一種新型雷達模擬器的設計與實現

李 業，任鴻翔，尹金崗,2

(1.大連海事大學 航海動態仿真和控制交通行業重點實驗室，遼寧 大連 116026；2.中國海事服務中心，北京 100029)

一種新型雷達模擬器的設計與實現

李 業1，任鴻翔1，尹金崗1,2

(1.大連海事大學 航海動態仿真和控制交通行業重點實驗室，遼寧 大連 116026；2.中國海事服務中心，北京 100029)

針對現有雷達模擬器操作界面老舊、功能單一、發展速度落后于真機等現狀，為滿足雷達操作培訓需要，開發了一款新型雷達模擬器。通過分析雷達模擬器組成和功能設計要求，決定采取模塊化思想對雷達模擬器進行分模塊開發。對雷達模擬器涉及的部分關鍵技術進行了改進，并提出了一些新方法。借助于 WPF 開發框架和C# 語言完成了模擬器的設計與實現。仿真結果表明，該模擬器即能滿足一般雷達模擬器性能標準，又實現了對現有真機部分新型實用功能的仿真。

航海雷達；雷達模擬器；模塊化；關鍵技術

0 引 言

船舶導航雷達是船舶系統的主要導航設備之一，在船舶航行中，主要用來進行定位、導航和避碰。由于船舶導航雷達能準確測定目標的方位和距離，直觀地顯示船舶周圍的目標回波，并具有探測距離較遠、受天氣晝夜等自然因素影響較小可全天候使用的優點，所以成為船舶航行特別是夜霧中航行必不可少的導航設備[1]。由于雷達在船舶航行特別是避碰中的地位不可替代，因此，對海員的雷達培訓也就顯得尤為重要。現行雷達培訓方式主要有雷達真機和雷達模擬器 2 種。真機價格昂貴、設備磨損不可避免，而模擬器靈活多變、可重復利用、經濟，因此雷達模擬器被廣泛使用。

近年來綜合船橋思想被廣泛提及[2]，為實現這一目標，雷達被賦予許多新的功能。IMO（International Maritime Organization，國際海事組織）也針對雷達提出了一些新的性能標準和強制性要求[3]，為此，多功能船用雷達應運而生。它已不再是傳統意義上的雷達，而是一個多功能工作站。盡管雷達真機發展迅速[4]，但雷達模擬器的發展卻相對滯后。現有雷達模擬器雖能滿足一般系統研發、維護、操作培訓等需要，但操作界面老舊、功能單一[5]。落后的模擬器與先進的真機形成鮮明對比。

通過調研，本文選取目前較為先進的 JRC-JMA-9100 系列雷達為仿真對象，采用 WPF（Windows Presentation Foundation）開發框架及 C# 語言[6]，模擬該雷達界面和相關功能，并對該雷達真機部分新型實用功能進行仿真。

1 雷達模擬器組成和功能設計要求

1.1 模擬器系統組成

如圖 1 所示，雷達模擬器是由教練員站和多個本船構成的仿真系統，系統中各單元通過網絡連接。每個本船主要由 PC 機和車舵操縱臺組成。教練員在教練員站上設置練習，練習初始信息包括航行環境，本船信息、目標船信息等，設置好的練習將發送給本船。本船收到練習后，啟動相應界面，受訓人員在本船上利用 PC 機、車舵操縱臺對船舶進行相應操作，本船通過船舶運動模型解算出本船航向、航速、位置、轉速、實際舵角等信息，并顯示在雷達、海圖等PC 機上，直至練習結束。

1.2 功能設計要求

本文致力于設計實現新型雷達模擬器，要求新型雷達模擬器在滿足一般性能標準的基礎上，力求技術先進、功能完備。其功能設計要求主要包括以下 2 個方面：

1）一般功能：參照 IMO 雷達性能規范進行開發，使其能滿足 IMO 關于雷達模擬器的一般性能標準，可用于科研、教學培訓等[7]。

2）新增功能：新型雷達模擬器要有全新界面交互系統，要求界面美觀、布局合理、操作簡單方便。同時實現對新一代雷達新增功能的模擬，使其多功能化。

2 關鍵模塊

本文選取的 JRC-JMA-9100 系列雷達，功能繁多，仿真工作復雜。為簡化工作，本文采取模塊化思想，對雷達功能聚類分析，分模塊模擬。

2.1 岸線回波和雜波圖像生成模塊

岸線回波的生成是雷達仿真的核心技術，回波圖像的質量將直接影響模擬器的效果。為了達到更好更合理的效果，本文提出一種生成岸線回波的新方法，該方法可有效解決使用墨卡托投影坐標生成岸線回波圖像的變形問題[8]。

