某型精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統設計

摘要：針對航天工程大學雷達工程專業裝備操作教學需求，開展精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統設計。首先設計精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統架構，分為應用層、服務層、數據層和基礎層4個層次，然后對關鍵模塊包括推演導調、綜合模擬、任務規劃、訓練評估以及信號處理、跟蹤處理、寬帶成像、特征提取與識別等分別進行設計。研究表明，所提系統架構和模塊設計可以為同領域相控陣雷達等開展模擬訓練研究等提供技術參考，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：跟蹤測量雷達"""實戰化"""成像雷達"""識別

中圖分類號：TN955

Design"of"the"Simulation"Training"System"for"a"Precision"Tracking"Imaging"Radar

QIU"Lei

Space"Engineering"University，"Beijing，"101416"China

Abstract："In"response"to"the"teaching"needs"of"equipment"operation"in"the"radar"engineering"major"in"Space"Engineering"University，"this"paper"conducts"the"design"of"the"simulation"training"system"for"precision"tracking"imaging"radars."Firstly，"it"designs"the"architecture"of"the"simulation"training"system"for"precision"tracking"imaging"radars"which"is"divided"into"four"layers："the"application"layer，"service"layer，"data"layer"and"basic"layer."Then，"it"designs"key"modules"respectively，"including"inference"guidance，"comprehensive"simulation，"task"planning，"training"evaluation，"signal"processing，"tracking"processing，"broadband"imaging，"and"feature"extraction"and"recognition."Research"has"shown"that"the"architecture"and"module"design"of"the"proposed"system"can"provide"technical"references"for"research"on"the"simulation"training"of"the"phased"array"radar"in"the"same"field，"which"has"certain"engineering"application"value.

Key"Words："Tracking"measurement"radar;"Real"combat"condition;"Imaging"radar;"Recognition

精密跟蹤成像雷達是對目標坐標及其運動軌跡進行實時精確測量和成像的雷達，是導彈預警和空間目標監視的主要裝備[1]。精密跟蹤成像雷達裝備操作是筆者學校雷達工程專業“裝備操作與模擬訓練”課程的主要內容。精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統的主要模擬精密跟蹤成像雷達裝備的工作過程，模擬雷達的關鍵崗位操作、關鍵節點信息處理與決策等，具有跟蹤、測量、成像、識別等功能。與實裝訓練相比，模擬訓練系統通過數字化仿真手段，使受訓人員在貼近實戰的逼真虛擬環境下完成任務規劃、指揮決策、態勢感知、信息處理等業務操練，并完成特定想定下的訓練評估，突破了傳統演訓在經費、時間、地域和環境等方面的限制，不僅可以節省大量經費與實裝消耗，還可以縮短訓練周期，加強訓練針對性，通過反復訓練和評估反饋有效提升訓練質量[2-6]。為滿足裝備操作課程實戰化操作要求，本文以某型精密跟蹤成像雷達為研究對象，分析其主要功能和基本工作流程，搭建精密跟蹤成像雷達模擬訓練架構，并設計主要的功能模塊，設計滿足教學訓練需求的精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統。

1"精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統架構與訓練流程

精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統實現某精密跟蹤成像雷達的跟蹤、測量、成像、識別等功能。系統包括訓練考核評估、綜合模擬、任務規劃、數據處理、一維像顯示和故障診斷等模塊。

1.1"精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統架構

精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統采用可重構、可擴展和可移植的系統架構設計理念，并按照分層體系結構進行軟硬件設計。系統架構由上至下分為應用層、服務層、數據層和基礎層4個層次，如圖1所示。

1.1.1"應用層

在應用層，系統可根據訓練科目設置或上級命令，完成導彈預警或空間目標監視任務的模擬訓練，提供目標軌道與目標特性數據，完成指定空間目標的監視跟蹤與識別任務。

1.1.2"服務層

服務層包括專業服務和通用服務兩部分，專業服務主要用于支撐模擬訓練系統核心功能的實現，包括任務規劃、資源調度、數據處理、信息融合、態勢顯示、特征提取以及訓練評估等模塊。通用服務用于輔助專業服務的實現，包括用戶權限管理、裝備參數管理、數據交互與采集以及虛擬化云桌面終端等功能模塊。

