雷達數字化設計與仿真的技術體系架構研究

夏 云 盧 冀

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著計算機技術的進步和計算機應用的發展，數字化已成為目前促進各個傳統行業發展的最有效的手段之一，特別在“工業4.0”以及“中國制造2025”的論述中，數字化手段作為其核心技術，是構建“物理信息系統”的關鍵要素，扮演著橋接產品實物和設計理念的重要作用。因此，采用數字化建模和仿真的手段對產品的設計乃至功能、性能進行測試與優化、驗證與評估將極大地提高產品適用性，縮短研制周期。

雷達數字化設計與仿真就是根據戰情要求設計實驗，采用數學建模構建雷達、目標、雜波、電子干擾等電磁環境模型，再采用數學方法，仿真在設定的工作流程和環境下雷達、目標、雜波、電子干擾和電磁環境的相互作用，模擬雷達波形參數/信號產生、發射、傳輸、回波和處理的全過程，測試與優化雷達的設計要素，驗證與評估雷達功能、性能乃至作戰效能要素[1-2]。

近年來，國內外學者針對雷達、通信、電子對抗領域進行了體系化、系統化的研究[3]，并依此針對雷達與目標、雜波、干擾等技術范疇或雷達分系統的仿真技術和方法進行了大量的研究[4-8]，隨著雷達仿真技術的發展和實戰復雜電磁環境的雷達仿真需求的增加，需要研究已有技術條件和手段情況下雷達設計與仿真的技術體系，為雷達設計與仿真系統搭建和技術發展提供有價值的參考。

1 體系架構研究

1.1 分層模型

雷達數字化設計與仿真技術體系以完成雷達設計驗證和功能仿真的需求為牽引，包括仿真基礎數據和數字模型的生成、加載、配置、運行和管理等功能，并將數據和模型相互作用的結果通過圖形、圖像及視頻的方式進行展示和記錄，在模擬的真實環境下系統性的評估雷達設計水平。為了便于歸納和闡述構成雷達數字化設計與仿真技術體系不同要素的類別和邏輯關系，采用分層模型給出了一種雷達數字化設計與仿真技術體系架構，如圖1所示。

圖1 雷達數字化設計與仿真技術體系架構

雷達數字化設計與仿真技術體系架主要由基礎數據層，數字模型層和平臺應用層三個層面構成，其中基礎數據層為該體系提供地圖數據、目標數據、雜波數據和視景數據，分別用于提供模擬真實地理環境所需的地圖信息、用于雷達照射目標及場景中回波計算的幅度與相位信息、用于提供不同氣象或地理環境下雜波數據產生所需的參數數據和用于提供視景展示所需的地理、氣象、模型及作戰動態2D或3D模型；數字模型層主要提供根據仿真需求設計并實現的各類數字化模型，包括裝備模型、武器平臺/目標模型和電波傳播模型，裝備模型包括雷達、通信及電子戰等電子設備模型，用于模擬真實的電子設備功能與性能，武器平臺/目標模型用于模擬搭載裝備模型的平臺和雷達目標，電波傳播模型用于模擬雷達與目標、雷達與雜波區域、雷達與電子戰等模型間的電波傳輸，獲取雷達等裝備模型的收發信號參數或信號波形；應用平臺層首先完成數字模型加載、配置、編譯運行和結果評估，其次將仿真戰情配置、動態過程、裝備功能、性能參數等通過真實2D和3D視景動畫、動態圖表等形式進行展示，并且還能結合分布式計算、GPU加速、VR以及AR方式增強平臺功能，擴展應用領域，最后完成對基礎數據、數字模型和仿真戰情等數據進行數據庫管理。

1.2 功能組成

基礎數據層提供支撐雷達數字化設計與仿真所需的各類數據，主要包括地圖、目標、雜波和視景數據，為模型的設計和場景的構建提供可信的設計參數和視景信息，其功能和描述見表1所列。

表1 基礎數據層功能組成

數字模型層提供雷達數字化設計與仿真所需各種數字化模型，這些模型根據設計需求進行數字化建模與實現，主要包括裝備模型、武器平臺/目標模型和電波傳播模型，其功能和描述見表2所列。

