多普勒搜索雷達(dá)模塊化仿真設(shè)計(jì)概述

寧 偉,楊澤山,黃云洋

（北京藍(lán)天航空科技有限責(zé)任公司研發(fā)中心，北京,100085）

多普勒搜索雷達(dá)模塊化仿真設(shè)計(jì)概述

寧 偉,楊澤山,黃云洋

（北京藍(lán)天航空科技有限責(zé)任公司研發(fā)中心，北京,100085）

多普勒搜索雷達(dá)仿真目的是滿(mǎn)足飛行員實(shí)裝設(shè)備訓(xùn)練要求，同時(shí)降低訓(xùn)練成本。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到該搜索雷達(dá)的功能要求和軟件要求，提出模塊化仿真的思路。通過(guò)模塊化仿真設(shè)計(jì)的思路，可滿(mǎn)足該系統(tǒng)與飛行模擬器其它分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，逼真的達(dá)到故障、特情等現(xiàn)象。同時(shí)，為后續(xù)其他型號(hào)雷達(dá)的復(fù)用及敏捷開(kāi)發(fā)提供支持。 通過(guò)在某反潛直升機(jī)飛行模擬器訓(xùn)練設(shè)備中進(jìn)行該雷達(dá)仿真設(shè)計(jì)實(shí)例的應(yīng)用，證明該仿真方法具備嚴(yán)謹(jǐn)性及實(shí)用性。

RCS；DEM

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)中火控雷達(dá)的對(duì)空、對(duì)地進(jìn)行目標(biāo)攻擊訓(xùn)練是當(dāng)前部隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練的重點(diǎn)訓(xùn)練科目?jī)?nèi)容之一，它要求飛行員能夠利用雷達(dá)的搜索、跟蹤及輔助地圖測(cè)繪功能，與自動(dòng)駕駛儀和火控武器系統(tǒng)做到最佳配合，保證在操作上盡量簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別和有效攻擊。而實(shí)裝訓(xùn)練成本高、效率低，受空域和天氣等環(huán)境因素的制約，實(shí)施難度大，借助雷達(dá)仿真器的模擬訓(xùn)練是當(dāng)前形勢(shì)下的迫切需求。但市場(chǎng)上用于模擬訓(xùn)練的商用雷達(dá)系統(tǒng)的仿真軟件國(guó)內(nèi)外均存在下述問(wèn)題：不僅價(jià)格昂貴，處于技術(shù)封鎖原因也難于購(gòu)買(mǎi)，一般渠道購(gòu)置后仍舊功能受限。

因此，迫切需要打破該領(lǐng)域技術(shù)限制，立足于開(kāi)創(chuàng)具有公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研發(fā)成果。通過(guò)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)需求分析。得到如下兩個(gè)綜合考慮因素：

從仿真功能角度，在突出雷達(dá)仿真系統(tǒng)正在成為綜合電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中的重要部分，迫切需要從仿真系統(tǒng)建模和驗(yàn)?zāi)５慕嵌瓤紤]，提出更高的要求，能夠充分發(fā)揮模擬訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)演練中的作用，使得雷達(dá)真實(shí)特性能夠閉環(huán)于戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)中進(jìn)行特性體現(xiàn)。

從軟件設(shè)計(jì)角度，促進(jìn)該仿真系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思想，使得仿真系統(tǒng)對(duì)工作平臺(tái)、搭建戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境均能具有較強(qiáng)的適用性；同時(shí)，還可以通過(guò)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)建模層級(jí)對(duì)軟件模型的粒度進(jìn)行升級(jí)和降級(jí)的更新，這種模塊化的設(shè)計(jì)可以根據(jù)用戶(hù)的不同需求定制功能模塊，使得該全數(shù)字雷達(dá)仿真系統(tǒng)具有擴(kuò)展能力和多項(xiàng)目應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)功能

下述系統(tǒng)說(shuō)明以某反潛直升機(jī)的某型多普勒搜索雷達(dá)為模擬對(duì)象，雷達(dá)能夠通過(guò)發(fā)射高功率射頻脈沖信號(hào)并接收目標(biāo)回波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理，得到目標(biāo)距離、方位，并可將目標(biāo)及其距離、方位在綜合顯示器上顯示。同時(shí)，為反潛提供近海和遠(yuǎn)海搜索，在戰(zhàn)術(shù)顯示器上顯示空間態(tài)勢(shì)及視頻顯示，可對(duì)其中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

