多普勒搜索雷達模塊化仿真設計概述

寧 偉,楊澤山,黃云洋

（北京藍天航空科技有限責任公司研發中心，北京,100085）

多普勒搜索雷達模塊化仿真設計概述

寧 偉,楊澤山,黃云洋

（北京藍天航空科技有限責任公司研發中心，北京,100085）

多普勒搜索雷達仿真目的是滿足飛行員實裝設備訓練要求，同時降低訓練成本。設計過程中考慮到該搜索雷達的功能要求和軟件要求，提出模塊化仿真的思路。通過模塊化仿真設計的思路，可滿足該系統與飛行模擬器其它分系統的數據交互，逼真的達到故障、特情等現象。同時，為后續其他型號雷達的復用及敏捷開發提供支持。 通過在某反潛直升機飛行模擬器訓練設備中進行該雷達仿真設計實例的應用，證明該仿真方法具備嚴謹性及實用性。

RCS；DEM

0 引言

現代戰斗機中火控雷達的對空、對地進行目標攻擊訓練是當前部隊作戰訓練的重點訓練科目內容之一，它要求飛行員能夠利用雷達的搜索、跟蹤及輔助地圖測繪功能，與自動駕駛儀和火控武器系統做到最佳配合，保證在操作上盡量簡單快捷地實現對目標的精準識別和有效攻擊。而實裝訓練成本高、效率低，受空域和天氣等環境因素的制約，實施難度大，借助雷達仿真器的模擬訓練是當前形勢下的迫切需求。但市場上用于模擬訓練的商用雷達系統的仿真軟件國內外均存在下述問題：不僅價格昂貴，處于技術封鎖原因也難于購買，一般渠道購置后仍舊功能受限。

因此，迫切需要打破該領域技術限制，立足于開創具有公司自主知識產權的研發成果。通過對雷達系統進行仿真設計需求分析。得到如下兩個綜合考慮因素：

從仿真功能角度，在突出雷達仿真系統正在成為綜合電子戰仿真系統中的重要部分，迫切需要從仿真系統建模和驗模的角度考慮，提出更高的要求，能夠充分發揮模擬訓練和戰術演練中的作用，使得雷達真實特性能夠閉環于戰術系統中進行特性體現。

從軟件設計角度，促進該仿真系統的模塊化設計思想，使得仿真系統對工作平臺、搭建戰術網絡環境均能具有較強的適用性；同時，還可以通過戰術網絡建模層級對軟件模型的粒度進行升級和降級的更新，這種模塊化的設計可以根據用戶的不同需求定制功能模塊，使得該全數字雷達仿真系統具有擴展能力和多項目應用價值。

1 系統組成

1.1 系統功能

下述系統說明以某反潛直升機的某型多普勒搜索雷達為模擬對象，雷達能夠通過發射高功率射頻脈沖信號并接收目標回波信號，對其進行處理，得到目標距離、方位，并可將目標及其距離、方位在綜合顯示器上顯示。同時，為反潛提供近海和遠海搜索，在戰術顯示器上顯示空間態勢及視頻顯示，可對其中目標進行跟蹤。

1.2 數據交互

該多普勒搜索雷達仿真軟件在反潛直升機飛行模擬器實現及驗證過程。通過UDP協議與模擬器主仿真計算機通信，系統的仿真交聯關系如下：首先，用戶可通過配置文件進行雷達屬性參數設置、設備端（座艙操作通過硬件接口采集獲取）接收工作模式切換和操作信息、教員臺對雷達進行故障設置、通過模擬器主控計算機接受來自其他系統的數據及環境仿真參數例如：氣象、雜波數據以及目標和載機的信息。雷達仿真軟件將會根據載機信息，目標信息，環境參數，控制信息，產生雷達回波信號，經過雷達系統的信號處理過程，計算得出目標的有用信息。最后通過數據驅動模塊包將經信號處理后的目標信息提供給終端顯示設備。

2 仿真軟件設計實現

2.1 總體設計

仿真對象屬性如下：

1) 雷達為X波段，具備頻率捷變及脈沖壓縮技術，它的橢圓孔徑拋物反射天線具有低旁瓣消隱補償功能，數字恒虛警處理及大脈沖壓縮率；

2) 具備數字CFAR海雜波干擾抑制功能，很好的保證了低速目標運動的搜索及多目標跟蹤能力；

3) 具備對陸地、海面及氣象的視頻成像功能。一次視頻能夠形成利于觀測整體戰場環境信息，對于弱反射目標探測能力較差；二次視頻突出重點其發現小目標信號的能力。

4)具備抗干擾能力，包含主動和被動干擾抑制能力。

映射到項目中需要實現的功能和設計考慮，并依據上述功能要求進行如下軟件模型組成及模塊劃分如下圖：

2.2 設計輸入

1）仿真對象屬性輸入

模擬對象的雷達天線屬性（天線孔徑、水平及垂直波束寬度、主瓣和旁瓣最大增益）、不同工作模式下的脈沖重復頻率、雷達作業范圍、探測能力（不同RCS不同海況下的探測距離）及性能參數（檢測概率、虛警率）、極化特性、跟蹤特性（跟蹤速度、距離和角度跟蹤精度）、距離分辨率和角度分辨率等。

2）目標輸入

通過建模場景中需要的目標信息，如飛機、艦船、導彈驅逐艦、商船及潛水艇等三維模型，并賦予運動特性。作為雷達目標探測的數據源，用于根據起伏特性建立該目標的RCS。

3）環境信息

主要包含海雜波、地雜波和氣象雜波等的雷達雜波，通過建立基于Rayleigh分布的地面雜波統計模型，基于Weibull分布的氣象雜波統計模型。統計模型既能較好的擬合實驗數據，也降低了精確建模的復雜度。

