基于UML通用性機載雷達仿真器系統建模與仿真

熊　偉, 高　霞, 王　力, 楊萬扣

(1. 東南大學自動化學院, 江蘇 南京 210096;

2. 中航工業雷華電子技術研究所, 江蘇 無錫 214063)

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基于UML通用性機載雷達仿真器系統建模與仿真

熊偉1,2, 高霞2, 王力2, 楊萬扣1

(1. 東南大學自動化學院, 江蘇 南京 210096;

2. 中航工業雷華電子技術研究所, 江蘇 無錫 214063)

摘要：采用統一建模語言(unified modeling language,UML)提出了一種模塊化、易擴展和通用性的機載雷達功能級仿真器體系結構,分為系統控制、天線、信號處理機和數據處理機共4個對象進行模塊化設計,具備機載脈沖多普勒雷達和相控陣雷達的仿真能力。建立和分析了機載雷達仿真器系統的工作流程、目標檢測、目標跟蹤、誤差分析和電磁對抗模型,并采用Visual C++語言對所建模型進行了仿真實現,仿真結果充分驗證了模型的可行性和有效性,為機載雷達的功能驗證和作戰效能評估提供了平臺和依據。

關鍵詞：機載雷達; 仿真器系統; 系統建模; 統一建模語言

0引言

雷達系統仿真是計算機仿真技術和雷達技術結合的產物,是雷達系統設計和作戰效能分析評估的有效方法。近年來,以雷達系統仿真技術為代表的軍用仿真技術得到了迅猛發展[1-7]。雷達系統仿真就是利用雷達系統模型對實際系統進行仿真研究,根據不同階段不同分系統的仿真結果來輔助雷達系統研究和作戰效能評估的各項工作,其根本目的在于基于仿真結果,代替或部分代替實際系統的試驗結果,并對其進行研究和分析[1-2,6-7]。

當前雷達系統的仿真方法主要分為兩類,一類是信號級仿真,另一類是功能級仿真。兩類方法的主要差異在于功能級仿真只考慮信號的幅度信息,而信號級仿真既考慮信號的幅度信息又考慮信號的相位信息[2],仿真復現了雷達信號傳播和處理的全過程因而比功能級仿真的粒度更細, 模型更加逼真, 精度更高。如美國Cadence公司的SPW(signal processing workstation)、美國ELANIX公司的SystemView等信號層仿真商用軟件,可以建立到雷達信號處理濾波器定義、發射信號波形脈內描述等細節的數字模型,但同時信號級仿真運行所需要的設備和時間也就更多。與信號級仿真相比,功能級仿真結構簡單、實時性好、且便于擴展,是雷達仿真驗證系統研制中廣泛采用的一類仿真方法。本文運用功能級仿真對通用性機載雷達仿真器系統的建模和仿真方法進行研究。機載雷達系統是一個復雜的大系統,涉及到系統控制、天線、信號處理機、數據處理機等多個分級系統,它的建模仿真已非傳統的系統仿真模式所能勝任。同時,目前大多數雷達仿真系統僅為滿足某一特定的軍事研制需求而建模設計的[1-2,5-7],功能比較單一,不能適應不同雷達工作者提出的個性化需求,因而導致需對已開發的雷達仿真器系統進行不斷升級,同時也使得雷達仿真器系統陷于建模仿真周期長、功能低的困境中。因此,模塊化設計一個具有良好通用性和可擴展性的機載雷達仿真器系統具有重要意義。

統一建模語言(unified modeling language, UML)使用面向對象的概念分析、描述軟件系統并構造系統模型[8],是一種在軍事戰術戰略仿真等大型復雜系統建模領域中廣泛應用并得到普遍認可的軟件工程方法[6,9-11]。

本文采用UML面向對象的設計模式,將整個雷達系統分為系統控制、天線、信號處理機和數據處理機共4個對象進行模塊化設計,基于雷達方程建立綜合信噪比/信干比模型,并進行雷達目標檢測、目標跟蹤和電磁對抗的功能性建模和仿真。整個機載雷達仿真系統不僅具有模塊化結構,而且容易理解,便于擴展并同時具有良好的透明性和重復使用性。