首先將雷達視頻顯示區與操作區分層顯示，操作區在上，視頻區在下。對操作區進行圓域裁剪，裁剪大小、形狀與雷達 PPI（Plan Position Indicator，平面位置指示器）一致，這樣既可透過操作區對視頻區進行操作，也實現了對雷達回波圖像的圓域裁剪的效果。然后從電子海圖中提取岸線數據，利用 Vincenty 公式[9]將岸線經緯度坐標轉換為以雷達位置為中心原點的平面坐標形式。由于電子海圖岸線數據較多，直接使用會造成回波繪制效率下降，本文利用包圍盒和無參數自適應 RDP（Ramer-Douglas-Peucker）改進算法[10]對岸線數據進行簡化處理。最后利用掃描線求交算法繪制岸線回波圖像[11]。

雷達雜波主要包括機器內部噪聲、海雜波、雨雪雜波、同頻干擾等。本文依據各雜波特性分別采用瑞利分布、韋伯分布、均勻分布等模型來建立雜波模型[12]。跟據雜波分布范圍和強度確定雜波模型參數，產生雜波粒子。雜波通過位圖呈現，一個雜波粒子對應位圖上一個像素點，通過繪制位圖生成雜波。一般來講，雜波體積較小，數量較多形狀復雜，使用掃描線求交很難實現雜波的圓周掃描。為此，本文通過對位圖進行圓周裁剪來實現。

2.2 偏心顯示、量程和顯示模式切換模塊

偏心顯示、量程和顯示模式切換是雷達必不可少的功能，在航行中被頻繁使用。關于偏心顯示、量程和顯示模式切換一般做法是使用坐標系變換[13]，但該方法計算復雜，嚴重影響回波繪制效率。針對這一問題，本文對原方法進行了改進，通過對雷達視頻區域的平移、旋轉、縮放來實現雷達的偏心顯示、量程及顯示模式切換。該方法避免了大量坐標系變換，提高了回波繪制效率，同時也便于理解和實現。對于偏心顯示，可認為是回波圖像的整體平移；對于量程切換，是對回波圖像的放大縮小；對于顯示模式的切換，是對回波圖像的旋轉與平移。好比透過一扇窗看一幅畫，可以通過移動畫看到畫被遮擋的一部分，可以把畫縮放以決定是否看畫的全部還是局部，可以通過旋轉畫實現換角度看畫，也可以選擇移動自身而畫不動的方式來看畫。

偏心顯示時，刻度線的位置會隨之改變，關于刻度線位置的計算，本文采用極坐標的形式計算。如圖 2所示，設O為 PPI 圓心，r為其半徑；O'為偏心顯示時的掃描中心，坐標為（x1，y1）；圓O'是以點O'為圓心，PPI 的外切大圓；D為θ刻度線與 PPI 圓的交點，D'為θ刻度線的尾點；A為刻度線DD'的延長線與圓O'的交點。A的坐標（x2，y2）很容易求出，下面給出D（x，y）與D'（x’，y'）的坐標值計算方法。

求解一元二次方程，求出t，取滿足 0 ≤t≤ 1 的t值代入O'A的參數方程，即可求出D點坐標（x，y）。根據θ的度數設置刻度線長度r0，則O'D'=O'D+r0，求出D'的坐標（x'，y'）：

利用D和D'點繪制刻度線。

2.3 雷達刻度信息系統模塊

雷達刻度信息系統主要包括 FRM（Fixed Range Marker，固定距標圈），VRM（Variable Range Marker，活動距標圈），EBL（Electronic Bearing Line，電子方位線），PI（PI Parallel Index Line，平行指示線）的顯示與使用。本文將刻度信息與雷達回波分層處理，通過圖像生成的方式顯示，這樣既方便處理，又使圖像連續光滑。通過控制圖像的顯示與隱藏來實現刻度信息的顯示與關閉。需要注意的問題是：

1）根據 IMO 對船用雷達標準的要求，雷達不同量程對應的 FRM 個數有所不同，當量程變換時每個FRM 距離也會相應變化。本文依據量程確定 FRM 的個數，確定各距標圈顯示圓的半徑，進而繪制各固定距標圈。

