雷達軟模擬技術研究

劉尚富，謝永亮，王 英，曾海兵

(海軍蚌埠士官學校，安徽蚌埠 233000）

雷達軟模擬技術研究

劉尚富，謝永亮，王 英，曾海兵

(海軍蚌埠士官學校，安徽蚌埠 233000）

目前，計算機模擬雷達系統有著廣泛的應用和獨特的優勢。本文針對各類雷達模擬器中軟件系統的構建與設計進行研究，提出軟件設計應遵循的原則，并對總體方案設計進行詳細介紹。

雷達系統模擬;設計原則;總體方案;CUDA

0 引言

計算機模擬在工程設計和科研開發中擁有難以撼動的主導地位，雷達由于裝備復雜、造價高昂，計算機模擬雷達系統有其獨特的優勢，可以概括為“多快好省”［1］。多:能夠模擬不同體制雷達及不同型號，突破現實條件的限制;快:不需要實物模型制作，許多裝備的調試過程以年月計，而模擬則以天和小時計;好:細節方面可以得到充分模擬，誤差及系統干擾小，測量調試方便;省:省去建造和運行裝置的成本，可多次改造和升級，且沒有環境影響和安全隱患。模擬器在學員培訓、實況模擬、科研開發方面起著越來越重要的作用。

1 雷達軟模擬應遵循的原則

在一項計算機軟件的生存周期中，一般分為6個階段:可行性與計劃研究階段、需求分析階段、設計階段、實現階段、測試階段、運行與維護階段。雷達是一個較為復雜的系統，為使軟件功能完備，健壯性、靈活性和可靠性得到保障［2－3］，其軟件設計遵循以下原則:

1）功能與原雷達裝備的操作、維護和管理訓練為主，操作界面、功能響應、故障現象等與實際雷達一致。

2）系統功能設計采用功能仿真與信號級仿真相結合，以功能仿真為主。

3）系統結構采用模塊化設計思想，接口標準化，功能模塊可以疊加，通過接口可以擴展功能。

4）注重軟件的健壯性、高效性，允許誤操作。

5）在軟件實施過程中，建立完善的文檔資料，增強軟件的可讀性和維護性。

進行雷達模擬器軟件設計時，還應考慮和解決以下幾個問題:

1）數據實時產生與數據處理。雷達模擬器在正常工作中，需要實時生成大量信息，主要是雜波信息、目標信息、信號幅度信息、誤差信息、雷達系統工作模式等各種狀態信息等，并對采集到的這些數據信息進行及時處理，因此在進行系統設計時應考慮如何實現數據實時產生及數據的處理。

2）精度和實時性問題。雷達模擬系統要求達到較高的精度和很高的實時性。由于模擬器系統本身及其信號和環境的變化很復雜，需要實時生成大量的信息，且產生的信息要與實際基本一致，決定了模擬系統的實時性要求。

3）可移植性問題。隨著電子技術、計算機技術、總線技術、仿真技術和各種高新技術的快速發展，雷達系統的更新換代也隨之加快。因此增強系統的可移植性是模擬器設計的重要課題之一。

4）模塊化問題。合理設計各種功能模塊，各模塊在自身功能的實現上是封裝的，彼此之間通過接口協調工作，能提高代碼的重復利用率，便于調試和排錯，且易于擴展。

2 雷達軟模擬總體方案設計

模擬器軟件系統可采用以操控面板單元為主線，以模塊響應為主體，通過操控面板各按鍵、旋鈕、開關等的觸發產生模塊響應，得到繪圖數據，在后備緩存中繪制好下一幅要顯示的圖像，實時地完成P顯視頻圖像的輸出。由此即可模擬出雷達的功能。

模擬器設計遵循模塊化設計，各模塊封裝自身功能并采用標準化的設計接口，通過接口進行彼此間的通信，完成各操作對應的響應，其設計框圖如圖1所示。雷達系統通常可以分解成余輝效果模塊、掃描線生成模塊、各雜波生成模塊、目標生成模塊等，各模塊接收操控面板傳來的操作參數，實時生成各模塊的特征圖像信息，并在后臺進行圖像信息融合，構建成完整的雷達畫面。

此外，在視頻圖像顯示時，為了便于控制處理各類型的回波等，采用分層顯示技術，根據一般雷達的回波視頻特性，對圖像分以下3層來顯示:

第1類:掃描線、噪聲層。這2種圖像特性隨方位、距離的變化不明顯，在各種模式下變化非常緩慢，且對其進行操作的按鍵少，具有余輝效應，可作為視頻圖像的最底層。

圖1 模擬器軟件總體設計圖Fig.1 General design chart of simulator software

第2類:海雜波、氣象雜波、目標等。此類回波具有余輝效應，隨時空的變化比較大，對不同的海況、天氣、環境等有明顯的不同，且目標出現的方位、距離隨機性很大，目標類型也多樣化。為了便于雜波抑制，目標錄取等操作響應，此類作為視頻圖像的中間層，能及時響應對應的操作而不影響其他回波的顯示。

第3類:固定圖標類。固定圖標類主要包括光標、動目標船形符、固定目標符、艦首線、登記卡等等。此類圖層主要為明亮的符號，在屏幕上沒有余輝效果，顯示穩定，能迅速及時響應對應的操作。此類圖標應作為視頻圖像的最上層，具有優先顯示權利。