1系統模型的構成

1.1頂層邏輯

將整個機載雷達仿真系統看作一個聯邦,如圖1所示,其成員包括綜合航電系統、機載火控雷達系統和仿真環境共3個成員,其中綜合航電系統成員負責仿真航電系統對機載雷達的控制;仿真環境成員負責對各種仿真環境進行建模仿真,包括目標特性、目標軌跡、自衛式干擾和支援式干擾等;機載火控雷達成員負責仿真雷達對來襲目標的探測、跟蹤、分辨、抗干擾等,并對其效能進行評估。

圖1　機載雷達仿真器系統邏輯結構

首先,由綜合航電系統向雷達控制接口發送雷達控制指令,同時雷達從仿真環境中獲取所需的相關數據包括目標信息、電磁環境信息等,并根據航電控制指令及自身的邏輯控制,進行目標檢測、跟蹤濾波、抗干擾等相關計算,最后輸出雷達探測目標信息送至綜合航電系統。

1.2運行狀態

整個系統的運行狀態圖如圖2所示。首先由仿真實體創建機載雷達仿真模型,模型創建完畢后進入待命狀態,等待接收初始化數據。當接到仿真實體初始化數據后進行模型的初始化,如果初始化成功則進入就緒狀態,如果初始化失敗則向實體模型報錯,并重新進入待命狀態。在就緒狀態如果接到實體模型的調用命令則進入運行狀態,在運行狀態仿真模型會周期性接到實體模型的調用指令,并周期性地進行模型解算。在待命、就緒和運行狀態機載雷達仿真模型都有可能接到實體模型的刪除命令,這時模型釋放分配的資源,注銷模型,結束模型的運行。

圖2　機載雷達仿真系統運行狀態圖

1.3邏輯包設計

機載雷達仿真系統的頂層邏輯包包括模型入口包、機載雷達模型包、機載雷達數據結構包和枚舉類型結構體包,其中機載雷達模型包又包括系統控制包、天線模型包、信號處理包和數據處理包4個子包,其仿真運行時序圖如圖3所示。

圖3　機載雷達系統仿真時序圖

1.4類設計

如圖4所示,機載雷達模型類CRadarModel可根據不同型號、不同類型的機載雷達(如脈沖多普勒雷達或相控陣雷達)創建相應的系統控制類CRadarControl、天線模型類CRadarAntenna、信號處理類CRadarSigProc和數據處理類CRadarDataProc,實現分系統模型的創建,并仿真主流程的控制等。其中類CRadarControl、CRadarAntenna、CRadarSigProc和CRadarData-Proc分別為雷達系統控制、天線、信號處理和數據處理分系統對象的抽象基類,分別定義了各種不同分系統對象的統一接口和功能,并由相應的類工廠CRadarControl-Factory、CRadarAntenna-Factory、CRadarSigProc-Factory、CRadarDataProc-Factory負責創建。如圖5所示,類CRadarPhaseAntenna和類CRadarMechAntenna不僅繼承了天線基類CRadarAntenna的統一接口和功能,而且分別實現了相掃天線和機掃天線模型。

圖4　機載雷達仿真系統類視圖

圖5　天線類的繼承關系

2機載雷達系統功能模型

2.1系統仿真流程

機載雷達仿真系統以固定時間為仿真步長向前推進,在每個仿真步長內仿真系統的處理流程如圖6所示。

圖6　機載雷達系統仿真流程

2.2目標檢測

2.2.1綜合信噪比

雷達目標檢測的SNR或者電磁干擾環境中的SJR是決定目標能否被檢測的關鍵因素。由式(1)、式(2)可知,SNR和SJR由目標回波信號功率、接收機噪聲功率、雜波功率以及干擾信號功率等因素決定[12]。

(1)

(2)

式中,Ps為目標回波信號功率;Pn表示接收機噪聲功率與雜波功率和;Pc,Pj分別為雷達接收到的無源干擾信號功率和有源干擾信號功率;Dc≥1、Da≥1分別表示雷達采用綜合抗干擾措施抗無源干擾、有源干擾的改善因子, 未采用綜合抗干擾措施時Dc=1,Da=1。