2）VRM、EBL 和 PI 的生成與 FRM 的類似，但與之不同的是：VRM 可以通過光標控制其半徑和中心位置，EBL 可以通過光標控制其端點位置以及方位，PI可以通過光標實現其旋轉和移動。本文通過圖像坐標平移實現 VRM，EBL 和 PI 的移動，通過圖像坐標旋轉實現 EBL 和 PI 的轉動，通過圖像坐標縮放來實現VRM 半徑的改變。

圖 3 為雷達刻度信息系統設計圖。

2.4 目標跟蹤與 AIS 目標報告模塊

雷達 TT（Target Tracking，目標跟蹤）與AIS（Automatic Identification System，自動識別系統）目標報告是雷達不可或缺的重要功能，在船舶避碰中發揮著重要作用。由于該功能的強制性和重要性，對該功能的仿真顯得尤為重要。仿真工作主要包括 TT與 AIS 目標圖標標識的模擬、目標信息的顯示、目標捕獲功能的模擬、AIS 與 TT 目標的關聯、矢量（相對矢量，真矢量）的模擬、過去位置、尾跡、會遇局面與碰撞危險判斷及試操船的模擬。其中目標捕獲又分為人工捕獲和自動捕獲，人工捕獲通過操作光標來實現，自動捕獲通過設定捕獲區域來實現。圖 4 為雷達目標跟蹤與 AIS 目標報告功能設計效果圖。由于本模塊功能繁雜，所涉及算法較多，本文只對本模塊中使用較多的目標船 CPA（Closest Point of Approach，最短會遇距離）和 TCPA（Time to Closest Point of Approach，最短會遇時間）[14]的計算進行介紹。

目標船CPA/TCPA的計算如圖 5 所示，其中O（XO，YO）為本船位置；T（XT，YT）為目標船位置；VO為本船運動速度矢量；VT為目標船真運動矢量；θO為本船航向；θT為目標船真航向；RT為目標船與本船距離；θA為本船相對目標船的方位；VR為目標船相對運動速度矢量；θR為相對運動速度矢量幅角。由矢量三角形可知VR=VT-VO，求出相對運動矢量的模 |VR|。設正北單位向量NO為（0，1），則相對運動速度矢量的幅角θR為矢量NO與VR之間夾角。

求目標船與本船距離：

本船在目標船方位為：

在求得RT，θR，θA，VR的基礎上求得目標船的CPA與TCPA，即

2.5 新增功能模塊

2.5.1 控制面板的開發

控制面板是雷達操作系統重要組成部分，駕駛人員可以通過操作控制面板來控制和使用雷達。控制面板為雷達主要控制功能單元，便于隨時操作，因此被駕駛員廣泛使用。現有雷達模擬器多是對雷達顯示器的仿真，忽略了對控制面板的模擬。為彌補這一缺陷，本文實現了此功能。控制面板里較多按鈕和旋鈕，其關鍵技術是旋鈕的實現。以往旋鈕的實現是通過對位圖的切換處理[15]，但這種方式不僅需要較多位圖，而且畫面不連續，旋轉效果較差。本文使用一種新方法來模擬旋鈕（見圖 6 ）。

1） 定義 Point（點）變量Po，Pt，Pc以及旋鈕初始旋轉角度α0；

2） 當鼠標進入旋鈕并開始拖動時獲取鼠標在旋鈕上初始坐標Po；

3） 在鼠標拖動后獲取鼠標在旋鈕上的坐標Pt。分別求取Po，Pt與旋鈕中心Pc的向量，并求出兩向量的夾角：

利用α=α0+ ?α求出旋鈕旋轉角度α，并以Pc為中心旋轉圖片，然后將Pt坐標賦給Po。

4）重復進行第 3 步，從而實現旋鈕的旋轉。

2.5.2 深度指示器、風向/風速指示器、航向舵角指示器、溫度指示器的開發

為了方便駕駛員瞭望，又完成駕駛操作。目前越來越多的雷達將 Conning（綜合信息顯示處理系統）功能融合進來，以協助航行。本文對其中的一些重要功能進行模擬，分別為深度指示器、風向/風速指示器、航向舵角指示器、溫度指示器。正常情況這些功能不啟動，處于隱藏狀態。用戶可以根據需要將它們在屏幕指定區域單獨或全部顯示。

