一種多分辨率雷達仿真平臺的設計與實現*

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一種多分辨率雷達仿真平臺的設計與實現*

郭金良1，王得旺1,2，韓文彬1，王巖1

(1. 中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽471003； 2. 蘭州大學 物理科學與技術學院，甘肅 蘭州723100)

摘要：為滿足雷達系統建模仿真的多分辨率應用需求，提出了一種多分辨率雷達仿真平臺設計方法。對傳統功能仿真與信號仿真的仿真思想進行了分析，結合兩者的特點進行了改進，研究了一種多分辨率雷達仿真實現方法。在此基礎上，進行了多分辨率仿真平臺的分析與設計，主要研究了2個方面的關鍵技術，即可組合仿真模型的設計與可組合仿真系統的開發。最后，開發了多分辨率雷達仿真平臺，可進行功能仿真與信號仿真的同步仿真與靈活切換，實現了雷達仿真系統的多分辨率運行。

關鍵詞：功能仿真；信號仿真；組合；組件

0引言

利用現代建模與仿真技術進行雷達系統研究是一條非常有效的技術途徑，并已經廣泛應用，涵蓋了雷達系統的設計與研制、新型雷達電子戰武器裝備的發展論證、電子戰裝備試驗鑒定及評估、電子戰作戰訓練、演練及戰法研究等眾多方面[1-2]。針對不同的應用需求，采用多分辨率建模技術進行雷達仿真是當前亟需解決的關鍵技術之一。究其原因，有以下2個方面：首先，在大規模的仿真應用中，受制于硬件運行性能與解算速度，在高分辨率下仿真所有的模型是不現實的；其次，不同目的的仿真對仿真分辨率的要求是不同的，高分辨率模型能夠抓住事物的細節，而低分辨率的模型能更好地揭示事物宏觀的、本質的屬性，例如，在雷達系統的研制仿真中，需要采用高分辨率模型，而在電子戰作戰訓練與戰略決策仿真中，則可以采用低分辨率的仿真模型[3-7]。

當前，對雷達的仿真研究主要包括功能與信號2類[8]，功能仿真屬于一種低分辨率仿真方法，信號仿真屬于一種高分辨率仿真方法。在傳統的研究模式下，對這2種仿真方法的研究是相對獨立的，在同一仿真平臺下結合2種方法進行仿真的研究案例還未見相關報道。對此，本文從多分辨率建模的角度出發，綜合信號仿真與功能仿真的特點進行雷達系統的仿真研究。

1多分辨率雷達仿真方法分析

1.1功能仿真方法

傳統的雷達系統功能仿真基本思路是：從信號功率的角度，運用雷達方程、干擾方程、干擾/抗干擾原理以及運動學方程等建立仿真計算綜合輸出(檢測)信噪比模型，進而確定雷達檢測時的發現概率與虛警概率，并在此基礎上進行干擾/抗干擾性能評估和電子戰條件下雷達檢測過程的功能仿真試驗。

1.2信號仿真方法

信號仿真[9](亦稱相干視頻信號仿真)中的“信號”是指零中頻信號，或者是經零中頻或等效零中頻處理的信號。“信號”既包括幅度信息，又包括相位信息。信號仿真是仿真信號的發射、傳播、目標回波、雜波與干擾疊加以及接收濾波、抗干擾、信號處理、門限檢測、數據處理的全過程。相干視頻信號仿真的基本定義就是要逼真地復現既包含振幅又包含相位的相干視頻信號，復現這種信號的發射、空間傳播、經散射體反射、雜波與干擾信號疊加、以及在接收機內進行處理的全過程。

1.3信號仿真與功能仿真的結合

信號仿真最大的優勢就是仿真精度高，但是現有的信號建模方法過于偏重處理流程的完全復現，往往導致數據量和運算量巨大，運行效率嚴重低下。因此，提高模型的運行效率是信號仿真面臨的最大難題。為解決這個難題，一個有效的方法就是：通過高分辨率的仿真試驗，掌握仿真模型的模型特性與運行特性，預估其處理結果，然后從模型形式上進行轉變，采用數據庫方式、擬合函數等方式進行功能替代，降低局部分辨率，以提高仿真運行效率。

功能仿真最大的優勢就是結構簡單、計算量小、運行速度快。但是現有的功能仿真方法不追求對具體處理過程的復現，主要圍繞雷達方程計算信噪比展開，考慮的因素為單一的功率信息，對環境要素的敏感性差，無法適應復雜戰場電磁環境的要求。因此，功能仿真亟需改進之處就是要提高仿真分辨率，以適應更多的應用需求。為達到這個目的，一個可行的技術途徑就是：在功率信息的基礎上，復現部分雷達處理流程，并添加對回波和處理模塊時域和頻域特性參數的利用，具體的如時域分布特性、頻譜中心、頻譜有效帶寬、頻譜分布函數等，即由傳統的點信息變化到面信息，充分利用積分、累計等簡單的數學手段，對模塊處理回波的性能結果進行建模，以增加仿真精度。

