(diǎn)。文中介紹的顯控終端主要包括兩個(gè)部分:(1)控制部分。雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)所需工作參數(shù)都要由操作人員通過(guò)控制部分進(jìn)行輸入，并把參數(shù)傳遞給雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。(2)顯示部分。仿真顯示畫(huà)面上，既要顯示雷達(dá)的原始圖像，如距離、方位、俯仰等。又要顯示經(jīng)過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理過(guò)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，如高度、速度、機(jī)型、航向、敵我屬性等。此外，顯示系統(tǒng)可以進(jìn)行顯示模式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)B型和Pie型顯示器顯示切換功能，使得顯示系統(tǒng)滿足不同顯示需求。

Windows程序采用事件驅(qū)動(dòng)編程模型，應(yīng)用程序通過(guò)處理操作系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的消息來(lái)響應(yīng)事件。一個(gè)典型應(yīng)用程序的大部分操作是在響應(yīng)其收到的消息。MFC(Microsoft Foundation Classes)是微軟提供的放置Windows API的面向?qū)ο蟮陌b的C++類(lèi)庫(kù)，該類(lèi)庫(kù)包含了100多個(gè)類(lèi)。MFC也是一個(gè)應(yīng)用程序的框架結(jié)構(gòu)，為應(yīng)用程序處理很多雜務(wù)。用MFC作界面開(kāi)發(fā)，具有使用方便，開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)。

1 AN/APG－68雷達(dá)簡(jiǎn)介

AN/APG－68是多功能數(shù)字化火控雷達(dá)，裝備在F16－C/D戰(zhàn)斗機(jī)上。該雷達(dá)的功能分為空中目標(biāo)探測(cè)模式和地面目標(biāo)探測(cè)模式。空中探測(cè)模式包括:邊搜索邊測(cè)距、邊跟蹤邊掃描、單目標(biāo)跟蹤、速度搜索、空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)。地面目標(biāo)探測(cè)模式包括:地面測(cè)繪、地面動(dòng)目標(biāo)、海上目標(biāo)掃描。工作頻率為9.7～9.9 GHz，作用距離為150 km，掃描范圍是120°×120°，需要注意的是，雷達(dá)并非同時(shí)掃描全部區(qū)域，方位上分 ±60°、±30°、±25°、±10°4 檔，俯仰上分 1、2、4 個(gè)條狀區(qū)域，如果需要掃描多于一個(gè)條狀區(qū)域，雷達(dá)在掃描一個(gè)方位范圍后抬高/降低雷達(dá)天線繼續(xù)反方向掃描。AN/APG－68(V5)能在低、中、高PRF工作。

2 界面設(shè)計(jì)

2.1 終端顯示方案設(shè)計(jì)

雷達(dá)終端顯示器用于顯示雷達(dá)當(dāng)前的工作狀態(tài)和所獲得的目標(biāo)信息，顯示方式與雷達(dá)當(dāng)前的工作模式有關(guān)。在空中目標(biāo)探測(cè)模式主要使用B型顯示器，而在地面目標(biāo)探測(cè)模式主要使用扇形PPI顯示器。

考慮到整個(gè)雷達(dá)終端既要包括各種參數(shù)的設(shè)置界面，又需要將目標(biāo)信息以各種方式顯示出來(lái)。顯然，在一個(gè)窗口上顯示這么多內(nèi)容既不美觀，也不可能。經(jīng)過(guò)綜合構(gòu)思，一方面可以把一些需要經(jīng)常改變的參數(shù)設(shè)置控件放到主界面上，而把那些不需要頻繁變更的工作參數(shù)用對(duì)話框的方式進(jìn)行設(shè)置，對(duì)話框可以通過(guò)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)來(lái)彈出，在參數(shù)設(shè)置完成后關(guān)閉對(duì)話框返回主界面，如圖1所示。另一方面，可以對(duì)主界面進(jìn)行分區(qū)，不同的顯示模式分別用一個(gè)子窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，AR顯、B顯、Pie顯分別是3個(gè)不同的子窗口，而不是對(duì)一個(gè)窗口的簡(jiǎn)單分割，如圖2所示。