在雷達回波信號功能仿真模型中,目標散射回波信號功率和有源干擾功率[12]分別為

(3)

(4)

式中,R為目標與雷達距離;Lt,Lr分別表示雷達的發射綜合損耗和接收綜合損耗,LAtm為電磁波在大氣中的傳輸損耗;Pt為雷達發射峰值功率;Gt,Gr分別表示雷達發射天線增益和接收天線增益;λ為雷達工作波長;σ為目標的有效雷達截面積;D表示雷達抗干擾綜合改善因子;Pj為干擾機發射功率;Gj,Grj分別表示干擾機發射天線增益和干擾機方向雷達的接收天線增益;Rj為干擾機與雷達的距離;Lj為干擾機綜合損耗;Br,Bj分別表示雷達接收機的瞬時帶寬和干擾信號帶寬。特別地,當Grj為雷達天線主瓣增益時,則Pj表示自衛式干擾功率,當Grj為雷達天線旁瓣增益時,則Pj表示支援式干擾功率。

(5)

式中,k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數;T0=290 K為接收機參考溫度;BR為接收機瞬時帶寬;NF∈(0 dB,15 dB)為噪聲系數[12]。

通過對智能工程建設過程中各階段的了解，發現智能工程建造中存在著各種影響因素。因此，為確保政府大樓智能工程項目可以按時保質完成，需要在智能工程建設施工中進行方案設計，做好工程進度控制。

在計算綜合SNR/SJR前,需綜合判斷目標是否在雷達天線掃描范圍和雷達最大作用距離內,當目標在雷達天線掃描范圍和雷達最大作用距離之外時,直接將SNR或SJR置為0。

2.2.2檢測確認模型

計算出雷達接收目標的SNR或SJR后,基于預先擬合的檢測曲線計算目標的發現概率Pd,并在(0,1)均勻分布上隨機取值,記為P0,當Pd≥P0時表示發現目標,反之未發現目標。

為了減少虛警率,搜索發現目標時采用目標確認處理方式,即連續檢測m次,當有k(k≤m)次發現目標時,確認發現目標。仿真中m，k取值隨具體雷達型號而定,一般取m=5,k=3。

2.3誤差模型

誤差模型可以分別表示為雷達跟蹤測距精度σR、測速精度σv和測角精度σΔθ的正態隨機分布。理論上,由雷達時延測量距離的均方根誤差[12]為

(6)

式中,β為有效帶寬;C為電磁波傳播速度;E/N0為匹配濾波器輸出端峰值最大信噪比。徑向速度測量的均方根誤差[12]為

(7)

(8)

式中,s(t)為雷達時域信號。雷達角度測量的均方根誤差為

(9)

式中,γ為有效孔徑寬度。對于孔徑上具有均勻幅度照射的天線而言,理論角度測量均方根誤差[12]為

(10)

式中,θB為波束寬度。

2.4目標跟蹤

雷達目標跟蹤處理的邏輯框圖如圖7所示。常見的跟蹤濾波器α-β有濾波器、α-β-γ濾波器、卡爾曼濾波器、擴展卡爾曼濾波器、粒子濾波器和概率假設密度濾波器等,數據關聯算法可選用概率數據關聯算法、最近鄰域關聯算法等[13-17]。本文仿真系統采用擴展卡爾曼濾波器和最近鄰域關聯算法進行目標跟蹤仿真和功能驗證,也可直接替換為其他濾波器和關聯算法進行論證分析。

圖7　目標跟蹤邏輯流程圖

2.5電磁對抗模型

雷達干擾基本上可以分別為遮蓋性干擾和欺騙性干擾。遮蓋性干擾主要表現為壓制性的強噪聲,影響雷達目標檢測的SJR,使目標的距離和多普勒信息難以提取。欺騙性干擾主要破壞雷達的跟蹤系統,使雷達跟蹤出現錯誤的假目標信息,從而保護目標[18]。

欺騙性干擾仿真的數學模型[18]為

(11)