基于上述分析可知，結合信號仿真與功能仿真的優勢進行雷達系統仿真，是一條非常適應當前應用需求的技術途徑，即可以借鑒功能仿真的思想降低信號仿真的分辨率以提高其運行效率，也可以借鑒信號仿真的思想提高功能仿真的仿真精度。從某種意義上來說，在信號仿真的基礎上，如果將相干視頻仿真模型中的信號產生、信號處理模型用功能性仿真模型替代，基本不用改變其他模型，即可以實現一種改進型的功能仿真。而這種改進型的功能仿真，相對于傳統的功能仿真，則更多的復現了雷達的處理過程，具有更高的分辨率與仿真精度，是一種介于傳統的信號仿真與傳統的功能仿真之間的仿真模式。通過這種仿真模式，能夠很好的將信號仿真與功能仿真結合起來，將兩者整合到同一仿真平臺下進行研究，實現信號仿真與功能仿真之間部分模型的重用，并在此基礎上實現多分辨率仿真的運行。

要實現上述的多分辨率仿真模式，需要解決的技術難題是多方面的，包括模型、算法、軟件等多個方面。然而，其中一個最為重要的方面，就是要實現一個多分辨率的通用仿真平臺，在這個平臺上，可以實現功能仿真、信號仿真等仿真模式的同步運行與靈活切換，從而為具體仿真模型設計以及算法研究提供基礎平臺，提高研究效率，并提供實現工具支持。

2多分辨率仿真平臺設計

對于如上所述的多分辨率仿真平臺，其最主要的特征就是要求仿真平臺具有可組合性，即可以在運行過程中，能夠實現功能模塊的靈活組合，以滿足多分辨率模型運行的要求。為實現仿真平臺的可組合性，下面主要從仿真模型設計與仿真系統開發2個方面進行研究。

2.1可組合仿真模型設計

從仿真模型設計上來看，標準化、通用化的模塊設計是可組合性的基礎和保障[10]，為了實現這個目標，需要結合模型體系劃分進行研究，具體實施步驟為：首先，對雷達系統的仿真處理流程進行系統地分析整理，并進行標準化描述；然后，根據模塊化的建模思想，對雷達系統仿真模型體系進行結構劃分，參照處理流程，分析確定各功能模塊的輸入輸出關系，并采用模型與參數分離的方式，進行模型參數化設計；最后，根據標準化的輸入輸出關系進行模塊內部模型的建模設計。

下面主要以相控陣雷達的仿真設計為例進行設計。依據實際相控陣雷達的工作流程，基于信號仿真的思想，設計仿真運行流程，如圖1所示。

圖1　相控陣雷達信號仿真流程Fig.1　Signal simulation process of phased array radar

參照信號仿真的流程，依據前述改進型功能仿真的思想，設計仿真流程，如圖2所示。

上述2種仿真流程具有一致的運行結構，其主要區別在于雷達信號的生成、接收機處理、信號處理這幾個環節，其他流程活動的實現基本上是一致的。因此，在進行仿真模塊結構劃分的時候，可以按照統一的模式進行，即模塊組成是一致，只是在具體模塊設計的時候，需根據不同的應用需求設計不同的模塊接口。在這種設計模式下，可以采用統一的運行架構進行仿真模型的集成，同時基于仿真模塊接口的設計易于實現仿真模型的重用與重組。

信號仿真的模型結構相對比較復雜，且完全可以覆蓋到功能仿真的模型。因此，基于模型完備性的考慮，可以參照信號仿真流程進行模型結構劃分。一般的來說，相控陣雷達仿真系統可以分為可分為資源調度模塊、天線模塊、信號產生模塊、信號處理模塊、數據處理模塊、航跡管理模塊、跟蹤濾波模塊等七大模塊，各個模塊再依據分層細化的方式，進一步劃分子模塊，其總體結構如圖3所示。

2.2可組合仿真系統開發

為實現仿真平臺的可組合性，采用組件化的開發方法，基于組件技術的開發方法是當前支持軟件復用與可組合建模的核心技術[11]。

基于組件技術所支持的開發模型，可以確定仿真系統的開發過程[12]，如圖4所示，主要包括以下步驟：

圖2　相控陣雷達功能仿真流程Fig.2　Functional simulation process of phased array radar

圖3　相控陣雷達系統的模塊劃分結構Fig.3　Module structure of phased array radar system

(1) 功能需求分析：分析仿真系統的功能需求，確定仿真系統的組成結構；

(2) 仿真架構設計：在需求分析的基礎上，實現仿真系統的組件分解與識別，并設計仿真組件的集成架構；

(3) 仿真組件實現：采用某種組件標準開發仿真組件，如CORBA、COM/COM+等，并將新開發的組件保存到仿真組件庫，便于組件重用；

(4) 系統集成運行：根據系統集成框架，從組件庫檢索所需仿真組件，進行仿真組件的集成，實現仿真系統的物理部署，最后加載仿真戰情，進行仿真系統的運行測試。

組件化的設計實質上也是面向接口的設計，對于不同的組件，只要接口是一致的，即可以實現組件的替換與重用。在多分辨率雷達仿真系統中，對于同一組件模塊，可以為其設計多類接口，如功能仿真接口、信號仿真接口等，也可以對同一接口采用不同的實現方式，實現不同分辨率的仿真模型。這樣，在不改變仿真架構的條件下，通過選擇組件接口，或者替換仿真組件，可以進行仿真組件的靈活重組，輕松實現仿真系統的多分辨率運行。另外，如果在運行架構中采用多線程模式，可以同時運行同一模型的不同分辨率組件，實現多個不同分辨率組件的同步運行，為不同分辨率模型之間的相互驗證提供便捷條件。