從主界面可以看出，屏幕被分成了3個(gè)區(qū)域:左邊大塊的區(qū)域用于放置B顯和Pie顯，這兩種顯示方式根據(jù)雷達(dá)對(duì)地、對(duì)空模式的不同而進(jìn)行切換，現(xiàn)在畫(huà)面上顯示的是B顯。右上角灰色區(qū)域上放置著常用的控件，這些控件中一部分用于設(shè)置雷達(dá)的工作模式，一部分將目標(biāo)信息以表格的方式顯示出來(lái)，右下角的區(qū)域是AR顯。

2.2 顯示方式

AR顯示器是一種常用的距離顯示器，主要用來(lái)顯示雷達(dá)獲取的原始信息，如圖3所示。

圖3 AR顯示器

其中，顯示器上方是A掃掠線，下方是R掃掠線。A型顯示器顯示雷達(dá)的最大無(wú)模糊距離內(nèi)的全程信息。然而，實(shí)際工作中除了要了解全程信息，還要對(duì)所選擇的目標(biāo)進(jìn)行較精準(zhǔn)的測(cè)距，這時(shí)可以把距離量程選擇的較小，這個(gè)僅顯示全程中一部分距離的顯示器通常稱(chēng)為R型顯示器。從圖中可以看出，從上面的掃掠線難以精確觀察到目標(biāo)的距離，經(jīng)過(guò)對(duì)上面掃掠線中有目標(biāo)的一小段進(jìn)行擴(kuò)展，在R顯中能更仔細(xì)地看到目標(biāo)及其周?chē)男畔ⅰ?/p>

B顯示器:空中目標(biāo)探測(cè)模式主要使用B型顯示器。B型顯示器用于顯示經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理的二次目標(biāo)信息，如圖4所示。

圖4 B型顯示器

B顯是以直角坐標(biāo)的方式來(lái)顯示目標(biāo)的距離和方位，橫坐標(biāo)表示方位，縱坐標(biāo)表示距離。屏幕的區(qū)域是一個(gè)直線向前的概念，一架就在飛行員眼前的敵機(jī)顯示在底部，這兒表示我方載機(jī)的機(jī)鼻。AN/APG－68在空對(duì)空模式中使用B顯有，其接近的目標(biāo)不會(huì)混亂顯示，在近距離格斗中更容易使用的優(yōu)勢(shì)。

雷達(dá)屏幕底部的刻度表示全部120°的方位掃描，青綠色標(biāo)記顯示天線方位掃描的當(dāng)前位置。屏幕左邊的刻度表示全部120°的俯仰掃描，青綠色標(biāo)記顯示天線當(dāng)前的俯仰指向。天線在掃描時(shí)可以上下傾斜，對(duì)于近距離尋找比載機(jī)高或低的目標(biāo)是較為有效的。屏幕右邊的刻度用于指示目標(biāo)離載機(jī)的距離，需注意的是，最大距離160 km只是顯示器顯示的最大距離，不影響雷達(dá)的探測(cè)性能。其中，天線的俯仰指向，方位掃描范圍和最大顯示距離都可通過(guò)主界面右上角的設(shè)置控件來(lái)進(jìn)行改變。

可以看出，在屏幕中央有3個(gè)方塊，表示在不同位置的目標(biāo)。從左到右，第一個(gè)在機(jī)鼻左邊25°，距離50 km的位置。中間的目標(biāo)在機(jī)鼻正前方，距離100 km位置。最后的目標(biāo)在機(jī)鼻右方40°，距離80 km的位置。

扇形的PPI顯示器:其顯示畫(huà)面是地面目標(biāo)探測(cè)模式下的基本顯示模式，是傳統(tǒng)PPI的一種特殊形式，來(lái)自反射物體的回波信號(hào)被顯示在平面圖上，如圖5所示。

圖5 扇形的PPI顯示

與3顯示器一樣都顯示的是雷達(dá)目標(biāo)的斜距和方位信息，所不同的是，扇形PPI是以極坐標(biāo)的方式來(lái)表現(xiàn)的。其中，圓心代表雷達(dá)站的位置，目標(biāo)用平面上的亮點(diǎn)來(lái)表示，方位角以視軸為基準(zhǔn)，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎嚯x則沿半徑度量。掃描線隨天線的方位掃描在畫(huà)面上同步轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中顯示在距雷達(dá)站大約2 km處有一段亮弧，表示該處有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在。

