基于雷達實裝數據的點跡模擬器設計?

鈕俊清,任清安,朱明清

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,安徽合肥230088;3.智能情報處理重點實驗室,安徽合肥230088)

0 引言

近年來,隨著雷達技術不斷發展,雷達模擬器在雷達應用中得到廣泛的應用[1-5],大部分雷達模擬器采用硬件和軟件相結合的半實物仿真方式,但這類設計費用較高,對雷達數據處理(航跡處理、顯控、波束調度)等軟件的調試不夠靈活。

點跡模擬器采用純軟件的方式模擬實裝雷達DSP處理后的凝聚點跡,包括目標點跡、雜波點跡(海雜波、地雜波、云雨雜波)、干擾點跡、目標點跡、雜波區域、干擾區域等信息,且設置靈活,可以充分驗證雷達軟件的以下性能：

1)航跡處理性能：點跡處理能力、航跡處理能力、機動目標跟蹤能力、雜波起始能力和抗干擾能力等;

2)顯控性能：點跡顯示能力、航跡顯示能力和戰術操作能力等;

3)波束調度性能：事件調度成功率、時間利用率等。

但現有的點跡模擬器有很大的缺陷：①雜波/干擾的仿真和真實情況的差距較大;②雷達掃描波束的仿真與雷達實際工作方式差距較大,特別是相控陣雷達;③運動平臺的姿態信息的仿真和真實雷達的平臺差距較大。同時真實的雷達點跡數據也有缺陷：①目標類型比較單一,大多數為民航飛機;②目標運動模型比較簡單,很少出現編隊,交叉等飛行的目標;③大多數目標很難獲得GPS數據;④雜波區域比較固定,缺少不同類型的干擾數據。

為了解決以上問題,本文以雷達的真實數據(包括時統、平臺、波束)代替雷達點跡模擬器的平臺、波束信息,并通過場景編輯軟件中設置目標、雜波、干擾、隨機目標等參數實現真實的雷達點跡上的雜波、干擾、目標/隨機目標的任意疊加,對雷達數據處理軟件的功能和性能進行充分的測試。

1 雷達點跡模擬器設計

1.1 軟件組成及功能

雷達點跡模擬器軟件系統組成如圖1所示。

圖1 雷達點跡模擬器軟件組成

雷達模擬器的軟件功能如下：

1)雷達數據驅動軟件

雷達數據驅動軟件主要完成以下功能：

(a)仿真控制：對整個模擬器進行仿真開始、結束等控制;

(b)時統：對整個系統進行時統;

(c)波束統一：整個系統掃描波束保持一致;

(d)平臺統一：對整個系統的平臺位置等信息與實際雷達采集的平臺信息一致;

(e)點跡信息：將點跡信息發送到航跡處理。

2)場景編輯軟件

場景編輯軟件主要完成以下功能：

(a)目標設置：根據需求設置不同目標及運動軌跡;

(b)雜波/干擾設置：根據要求設置雜波的等級以及干擾個數和區域,以及區域的形狀;

(c)設置隨機目標數。

3)雷達數據產生軟件

(a)雜波/干擾：根據接收到的波束位置及雜波/干擾信息,產生雜波和干擾點,發送到航跡處理軟件,并在顯示界面顯示;

(b)目標點跡解算：根據接收到的波束位置和目標的位置信息,以及雷達的參數(比如波束寬度、檢測概率、由GIS信息計算的地形遮擋等),解算目標的點跡信息,并發送到航跡處理軟件,并在顯示界面顯示;

(c)產生隨機目標：根據接收到的隨機目標的個數,初始化目標的參數,包括位置、速度、航向、運動模型等。

4)數據記錄軟件

將波束調度的信息、目標的真值、目標的航跡保存到數據庫里,作為航跡處理評估、波束調度評估的基礎數據,同時可以將記錄的數據進行重演。

1.2 軟件的處理流程

雷達點跡模擬器軟件處理流程如圖2所示。其中左側為實裝雷達軟件,右側為模擬器。

圖2 雷達點跡模擬器軟件處理流程

首先場景編輯軟件,根據雷達站的位置進行如下信息的設置：①設置目標的類型、參數和運行軌跡;②設置雜波、干擾的范圍、形狀、強度和速度等參數;③設置隨機目標數。然后雷達數據驅動進行仿真開始控制,并將雷達站的平臺信息、時統信息、雷達波束信息實時地發送到波束調度和場景編輯軟件。最后雷達數據產生軟件根據接收到的實時目標的位置、平臺、雜波干擾、地形遮擋、發現概率等信息,解算雷達點跡發送到航跡處理、并把真值發送到數據記錄軟件。同時數據記錄軟件將目標的真值、目標的航跡信息及波束的調度信息保存在數據庫中,用于波束調度和航跡處理軟件性能評估。

