基于實采雜波數據的雷達仿真訓練系統研究

何永喜,張國兵

(91404部隊,河北 秦皇島 066000)

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基于實采雜波數據的雷達仿真訓練系統研究

何永喜,張國兵

(91404部隊,河北 秦皇島 066000)

針對計算機仿真模型產生的雷達探測背景雜波不夠逼真、難以滿足復雜電磁環境下雷達操作手實戰化訓練需求的問題,提出了基于實采數據與計算機仿真模型數據合成的雷達仿真訓練系統。該系統借用成熟的數據采集技術采集雷達背景雜波數據,通過等效處理和數據合成等技術將采集后的雜波數據與計算機仿真模型數據擬合在一起,并在統一時序下重構再現了雷達相應的信號處理、數據處理及操作指令的正確反饋效果。從兩種不同系統的顯示效果比對結果看,該系統明顯提高了雷達探測背景環境的逼真度。

雷達仿真;實采數據;數據合成;逼真度;等效處理

0 引 言

雷達仿真模擬訓練由于不受各種自然和人為因素的制約,又可以防止雷達發射頻率、脈沖重復周期、抗干擾措施等重要參數的泄露,并具有成本低、訓練效益高的優點,因此倍受軍事院校和一線部隊的青睞[1]。但是,隨著軍事訓練實戰化要求不斷地提高和部隊戰斗力的不斷提升,對復雜電磁環境下雷達仿真訓練的復雜度和逼真度提出了更高的需求。

目前,雷達模擬系統大部分都采用了實裝的終端臺和人機交互軟件,給操作員營造了逼真的戰位環境。但是,雷達探測背景雜波環境基本上都還是采用了數學模型。這種模擬方式生成的雷達探測背景雜波與實際還存在一定的差距,不利于雷達操作手從原始回波中區分目標和雜波并從雜波背景下識別出目標等技能的訓練。因此,雷達模擬器能否逼真地模擬出雷達探測背景雜波環境,對于訓練雷達操作手在雜波環境中對目標的正確檢測和跟蹤具有十分重要的意義[2-3]。本文將利用實裝中采集到的真實探測背景雜波數據,并根據訓練態勢與模擬目標、干擾信號進行合成,構建逼真的雷達探測背景雜波環境。

1 雷達面臨的雜波環境特征分析

雷達探測位于陸地或海面上以及空中的目標時,雷達接收的信號主要是有用的目標回波和由天電干擾、雷達設備本身等形成的噪聲,以及地面、海面、空中的云雨及干擾箔條等背景形成的雜波。其中背景雜波信號的強度經常遠遠超過目標回波信號,且雜波譜常常接近于目標,同時還受雷達設備參數的影響[4]。在背景雜波中,陸地上的物體一般比較固定,其幅相的動態變化特征不大,而海雜波和氣象雜波相對表現出更強的動態特性。海面作為雷達波的反射面,其性能十分復雜,海風、海流、海浪、潮汐和不同的水質等都對海雜波的產生有著不同的影響。云、雨等氣象作為雷達波的反射面,其性能特點受區域面積、體積、風速和降雨量等條件的影響。背景雜波的存在嚴重影響著雷達對目標的探測,有時導致一些回波弱、速度快的目標淹沒在雜波中,使雷達不能對其檢測。而這些被漏掉的目標往往有很高的威脅性,例如采用隱身技術的目標和掠海飛行的小目標,因此在一定程度上降低了雷達探測威力。

雖然目前采用計算機仿真技術和數學統計模型能夠對探測背景雜波進行仿真模擬,但是當前計算機仿真技術和手段還不能完全仿真模擬地物、海面和氣象雜波的實時動態性,只能模擬特定條件下的雜波形態變化。其中對海面和氣象雜波的實時動態性仿真模擬是最困難的,因其涉及到的實時計算量很大,以目前的計算機技術還不能實時動態模擬,導致背景雜波動態性的仿真模擬效果還達不到實際要求。