4）DEM數據

DEM數據即數字高程模型，在此，它是模擬搜索模式下地形視頻顯示信息的依據和來源。仿真截取的DEM為機場分辨率15米，其他地形數據分辨率為30米，利用該信息進行分型算法及分類規則建立地形地貌數據，再依據遮擋模型獲取虛擬的地形回波數據。

2.3 關鍵模型分析示例

脈沖壓縮模型：

圖1 仿真雷達與飛行模擬訓練系統中的交互關系

發射相當長的脈沖（帶調制），然后將雷達回波處理成非常短的脈沖，每個壓縮后的子脈沖寬度等于期望的壓縮后的脈寬，即脈沖壓縮技術。對于一組給定的雷達參數，只要發射脈沖保持不變，那么SNR也不變。即當使用脈沖壓縮時，通常保持脈寬不變而增加帶寬，可以使檢測距離不變的同時顯著改善距離分辨率，因為距離分辨率與信號帶寬的倒數成正比，即：

經推導，低通濾波后的信號可以改寫成：

在仿真過程中，我們可以忽略混頻器和脈沖壓縮的詳細濾波過程，只需要關心濾波達到的效果表達即可，但在推導中獲得的重要信息是：

圖2 多普勒搜索雷達仿真系統模型組成

該式表達了采樣樣本數的要求。對壓縮脈沖譜使用加權函數（窗）來降低旁瓣電平，常見采取濾波方式是有：海明窗 (hamming(N))、布拉克曼窗 (Blackman(N))、凱澤窗(Kaiser(N,beta))、切比雪夫窗（Chebychew）等來實現FIR低通濾波器設計。這些濾波工具在Matlab中都有相應的窗函數可直接調用。

表1 仿真輸入數值

圖3 設置散射體后未做壓縮的雷達回波信號

圖4 設置散射體后經脈沖壓縮后的雷達回波信號

通過上面兩個圖的對比，我們可以清晰的看出，在設置三個RCS接近，距離接近的散射體后，發射信號經脈沖壓縮后，對這三個散射體能夠有效識別，識別后相對距離與輸入距離基本誤差范圍小。脈沖壓縮在距離向的高分辨率特性效果明顯。

3 應用示例

在項目實施過程，雷達模塊化仿真系統選擇VC++和MATLAB混合編程實現。主要編程語言仍為VC++。程序中對部分雷達信號處理依賴于MATLAB的程序進行封裝后，進行動態調用。主要原因是：MATLAB本身明顯優勢在于該軟件功能強大，包含的信號處理工具箱和工具函數使得設計者對于雷達信號處理相關的程序設計工作降低。同時，其圖形化輸出處理過程方便模型的調試或驗證。但是，作為多功能大型軟件，編程效率高，但執行效率低，在處理大型數據時速度特性差，在測試過程中讀取部分DEM數據都常出現內存耗盡的提示而無法完成處理。

軟件以60Hz速率獨立運行于雷達仿真計算機中，模擬器主機運行周期100Hz，依據上述仿真設計方法應用于該實時仿真系統。進行搜索模式下的地形顯示效果如下：

圖5 搜索模式下的視頻輸出

4 結束語

本文給出多普勒搜索雷達模塊化仿真設計方法，由于文章篇幅有限，概述說明設計框架，并列舉脈沖壓縮模型的仿真效果。同時，這種模塊化設計方法更便于后續其他型號雷達的復用及敏捷開發。目前該仿真實現已應用于某型反潛直升機飛行模擬器配裝雷達的仿真，其探測和搜索結果通過綜合顯示器作為顯示終端。經驗證，該系統建模方法及仿真思路著眼于工程實踐及應用，具備嚴謹性的同時一定程度上能夠達到實裝設備訓練要求。雷達系統仿真一直是國內仿真領域的難點，后續在模型的信號級仿真粒度提升方面還有很大的空間。

[1] 王雪松、肖順平、馮德軍等編著.現代雷達電子戰系統建模與仿真[M].—北京：電子工業出版社，2010.3

[2] Merrill I.Skolnik（美）編著.雷達系統導論（第三版）[M].—北京：電子工業出版社，2006.7

[3] 王玉侖.機載火控雷達系統建模與仿真[D].西安電子科技大學-碩士論文.2007.1

[4] 叢琳.真實感雷達圖像的仿真研究[D].大連海事大學-碩士論文.2010.6

[5] 岳海霞.合成孔徑雷達回波信號模擬研究[D].中國科學院研究生院-博士論文.2005.6

[6] 于秋則、曹矩、譚毅華等.基于DEM與可見光圖像的機載激光成像雷達強度像仿真[J].測繪學報.2004.8

[7] 陳洋、劉云翔、王志樂、付戰平.戰斗機載火控雷達地圖測繪仿真算法研究[J].系統仿真學報.2012.9

Survey of Doppler Search Radar Modular Design Simulation

Ning Wei,Yang Zeshan,Huang Yunyang
(Beijin Bluesky Aviation Technology Co.,Ltd,Beijing,100085,China)

Doppler search radar simulation is designed to meet the actual equipment pilot training requirements,and to reduce the cost of training.In the process of design,the functional requirements of the search radar and the requirements of the software are taken into account.Through the modular design and Simulation of ideas,we can meet the data exchange between the system and flight simulator with other subsystems and realistic to achieve fault,the informer of the phenomenon.At the same time,we can provide support for the follow-up of other types of radar reuse and agile development.Through the application of an anti-submarine helicopter flight simulator.It is proved that the design of radar simulation method with rigorous and practical.

RCS;DEM