1.2 數(shù)據(jù)交互

該多普勒搜索雷達(dá)仿真軟件在反潛直升機(jī)飛行模擬器實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證過(guò)程。通過(guò)UDP協(xié)議與模擬器主仿真計(jì)算機(jī)通信，系統(tǒng)的仿真交聯(lián)關(guān)系如下：首先，用戶(hù)可通過(guò)配置文件進(jìn)行雷達(dá)屬性參數(shù)設(shè)置、設(shè)備端（座艙操作通過(guò)硬件接口采集獲取）接收工作模式切換和操作信息、教員臺(tái)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行故障設(shè)置、通過(guò)模擬器主控計(jì)算機(jī)接受來(lái)自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及環(huán)境仿真參數(shù)例如：氣象、雜波數(shù)據(jù)以及目標(biāo)和載機(jī)的信息。雷達(dá)仿真軟件將會(huì)根據(jù)載機(jī)信息，目標(biāo)信息，環(huán)境參數(shù)，控制信息，產(chǎn)生雷達(dá)回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)處理過(guò)程，計(jì)算得出目標(biāo)的有用信息。最后通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊包將經(jīng)信號(hào)處理后的目標(biāo)信息提供給終端顯示設(shè)備。

2 仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

仿真對(duì)象屬性如下：

1) 雷達(dá)為X波段，具備頻率捷變及脈沖壓縮技術(shù)，它的橢圓孔徑拋物反射天線具有低旁瓣消隱補(bǔ)償功能，數(shù)字恒虛警處理及大脈沖壓縮率；

2) 具備數(shù)字CFAR海雜波干擾抑制功能，很好的保證了低速目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的搜索及多目標(biāo)跟蹤能力；

3) 具備對(duì)陸地、海面及氣象的視頻成像功能。一次視頻能夠形成利于觀測(cè)整體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，對(duì)于弱反射目標(biāo)探測(cè)能力較差；二次視頻突出重點(diǎn)其發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)信號(hào)的能力。

4)具備抗干擾能力，包含主動(dòng)和被動(dòng)干擾抑制能力。

映射到項(xiàng)目中需要實(shí)現(xiàn)的功能和設(shè)計(jì)考慮，并依據(jù)上述功能要求進(jìn)行如下軟件模型組成及模塊劃分如下圖：

2.2 設(shè)計(jì)輸入

1）仿真對(duì)象屬性輸入

模擬對(duì)象的雷達(dá)天線屬性（天線孔徑、水平及垂直波束寬度、主瓣和旁瓣最大增益）、不同工作模式下的脈沖重復(fù)頻率、雷達(dá)作業(yè)范圍、探測(cè)能力（不同RCS不同海況下的探測(cè)距離）及性能參數(shù)（檢測(cè)概率、虛警率）、極化特性、跟蹤特性（跟蹤速度、距離和角度跟蹤精度）、距離分辨率和角度分辨率等。

2）目標(biāo)輸入

通過(guò)建模場(chǎng)景中需要的目標(biāo)信息，如飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、商船及潛水艇等三維模型，并賦予運(yùn)動(dòng)特性。作為雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的數(shù)據(jù)源，用于根據(jù)起伏特性建立該目標(biāo)的RCS。

3）環(huán)境信息

主要包含海雜波、地雜波和氣象雜波等的雷達(dá)雜波，通過(guò)建立基于Rayleigh分布的地面雜波統(tǒng)計(jì)模型，基于Weibull分布的氣象雜波統(tǒng)計(jì)模型。統(tǒng)計(jì)模型既能較好的擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也降低了精確建模的復(fù)雜度。

4）DEM數(shù)據(jù)

DEM數(shù)據(jù)即數(shù)字高程模型，在此，它是模擬搜索模式下地形視頻顯示信息的依據(jù)和來(lái)源。仿真截取的DEM為機(jī)場(chǎng)分辨率15米，其他地形數(shù)據(jù)分辨率為30米，利用該信息進(jìn)行分型算法及分類(lèi)規(guī)則建立地形地貌數(shù)據(jù)，再依據(jù)遮擋模型獲取虛擬的地形回波數(shù)據(jù)。

2.3 關(guān)鍵模型分析示例

脈沖壓縮模型：

圖1 仿真雷達(dá)與飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的交互關(guān)系

發(fā)射相當(dāng)長(zhǎng)的脈沖（帶調(diào)制），然后將雷達(dá)回波處理成非常短的脈沖，每個(gè)壓縮后的子脈沖寬度等于期望的壓縮后的脈寬，即脈沖壓縮技術(shù)。對(duì)于一組給定的雷達(dá)參數(shù)，只要發(fā)射脈沖保持不變，那么SNR也不變。即當(dāng)使用脈沖壓縮時(shí)，通常保持脈寬不變而增加帶寬，可以使檢測(cè)距離不變的同時(shí)顯著改善距離分辨率，因?yàn)榫嚯x分辨率與信號(hào)帶寬的倒數(shù)成正比，即：