3 雷達(dá)工作模式

雷達(dá)常用的工作模式可用主界面上的控件來(lái)設(shè)置。從圖6可看出，操作員不但可以選擇各個(gè)雷達(dá)主模式，而且能夠進(jìn)一步設(shè)置不同模式下的天線掃描方式和顯示器的功能。

圖6 控制雷達(dá)工作模式的常用控件

下面介紹幾種主要的空中目標(biāo)模式。雷達(dá)在首次開(kāi)機(jī)時(shí)工作在邊搜索邊測(cè)距模式(RWS)，這是常用的搜索模式，該模式以最快探測(cè)到最多目標(biāo)為目的。當(dāng)飛行員需要一定精確簡(jiǎn)潔的目標(biāo)信息時(shí)可使用。目標(biāo)參數(shù)僅測(cè)量距離和角度，其中角度是測(cè)量目標(biāo)時(shí)的波束中心。探測(cè)到的目標(biāo)使用黃色實(shí)心方塊表示，如圖4所示。

為得到特定目標(biāo)的更多信息，可以將光標(biāo)移動(dòng)到感興趣的目標(biāo)上并按下鼠標(biāo)左鍵來(lái)鎖定目標(biāo)，這時(shí)會(huì)進(jìn)入 RWS的子模式——態(tài)勢(shì)感知模式(RWSSAM)。雷達(dá)對(duì)被鎖定的目標(biāo)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理，估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。被鎖定的目標(biāo)改為空心方塊表示，并用方塊上引出的短線表示目標(biāo)的航向。圖7中所示的綠色呈蝌蚪狀的目標(biāo)為鎖定目標(biāo)，伸出的短線表示其正在朝載機(jī)方向飛來(lái)。

圖7 RWS－SAM模式下的目標(biāo)顯示

無(wú)論當(dāng)前設(shè)置的方位掃描范圍是多少，目標(biāo)鎖定后的方位掃描范圍均更改為25°，方位掃描中心以目標(biāo)門(mén)為中心，掃描速度不變。如果操作員想要鎖定其它的目標(biāo)，只需要在感興趣的目標(biāo)上按下鼠標(biāo)左鍵即可完成切換。需注意，進(jìn)入RWS－SAM模式后，盡管得到了目標(biāo)的較多信息，同時(shí)也增加了雷達(dá)告警接收機(jī)被發(fā)現(xiàn)的機(jī)率。

在RWS－SAM模式下，當(dāng)對(duì)當(dāng)前鎖定的目標(biāo)再次按下鼠標(biāo)左鍵時(shí)，雷達(dá)會(huì)進(jìn)入單目標(biāo)跟蹤子模式(RWS－STT)，該模式是支持超視距導(dǎo)彈發(fā)射。被跟蹤的目標(biāo)在目標(biāo)外用圓圈圍住表示，如圖8所示。

圖8 RWS－STT模式下的目標(biāo)顯示

此時(shí)，顯示器上的最大距離會(huì)自動(dòng)調(diào)整為當(dāng)前目標(biāo)距離的2倍左右，以使目標(biāo)處在屏幕的中央。雷達(dá)不再掃描，天線直指敵方目標(biāo)，即可得到目標(biāo)的精確信息。由于雷達(dá)在目標(biāo)上集中了所有的能量，敵方會(huì)意識(shí)到載機(jī)存在，因而僅在打擊目標(biāo)時(shí)才可使用該模式。

TWS的使用方式和顯示模式基本與RWS相同，不同之處在于TWS對(duì)所有目標(biāo)均開(kāi)啟數(shù)據(jù)處理，估計(jì)目標(biāo)的高度、速度和航向，并根據(jù)迎頭、高速的優(yōu)先級(jí)同時(shí)跟蹤優(yōu)先級(jí)較高的16個(gè)目標(biāo)，在實(shí)際飛行中飛行員們喜歡使用此方式。TWS模式下目標(biāo)同樣使用帶尾巴的方塊表示，尾巴的方向?yàn)槟繕?biāo)航向，被跟蹤目標(biāo)的詳細(xì)信息使用主界面右上角的表格控件來(lái)顯示。但TWS模式在探測(cè)新目標(biāo)的能力比RWS慢，因?yàn)樵诶走_(dá)跟蹤多個(gè)目標(biāo)時(shí)，有大量的數(shù)據(jù)處理要完成。