2.5.3 系統語言切換

現有雷達操作系統語言多為英語，相應的雷達模擬器也以英語為其系統語言。但目前船員的英語水平參次不齊，單一操作語言并不合理，也不利于船員培訓。為此，本文提供了多語言支持，用戶可根據需要設置系統語言。主要原理是通過 WPF 的 MVVM（Model-View-ViewModel）模式進行程序開發，將雷達程序界面層與邏輯層分開，以此實現程序的界面更換，從而實現系統語言切換。

2.5.4 統一共同基準點的設置

新規對雷達 CCRP（Consistent Common Reference Point，統一共同基準點）的設置提出了要求，雷達真機也都增加了此功能，但多數雷達模擬器卻還未實現對此功能的模擬。本文通過對本船參數的設置，自動繪制本船比例輪廓圖形，然后利用不同顏色圖標指示CCRP、雷達天線、GPS 天線的位置。通過虛擬鍵盤輸入參數，圖標自動出現在本船比例輪廓圖形上對應位置，程序根據參數值自動計算補償值，進而完成設置，操作過程簡單直觀。

2.5.5 捕獲區域的模擬

AZ（Acquisition/Activation Zone，捕獲區域）一直是船舶導航雷達的強制性能標準，目前各雷達模擬器也均實現了此功能。但目前捕獲區域的設置均較為復雜，模擬效果不好。本文使用了一種新的捕獲區域設置方法：首先顯示捕獲區域，移動光標到捕獲區域邊線上，光標形狀由十字變為箭頭，左擊捕獲區域邊線，其上出現 8 個白色基準點，拖動基準點即可調整捕獲區域位置、形狀。當捕獲區域到達指定位置或理想形狀時，單擊捕獲區域外任意位置，即可完成捕獲區域設置。本文通過碰撞檢測判斷目標是否進入或離開捕獲區域，以實現捕獲區域自動捕獲、激活等功能。

3 仿真實現

本文開發的雷達模擬器主功能界面如圖 7（a）～圖 7（f）所示，其中圖 7（a）為本文雷達模擬器對岸線回波和雜波的模擬結果（本文選取大連港為模擬對象），圖 7（b）為本文雷達模擬器對偏心顯示、量程、顯示模式切換的模擬，圖 7（c）為本文雷達模擬器的刻度信息系統，圖 7（d）～圖 7（e）分別為本文對捕獲區域設置和試操船功能的模擬，圖 7（f）為對目標跟蹤與 AIS 目標報告的模擬，模擬內容包括 TT 與 AIS 目標圖標標識、目標信息的顯示、AIS 與 TT 目標的關聯、矢量、過去位置、尾跡等。圖 8（a）～圖 8（f）給出了本文雷達模擬器對真機上部分新型實用功能的仿真結果，其中圖 8（a）為控制面板及其上旋鈕的實現結果，圖 8（b）～圖 8（e）為本文模擬器對溫度指示器、航向舵角指示器、深度指示器、風向/風速指示器的仿真界面，圖 8（f）為 CCRP 設置的模擬界面。

4 結 語

本文采用模塊化思想，在 WPF 框架基礎上提出新方法，設計開發了一款新型雷達模擬器。仿真結果表明，該雷達模擬器擁有全新交互界面，易于識別，方便使用。該模擬器即能滿足雷達模擬器一般性能標準，又實現了對真機上部分新型實用功能的仿真，具有一定應用價值。

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Design and realization of a novel radar simulator

LI Ye1, REN Hong-xiang1, YIN Jin-gang1,2
(1.Marine Dynamic Simulation and Control Laboratory, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2.China Maritime Service Center, Beijing 100029, China)

Aiming at the deficiency of existing radar simulator such as the outmoded user interface, unitary function and the progress is far behind the real equipment, in order to meet the needs of radar operation training, a novel radar simulator is developed.By analyzing the composition and the design requirements of the function of the radar simulator, decide to adopt the modularization thinking to develop the radar simulator.Some key technologies of radar simulator are improved, and some new methods are proposed.With the aid of WPF framework and C# language the design and realization of the simulator are finished.The novel radar simulator not only can meet general performance standards for radar simulator but also can realize the simulation of some new practical functions of real radar.

marine radar；radar simulator；module；key technologies

U665.22；TP391.9

：A

1672-7619(2017)01-0122-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.025

2016-05-31；

: 2016-10-26

國家863課題資助項目(2015AA010504)；交通運輸部應用基礎研究項目資助項目(2015329225240)；中央高校基本科研業務費資助項目(3132016324)

李業(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為系統仿真與虛擬現實。