2 雷達實采背景雜波數據的優勢

隨著計算機技術和IC技術的不斷發展,快速的采集器件及高速計算機處理器不斷涌現,如高速周邊元件擴展接口(Peripheral Component Interconnect,PCI)數據采集卡、數據信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)芯片等,都可以滿足雷達回波信號的數字采集和處理,實現實時傳輸數字化數據,并且高性能的采集設備可直接從雷達中頻信號(I、Q支路)進行數字化采集。國內一些高等院校和研究機構都在研究設計雷達數據采集處理卡,并已開發出一些成形的產品[5-6]。雷達數據采集處理卡無疑將為實現雷達信息共享提供傳輸平臺,其推廣應用必將提高雷達視頻終端的兼容性、可移植性和通用性,具有極大的實用價值。

雷達回波信號數據采集的成熟技術促使了高等院校和科研單位對軟件化雷達終端系統實現技術的深入研究[7-8],其中基于GUP+CUP的雷達終端軟件化技術是目前研究的重要熱點。近年來,GPU的多計算單元以接近于3倍摩爾定律的速度不斷加快發展,使其擁有眾多線程,從而具有強大的并行計算能力。這一特點剛好吻合雷達大規模回波數據的處理。現在一臺普通計算機其自身就擁有功能足夠強大的GPU資源。在軟件方面,采用Intel Integrated Performance Primitives(IPP)編程技術。IPP是一個集成了幾千款支持多核心、多媒體和數據處理高度優化的軟件包,與硬件關系非常密切的底層軟件,可輕松實現最佳使用應用程序的性能,提高雷達數據處理的速度[9]。因此,這種實現方式具有逐漸替代傳統雷達終端系統的優勢。

3 基于實采數據的雷達仿真訓練系統

雷達仿真訓練系統必須具有較強的探測環境逼真度、信息處理的實時性和交互信息反饋的正確性。為了增強雷達仿真訓練系統在這3方面的優勢,本文提出了實采數據與模型數據合成的系統設計思想。下面重點從系統構成及功能和不同類型數據合成兩個主要方面進行闡述。

3.1 系統構成及功能

該系統構成示意圖如圖1所示,主要包括實采數據存儲設備、干擾仿真模塊、目標仿真模塊、計算機處理模塊、訓練態勢編輯模塊和顯控設備等6部分組成。

圖1 雷達訓練系統結構框圖

實采數據存儲設備主要是大容量磁盤陣列,用于存儲采集到的實裝雷達探測背景數據,包括地物雜波、海面雜波和氣象雜波等實測類型數據。采集的數據包中含有雷達系統時鐘、雷達觸發脈沖、雷達中頻/視頻回波和天線方位/仰角等信息數據,在訓練過程中供計算機處理模塊實時讀取,并重構雷達探測背景[10]。

干擾和目標兩個仿真模塊主要是利用數學建模進行計算機仿真模擬有/無源干擾環境和多目標探測環境。干擾環境以有意干擾為主,主要生成噪聲干擾、欺騙干擾和箔條干擾等典型干擾樣式;多目標環境以空中目標和水面目標為主,主要生成目標回波的大小和運動航跡真值,在訓練過程中供計算機處理模塊實時讀取,構成干擾和多目標環境。

計算機處理模塊主要將探測背景數據、干擾生成數據和多目標數據進行等效處理和數據合成。在訓練過程中,主要對3類數據進行等效性的信號處理、數據合成和目標信號檢測,以及對操作員操作指令的等效處理。這主要涉及到MTI、MTD、脈沖壓縮等信號處理方式和雜波圖、CFAR等數據處理方式,以及波形變換、抗干擾措施運用等操作指令的等效處理[11]。

訓練態勢編輯模塊主要是根據訓練科目和內容進行戰情想定態勢編輯與訓練進程控制。在訓練過程中,該模塊根據具體作戰態勢調配相應的兵力部署和復雜戰場環境構設,控制訓練的初始化、開始、暫停和結束等進程,并可以實現實時導調。

