雷達(dá)模擬器軟件的研究與設(shè)計(jì)

馬敏

【摘 要】本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款可在多個(gè)不同平臺(tái)下設(shè)置多部雷達(dá)的雷達(dá)模擬器。文中介紹了如何模擬雷達(dá)的實(shí)際跟蹤過(guò)程，解決了多雷達(dá)的資源使用問(wèn)題，并針對(duì)岸基雷達(dá)工作的海面環(huán)境和目標(biāo)特點(diǎn)，在雷達(dá)模擬器中設(shè)置了檢測(cè)概率計(jì)算及海雜波模型。該雷達(dá)模擬器能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確地模擬實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，為雷達(dá)系統(tǒng)的研究、生產(chǎn)和使用提供必要的學(xué)習(xí)、調(diào)試手段。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá)模擬器軟件；資源使用；海雜波模型

【Abstract】This article designs and fulfills a new radar simulator， in which users can set several radars on different platforms. In this article， simulation of real work progress of radar is introduced， and distribution of cpu resource as well. Besides， sea clutter model， i.e. Rayleigh distribution， is used to describe different sea conditions. The Radar simulator can provide more realistic radar working circumstances for the research and produce of radar system.

【Key words】Land-based Radar； RCS frustration； Detection probability； Sea clutter model

0 引言

雷達(dá)模擬器可以模擬各種工作環(huán)境中的雷達(dá)，如天空、陸地或水面等。雷達(dá)和目標(biāo)的參數(shù)亦可按需求靈活設(shè)置，如雷達(dá)的位置、周期、功率、精度，以及目標(biāo)的軌跡、速度等。其操作方便，可以較為逼真地模擬雷達(dá)實(shí)時(shí)的探測(cè)性能，為信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理算法性能的測(cè)試、評(píng)估及研究提供仿真數(shù)據(jù)支持和評(píng)估環(huán)境。相關(guān)文獻(xiàn)已介紹了多種工作環(huán)境中的雷達(dá)模擬器[1-5]，如機(jī)載雷達(dá)模擬器[2]，潛艇雷達(dá)模擬器[3]等。但目前所見(jiàn)文獻(xiàn)中，模擬器大多針對(duì)單一環(huán)境中的單部雷達(dá)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，往往是多部雷達(dá)在多種不同的平臺(tái)上同時(shí)工作，對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。而目前所見(jiàn)文獻(xiàn)大都未進(jìn)一步對(duì)此場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

本文實(shí)現(xiàn)了一款可在多種不同環(huán)境下設(shè)置多部雷達(dá)的雷達(dá)模擬器。雷達(dá)可以設(shè)置在陸地或水面艦船上，目標(biāo)可為飛機(jī)或艦船。針對(duì)對(duì)海觀測(cè)的特點(diǎn)，模擬器中還考慮了海雜波導(dǎo)致的虛假目標(biāo)。該款雷達(dá)模擬器更加符合實(shí)際場(chǎng)景，有利于更好地測(cè)試與評(píng)估相關(guān)信號(hào)及數(shù)據(jù)處理算法的有效性。

1 系統(tǒng)分析

該模擬器功能主要包含場(chǎng)景編輯和仿真、數(shù)據(jù)記錄、動(dòng)態(tài)顯示功能等。

1）可以同時(shí)模擬多部雷達(dá)探測(cè)，并實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)的點(diǎn)跡或航跡；

2）具有場(chǎng)景設(shè)置功能，能根據(jù)需要模擬各種運(yùn)動(dòng)特性的飛機(jī)和艦船目標(biāo)，可以模擬運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下的雷達(dá)掃描；

3）采用可視化界面設(shè)計(jì)，具有地圖顯示功能，可以清晰的區(qū)分場(chǎng)景中的平臺(tái)、目標(biāo)和雷達(dá)等工作元素；

4）可以保存設(shè)置完畢的場(chǎng)景，形成劇情文件，讀入后可以重復(fù)劇情；

5）系統(tǒng)軟件目標(biāo)點(diǎn)跡的產(chǎn)生，要符合雷達(dá)的自身特性，這些特性包括探測(cè)威力、發(fā)現(xiàn)概率、雷達(dá)視角和誤差特性。

6）目標(biāo)航跡的產(chǎn)生，要符合航跡數(shù)據(jù)的產(chǎn)生規(guī)律，也即要進(jìn)行跟蹤處理后輸出。

2 主要功能實(shí)現(xiàn)