式中,AJ為干擾信號幅度并大于目標回波信號;Δt和Δω分別為欺騙信號相對目標正常回波信號的距離延時和多普勒頻移量。特別地，當Δω=0,Δt≠0且作周期性拖引變化,式(11)表示距離拖引干擾;當Δt=0,Δω≠0且作周期性拖引變化時,式(11)表示速度拖引干擾。

在雷達抗干擾措施效果的定量分析和仿真研究時,需對抗干擾措施的性能指標進行定量評估。本文在遮蓋式干擾的對抗效果仿真中,引入不同抗干擾措施的抗干擾改善因子D[18],根據式(2)和式(3)以改善目標檢測的SJR。

(12)

式中,D1,D2,…,Dn分別表示低副瓣天線、旁瓣對消、頻率捷變等抗干擾措施的抗干擾改善因子。與對抗遮蓋式干擾仿真不同,抗欺騙干擾成功與否可以用抗欺騙干擾的概率p[18]來描述:

(13)

式中，pj1,pj2,pj3分別表示干擾機偵察系統截獲、分選和模擬雷達信號的概率;pr1,pr2,pr3分別表示雷達在空域、時域以及采用其他方法識別假目標概率。

3系統實現

根據上述機載雷達系統的UML模型,利用UML快速開發應用程序Rational Rose 2002提供的代碼導出功能生成仿真系統框架結構的C++代碼,然后基于上述的仿真模型添加各實體模塊的功能仿真代碼,并采用MFC對系統進行了軟件實現。

3.1場景想定

在進行機載雷達系統功能仿真之前,首先需對仿真的場景進行想定。首先，如圖8所示,在場景想定中,需確定紅藍雙方的飛機型號以便實現不同類型雷達的不同功能,其中當藍方目標為地面或海上目標時,其飛機型號選定無效。其次，如圖9所示,在態勢參數設置框中設置紅方飛機的航向角、載機高度、飛行速度等飛行參數,確定藍方目標的個數、目標隊列、場景模式、速度、目標RCS、目標起伏特性等參數,以便實現不同目標實體(包括空中、地面和海上目標)的模擬仿真。最后,根據仿真需求,決定是否體現電子干擾環境和抗干擾效果,確定干擾載機平臺和相應的干擾類型,其中仿真的干擾類型包括噪聲干擾和欺騙性干擾。

圖8　場景想定界面

圖9　態勢參數設置

3.2雷達仿真參數設置

在仿真場景想定完畢后,下面需要對紅藍雙方加載的不同類型的雷達進行參數設置,如圖10所示,以便實現雷達相應功能的仿真。在圖10(a)雷達系統參數設置界面中按照雷達系統的主要構成分為天線、發射機、接收機、信號處理和數據處理5個部分設置。其中在信號處理部分,高中低重頻下的脈沖個數、脈沖寬度、脈沖重復頻率、脈壓增益、占空比等參數組成雷達波形參數結構體,以文本文件進行讀入。在圖10(b)雷達電磁對抗參數設置界面中,根據圖8選擇的干擾類型設置相應的干擾參數,并可根據仿真需要選擇是否采用抗干擾措施和干擾抑制率的大小,其中常用的抗干擾措施包括頻率捷變、頻率分集、旁瓣對消、低副瓣天線、抗干擾波形等是以數字編號的組合形式進行讀取。

圖10　雷達參數設置界面

3.3仿真分析

以對空狀態為例,如圖9所示,在雷達載機航向角為0°,距離為50～160 km范圍內模擬4個空中目標,均勻分布在4個視線上,每個方向有1個目標,距離間隔為5 km,方位間隔為15o,起始距離為100 km,起始方位為25o,航速均為300 m/s,目標的航向及高度與視線的序號有關,偶數視線上目標航向角與視線方向相同,高度為4 km,奇數視線上目標航向角與視線方向相反,高度為6 km。機載雷達的方位掃描范圍為[-30°,-30°],俯仰掃描線數為2,載機高度為5 km,載機地速為200 m/s,工作方式為邊掃描邊跟蹤,其目標跟蹤的結果如圖11所示。由圖11可以看出,雷達通過天線掃描、信號檢測和目標跟蹤等處理后,輸出的徑向距離、徑向速度、方位角和俯仰角與實際目標觀測值的誤差小,并能穩定跟蹤,可滿足雷達精確跟蹤的功能驗證需求。此外為論證和分析其他濾波器和數據關聯算法的性能,可將此模塊的擴展卡爾曼濾波器和最近鄰關聯算法進行替換。