表2 數字模型層功能組成

分類內容功能描述裝備雷達模型雷達信號發射、接收及處理雷達天線、伺服、信處等分系統的建模通信系統模型裝備的信息及數據交互通信系統物理層、鏈路層、網絡層建模電子戰模型雷達電子戰信號生成雷達壓制和欺騙干擾的建模武器平臺車輛模型裝載雷達或雷達目標的地面模型陸基的雷達位置、運動特征或目標RCS船舶模型裝載雷達或雷達目標的海面模型艦載的雷達位置、運動特征或目標RCS飛行器模型裝載雷達或雷達目標的空中模型機載的雷達位置、運動特征或目標RCS彈體模型裝載雷達或雷達目標的彈體模型導引頭雷達位置、運動特征或彈體RCS傳播大氣模型大氣對雷達波形傳輸的影響解算云、降水等對雷達波形的幅相數據雜波模型地、海對雷達波形傳輸的影響解算陸、海對雷達波形傳輸的幅相數據多徑模型多徑對雷達波形傳輸的影響解算多路徑對雷達回波的幅相數據波形模型生成雷達信號級回波波形通過回波數字參數生成雷達回波信號

應用平臺層主要提供展示、配置、運行、管理雷達數字化設計與仿真的系統，基于基礎數據和數字模型驅動雷達全流程動態仿真，主要包括視景展示、運行引擎、應用技術和數據庫，其功能和描述見表3所列。

表3 應用平臺層功能組成

分類內容功能描述視景展示戰情視景作戰單元、時序、功能設置作戰時間、地點和事件配置動畫視景三維仿真過程動畫展示一定空間和時間內裝備間相互作用的視頻裝備視景雷達等裝備的顯控界面雷達等裝備用戶操作界面圖形視景模型參數的圖形化顯示雷達等裝備性能參數設置和圖形化展示運行引擎模型加載加載仿真所需的數字化模型加載地圖場景及裝備、平臺等數字模型模型配置配置已加載模型的參數對模型時空、作戰及性能參數進行配置編譯運行生成仿真可執行文件并運行對模型程序編譯成可執行文件,運行仿真評估結果對裝備性能和功能進行評估根據指標體系對模型仿真結果進行評估應用技術分布式計算優化仿真運行速度和時間組網連機分布方式提高仿真運行速度GPU加速增強仿真計算能力GPU多計算單元方式提升仿真計算速度VR技術增加仿真展示能力VR方式增強仿真的三維展示效果數據庫戰情庫仿真戰情的管理通過數據庫管理戰情及其仿真結果模型庫數字化模型的管理通過數據庫管理數字化模型及配置參數基礎數據庫基礎數據的管理通過數據庫管理地圖、目標等基礎數據信息

1.3 信息流程

雷達數字化設計與仿真完成全數字仿真模型的設計與實現，虛擬時空戰情搭建，通過仿真模型間的相互作用獲取對雷達裝備的功能及性能評估，其典型的信息流程見圖2所示。

圖2 雷達數字化設計與仿真信息流程

雷達數字化設計與仿真，首先需要根據仿真需求進行基礎數據的完備和模型的設計與開發，基礎數據中的地圖、目標和雜波數據及數字模型用于模型加載與配置，生成仿真所需的戰情，視景數據用于仿真過程和結果的動畫或圖像展示，其次在確保數據準確和模型功能正常的情況下，由仿真應用進行仿真，其中運行引擎完成數據、數字模型的加載，生成戰情，編譯運行完成對戰情的編譯，生成運行仿真的可執行文件，在該文件的生成產過程中可以采用分布式、GPU等技術加快文件生成結果評估從運行得到的仿真結果中獲取對雷達性能和功能的評估，與此同時，模型加載與配置、編譯運行和結果評估分別通過戰情視景、動畫視景和裝備與圖形視景實時展示仿真場景與雷達參數的動態變化，并可通過數據庫對仿真戰情、基礎數據和數字化模型進行管理。

