雷達模擬器軟件的研究與設計

馬敏

【摘 要】本文設計并實現了一款可在多個不同平臺下設置多部雷達的雷達模擬器。文中介紹了如何模擬雷達的實際跟蹤過程，解決了多雷達的資源使用問題，并針對岸基雷達工作的海面環境和目標特點，在雷達模擬器中設置了檢測概率計算及海雜波模型。該雷達模擬器能夠更加真實準確地模擬實際戰場環境，為雷達系統的研究、生產和使用提供必要的學習、調試手段。

【關鍵詞】雷達模擬器軟件；資源使用；海雜波模型

【Abstract】This article designs and fulfills a new radar simulator， in which users can set several radars on different platforms. In this article， simulation of real work progress of radar is introduced， and distribution of cpu resource as well. Besides， sea clutter model， i.e. Rayleigh distribution， is used to describe different sea conditions. The Radar simulator can provide more realistic radar working circumstances for the research and produce of radar system.

【Key words】Land-based Radar； RCS frustration； Detection probability； Sea clutter model

0 引言

雷達模擬器可以模擬各種工作環境中的雷達，如天空、陸地或水面等。雷達和目標的參數亦可按需求靈活設置，如雷達的位置、周期、功率、精度，以及目標的軌跡、速度等。其操作方便，可以較為逼真地模擬雷達實時的探測性能，為信號處理和數據處理算法性能的測試、評估及研究提供仿真數據支持和評估環境。相關文獻已介紹了多種工作環境中的雷達模擬器[1-5]，如機載雷達模擬器[2]，潛艇雷達模擬器[3]等。但目前所見文獻中，模擬器大多針對單一環境中的單部雷達進行設計。而在實際戰場環境中，往往是多部雷達在多種不同的平臺上同時工作，對同一目標進行跟蹤。而目前所見文獻大都未進一步對此場景進行實現。

本文實現了一款可在多種不同環境下設置多部雷達的雷達模擬器。雷達可以設置在陸地或水面艦船上，目標可為飛機或艦船。針對對海觀測的特點，模擬器中還考慮了海雜波導致的虛假目標。該款雷達模擬器更加符合實際場景，有利于更好地測試與評估相關信號及數據處理算法的有效性。

1 系統分析

該模擬器功能主要包含場景編輯和仿真、數據記錄、動態顯示功能等。

1）可以同時模擬多部雷達探測，并實時輸出目標的點跡或航跡；

2）具有場景設置功能，能根據需要模擬各種運動特性的飛機和艦船目標，可以模擬運動平臺下的雷達掃描；

3）采用可視化界面設計，具有地圖顯示功能，可以清晰的區分場景中的平臺、目標和雷達等工作元素；

4）可以保存設置完畢的場景，形成劇情文件，讀入后可以重復劇情；

5）系統軟件目標點跡的產生，要符合雷達的自身特性，這些特性包括探測威力、發現概率、雷達視角和誤差特性。

6）目標航跡的產生，要符合航跡數據的產生規律，也即要進行跟蹤處理后輸出。

2 主要功能實現

2.1 模擬真實雷達掃描

真實雷達的掃描是一個多個系統配合的復雜的過程，涉及到天線伺服的旋轉，天線碼盤的讀取，涉及到雷達重復頻率和發射機工作。真實雷達的掃描是連續的過程，是將整個0～360度的分成8192個角度單元（碼盤的滿刻度0～8192），在天線工作時，終端通過天線方位觸發采集天線碼盤方位和回波信息，通過光柵顯示實現雷達掃描的過程顯示。

雷達模擬器要實現雷達的掃描，必須要將雷達的掃描線實時畫在場景上。為了能有更多的應用，雷達模擬器掃描周期可以在合理的范圍內任意設置（3秒～40秒）。雷達在模擬掃描過程中不能有停頓感。考慮人眼的反應時間（一般10毫秒數量級，每個人各不相同），我們在設計的時候采用了5毫秒軟件定時器，也就是每5毫秒進行一次新掃描線的繪制和舊掃描線的清除，每次掃描線畫的方位為：

Azi=Azi-last+？駐t*360/T

這里的？駐t是上次掃描到這次掃描的時間差，雖然設置了5毫秒定時器，但是實際上Windows系統的并不能每次都能在5毫秒準時響應時鐘中斷，有時要稍長一點，但一般不會超過20毫秒。

2.2 模擬真實雷達探測過程

雷達探測是其最主要的任務，它是一個復雜的多系統協同工作過程，簡單地說即雷達波束掃過目標后，通過接收處理，信號處理，點跡凝聚處理，產生目標的點跡信息。目標點跡信息是包含了該雷達自身系統誤差和隨機誤差，同時也是滿足該雷達的發現概率的。所以雷達探測的本質是在理想系統（無系統誤差，無隨機誤差，無外部干擾）情況下，加入雷達自身條件約束和外部條件約束。

模擬雷達探測的過程也是按照“理想+噪聲”這個模型原理進行的。實時計算目標的真值位置與雷達掃描線的當前方位，當確定掃描線已經掃過目標后，將目標真值方位和真值距離分別加上雷達系統誤差和隨機誤差，作為點跡位置。