1.1.3"數據層

數據貫穿模擬訓練任務的每一個環節，模擬訓練系統涉及的數量類型多、數據容量大，具體包括目標特性、戰場環境、訓練規則、訓練科目、裝備信息、學員信息、典型故障和訓練數據等，系統通過數據建庫和管理，實現各類資源按需使用、統一監控、可靠運行和快速部署。

1.1.4"基礎層

基礎層用于保障模擬訓練系統正常運行，分為硬件基礎和軟件基礎兩大部分，硬件基礎包括計算資源、存儲資源、網絡資源、顯示資源和時統設備等；軟件基礎包括操作系統、云桌面管理、系統資源管理等。

1.2""精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統操作訓練流程

使用精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統完成操作訓練時，其流程可劃分為3個階段：訓練準備階段、訓練進行階段和訓練事后階段。

1.2.1"訓練準備階段

訓練準備階段是系統準備訓練科目的階段，主要由教員完成，該階段的主要活動包括場景數據準備、場景設定和場景推演等。

1.2.2"訓練進行階段

訓練進行階段，任務規劃崗位根據模擬訓練要求從數據庫獲取相應的訓練/推演想定文書并組織各參訓資源下發文書進行訓練初始化。雷達主控崗位和數據融合分析與研判崗位根據文書內容，對裝備初始化參數、處理參數、顯示參數等進行初始化配置，配置結束后，在系統授時的統一調度下，訓練進入內部閉環，直至訓練結束。

1.2.3"訓練事后階段

訓練事后階段，教員從數據庫獲取訓練操作記錄、業務數據記錄、想定文書，并按照想定文書預置的評估方案進行事后評估，然后將評估報文入庫。

2"精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統功能模塊設計

根據精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統架構，其功能模塊主要包括推演導調、綜合模擬、任務規劃和訓練評估以及信號處理、跟蹤處理、寬帶成像、特征提取與識別等，下面分別進行設計。

2.1"推演導調模塊

推演導調功能模塊包括訓練計劃制訂與推演和訓練過程導調監控兩大功能，主要用于教員組織模擬訓練過程使用。

2.1.1"訓練計劃制訂與推演

訓練計劃制訂與推演主要實現訓練科目的制訂，按照訓練要求完成訓練資源規劃、訓練任務設置（任務場景設置、彈道設置等）、生成導調文書等功能，支持訓練任務的發起，實現將訓練計劃制訂的訓練場景進行推演和態勢展示，依托場景推演的關鍵參數，制定訓練評估標準，支持用戶決策訓練任務規劃的合理性。具備規劃參訓裝備、設置空間目標、設置環境參數、設置訓練任務、生成想定文書、查看歷史想定文書、場景態勢推演等功能。

2.1.2"訓練過程導調監控

訓練過程導調監控用于實現訓練過程的導調、監視和控制。完成訓練任務的發起、訓練進程的控制監視以及參訓資源的監視控制，實現場景態勢的監控，包括場景事件的干預導入。具備發起訓練任務、監控訓練進程、監控參訓資源、監視學員訓練過程、場景數據導入等功能。

2.2""綜合模擬仿真模塊

綜合模擬器主要完成目標回波數據生成和伺服跟蹤控制及接收信號處理模擬，其信號體制、頻段、采樣率、角誤差跟蹤算法、檢測算法、參數測量算法等處理參數及功能均可編輯。該模擬器接收到訓練考核評估模塊或任務規劃模塊的控制命令后，產生目標回波數據，處理生成目標運動信息、特性信息及雷達工作狀態信息等，經過時間和空間轉換后，發送給各模擬終端。模擬終端對接收到的目標運動信息和雷達工作信息進行解算處理，根據學員的操作情況，模擬完成跟蹤、一維距離像實時成像顯示以及極化特性提取等功能。

綜合模擬器主要功能是根據當前模擬雷達的工作方式和模擬訓練任務規劃場景，實時產生基帶數字回波信號，并按照當前雷達波束掃描狀態及每個目標的運動信息對其進行距離延時、多普勒調制和波束調制，形成包含了方位角、俯仰角、距離、多普勒、幅度等維度信息的多通道、多目標回波信號；根據適當的信噪比，實時產生多通道噪聲回波信號，與目標信號一起合成為典型作戰場景下的復雜回波信號，直接送給雷達信息處理，用于檢測和驗證雷達在復雜場景下的搜索、跟蹤等主要功能及性能指標。

