MatlabGUI仿真在雷達裝備教學中的應用

朱賽+蔡金燕+孟亞峰+都學新

摘要：以某型相控陣雷達裝備教學為例，根據裝備教學過程中存在的矛盾，分析了仿真需求，探索了Matlab圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）在裝備教學過程中的應用環節，并以該型雷達裝備的信號發射過程為例，進行了仿真示教系統的實現，為Matlab GUI在裝備教學中的應用提供了理論依據和實現基礎。

關鍵詞：Matlab GUI；裝備教學；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）03-0083-03

一、引言

《炮兵偵察校射雷達構造》是學習炮兵偵察校射雷達基本結構、系統工作原理、系統工作過程和操作使用的一門課程，是從事炮兵偵察校射雷達技術保障和管理工作的前提，在培養“技指合一”的新型軍事指揮人才方面具有重要作用。

在教學過程中，通過典型炮兵偵察校射雷達的學習，培養學員科學、嚴謹的思維方式和良好的機務作風，并能運用所學知識分析和解決炮兵偵察校射雷達的實際問題。

教學過程中分為理論教學和操作訓練兩大模塊：理論教學以信號流程為主線，將各分系統有機地聯系成一個整體，各分系統以功能電路為模塊，重點講清功能、組成和工作過程；操作訓練通過講解示范、過程指導、效果檢驗等教學環節，以自主訓練為主，培養學員的動手能力。

Matlab圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真的圖形化結果以人機交會的動態方式呈現給客戶，將計算流程和易操作界面完美集成在一起[1，2]，為理論教學和操作訓練間的有機結合提供了工具。

二、仿真需求分析

根據教學實際，首先分析了教學過程中遇到的問題，結合問題分析了仿真需求。

1.教學問題總結。該課程教學目標是使學員熟悉炮兵偵察校射雷達各分系統的工作原理、組成結構、工作過程和信號的流程與變換；熟悉整體結構和各分系統主要部件及大型元器件的作用；掌握整機和各分系統的操作使用、檢查調整、維護保養和常見故障判定與排除的技能；培養嚴謹的機務作風，提高綜合素質，為成為具有較強實踐能力和創新精神的高素質新型炮兵偵察校射雷達軍事人才奠定基礎。

該型雷達為有源相控陣雷達，主要對多種火炮、火箭進行偵察定位和校射：偵察敵火炮、火箭發射陣地；對己方火炮、火箭校正射擊。

教學過程中，在保證學員熟悉操作的前提下，更要聯系理論，使學員能夠融會貫通，掌握炮兵偵察校射雷達的結構、原理。在教學過程中，主要存在以下問題：（1）學生人數較多與裝備數量有限的矛盾。專業學生較多，而該型雷達裝備數目有限，僅配備一部，大大限制了學生的上機操作時間，也限制了學生的觀摩學習。（2）高頻發射信號不易觀測。該雷達裝備中，發射信號頻率較高，發射功率較大，直接觀測不易。對于相控陣天線輻射電磁波，無法觀測其空間輻射情況，不便于學生的理解。（3）理論與裝備教學場地分離的矛盾。理論學習過程中，存在大量的公式推算、流程分析，需要各種板書、幻燈片進行輔助教學；裝備教學需要緊貼裝備，通過裝備的具體演示、操作提高學員的動手能力。同時，由于該裝備尺寸較大，無法放在教室，使得理論教學與裝備教學無法處于同一場景，減弱了理論與裝備教學間的聯系。

2.仿真需求。為了解決教學中存在的問題，需要進行以下仿真：（1）裝備展示功能仿真。為了提高學生對裝備的直觀認識，仿真示教系統中需要具有裝備展示功能。對裝備的整體、各分系統外觀、位置進行直接展示，通過裝備直接展示的介紹，提高學生對裝備的認識。（2）裝備分析功能仿真。在裝備展示的基礎上，對裝備組成、信號流等進行分析，提高學生對裝備的理論認識。（3）理論分析功能仿真。為了提高學生對理論知識的掌握，在裝備展示、分析的基礎上，結合裝備具體模塊原理，進行理論分析仿真，通過直觀的仿真結果深化學生對裝備、理論的學習。