2.3 多雷達模擬器的資源使用問題

單個雷達的實現可能還相對簡單一點，對于多個雷達的同時工作，需要考慮的問題就更多：

1）如何分配資源給每個雷達；

2）如何能讓每個雷達可以按照自身的規律工作，而不受其他雷達影響；

3）如何能使雷達的性能不因為雷達增加而降低。

采用數據鏈表和時間驅動的方法解決這些問題。數據鏈表的方法就是把每個雷達作為一個對象來進行管理（每個雷達有自身的特性，這些特性是獨立的），然后用鏈表把他們連接起來見圖 1。

時間驅動的方法，就是整個仿真系統的工作是通過5毫秒軟時鐘來實現的。當5毫秒時間中斷到來時，系統檢視一下每個雷達要做的工作，從第一個雷達到最后一個雷達，誰有工作，就立即執行誰的工作內容，如果沒有工作，那么立即進行下一個雷達的工作檢視。工作過程見圖 2。

每增加一個雷達就會增加相應的系統資源，產生的代價就是增加計算機內存的占用和增加計算機CPU的負荷。這里的“多雷達”并不是可以無限的多下去。如果是N個雷達和M個目標，系統運行后會產生最多M×N批次的目標探測和跟蹤。我們設計的指標是100批目標，10個雷達模擬器，這相當于1000批次的目標探測和跟蹤，再加上每個雷達模擬器還有自身的掃描和維護，這對系統的資源占用也是十分巨大的。

2.4 海雜波模型

海雜波環境通常會對目標的探測造成較大困難。一方面是由于在海面上，海雜波的信號強度往往高于艦船目標的信號強度；另一方面，海上艦船運動速度較慢，其多普勒頻移又會與海雜波能量所對應的頻譜相重疊。常用的海雜波幅度分布有Rayleigh分布、對數正態分布等[6、7]。簡化起見，本文只采用最常用的Rayleigh分布。

在模擬器中，雜波區域設置為扇形。當雷達掃描線進入雜波區域后，將掃描線觸及的區域等分為n點，每點按雜波分布模型產生相應的雜波幅度。如圖 3所示，綠色點為雷達站位置，紅色點為海雜波點。為簡單起見，假設海雜波最大值為1.0，雜波的檢測概率等于雜波幅度值。

求得目標和海雜波點的檢測概率后，按照如下方法判斷目標是否從屏幕輸出：在[0，1]區間內選擇一個隨機數a，該隨機數a在[0，1]內滿足均勻分布。若a>p，則該雜波點未被雷達檢測到，反之，輸出該點的雜波信息。

3 模擬器實現

在均勻雜波9級，海雜波4級情況下，同時產生四部雷達的中、小兩種典型船只的點跡數據。其中，中、小兩種船的RCS分別為2000m2、200m2，兩種船只分別獨立進行勻速、機動運動（速度15節、30節、50節），相互之間的運動軌跡無交叉，且目標做向站或背站運動，每種狀態運行15分鐘。雷達參數如下表所示。其中，1-3是岸基雷達，4號為艦載雷達。4號雷達勻速直線運動，速度為15節。

圖6可以說明：1）海面艦船目標沿著設定的航線和速度運動，形象地表示了目標的真實運動情況；2）四部雷達分別部署在陸地和艦船上，可以按照各自的工作參數同時進行目標探測和跟蹤；3）場景仿真時在海面上設置了雜波區，模擬器可按設定參數產生相應的海雜波。

因此，該雷達模擬器能夠直觀、形象地模擬出戰場環境、目標及雷達的工作過程，并基于真實的地理信息顯示雷達探測結果， 使得模擬器的系統工作環境達到可視化。

4 結束語

本系統設計并實現了一款簡潔直觀的多雷達場景仿真軟件。用戶可直接設置雷達站以及各種目標（包括艦船、飛機等）的坐標、工作參數、運動軌跡等。可為雷達系統的研究、生產和使用提供必要的學習、調試手段。已開發的雷達模擬器已經通過聯試，實際應用于雷達研制過程中。

【參考文獻】

[1]高梅國，毛二可.雷達模擬器[J].電子對抗，1999：1，6-12.

[2]方偉；何友，歐陽文.機載雷達模擬器設計與實現[J].第九屆全國雷達學術年會，2004.

[3]劉向君，劉忠義，周建平.潛艇雷達模擬器建設新思路[J].潛艇學術研究，2009，27（4）：43-44.

[4]陳麗平，楊峰，梁彥.雷達模擬器中可視化仿真技術的實現[J].計算機仿真，2010，4：324-328.

[5]田佳.雷達模擬器的研究與設計[M].大連海事大學，2008.

[6]唐念智，張安清.海雜波特性分布模型研究[J].中國雷達，2007，2：18-22.

[7]謝永亮，趙朋亮，甘懷錦.雷達模擬器中海雜波模擬的一種新方法[J].微型機與應用，2011，30（3）：67-69.

[責任編輯：張濤]