綜合模擬器能根據雷達任務規劃、想定作戰場景，實時模擬產生目標、噪聲干擾等雷達探測鏈路中的典型回波信號，用于雷達系統開展性能指標測試和用戶模擬訓練。

綜合模擬器功能主要在服務器中實現，其硬件主要由CPU計算卡、GPU計算卡、光纖卡、網口等組成[7]。模擬器通過網卡接收雷達指令和訓練場景信息，將信息傳輸給CPU。CPU主要作用是進行系統調度、資源分配、場景預處理、插值計算、目標匹配等工作，計算產生目標和噪聲回波計算所需的仿真參數，仿真參數通過PCIE總線送給GPU，模擬器在GPU中完成多目標回波及噪聲回波信號的產生，并將目標、噪聲按照波門進行疊加，按照約定格式發送給CPU。CPU通過高速總線將多通道回波數據發送至光纖卡，光纖卡對多通道回波數據進行打包，按照約定格式將信號轉換為光纖信號，發送給信息處理。

2.3""任務規劃模塊

任務規劃模塊主要由場景配置與下發、狀態監控和數據管理三大功能組成。

場景配置與下發模塊將模擬器需要的基礎數據如科目、場景、目標、裝備等數據配置好后，通過數據傳輸網絡發送給綜合模擬器；狀態監控將裝備的各類狀態數據通過數據傳輸網絡接收并顯示，根據任務要求適時調整狀態信息并通過數據傳輸網絡發送給裝備；數據管理模塊將場景配置模塊和狀態監控模塊中的人員信息、操作信息收集后，分別存儲到數據庫中，并提供按條件查詢功能。任務規劃處理流程如圖2所示。

2.3.1"場景配置與下發

場景配置功能提供訓練科目設置、訓練場景設置、裝備地理信息設置、目標特性設置等功能。配置好后的訓練參數通過綜合模擬器向模擬終端下發。

訓練科目可根據訓練要求、訓練重點來設置，可以分為大科目和小科目。大科目包含雷達探測裝備訓練、預警監視信息綜合處理訓練、基本任務流程訓練、典型訓練等。每個大科目下劃分小科目，每個科目下的操作訓練包含多個具體的環節，設置訓練科目可確定操作環節，結合具體任務場景、目標信息、裝備信息等，確定每個操作環節的操作時間段。為后續打分評估做準備依據。其中裝備地理信息部署提供自動生成的功能和手動調節設置。

2.3.2"狀態監控

狀態監控提供對裝備的工作狀態設置和對模擬終端的狀態監視功能。能夠接收監視各雷達上報的工作狀態信息，對各裝備的BIT狀態、工作參數、目標探測狀態進行監視；可設置雷達工作狀態等參數信息。

2.3.3"數據管理

數據管理模塊管理的幾類數據包含學員信息、操作信息等。按類別將各類數據分別存儲管理，為訓練評估提供數據基礎，并提供按條件查詢功能。學員信息包括姓名、職位、值班席位等；操作信息包括操作時間、操作內容等。

2.4""訓練效果評估模塊

訓練效果評估模塊通過對訓練過程的評估數據進行采集，實現對受訓學員的訓練效果評估，主要對不同崗位職責的參訓學員進行學員能力的全面評估，包括學員裝備操作能力、指揮規劃能力、情報處理能力、協同任務執行能力等，最終形成可供受訓學員和導控席位查看的評估報告[8]。在訓練評估結果數據基礎上，進行系統性的訓練評估統計分析、科目訓練評估統計分析、學員訓練評估統計分析以及裝備訓練評估統計分析。

訓練效果評估模塊具備評估裝備操作能力、評估指揮規劃能力、評估情報處理能力、評估協同任務執行能力、發布評估報告、綜合分析訓練評估結果等功能。對每一種能力，需要建立起能力評估指標體系，采集能力評估參數，包括相關的訓練業務數據、崗位操作日志等數據，然后實現能力評估算法，最后生成能力評估結果報告。