經(jīng)推導(dǎo)，低通濾波后的信號(hào)可以改寫(xiě)成：

在仿真過(guò)程中，我們可以忽略混頻器和脈沖壓縮的詳細(xì)濾波過(guò)程，只需要關(guān)心濾波達(dá)到的效果表達(dá)即可，但在推導(dǎo)中獲得的重要信息是：

圖2 多普勒搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)模型組成

該式表達(dá)了采樣樣本數(shù)的要求。對(duì)壓縮脈沖譜使用加權(quán)函數(shù)（窗）來(lái)降低旁瓣電平，常見(jiàn)采取濾波方式是有：海明窗 (hamming(N))、布拉克曼窗 (Blackman(N))、凱澤窗(Kaiser(N,beta))、切比雪夫窗（Chebychew）等來(lái)實(shí)現(xiàn)FIR低通濾波器設(shè)計(jì)。這些濾波工具在Matlab中都有相應(yīng)的窗函數(shù)可直接調(diào)用。

表1 仿真輸入數(shù)值

圖3 設(shè)置散射體后未做壓縮的雷達(dá)回波信號(hào)

圖4 設(shè)置散射體后經(jīng)脈沖壓縮后的雷達(dá)回波信號(hào)

通過(guò)上面兩個(gè)圖的對(duì)比，我們可以清晰的看出，在設(shè)置三個(gè)RCS接近，距離接近的散射體后，發(fā)射信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮后，對(duì)這三個(gè)散射體能夠有效識(shí)別，識(shí)別后相對(duì)距離與輸入距離基本誤差范圍小。脈沖壓縮在距離向的高分辨率特性效果明顯。

3 應(yīng)用示例

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程，雷達(dá)模塊化仿真系統(tǒng)選擇VC++和MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)。主要編程語(yǔ)言仍為VC++。程序中對(duì)部分雷達(dá)信號(hào)處理依賴(lài)于MATLAB的程序進(jìn)行封裝后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)用。主要原因是：MATLAB本身明顯優(yōu)勢(shì)在于該軟件功能強(qiáng)大，包含的信號(hào)處理工具箱和工具函數(shù)使得設(shè)計(jì)者對(duì)于雷達(dá)信號(hào)處理相關(guān)的程序設(shè)計(jì)工作降低。同時(shí)，其圖形化輸出處理過(guò)程方便模型的調(diào)試或驗(yàn)證。但是，作為多功能大型軟件，編程效率高，但執(zhí)行效率低，在處理大型數(shù)據(jù)時(shí)速度特性差，在測(cè)試過(guò)程中讀取部分DEM數(shù)據(jù)都常出現(xiàn)內(nèi)存耗盡的提示而無(wú)法完成處理。

軟件以60Hz速率獨(dú)立運(yùn)行于雷達(dá)仿真計(jì)算機(jī)中，模擬器主機(jī)運(yùn)行周期100Hz，依據(jù)上述仿真設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于該實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。進(jìn)行搜索模式下的地形顯示效果如下：

圖5 搜索模式下的視頻輸出

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出多普勒搜索雷達(dá)模塊化仿真設(shè)計(jì)方法，由于文章篇幅有限，概述說(shuō)明設(shè)計(jì)框架，并列舉脈沖壓縮模型的仿真效果。同時(shí)，這種模塊化設(shè)計(jì)方法更便于后續(xù)其他型號(hào)雷達(dá)的復(fù)用及敏捷開(kāi)發(fā)。目前該仿真實(shí)現(xiàn)已應(yīng)用于某型反潛直升機(jī)飛行模擬器配裝雷達(dá)的仿真，其探測(cè)和搜索結(jié)果通過(guò)綜合顯示器作為顯示終端。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)建模方法及仿真思路著眼于工程實(shí)踐及應(yīng)用，具備嚴(yán)謹(jǐn)性的同時(shí)一定程度上能夠達(dá)到實(shí)裝設(shè)備訓(xùn)練要求。雷達(dá)系統(tǒng)仿真一直是國(guó)內(nèi)仿真領(lǐng)域的難點(diǎn)，后續(xù)在模型的信號(hào)級(jí)仿真粒度提升方面還有很大的空間。

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Survey of Doppler Search Radar Modular Design Simulation

Ning Wei,Yang Zeshan,Huang Yunyang
(Beijin Bluesky Aviation Technology Co.,Ltd,Beijing,100085,China)

Doppler search radar simulation is designed to meet the actual equipment pilot training requirements,and to reduce the cost of training.In the process of design,the functional requirements of the search radar and the requirements of the software are taken into account.Through the modular design and Simulation of ideas,we can meet the data exchange between the system and flight simulator with other subsystems and realistic to achieve fault,the informer of the phenomenon.At the same time,we can provide support for the follow-up of other types of radar reuse and agile development.Through the application of an anti-submarine helicopter flight simulator.It is proved that the design of radar simulation method with rigorous and practical.

RCS;DEM