2 系統設計與實施

雷達數字化設計與仿真系統是運行于計算機環境的軟件，基礎數據層是雷達仿真所需地理圖像數據、目標信息數據、地海氣象雜波信息數據以及圖像與三維視頻模型數據，這些數據一般由專業軟件、數理分析、實際測量等方式獲取，數字化模型是雷達裝備、雷達目標、雷達雜波、雷達對抗以及其他與雷達進行信號相互作用實體的數字化建模，一般根據功能和仿真需求編程實現，應用平臺是提供仿真運行、展示、應用與管理的頂層模塊，一般基于軟件開發工具定制開發。基礎數據層具體的設計與實施方法見表4所列。數字模型層具體的設計與實施方法見表5所列。

表4 基礎數據層設計與實施

分類內容設計實施方法基礎數據數字地圖按面積和分辨率要求確定經緯度坐標和精度級別按經緯度和精度級別下載谷歌等數字地圖數字高程圖確定對應地圖的高程精度下載對應數字地圖下載數字高程圖數字地形圖確定對應地圖的地形種類下載對應數字地圖的數字地形圖目標RCS數據目標電磁散射模型確定頻率、角度、極化等參數使用電磁計算軟件計算目標RCS值目標航跡確定計算目標航跡的相關參數根據空氣動力學等計算目標航跡參數綜合RCS數據確定目標和背景環境的場景使用電磁計算軟件計算目標與環境耦合RCS氣象雜波數據確定氣象雜波類型、位置等參數計算滿足仿真要求的氣象雜波參數地理雜波數據去頂地理雜波雷達、位置等參數計算滿足仿真要求的地理雜波參數視景數據確定仿真所需視景的動態和靜態可視化要求采用模型及動畫制作軟件制作地理、氣象、數字化模型、作戰等視景

表5 數字模型層設計與實施

分類內容設計實施方法數字模型裝備模型裝備的功能模塊裝備與平臺和傳播模型接口武器平臺/目標模型武器平臺的功能模塊武器平臺與裝備模型接口目標與傳播模型接口傳播模型傳播模型的功能模塊傳播模型與裝備和目標接口采用編程方法對裝備、平臺/目標,傳播模型的功能模塊進行建模構建統一的模型間相互作用的接口

應用平臺層是雷達數字化設計與仿真技術體系的頂層，是能夠加載、配置、仿真、展示、評估雷達模型的設計與仿真系統的頂層，其編程語言同數字模型相同，一般采用C，C++或M語言，在Qt或Matlab及Simulink環境下開發。

3 系統實例說明

為了有效地說明系統的功能和效能，采用基于Matlab環境的雷達數字化設計與仿真系統直觀的展示應用平臺層、數字模型層和基礎數據層的典型功能，也驗證了本文研究的雷達數字化設計與仿真技術架構及系統的可信、可行和可用性。

圖3和圖4分別顯示了應用平臺層戰情視景下模型的加載和動畫及圖形視景下雷達模型的功能評估。如圖3所示，系統可以配置真實的地理信息，并按戰情需求加載相應的數字化模型。如圖4所示，系統在仿真過程中通過動畫和圖形視景實時展示雷達工作狀態和相應的性能指標。

圖3 戰情視景下模型的加載

圖4 動畫及圖形視景下雷達模型的功能評估

圖5和圖6分別顯示了雷達裝備和飛行器的數字化模型。如圖5所示，雷達數字化模型實現了雷達的信號輸入輸出和信號處理流程與算法的建模。如圖6所示，對飛行器的運動學航跡及作為目標的雷達回波進行了建模。

圖5 雷達裝備的數字化建模

圖6 飛行器的數字化建模

圖7和圖8分別顯示了目標的RCS數據和該目標在仿真場景中的展示效果。在圖7中，顯示了某型戰斗機的RCS數據，圖8顯示了該目標的三維視景圖像。

圖7 目標RCS數據

圖8 模型視景

4 結束語

本文對雷達數字化設計與仿真技術體系架構進行了研究，分三個層次說明了該體系架構的功能組成和信息流程，給出了雷達數字化設計與仿真系統的實現方法，并通過實現效果進一步直觀展示了該系統的功能和作用。

本文研究的雷達數字化設計與仿真的分層技術體系架構，系統設計與實現方法是針對雷達數字化設計與仿真的技術歸納總結與前景展望，希望本文工作能為讀者研究雷達設計與仿真系統與相關技術起到拋磚引玉的作用。