2.5""信號處理模塊

信號處理輸入數據為模擬器產生，主要完成數據預處理、脈壓、目標檢測、點跡提取及綜合、視頻送顯等功能。其中數據預處理是指對輸入光纖數據的緩存、多通道光纖數據同步以及數據合并，轉為異步數據流進行后續處理。本系統中存在LFM信號的垂直極化和水平極化同步處理，需要將跟蹤通道“垂直極化和、方位、俯仰與水平極化和、方位、俯仰”光纖同步以及顯示通道“垂直極化和與水平極化和”光纖同步光纖預處理情況。數字脈沖壓縮是根據信息表內容選擇相應系數對輸入的單通道回波數據做FFT、頻域加窗、IFFT的脈沖壓縮處理。

2.6""跟蹤處理模塊

目標回波經過信號檢測后，提取目標點跡信息后進行點跡、航跡相關處理，對確認的目標進行航跡起始，并對目標下一時刻的位置進行預測，實現雷達跟蹤測距功能。

回波預處理主要任務是從原始回波隊列中取出目標中心距離、檢測點距離誤差和角度誤差，形成目標點跡，輸入點跡隊列中，同時觸發航跡處理模塊進行處理。

回波處理任務處理完回波后，進行航跡處理，流程如下。

（1）從點跡緩沖區中取出點跡，根據回波狀態調用不同的處理方式，主要如下。

①航跡起始。航跡起始算法通常采用N/M準則，也就是在M次回波數據掃描中，有N次關聯成功，則進行航跡起始，轉入跟蹤狀態。

②航跡相關。計算點跡與航跡之間的統計距離，進行整體相關門限識別，若相關成功，則進行航跡濾波、更新航跡緩沖區信息；若相關未成功，則目標轉入記憶狀態；對于相關剩余點跡放入內部分離點跡緩沖區，進行目標分離處理。

③航跡濾波。對目標航跡的測量值進行濾波處理，驗證數據的測量數據時間的合理性、空間位置的合理性，輸入濾波器中進行航跡濾波，輸出航跡濾波后的數據。

（2）對于搜索狀態，進行相關剔除，用剩余點跡建立新航跡，轉入驗證處理。

（3）對于驗證狀態，進行航跡相關處理和航跡濾波處理，驗證成功轉入跟蹤處理，航跡更新處理和測量數據發送緩沖區。

（4）對于跟蹤狀態，進行航跡相關處理和航跡濾波處理，航跡更新處理和測量數據發送緩沖區，若發現分離目標，則進行分離處理。

（5）另外，航跡處理模塊還包括刪除目標；對于任務狀態改變的任務，操作任務狀態緩沖區，發送任務狀態數據包。

2.7"nbsp;寬帶成像模塊

雷達成像軟件完成一維成像處理，模塊接收模擬的寬帶去斜回波數據，完成解表、定浮點轉換、野值剔除、速度補償、系統補償、脈沖壓縮和求模量化等功能，將一維像圖像數據送顯控分系統顯示。

寬帶成像主要根據模擬的寬帶去斜數據進行一維像處理。

2.8""特征提取與識別模塊

一維像處理顯示模塊包括脈沖壓縮、特征提取等單元，對接收到的回波數據進行脈沖壓縮處理，得到目標的高分辨一維距離像，并從中提取特征信息。系統主要完成RCS和一維像的特征提取。接收數據處理發送的RCS計算結果，計算RCS的統計值，獲取均值、方差等信息，并根據統計信息提取RCS的識別特征。一維像特征提取模塊實時接收一維距離像，從中提取目標的特征信息。RCS特征提取的流程圖如圖4所示，一維像提取的流程圖如圖5所示。

3"結語

精密跟蹤成像雷達模擬訓練系統操作訓練可提升學員對目標搜索、跟蹤、預警等探測資源高效、合理利用的能力，充分鍛煉任務規劃、裝備操作、故障診斷與排除等關鍵崗位的任務完成能力，是實現實戰化教學的有效手段。本文針對某精密跟蹤成像雷達，設計了模擬訓練系統架構，分為應用層、服務層、數據層和基礎層4個層次，然后對推演導調、綜合模擬、任務規劃、訓練評估以及信號處理、跟蹤處理、寬帶成像、特征提取與識別等分別進行設計。本文研究為后續模擬訓練系統的實現打下了良好的基礎。

參考文獻

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