視頻圖像分為3個圖像層顯示，能很方便地控制每個圖像層的變化，實時對控制按鍵的觸發進行響應，且對其他的圖像層沒有影響。另外，分層顯示能很大程度上提高軟件的繪圖效率，在圖像翻轉前有足夠的時間在后備緩存中繪制好各層的畫面，對于不需要改變的可以直接應用前面的圖層，提高了軟件運行的速度，克服了圖像的抖動現象。

圖像的分層顯示可以通過Direct3D組件為用戶提供的紋理對象來實現。Direct3D組件為用戶提供了Texture對象，Direct3D最多可以支持8層紋理，也就是說在一個物體的表面可以同時擁有1～8層不同的紋理貼圖［4－5］。Direct3D能夠在一個渲染過程中把這些紋理顏色依次混合，渲染到同一個物體的表面。

每幀雷達畫面的繪制順序如下:

1）操控面板輸入消息添加到消息隊列，各模塊依次響應;

2）用背景色對后臺表面進行填充;

3）把掃描線、噪聲層紋理傳送到后臺表面上;

4）把海雜波、氣象雜波、目標紋理傳送到后臺表面上;

5）把P顯固定圖標類紋理傳送到后臺表面上;

6）繪制后臺表面，融合圖像數據;

7）通過翻轉，把后臺表面變成前臺表面，使其上的圖像顯示出來。

根據總體方案的設計思路，模擬器軟件系統總體工作流程如圖2所示。

圖2 模擬器軟件系統總體工作流程Fig.2 General workflow of simulator software system

用戶通過操控面板進行操作，操控參數存儲并傳送到相應的模塊，各模塊接收到參數后實時處理并生成對應的繪圖數據，各繪圖數據傳送到后臺表面上，后臺表面的畫面繪制完成后，通過翻轉，把后臺表面變成前臺表面，使圖像快速顯示出來，由此來模擬雷達的功能。

3 結語

在雷達模擬過程中，為了解決余輝巨大計算量的問題，可以采用CUDA的編程模式來代替傳統的CPU+DSP模擬余輝，在GPU中為每一個像素點創建一個線程獨立進行亮度衰減處理。GPU特別適合并行數據運算問題，同一個程序可操作許多并行數據元素，并具有高運算密度 (算術運算與內存操作的比例），且在高密度運算時，GPU訪問內存的延遲可以被掩蓋［6］。

固定圖標的實現采用預存位圖的方式，將每個圖標的真實圖片通過處理后以位圖的形式存儲在資源中，然后將位圖載入Direct3D紋理資源，在后臺渲染通過翻轉表面顯示出真實度很高的圖標［7］。與直接在程序中繪制圖標相比，能克服2個缺點:一是直接繪制的圖標效果不一定完全與實裝上的圖標一致;二是直接繪制帶來了復雜的計算量，給系統增加了包袱。

通過用CUDA與DirectX結合的編程方式，模擬的雷達畫面結果如圖3所示。

圖3 雷達模擬畫面Fig.3 Radar simulated display

合理地設計好雷達軟件系統，對整個系統的資源利用率和軟件運行的流暢性起著至關重要的作用，同時優化構建好關鍵模塊是模擬系統的高效性的基本保障。本文主要研究雷達軟模擬的構建原則，并提出了合理的構建方案，對各類模擬器的研發有著重要意義，同時也可以應用于雷達系統的優化設計。

［1］多相復雜系統國家重點實驗室多尺度離散模擬項目組.基于多GPU的多尺度離散模擬并行計算［M］.北京:科學出版社，2009:1－33.

［2］溫昱.軟件架構設計［M］.北京:電子工業出版社，2007:3－14.

［3］IAN S.軟件工程［M］.程成，陳霞，譯.北京:機械工業出版社，2008:60－99.

［4］SHERROD.DirectX游戲開發終極指南［M］.北京:清華大學出版社，2008:5－31.

［5］FRANK D L.DirectX 9.0 3D 游戲開發編程基礎［M］.北京:清華大學出版社，2007:1－21.

［6］謝永亮，湯曉迪，劉尚富，等.基于CUDA技術模擬雷達余輝的一種方法［J］.微型機與應用，2011，30(8）:61 －63.

XIE Yong-liang，TANG Xiao-di，LIU Shang-fu，et al.Rodar persistence vision simulativemethod based on CUDA［J］.Technique and Method，2011，30(8）:61 －63.

［7］BRADLEY B，PETER D.Inside DirectDraw［M］.Microsoft Press，1998:2 －15.

Research on radar software-simulation technique

LIU Shang-fu，XIE Yong-liang，WANG Ying，ZENG Hai-bing
(Naval Petty Officer Academy，Bengbu 233000，China）

Nowadays，radar system simulated by computer is widely used and has its unique advantages.In this paper，software system for each radar simulator is studied，design principle is advanced，and general scheme of radar system software is introduced fully.

radar system simulation;design principle;general scheme;CUDA

TN95

A

1672－7649(2014）04－0117－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.024

2013－12－02;

2014－01－06

劉尚富(1980－），男，講師，從事艦艇雷達技術研究。