2 雷達點跡模擬器關鍵算法

2.1 坐標轉換

1)大地坐標系轉WGS-84直角坐標系

假設目標的大地坐標為(L k,B k,H k),轉換后的地心直角坐標系坐標為(x wk,y wk,z wk),轉化公式如下：

2)WGS-84直角坐標系到地心直角坐標系轉換

假設地面站的坐標為(L r,B r,H r),地心直角坐標為(x or,y or,z or),轉化公式如下：

故地心直角坐標系轉換到站心坐標系坐標(x rk,y rk,z rk),轉化公式如下：

式中,

3)地面直角坐標系轉換到地面球面坐標系轉換

假設站心球面坐標為(r k,θk,ηk),故由目標的地面直角坐標(x rk,y rk,z rk)轉化為地面極坐標的(r k,θk,ηk)的坐標變換為

2.2 關鍵參數計算

1)目標點跡發現概率

對Swerling I類目標,計算雷達作用距離的方程如下式[6]所示：

根據雷達的參數表及目標的RCS、求出目標在發現概率為0.5時的最大距離Rmax,此時的信噪比SNR0,利用當前目標的位置R,求出當前的信噪比如下式所示：

對Swerling I類目標,目標點跡的發現概率與信雜噪比之間的關系如式(8)所示。

式中,P f0=10-6。

2)地形遮擋計算

首先根據雷達在距離R、方位θ和俯仰η上的威力,建立三維數據表(R i,θj,ηk),其中,

在場景編輯軟件接收到雷達站的位置,然后根據GIS數據,計算建立的三維數據表(R i,θj,ηk)所對應的遮蔽信息D i,j,k。

3)場景編輯技術

編輯復雜的戰場態勢,就要將數據和圖形結合起來進行目標軌跡的設計。在設計目標運動軌跡上,我們采用了“所畫即所得”方法,通過按住鼠標,在顯示器屏幕上繪制你所需要的軌跡圖,將軌跡像素點的屏幕坐標轉化為經緯度坐標,形成目標的真值軌跡數據,并通過運動模型對軌跡進行修正。目標在模擬仿真的時候是按照真值航線運動的,運動的速度和高度可以人工設置。這樣做的好處就是目標的運動都是按照指定的軌跡,每次模擬的過程都是一致的。

3 應用效果

3.1 仿真目標疊加

考慮在雷達實際探測過程中可能遇到的情況,比如目標編隊、高速高機動、雜波起始、穿雜波穩定跟蹤、交叉飛行跟蹤等情況,在雷達真實數據上疊加這些目標信息,其中編隊和穿雜波穩定跟蹤性能測試的場景編輯如圖3所示,目標疊加后航跡處理的顯示效果如圖4所示。

圖3 編隊目標場景編輯

圖4 編隊穿雜波場景中的航跡處理效果

3.2 雜波干擾疊加

可以根據實際情況,在雷達的干凈區域的真實目標附近疊加雨云等雜波和干擾,可以檢驗航跡處理軟件真實目標的雜波、干擾起始能力、穿雜波和干擾的能力、雜波干擾的抑制能力。加雜波區域的航跡處理效果如圖5所示。

圖5 疊加雜波場景中的航跡處理效果

3.3 隨機雜波和隨機目標疊加

通過在真實雷達數據上疊加隨機目標可以驗證航跡處理軟件的航跡處理性能(比如600批/幀),疊加隨機雜波可以驗證航跡穩定跟蹤的性能。隨機雜波疊加和隨機目標疊加如圖6和圖7所示。

圖6 疊加隨機雜波場景中的航跡處理效果

圖7 疊加隨機目標場景中的航跡處理效果

4 結束語

本文針對當前雷達點跡模擬器的缺陷和雷達數據處理軟件接口、性能和功能的測試要求,采用雷達真實數據和雷達點跡模擬器相結合的技術,即以真實雷達的時統、平臺、波束取代雷達點跡模擬器的相應信息,以真實雷達的點跡作為雷達點跡模擬器的背景信息,在場景編輯中靈活地設置目標、干擾、雜波、隨機目標,得到近似實裝的靈活多變的場景,實現對雷達數據處理軟件的接口、功能、性能進行詳盡而徹底的測試。

[1]KANG E W.Radar System Analysis,Design and Simulation[M].Boston：Artech House,2008：112-133.

[2]李承志,李煒.雷達仿真系統場景生成模塊設計[J].火控雷達技術,2012,41(3)：18-21.

[3]郭佳意,馬敏,任清安.岸基雷達模擬器的設計與實現[J].現代電子技術,2012,35(14)：90-96.

[4]郭佳意,任清安,馬敏.雷達模擬器中判定目標點跡發現的解耦算法[J].空軍預警學院學報,2013,27(2)：102-104,107.

[5]江建民,賀瑞龍.通用搜索雷達模擬器的設計[J].雷達科學與技術,2006,4(1)：7-11.JIANG Jianmin,HE Ruilong.Design of General-Purpose Surveillance Radar Simulator[J].Radar Science and Technology,2006,4(1)：7-11.(in Chinese)

[6]SKOLNIK M I.Radar Handbook[M].3rd ed.New York：Mc Graw-Hill,2008.