2.1 模擬真實(shí)雷達(dá)掃描

真實(shí)雷達(dá)的掃描是一個(gè)多個(gè)系統(tǒng)配合的復(fù)雜的過(guò)程，涉及到天線伺服的旋轉(zhuǎn)，天線碼盤(pán)的讀取，涉及到雷達(dá)重復(fù)頻率和發(fā)射機(jī)工作。真實(shí)雷達(dá)的掃描是連續(xù)的過(guò)程，是將整個(gè)0～360度的分成8192個(gè)角度單元（碼盤(pán)的滿刻度0～8192），在天線工作時(shí)，終端通過(guò)天線方位觸發(fā)采集天線碼盤(pán)方位和回波信息，通過(guò)光柵顯示實(shí)現(xiàn)雷達(dá)掃描的過(guò)程顯示。

雷達(dá)模擬器要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的掃描，必須要將雷達(dá)的掃描線實(shí)時(shí)畫(huà)在場(chǎng)景上。為了能有更多的應(yīng)用，雷達(dá)模擬器掃描周期可以在合理的范圍內(nèi)任意設(shè)置（3秒～40秒）。雷達(dá)在模擬掃描過(guò)程中不能有停頓感?？紤]人眼的反應(yīng)時(shí)間（一般10毫秒數(shù)量級(jí)，每個(gè)人各不相同），我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候采用了5毫秒軟件定時(shí)器，也就是每5毫秒進(jìn)行一次新掃描線的繪制和舊掃描線的清除，每次掃描線畫(huà)的方位為：

Azi=Azi-last+？駐t*360/T

這里的？駐t是上次掃描到這次掃描的時(shí)間差，雖然設(shè)置了5毫秒定時(shí)器，但是實(shí)際上Windows系統(tǒng)的并不能每次都能在5毫秒準(zhǔn)時(shí)響應(yīng)時(shí)鐘中斷，有時(shí)要稍長(zhǎng)一點(diǎn)，但一般不會(huì)超過(guò)20毫秒。

2.2 模擬真實(shí)雷達(dá)探測(cè)過(guò)程

雷達(dá)探測(cè)是其最主要的任務(wù)，它是一個(gè)復(fù)雜的多系統(tǒng)協(xié)同工作過(guò)程，簡(jiǎn)單地說(shuō)即雷達(dá)波束掃過(guò)目標(biāo)后，通過(guò)接收處理，信號(hào)處理，點(diǎn)跡凝聚處理，產(chǎn)生目標(biāo)的點(diǎn)跡信息。目標(biāo)點(diǎn)跡信息是包含了該雷達(dá)自身系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，同時(shí)也是滿足該雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率的。所以雷達(dá)探測(cè)的本質(zhì)是在理想系統(tǒng)（無(wú)系統(tǒng)誤差，無(wú)隨機(jī)誤差，無(wú)外部干擾）情況下，加入雷達(dá)自身?xiàng)l件約束和外部條件約束。

模擬雷達(dá)探測(cè)的過(guò)程也是按照“理想+噪聲”這個(gè)模型原理進(jìn)行的。實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)的真值位置與雷達(dá)掃描線的當(dāng)前方位，當(dāng)確定掃描線已經(jīng)掃過(guò)目標(biāo)后，將目標(biāo)真值方位和真值距離分別加上雷達(dá)系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，作為點(diǎn)跡位置。

2.3 多雷達(dá)模擬器的資源使用問(wèn)題

單個(gè)雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)可能還相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，對(duì)于多個(gè)雷達(dá)的同時(shí)工作，需要考慮的問(wèn)題就更多：

1）如何分配資源給每個(gè)雷達(dá)；

2）如何能讓每個(gè)雷達(dá)可以按照自身的規(guī)律工作，而不受其他雷達(dá)影響；

3）如何能使雷達(dá)的性能不因?yàn)槔走_(dá)增加而降低。

采用數(shù)據(jù)鏈表和時(shí)間驅(qū)動(dòng)的方法解決這些問(wèn)題。數(shù)據(jù)鏈表的方法就是把每個(gè)雷達(dá)作為一個(gè)對(duì)象來(lái)進(jìn)行管理（每個(gè)雷達(dá)有自身的特性，這些特性是獨(dú)立的），然后用鏈表把他們連接起來(lái)見(jiàn)圖 1。

時(shí)間驅(qū)動(dòng)的方法，就是整個(gè)仿真系統(tǒng)的工作是通過(guò)5毫秒軟時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)5毫秒時(shí)間中斷到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)檢視一下每個(gè)雷達(dá)要做的工作，從第一個(gè)雷達(dá)到最后一個(gè)雷達(dá)，誰(shuí)有工作，就立即執(zhí)行誰(shuí)的工作內(nèi)容，如果沒(méi)有工作，那么立即進(jìn)行下一個(gè)雷達(dá)的工作檢視。工作過(guò)程見(jiàn)圖 2。