速度搜索模式(VS)在特定的情況下有用。該模式只能顯示離載機(jī)較近的目標(biāo)，顯示器右邊不再是距離刻度而改為速度刻度。需注意的是，其速度指的是目標(biāo)相對(duì)于載機(jī)的速度，在屏幕底部的目標(biāo)并不意味離載機(jī)較近，而是以較低的速度靠近載機(jī)。屏幕上方的目標(biāo)卻是在高速接近載機(jī)，通常是對(duì)載機(jī)有較大威脅的敵機(jī)。VS模式下仍可在感興趣的目標(biāo)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵直接進(jìn)入單目標(biāo)跟蹤模式(RWS－STT)。

空中格斗模式(ACM)主要用于近距離格斗。該模式是自動(dòng)搜索模式，因此不需要操作員進(jìn)行任何掃描設(shè)置。雷達(dá)會(huì)對(duì)首次發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行鎖定和跟蹤，最大顯示距離通常是固定的20 km。

4 終端設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)

4.1 B顯和扇形PPI之間的切換技術(shù)

如以上所說(shuō)，在空中目標(biāo)模式下使用B型顯示器，而在地面目標(biāo)模式下使用扇形PPI顯示器。為實(shí)現(xiàn)兩種顯示模式的切換，在主界面上放了一組單選按鈕控件，如圖6中最頂端顯示的那樣，當(dāng)按下空中目標(biāo)模式單選按鈕時(shí)切換到B顯，而按下地面目標(biāo)模式按鈕時(shí)切換到扇形PPI。

當(dāng)按下任一單選按鈕后控件都會(huì)給其的父窗口發(fā)送WM_COMMAND消息，父窗口不會(huì)處理原始的WM_COMMAND消息，而是使用消息映射將控件通知與其所屬類(lèi)的成員函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，程序語(yǔ)句如下:

BEGIN_MESSAGE_MAP(CParentView，CWnd)

ON_BN_CLICKED(IDC_ATM，OnAirTarget-Mode)

ON_BN_CLICKED(IDC_GTM，OnGroundTarget-Mode)

END_MESSAGE_MAP()

其中，CParentView表示父窗口對(duì)應(yīng)的類(lèi)，IDC_ATM，IDC_GTM分別是空中目標(biāo)模式按鈕和地面目標(biāo)模式按鈕的ID。然后在成員函數(shù)OnAirTargetMode中將扇形PPI對(duì)應(yīng)的窗口隱藏，將B顯對(duì)應(yīng)的窗口顯示，完成切換。OnGroundTargetMode函數(shù)的情況則相反，程序語(yǔ)句如下:

void CParentView::OnAirTargetMode()

{

m_wndPPIView.ShowWindow(SW_HIDE);

m_wndBView.ShowWindow(SW_SHOW);

}

void CParentView::OnGroundTargetMode()

{

m_wndBView.ShowWindow(SW_HIDE);

m_wndPPIView.ShowWindow(SW_SHOW);

}

其中，m_pwndBView為 B顯窗口對(duì)應(yīng)的對(duì)象，wndPPIView為扇形PPI窗口對(duì)應(yīng)的對(duì)象，兩者都是父窗口類(lèi)CParentView的成員變量。

4.2 多線程技術(shù)

機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)、大運(yùn)算量的復(fù)雜系統(tǒng)，尤其是數(shù)據(jù)處理模塊非常耗時(shí)，一次數(shù)據(jù)處理通常需要數(shù)秒甚至一分鐘。如果用單一線程來(lái)編寫(xiě)應(yīng)用程序，在數(shù)據(jù)處理的那段時(shí)間里，界面部分將不能接收操作員的輸入。然而，Windows是一個(gè)搶占式多任務(wù)的系統(tǒng)，可以把耗時(shí)的數(shù)據(jù)處理放到二級(jí)線程里面，讓其在后臺(tái)執(zhí)行，讓主線程負(fù)責(zé)和操作員打交道。這樣，可以在主線程里調(diào)用線程創(chuàng)建函數(shù)來(lái)創(chuàng)建二級(jí)線程，語(yǔ)句如下:

