雷達原理教學實驗室建設研究

韓壯志 馬俊濤 尚朝軒 王雪飛

摘要：為適應以信號處理為核心的現代雷達技術發展現狀，需要增強本科生對雷達基本理論的運用能力，其關鍵是建立實驗室，在“雷達原理與系統”、“雷達信號處理”等原理類課程中開設相關實驗。顯然，為不同課程逐個建立實驗室是不現實的。本文提出了雷達原理類課程教學共用實驗室的建設方案，可以同時滿足“雷達原理與系統”、“雷達信號處理”兩門課程的實驗教學需求，提高了實驗室建設效率，也為相關課程共用實驗室建設提供了參考。

關鍵詞：雷達原理與系統;雷達信號處理;實驗室建設

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）18-0243-02

“雷達原理與系統”、“雷達信號處理”是雷達、電子對抗等方向各專業的原理類核心課程，為適應以信號處理為核心的現代雷達系統發展現狀，雷達原理教學中信號處理的比重逐漸提高。但這部分內容較為抽象，難以理解。為此，幾年來的教學實踐表明，對于工程類的雷達、電子對抗專業本科生，“雷達原理與系統”、“雷達信號處理”課程應以提高信號處理理論運用和實踐能力為目標，通過配以一定學時的實驗提高知識運用能力，實驗內容應分別以雷達信號處理的算法原理和現代雷達結構為核心展開。但是，如果按一人一組的要求，對上述兩門課程分別建立實驗室，則存在較大的場地、經費、時間和維護等需求，會遲滯實驗室的建設進度，難以盡快發揮效益。實際上，同時建設兩個實驗室也是不必要的。經過深入研究，我們發現：上述兩門課程在實驗方法、實驗設備上存在很多交疊點，其區別僅僅在于分別側重雷達信號處理過程的不同階段，完全可以采用同一系統，通過配置不同的軟件模塊實現。為此，建立共用的雷達原理教學實驗室成為最優方案。但為了保證實驗室同時適應兩門課程的教學、實驗內容，其建設方案必須進行嚴密細致的論證和設計。

一、實驗內容分析

在雷達領域，“雷達原理與系統”、“雷達信號處理”這兩門課程都具有理論性強、知識面廣的特點，很多原理和算法非常抽象，不易被學生掌握。實際上，對于工程類本科生而言，其對上述知識的掌握，應該以主要算法的實踐、運用能力為標準，而非抽象的理論推導能力。為此，建立相關實驗室，增加實驗學時，加強實驗教學成為提高雷達原理類課程教學效果的必要手段。但是，對于不同的課程分別建設不同的實驗室，在場地、資金、管理、效益等方面均不現實。實際上，兩門課程互為支撐、互有融合、相互交疊。“雷達原理與系統”課程中的數字收發系統、信號處理系統組成及工作原理是“雷達信號處理”課程中信號表達與算法實現的硬件基礎，雷達系統的構造又與信號處理流程緊密相關。統一設計的雷達原理實驗室不僅能夠兼顧兩門課程的交叉內容，節省有限的實驗場地、經費和人員開銷，加快建設進度，而且能雙向促進兩門課程的教學效果。當然，兩門課程也各有側重：“雷達原理與系統”課程注重雷達基本原理和系統概念，對學員掌握雷達基本理論、建立完整的雷達系統概念具有重要的作用;“雷達信號處理”課程主要學習現代雷達信號處理的基本理論和方法，注重算法原理分析。這就要求雷達原理教學實驗室設計既要充分利用兩門課程的共性內容，又必須充分考慮兩門課程各自的特點。具體而言，“雷達信號處理”課程實驗主要包括：線性調頻、相位編碼等多種雷達信號的生成實驗，雷達信號分析實驗，雷達信號處理算法驗證實驗等。其主要實驗方法是：一方面通過Matlab模擬生成、分析和處理雷達信號，由計算機顯示輸出波形，掌握算法原理;另一方面通過調用“雷達信號高速處理模塊”中的相應子程序，生成相應的信號，由示波器顯示輸出，驗證仿真結果。通過上述虛、實兩種信號波形對比，使學員加深對常規雷達信號處理算法的理解。“雷達原理與系統”的主要實驗包括：數字上變頻實驗、數字下變頻實驗、信號處理機實驗、數據處理機實驗等內容。主要實驗方法是：一方面通過Matlab仿真實現雷達的數字上變頻、數字下變頻、信號處理機、數據處理機功能;另一方面，通過“雷達信號處理實驗系統”完成上述操作，對比兩者的輸出，使學員更深入地理解現代雷達系統的組成原理。

從上面的實驗內容可以看出，為適應本科生的基礎，實驗均采用虛、實對比的方法實現：基于Matlab的仿真實驗可以加深學員對算法原理和現代雷達構造的理解，基于信號處理系統的驗證性實驗既讓學生加深了對實際信號的認識，又避免了要求本科生掌握DSP編程技術的難題。為此，只要設計能同時滿足兩門課程的信號處理實驗系統，即可實現兩門課程共用的雷達原理教學實驗室。