圖4　組件化可組合仿真系統開發過程Fig.4　Development process of component simulation system

基于前面分析的相控陣雷達系統仿真流程的與模塊劃分結構，可以設計一個結合功能仿真與信號仿真的組件化仿真運行架構，如圖5所示，限于篇幅，圖中省略了部分模型。在仿真組件實現上，功能仿真與信號仿真的主要區別在于信號生成模塊、接收機模塊與信號處理模塊所對應的三大組件。例如，對于信號生成組件，功能仿真只考慮功率模型，可以設計一個獨立的信號生成組件，而不必要考慮其下層組件的實現，而信號仿真考慮的模型則比較復雜，需要設計所有下層模塊對應的組件，并通過調用下層組件來實現仿真。同時，在功能仿真中，信號產生模塊與接收機模塊之間交互的主要是功率信息，而在信號仿真中，則包括了信號的幅度、相位、頻率等信息，需要采用不同的組件接口來實現兩者之間的交互。因此，可以為功能仿真與信號仿真開發不同的信號生成仿真組件，在實際運行過程中，再根據所設置的仿真分辨率條件，實時選擇不同的仿真組件進行仿真。

圖5　組件化仿真系統的運行架構Fig.5　Operation frame of component simulation system

3仿真平臺實現與演示

在上述研究的基礎上，下面以某相控陣仿真為例開發了系統，在該系統中，可以實現功能仿真與信號仿真的同步運行，也能在2種運行模式之間進行靈活切換。

如圖6所示，為仿真平臺的想定設計界面，在該界面下，可以實現各類分辨率仿真參數的統一定制。

圖6　仿真平臺想定設計界面Fig.6　Scenario design interface of simulation platform

如圖7所示，為仿真平臺實時運行界面，用于顯示運行狀態與雷達探測結果，也能夠在仿真運行過程中進行實時操控，實現不同分辨率仿真的實時切換與運行，并以多種方式查看仿真輸出。

圖7　仿真平臺實時運行界面Fig.7　Real-time running interface of simulation platform

如圖8所示，為仿真結果分析界面，可以用于分析在不同分辨率仿真模式下雷達的探測結果，并可以相互之間進行比較。圖6所示為信號仿真與功能仿真的距離誤差分析結果，通過對比結果，可以調整仿真輸入參數，使得兩者的結果趨于一致。一般情況下，信號仿真具有較高的精度，可以參照信號仿真的結果，來調整功能仿真的參數，使兩者之間的輸出誤差最小，以提高功能仿真的精度。

圖8　仿真平臺運行結果分析界面Fig.8　Operation results analysis interface　　　of simulation platform

4結束語

基于多分辨率的思想，將雷達仿真功能仿真與信號仿真進行整合，開發了統一的仿真平臺，為多分辨率雷達仿真提供了一個非常便利的研究工具，為多分辨率建模的研究進一步發展提供了很好的支撐，結合該平臺，進一步研究，必將進一步完善雷達仿真系統的多分辨率建模，使得仿真分辨率更加豐富，滿足多樣性的仿真應用需求。

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Design and Realization of a Type of Multi-Resolution Radar Simulation Plat

GUO Jin-liang1,WANG De-wang1,2,HAN Wen-bin1, WANG Yan1

(1. LEETC,Henan Luoyang 471003, China;2.Lanzhou University, School of physical science and technology,Gansu Lanzhou 723100, China)

Abstract:To achieve the multi-resolution application requirements of the modeling and simulation of radar system, a method is proposed for designing multi-resolution radar simulation platform.The traditional function simulation and signal simulation are firstly analyzed and improved based on the characteristics of the two methods, and a multi-resolution radar simulation realization method is studied. Then, analysis and design of the multi-resolution radar simulation plat are carried out, and mainly two critical technologiesincludingthe design of compoundable simulation model and the development of compoundable simulation systemare studied. Finally, the multi-resolution radar simulation platform is developed, the function simulation and signal simulation can be executed together and easily switched, and multi-resolution execution of radar simulation system is realized.

Key words:functional simulation；signal simulation；composition；component

中圖分類號：TN95；TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0191-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.031

通信地址：471003河南省洛陽市085信箱轉02號E-mail：sure990@163.com

作者簡介：郭金良(1982-)，男，湖南瀏陽人。工程師，碩士，主要研究領域為電子信息系統建模與仿真評估。

* 收稿日期：2014-05-20；
修回日期：2014-07-04