每增加一個(gè)雷達(dá)就會(huì)增加相應(yīng)的系統(tǒng)資源，產(chǎn)生的代價(jià)就是增加計(jì)算機(jī)內(nèi)存的占用和增加計(jì)算機(jī)CPU的負(fù)荷。這里的“多雷達(dá)”并不是可以無(wú)限的多下去。如果是N個(gè)雷達(dá)和M個(gè)目標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生最多M×N批次的目標(biāo)探測(cè)和跟蹤。我們?cè)O(shè)計(jì)的指標(biāo)是100批目標(biāo)，10個(gè)雷達(dá)模擬器，這相當(dāng)于1000批次的目標(biāo)探測(cè)和跟蹤，再加上每個(gè)雷達(dá)模擬器還有自身的掃描和維護(hù)，這對(duì)系統(tǒng)的資源占用也是十分巨大的。

2.4 海雜波模型

海雜波環(huán)境通常會(huì)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)造成較大困難。一方面是由于在海面上，海雜波的信號(hào)強(qiáng)度往往高于艦船目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度；另一方面，海上艦船運(yùn)動(dòng)速度較慢，其多普勒頻移又會(huì)與海雜波能量所對(duì)應(yīng)的頻譜相重疊。常用的海雜波幅度分布有Rayleigh分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布等[6、7]。簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文只采用最常用的Rayleigh分布。

在模擬器中，雜波區(qū)域設(shè)置為扇形。當(dāng)雷達(dá)掃描線進(jìn)入雜波區(qū)域后，將掃描線觸及的區(qū)域等分為n點(diǎn)，每點(diǎn)按雜波分布模型產(chǎn)生相應(yīng)的雜波幅度。如圖 3所示，綠色點(diǎn)為雷達(dá)站位置，紅色點(diǎn)為海雜波點(diǎn)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)海雜波最大值為1.0，雜波的檢測(cè)概率等于雜波幅度值。

求得目標(biāo)和海雜波點(diǎn)的檢測(cè)概率后，按照如下方法判斷目標(biāo)是否從屏幕輸出：在[0，1]區(qū)間內(nèi)選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)a，該隨機(jī)數(shù)a在[0，1]內(nèi)滿足均勻分布。若a>p，則該雜波點(diǎn)未被雷達(dá)檢測(cè)到，反之，輸出該點(diǎn)的雜波信息。

3 模擬器實(shí)現(xiàn)

在均勻雜波9級(jí)，海雜波4級(jí)情況下，同時(shí)產(chǎn)生四部雷達(dá)的中、小兩種典型船只的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)。其中，中、小兩種船的RCS分別為2000m2、200m2，兩種船只分別獨(dú)立進(jìn)行勻速、機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)（速度15節(jié)、30節(jié)、50節(jié)），相互之間的運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)交叉，且目標(biāo)做向站或背站運(yùn)動(dòng)，每種狀態(tài)運(yùn)行15分鐘。雷達(dá)參數(shù)如下表所示。其中，1-3是岸基雷達(dá)，4號(hào)為艦載雷達(dá)。4號(hào)雷達(dá)勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為15節(jié)。

圖6可以說(shuō)明：1）海面艦船目標(biāo)沿著設(shè)定的航線和速度運(yùn)動(dòng)，形象地表示了目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況；2）四部雷達(dá)分別部署在陸地和艦船上，可以按照各自的工作參數(shù)同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和跟蹤；3）場(chǎng)景仿真時(shí)在海面上設(shè)置了雜波區(qū)，模擬器可按設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的海雜波。

因此，該雷達(dá)模擬器能夠直觀、形象地模擬出戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、目標(biāo)及雷達(dá)的工作過(guò)程，并基于真實(shí)的地理信息顯示雷達(dá)探測(cè)結(jié)果， 使得模擬器的系統(tǒng)工作環(huán)境達(dá)到可視化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款簡(jiǎn)潔直觀的多雷達(dá)場(chǎng)景仿真軟件。用戶可直接設(shè)置雷達(dá)站以及各種目標(biāo)（包括艦船、飛機(jī)等）的坐標(biāo)、工作參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡等。可為雷達(dá)系統(tǒng)的研究、生產(chǎn)和使用提供必要的學(xué)習(xí)、調(diào)試手段。已開(kāi)發(fā)的雷達(dá)模擬器已經(jīng)通過(guò)聯(lián)試，實(shí)際應(yīng)用于雷達(dá)研制過(guò)程中。

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