圖11　雷達目標跟蹤結果

本仿真系統還成功實現了雷達電磁干擾和抗干擾、RCS測量、功率管理、對地測高、對地目標跟蹤、對海目標探測和跟蹤等功能的仿真。圖12為雷達采用抗干擾措施前后對抗欺騙式干擾的效果比較,其中紅色圓點表示目標,紅色直線代表機頭方向,藍色直線表示天線掃描波束。圖12(a)中，天線掃描展示區左上部分的多個紅色圓點顯示為由1號目標欺騙干擾產生的多個假目標,由數據監視窗可以看出,跟蹤系統結果輸出有24個目標航跡,其中編號為6 001的假目標航跡有20個。采用頻率捷變、低截獲波形等抗干擾措施后的雷達跟蹤效果如圖12(b)所示。本機載雷達仿真器系統不僅可對現役和在研型號的機載雷達進行功能仿真和效能評估分析,通過對相應的子模型進行擴展,還可滿足未來預研型號機載雷達功能仿真和效能評估的需求。

圖12　雷達欺騙式干擾對抗效果比較

4結論

本文首先采用UML對機載雷達仿真系統結構進行了可視化建模。通過UML的頂層邏輯、運行狀態、邏輯包和類設計等,優化了系統結構,增強了系統的可讀性、可維護性和可擴展性。其次,對機載雷達系統功能模型的工作流程、目標檢測、目標跟蹤、誤差模型和雷達電磁對抗模型進行了分析,逼真地模擬了實際機載雷達天線、信號處理機和數據處理機等分系統性能。最后,想定了仿真場景,設置了仿真環境,并基于上述機載雷達仿真系統進行仿真,仿真結果的分析充分表明了系統模型的可行性和有效性,為研究機載雷達系統的功能驗證和效能評估提供了仿真依據和驗證平臺。

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熊偉(1984-), 男,高級工程師,博士研究生,主要研究方向為雷達系統仿真、雷達目標檢測與識別。

E-mail:xiongweiwhumath@sina.com

高霞(1984-),女,工程師,碩士,主要研究方向為雷達系統仿真、氣象雷達目標探測。

E-mail:gx-1984@163.com

王力(1984-),男,工程師,碩士,主要研究方向為雷達系統仿真、目標跟蹤。

E-mail:wang_li_apple@163.com

楊萬扣(1979-),男,副教授,博士,主要研究方向為模式識別、計算機視覺、系統仿真。

E-mail:youngwankou@yeah.net

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141022.1310.002.html

Modeling and simulation of universal airborne radar

simulator system based on UML

XIONG Wei1,2, GAO Xia2, WANG Li2, YANG Wan-kou1

(1.CollegeofAutomation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.LeihuaElectronic

TechnologyInstitute,AviationIndustryCorporationofChina,Wuxi214063,China)

Abstract:A modularized, expandable and universal system structure of the airborne radar functional simulator is proposed based on unified modeling language (UML), which is consisted with four modularization designed objects, including system control, antenna, signal processing machine and data processing machine. The universal airborne radar simulator has the simulation ability of pulse Doppler radar and phased array radar. Then, the work flowchart, target detection model, target track model, error analysis model and electronic counter-countermeasure model of the airborne radar simulation system are established and analyzed in detail. Finally, the simulation model is carried out with the visual C++ language, which results verify the feasibility and efficiency. The successful exploitation of the airborne radar simulator will supply the platform and basis for functional validation and efficiency evaluation of airborne radar.

Keywords:airborne radar; simulator system; system modeling; unified modeling language (UML)

作者簡介：

中圖分類號：TN 95

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.12

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2013AA7042013)資助課題

收稿日期：2014-07-08；修回日期：2014-09-05；網絡優先出版日期：2014-10-22。