基于Qt的雷達模擬訓練軟件研究及實現

周志增 王永海 顧榮軍 馮 保

(中國人民解放軍63889部隊 河南孟州 454750)

0 引言

模擬訓練系統是進行裝備訓練的重要輔助手段，能夠脫離實體裝備對新上崗人員進行基礎培訓，以及對裝備保障人員進行相關科研試驗訓練任務的針對性訓練，解決實裝訓練器件損耗大和費用高的問題，提高日常訓練效率。避免了頻繁開機培訓操作手造成裝備的大量無謂損耗，有效延長了雷達固態功率放大器的使用壽命。

本文結合以上需求，基于Qt軟件平臺開發了一套雷達訓練系統，該系統能提供網絡訓練環境，實現雷達操作訓練、試驗訓練任務針對性訓練、雷達組網一體化訓練等功能。特別在干擾條件下，采用雷達干擾暴露區來模擬雷達受干擾后目標探測情況，解決了雷達受壓制干擾后目標點跡模擬不夠逼真的問題。

1 模擬訓練系統實現

整個模擬系統主要由計算機通過網絡搭建，輔以外圍串口設備組建而成。主要由狀態監測計算機、P顯計算機、模式控制計算機以及主控計算機、交換機組成。其中，主控計算機自動響應外部輸入請求，進行指令控制及數據下發，其他計算機可自行進行相關戰術操作。整個系統實現了動態響應外部請求、點跡模擬產生、雷達數據處理、支持戰術操作、實時顯示系統狀態等功能。

模擬系統功能模塊共分為主控模塊、數據處理模塊、模式控制及參數顯示模塊、P顯、串口控制模塊、BIT顯示6個模塊組成，如圖1所示。主控模塊同時和其他模塊進行數據交互，從串口控制模塊讀寫串口數據，通過將串口數據轉成網絡數據再分發到其他模塊完成相應動作。主控模塊給BIT顯示發送各分系統模擬狀態數據，發送模擬點跡、雜波以及干擾到PPI顯示和模式控制進行顯示，同時送給數據處理做航跡起始、關聯、濾波等處理。此外，主控響應PPI顯示的戰術操作指令、模式控制的模式選擇、參數設置等操作指令。

圖1 軟件功能模塊

由于主控軟件處理的事務較多，為避免占用主線程資源太多，影響界面流暢性。主控軟件采用多線程進行開發處理[1]，主要包括網絡收發子線程、點跡模擬子線程、系統狀態模擬子線程、通道測試子線程、環境信號子線程、串口收發子線程以及干擾處理子線程等多個子線程，線程組成關系如圖2所示。

圖2 系統工作線程組成

其中，主線程負責對子線程進行調度，響應界面控件控制，顯示打印信息；網絡收發子線程負責接收、解析以及發送網絡TCP和UDP數據包；點跡模擬子線程產生各種工作模型下點跡數據，如三坐標、邊掃邊跟工作模式；狀態模擬子線程產生分系統狀態數據，如接收機分系統、陣列組件通道；通道測試子線程產生通道測試數據，主要用來模擬檢測通道幅相一致性；環境信號子線程產生外部環境偵察數據以及發送伺服控制指令控制伺服轉動；串口收發子線程負責收發、解析串口數據，完成外圍設備對主控的控制；干擾處理子線程完成對外部干擾信息的解析，根據解析結果模擬假目標干擾和噪聲壓制干擾。

2 干擾處理子線程設計

2.1 干擾分析

對于常見雷達干擾來說，干擾主要分為噪聲壓制和欺騙干擾[2]。噪聲壓制主要采用噪聲信號來抬高雷達噪底，從而降低雷達檢測信噪比，達到雷達無法有效探測到目標的目的。而欺騙干擾則通過轉發大量與真實目標相似的假目標，進入雷達信號處理，形成大量虛假點跡，起到以假亂真的效果，以至于操作手難以快速捕捉到真實目標。

1)噪聲壓制干擾

壓制干擾分析主要基于雷達距離方程和干擾燒穿距離方程[3-4]。雷達接收到的干擾機功率為

(1)

當目標通過距離窗時，假設天線此時為最大增益。有G=G(θ=0)=Gmax，則回波功率為

(2)

其中，PJ、GJ分別為干擾機的發射功率和增益；RJ為干擾機到雷達的距離；G(θ)為干擾機與雷達主波束夾角為θ時雷達的增益。Pt、Gt分別為雷達發射功率和主瓣增益；λ為波長；σ為目標的雷達截面積；Rt為目標到雷達的距離；Gp為雷達相關處理增益。

對于寬帶干擾，干擾機帶寬大于雷達接收帶寬。因此，雷達接收到的干擾機功率修改為

(3)

同時考慮雷達接收機和天線產生的熱噪聲N0=kTsBn，其中：Ts=TA+Te為系統噪聲溫度；TA為天線噪聲溫度；Te是接收機有效噪聲溫度。

綜上所述，當同時有多點干擾源工作時，可得雷達信號干擾噪聲比SJNR(Signal-to-Jammer-plus- Noise)為

(4)