AfxBeginThread(ThreadFunc，＆m_threadparams);其中，參數(shù)m_threadparams里邊放置了兩個(gè)線程共享的數(shù)據(jù)，線程函數(shù)ThreadFunc的結(jié)構(gòu)如下:

UINT ThreadFunc(LPVOID pParam)

{

THREADPARAMS*ptp=(THREADPARAMS*)pParam;

while(TRUE)

{

……//耗時(shí)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理語(yǔ)句

::SendMessage(ptp－ ＞hWnd，WM_DATA_UPDATED，0，0);

}

}

語(yǔ)句中THREADPARAMS為參數(shù)m_threadparams所屬的結(jié)構(gòu)體類(lèi)型。當(dāng)完成數(shù)據(jù)處理后，向主線程發(fā)送一個(gè)WM_DATA_UPDATED消息(該消息是用戶自定義消息)，告訴主線程本次的處理已經(jīng)完成，這樣主線程就把新的數(shù)據(jù)顯示在界面上。此外，在編寫(xiě)多線程程序時(shí)需注意線程同步問(wèn)題。在程序中使用臨界區(qū)(CCriticalSection)來(lái)協(xié)調(diào)兩個(gè)線程對(duì)共享數(shù)據(jù) m_threadparams的訪問(wèn)。

4.3 目標(biāo)截獲技術(shù)

在通過(guò)鼠標(biāo)左鍵單擊感興趣的目標(biāo)進(jìn)入相應(yīng)的子模式時(shí)用到了該技術(shù)。如上所述從RWS進(jìn)入RWS－SAM子模式，以及從RWS－SAM進(jìn)入RWS－STT子模式。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)WM_LBUTTONDOWN鼠標(biāo)消息的響應(yīng)函數(shù)的編寫(xiě)。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵被按下時(shí)，Windows會(huì)向鼠標(biāo)所在客戶區(qū)的窗口發(fā)送該消息。響應(yīng)函數(shù)OnLButtonDown(UINT nFlags，CPoint point)中的參數(shù) point保存了點(diǎn)擊時(shí)光標(biāo)所在客戶區(qū)坐標(biāo)系中的位置。

設(shè)對(duì)象rectDetectedTarget(CRect對(duì)象)存儲(chǔ)了目標(biāo)在B顯窗口的客戶區(qū)坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)方塊的信息。其中，目標(biāo)的方位和距離決定了其在B顯中的位置。只要對(duì)該對(duì)象調(diào)用函數(shù)rectDetectedTarget.PtInRect(point)。

這樣，即可判斷鼠標(biāo)是否點(diǎn)中了該目標(biāo)。在實(shí)際編程中需要對(duì)所有探測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行遍歷，如點(diǎn)中了某個(gè)目標(biāo)就把該目標(biāo)的信息通過(guò)線程函數(shù)的參數(shù)傳回給數(shù)據(jù)處理模塊，并進(jìn)入相應(yīng)的子模式。否則不予處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的機(jī)載雷達(dá)顯示仿真系統(tǒng)是AN/APG－68機(jī)載雷達(dá)仿真系統(tǒng)平臺(tái)的組成部分。在仿真系統(tǒng)平臺(tái)框架下，需要將顯示系統(tǒng)、干擾系統(tǒng)、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)構(gòu)成完備的網(wǎng)絡(luò)體系。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式和語(yǔ)言編寫(xiě)依據(jù)軟件工程規(guī)范進(jìn)行，以確保仿真系統(tǒng)的質(zhì)量、可靠性和可維護(hù)性。對(duì)目前開(kāi)發(fā)過(guò)程中暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能預(yù)留了接口，為系統(tǒng)的擴(kuò)充和升級(jí)留出了升級(jí)空間。

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