二、實驗系統設計

根據上面的分析，雷達原理教學實驗系統主要包括基礎性實驗系統和擴展性實驗系統兩部分。基礎性實驗系統主要完成雷達信號處理實驗，包括信號生成實驗、信號分析實驗、信號處理算法驗證實驗等算法運用實驗，以及數字上變頻、數字下變頻、雷達信號處理機等信號處理系統構成和處理流程實驗;擴展性實驗系統主要完成雷達原理的數據處理機實驗。

1.基礎性實驗系統。基礎性實驗系統可以進行雷達信號處理的原理性實驗，包括雷達信號產生及脈沖壓縮實驗、雷達波形特性分析實驗、動目標回波信號處理實驗等，基本上涵蓋了常用的雷達信號處理技術;同時該實驗系統可以進行雷達原理與系統信號處理模塊的相關實驗，主要包括數字上變頻、數字下變頻、信號處理機實驗等，使學員能夠熟練掌握雷達信號的處理算法原理和系統構成。該實驗系統主要由雷達信號處理實驗系統、示波器、控制計算機等組成（如圖1）。其中，信號源可以在計算機控制下，模擬產生綜合雷達信號，包括目標回波、雜波和干擾等。信號源采用數字基帶信號生成、矢量信號調制、組合控制等技術設計，實現了數字調制、空情想定和信號模擬等功能的一體化，并根據實際需要編輯產生特定信號樣式;雷達信號處理實驗系統在計算機控制下，對模擬雷達信號進行A/D轉換、信號處理，并將處理后的數據發給計算機分析，或通過D/A轉換，形成實時信號波形，送到示波器顯示。示波器同時顯示信號源產生的綜合雷達信號及處理后的雷達波形，以直觀的形式進行對比，顯示信號處理效果;控制計算機運行于自主開發的信號處理仿真控制軟件，一方面用于對信號源、雷達信號處理實驗系統的參數、狀態進行控制，另一方面也是雷達信號處理算法編程、參數調整和數據分析的平臺。

對于雷達信號生成和信號分析實驗，學生可先在計算機上，利用Matlab仿真出要分析的雷達發射或回波波形;然后，通過計算機控制信號源，輸出實際雷達波形;實際雷達波形一方面通過示波器顯示，提供給學生與理想波形進行對比，另一方面以數據形式進入計算機，用于與理想波形的詳細分析。對于雷達信號處理實驗，可先在計算機上，利用Matlab對雷達回波數據進行處理，仿真出理想的雷達信號處理結果;另一方面，通過信號處理控制軟件，將處理算法注入雷達信號處理實驗系統，輸出實際的處理后雷達波形，用于示波器顯示和計算機分析;對于數字上變頻、數字下變頻、雷達信號處理機實驗，主要是通過分析信號源、雷達信號處理機電路和軟件結構，理解各部分在雷達信號處理中的作用，并通過控制計算機調整參數，驗證理論分析結論。

2.擴展性實驗系統。擴展性實驗系統主要完成雷達數據處理機實驗。當前的雷達系統終端和數據處理機一般由高性能加固計算機實現，因此雷達數據處理機實驗系統主要由計算機及相關軟件構成。實驗系統主要用于演示雷達數據處理機的組成及數據處理流程，包括數據關聯、野值剔除、航跡起始、多目標跟蹤、卡爾曼濾波、航跡終止等內容的演示性講解，并演示A顯、B顯和局部高速采樣3維顯示等功能。

具體而言，雷達數據處理機實驗系統主要由標準機柜、20.1英寸顯示器及終端處理分機組成，其中終端處理分機包括目標檢測處理組件、光柵顯示組件、通信組件、局部總線底板、電源模塊以及用于本地和戰術操作的鍵盤、鼠標等組成。實驗時，目標檢測處理插件完成雷達信號的輸入處理，數據格式包括雷達信號處理系統送出的幅度信號、距離同步信號及過門限檢測信號，或由該插件內建的模擬目標產生單元形成模擬目標信號，由光柵顯示插件完成恒虛警檢測、目標參數自動錄取、點跡處理、航跡處理、高度測量、各種顯示與干預命令的實現、人機界面接口等，由通信接口插件形成上報數據、信息顯示等。

三、實驗室應用價值

采用上述方案，雷達原理教學實驗室以本科教學需求為牽引，以理論和科技前沿知識為核心，不僅能夠同時滿足兩門雷達原理類課程的教學實驗需求，提高學員的雷達基礎理論水平，還可以強化學生的實驗技能，可為培養具有創新能力的高層次人才奠定基礎。同時，實驗室還為雷達信號處理關鍵技術研究提供先進的仿真、設計、調試和實驗環境，滿足雷達專業本科生畢業設計、科技競賽等方面的需要。隨著實驗項目的擴展完善，儀器設備、算法理論的逐步充實，實驗室還可服務于研究生教學，用于相關課程的教學實踐、研究生的自主開放性實驗和設計性實驗，以及研究生課題研究過程中的雷達系統仿真。

參考文獻：

[1]丁鷺飛，等.雷達原理[M].第4版.北京：電子工業出版社，2009.

[2]Mark A.Richards.雷達信號處理基礎[M].北京：電子工業出版社，2010.