顯控設備主要是雷達終端顯示和人機交互的部分,與實際雷達裝備一致,在訓練過程中主要為操作員提供操控雷達進行訓練的崗位。

3.2 實采數據與模型數據的合成

實采數據與模型數據的合成是本系統最關鍵的技術。它們之間的合成程度不僅影響著雷達探測性能和操作指令反饋效果,而且還影響系統仿真的逼真度。為了最大化提高不同類型數據之間的合成效果,本系統采用了“等效處理,后期合成”的方式實現,其數據處理合成流程如圖2所示。

圖2 數據處理合成流程圖

該系統中,實采數據、干擾模塊和目標模塊產生的數據流都被納入統一的系統時序,根據雷達訓練態勢設置的具體參數產生相應的雷達探測環境,其中等效處理是系統的關鍵環節。

等效處理是基于具體參數的等效處理計算模型,不考慮處理過程,只考慮具體參數對應的輸出結果,主要涉及到MTI、MTD、脈沖積累、恒虛警等信號處理或者視頻處理計算模型,以及采取抗干擾措施等處理計算模型,根據它們在相關參數確定的條件下對信雜比、信噪比和信干比的改善結果值來等效調整目標回波與雜波信號之間的幅度值、目標回波與干擾信號之間的幅度值,使其達到相應處理的改善效果。舉例說明MTI和脈沖積累兩個等效處理的過程。

(1) MTI處理等效模型

MTI處理一次對消結構如圖3所示。它利用固定地物的多譜勒頻率為零的特點,采用跨周期相消方式抑制掉回波中的固定地物雜波。它也有3脈沖對消器,即兩個一次對消。

圖3 MTI一次對消結構圖

等效處理時,只是根據相應的多譜勒頻率值和對消脈沖數的改善結果值調整目標回波與雜波、目標回波與干擾信號之間的幅度比值,完成改善效果。MTI改善因子的范圍可設為20～40 dB。當出現雜波或噪聲干擾時,根據具體參數表將雜波或噪聲干擾電平加權下降相應的幅度。

(2) 脈沖積累

脈沖積累可以改善輸出信噪比,提高檢測性能,主要分為相參積累和非相參積累兩種。以相參積累為例:相參積累的理論處理增益(信噪比改善值)為脈沖數M,即

GpI=20 log(M) (dB)

當脈沖數為9～36時,相參積累的理論處理增益為18～31 dB。等效處理時,對于雷達回波脈沖,使其幅度增加18～31 dB;對于干擾信號,如果是噪聲干擾則無積累增益；對于欺騙干擾，則其幅度增加10～21 dB。

3類數據流在各自通道完成相應的等效處理后,再按照雷達仿真系統時序根據3類數據具體設置參數,并按照相應的距離單元將它們合成為同一通道的雷達探測環境回波。然后需要對數據進行歸一化處理,需要針對不同的處理模式標定不同的歸一化電平,并轉換成跟蹤顯示需要的定點數。最后完成目標跟蹤,第1步是進行門限檢測,利用給定的門限對視頻數據流進行門限判決,檢查目標是否超過門限。僅當目標超過門限值時目標數據才送跟蹤模塊。第2步是進行目標跟蹤,利用卡爾曼濾波器對目標進行跟蹤,形成目標的航跡。目標跟蹤檢測結果以航跡文件格式傳送到顯示模塊,保證了雷達訓練系統可以與實裝具有相比擬的檢測性能(發現概率和虛警概率)[12]。

3.3 數據合成驗證結果

通過實采雜波數據與計算機仿真模型數據等效處理、數據合成的方式構建的雷達仿真訓練系統不僅具有逼真的雷達探測背景和操控反饋的準確性,而且還保證了系統的實時性和目標檢測性能。下面以某兩型雷達兩種仿真實現方式作差異性比較。圖4為基于實采雜波數據的雷達仿真系統顯示效果。圖5為全數字仿真雷達系統顯示效果。通過比對可以看出,實采的海雜波和氣象雜波與數學模型產生的海雜波和氣象雜波存在較大不同。