代入方程SJNR=1/Kj，(Kj為干擾雷達所需的壓制系數)，可以求得雷達最大探測距離。

在下面的仿真中，假設干擾機數量為1，其他參數見表1所列參量，仿真得到的暴露區結果如圖3所示。雷達最大探測距離334km，暴露區最小距離為18.6km。也就是，雷達能夠發現干擾機的最大距離為18.6km。

表1 仿真參數

圖3 雷達暴露區

2)欺騙干擾

欺騙干擾主要是轉發式干擾[5]，根據假目標的位置可以分為滯后干擾和超前干擾兩種；根據假目標的個數可以分為假目標欺騙和假目標壓制；根據采樣方式的不同，可以分為全脈寬采樣和部分脈寬采樣以及間歇采樣；根據欺騙的特點不同，又可以分為距離欺騙、速度欺騙和角度欺騙三種。欺騙干擾的特征參數主要有假目標個數、假目標間隔、假目標首延時、多普勒調制、距離波門拖引、速度波門拖引等等。

在本模擬系統中，對欺騙干擾進行了簡化，主要對假目標的位置、假目標個數、假目標間隔、以及假目標首延時在現象級層面進行了模擬。

2.2 干擾設計

1)實現流程

在干擾處理子線程中，具體實現流程如圖4所示。首先，解析外部的干擾數據包，根據輸入判斷干擾類型。如果是噪聲壓制干擾，根據干擾機干擾參數，如功率、帶寬、距離計算雷達暴露區，依據暴露區對點跡進行過濾。同時，根據頻點判斷干擾是否能進入雷達接收機工作頻段以內；根據雷達法線和干擾夾角計算干擾能量。如果是壓制干擾，根據干擾參數，如干擾延時、假目標個數、假目標間隔等等產生干擾點跡。最后，點跡輸出到數據處理進行航跡處理。

圖4 干擾效果模擬實現流程圖

2)實現具體考慮

在干擾暴露區計算中，應考慮具體目標的RCS值和位置信息。不同的RCS起伏值和距離，決定了雷達是否能發現該目標。所以，在暴露區計算中，首先根據干擾機相關參數得到干擾機的暴露區，再根據其他目標的RCS和距離進行折算，最后根據門限值判定該目標是否落在探測區內。

在雷達暴露區計算中，關鍵是計算出目標的信噪比。從計算公式(5)可以看出，信噪比與目標RCS成正比，與距離的4次方成反比。通過推算，目標的信噪比與干擾暴露區的最小信噪比、目標RCS和干擾機RCS比值、干擾機距離與目標距離比值的4次方成正比。依此為依據，分別計算每個目標的信噪比。

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，SNRjam為計算干擾機暴露區的最小信噪比，σj為干擾機RCS值，Rj為干擾機距離，SNRt為目標信噪比，σj為目標RCS值，Rt為目標距離。可見，隨著干擾機距離發生變化，雷達對目標的發現能力也在不斷發生變化。

在軟件實現中，分別通過JammingHead、NoiseJam和DeceptionJam三個結構體保存干擾報文信息、噪聲干擾信息以及欺騙干擾信息。其中，JammingHead主要包括報文頭、干擾機個數、干擾類型；NoiseJam包括干擾頻段、干擾帶寬、干擾功率以及干擾增益；DeceptionJam包括假目標數量、假目標間距、假目標類型、假目標時延。

3 實現效果

軟件采用Qt設計[6]，干擾暴露區顯示界面如圖5所示。左上為雷達方向圖，左下為實時雷達暴露區。右上為解析出的雷達和干擾機參數，右下為雷達底噪、干擾噪聲強度以及目標回波強度。從圖5中可以看出，壓制區位于31°～49°雷達扇區中，兩側探測距離由于受雷達副瓣影響呈現振蕩的趨勢。

圖5 雷達暴露區顯示界面

圖6～圖8為雷達P顯示截圖。其中，圖6為未實施干擾前的點跡分布圖。從圖6中可以看出，雷達探測方位范圍為21°～61°，點跡統計個數為115個。圖7為受到噪聲壓制干擾之后的點跡分布，點跡統計個數為97個，點跡減少的原因是位于暴露區之外的目標都被有效過濾掉，線段表示干擾壓制區域。圖8為雷達收到欺騙干擾之后的P顯畫面，點跡個數為160個，假目標間隔為15km。從以上模擬結果來看，實現效果與實際設備受到干擾的情形一致。

圖6 未受干擾時雷達點跡分布

圖7 受干擾時雷達點跡分布

圖8 全量程欺騙干擾

4 結束語

本文基于Qt軟件平臺加外圍硬件的方法實現了一套模擬訓練系統。該系統能逼真模擬某型雷達的狀態顯示、目標點跡生成、數據處理、以及建航、刪批等多種戰術動作，可用于快速提高雷達操作手對雷達的應用能力。特別是針對干擾條件下的目標顯示問題，系統可動態計算雷達干擾暴露區，準確過濾壓制目標，結果更能符合理論和實際情況。