圖4 實采雜波數據的顯示效果

圖5 全模型仿真的顯示效果

實采的海雜波由近至遠,回波由強到弱且連續,遠區隨機羽化效果比較真實,而模擬海雜波遠近區域變化不明顯,且遠區隨機羽化效果差。氣象雜波和地物雜波也存在這種差異。如圖6所示,地物雜波、目標回波與干擾信號的非常完美地合成在一起,能夠逼真再現有源干擾影響了雷達對目標的錄取與跟蹤。可見,基于實采雜波數據的雷達仿真訓練系統更能夠逼真地構建雷達在復雜電磁環境下所探測到的真實環境。

圖6 干擾信號與目標回波合成效果

4 結束語

雷達仿真訓練系統與真實雷達在探測背景環境方面的差異性會影響到雷達操作手對地物雜波、海雜波和氣象雜波的感觀認識,從而影響到實際作戰中雷達操作手如何應對不同類型雜波的影響,進一步影響到雷達操作手對目標的檢測與跟蹤。這使得雷達操作手的訓練效果大打折扣。本系統基于實采雜波數據進行雷達雜波模擬,構建了與真實雷達基本一致的背景環境,能夠滿足雷達操作手對各類雜波的感知和雜波環境下目標探測跟蹤訓練,具有較高的應用價值。

[1] 夏棟,察豪,秦華,等.基于實采數據的海雜波與氣象雜波模擬[J].現代雷達,2012,34(5):77-80.

[2] 李如年,王新鵬,倪國旗.雷達模擬器中地物回波的模擬實現[J].火力指揮與控制,2008,33(9):119-121.

[3] Cui Xiaohai,Zeng Tao,Long Teng.Modeling and simulation of video target echo and clutter for HLA-based radar system[C]//7th International Conferences on Signal Processing Proceedings,Beijing:Beijing Institute of Electronic Engi-neering Technology,2004:2049-2052.

[4] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].3版.西安:西安電子科技大學出版社,2005.

[5] 張樂鋒,吳建輝,郁文賢,等. 一種通用雷達數據采集卡設計方法[J].系統工程與電子技術,2005,4(27):623-626.

[6] 宋杰,何友,唐小明,等. 雷達視頻回波信號的實時采集、顯示與存儲系統[J].數據采集與處理,2006,21(1):91-94.

[7] 曹成忠. 基于GPU+CPU軟件化雷達終端系統的設計與實現[D]. 武漢理工大學碩士論文,2014.5.

[8] 吳桂生,夏棟,察豪. 雷達模擬器通用顯控終端的設計與實現[J].雷達與對抗,2011,31(3): 62-65.

[9] 徐文利,察豪,周沫,等. 基于多核PC軟件雷達信號處理實時性仿真[J].艦船科學技術,2011,33(3): 93-94,111.

[10] 張國兵,何永喜. 基于COST視頻采集卡的雷達訓練系統研究[J].電子元器件應用,2011,12(13): 22-25.

[11] Bassem R Mahafza, Atef Z Elsherbeni.雷達系統設計MATLAB仿真[M]. 朱國富,黃曉濤 黎向陽,等譯.北京:電子工業出版社,2012.

[12] 何友,修建娟,張晶煒,等.雷達數據處理及應用[M]. 北京:電子工業出版社,2006.

Research on a radar simulation training system based on real clutter data sampled

HE Yong-xi, ZHANG Guo-bing

(Unit 91404 of the PLA Navy, Qinhuangdao 066000, China)

The radar detection background clutters generated by the computer simulation model are not realistic, and it is difficult to meet the requirements of the actual combat training in the complex electromagnetic environment for radar operators. A radar simulation training system is proposed based on the synthesis of the real data sampled and the data of the computer simulation model. The system collects the radar background clutter data with the mature data acquisition technology, and then the clutter data and the computer simulation data are synthesized through the equivalent processing and the data synthesis technology. The correct feedback effect of the corresponding signal processing, data processing and operation instructions is reconstructed and reproduced under the unified time sequence. Finally, from the comparison results of the display effect of the two different systems, the system greatly improves the fidelity of the radar detection background environment.

radar simulation; real data sampled; data synthesis; fidelity; equivalent processing

2016-09-20

何永喜(1983-),男,工程師,研究方向:雷達仿真； 張國兵(1979-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達仿真。

TN955

A

1009-0401(2016)04-0008-04