三、Matlab GUI仿真應用環節

為了解決裝備教學過程中的問題，提高學生對裝備的直接認識和深層次理解，可根據Matlab GUI的特點，在裝備展示、裝備分析、信號仿真等環節進行仿真應用，如圖1所示。

1.裝備展示環節。展示模塊環節主要進行裝備的直接展示，根據裝備系統組成，分別進行裝備展示、分系統展示和系統內各模塊展示。通過裝備整體、分系統、模塊等從整體到局部的層次展示方式，提高學生對裝備的直觀認識，為學生上機操作提供基礎。

2.裝備分析環節。裝備分析環節在裝備展示的基礎上，對裝備的系統框圖、信號流圖、模塊信號等進行分析，提高學生對裝備結構、組成及信號關系的深層認識。（1）系統框圖主要展示裝備系統框圖，分析各分系統的組成關系。（2）信號流程，主要分析分系統間的信號傳遞關系。（3）模塊信號主要分析分系統內各模塊輸入/輸出信號波形、模塊間的系統傳遞關系。

3.信號仿真環節。仿真模塊根據該裝備理論基礎，進行波形產生、波束控制、回波接收及信號處理的仿真。（1）波形產生仿真：雷達由頻率源產生中頻相參本振信號，經頻率合成生成一本振、二本振信號及線性調頻型號；線性調頻信號經二本振、一本振信號的上變頻，生成射頻發射信號。波形產生仿真主要對線性調頻信號、一本振信號、二本振信號及射頻發射信號的產生進行模擬仿真。（2）波束控制仿真：相控陣就是通過控制陣列各單元的相位以達到波束自動掃描的陣列[3，4]。相控陣天線是由多個輻射元組成的陣列，陣列中每個輻射元的信號相位可控，通過控制每個輻射元的相位，進而控制整個相控陣天線的波束方向。波束控制仿真主要進行信號發射過程中波束控制單元和二維有源固態陣列天線的理論仿真。通過仿真的圖形化結果，向學生形象展示相控陣天線波束方向控制。（3）回波接收仿真：雷達裝備接收到的目標回波信號，通過一本振信號、二本振信號的下變頻，將射頻回波信號轉為中頻信號，以供處理?；夭ń邮辗抡孢M行回波信號的模擬和接收后變頻的仿真。（4）信號處理仿真：對于中頻回波信號，通過脈沖壓縮、動目標顯示（Moving Target Indicator，MTI）、動目標檢測（Moving Target Display，MTD）、雜波圖等處理，從而檢測出目標的距離、方位、速度等參數。信號處理仿真主要根據中頻回波信號進行各種信號處理仿真。endprint

四、應用實例

1.某型雷達發射系統組成。該型雷達發射過程框圖如圖2所示，其中二維有源固態陣列為雷達相控陣天線，有多個T/R組件二維排列而成，通過控制每個T/R組件的發射波形相位，從而控制整個天線發射波束指向，實現波束的電掃描。

圖2所示發射框圖中，雷達接口接收雷達計算機發出的控制指令，并將控制指令重新編排后分配到波束控制單元和頻率源波形產生器；波束控制單元根據計算機控制指令，在發射和接收期間分別控制天線中T/R組件移相器相位，實現波束按一定的規律在指定空間搜索、跟蹤空中目標；頻率源根據計算機控制指令產生一本振頻率、二本振頻率及相參本振等雷達基準頻率信號，波形產生器接收計算機指令控制，并根據基準頻率信號射頻激勵信號；發射機前級將波形發生器送來的低功率射頻激勵信號進行功率放大，并通過中間推動級放大后送到每個T/R組件。

2.仿真系統實現。根據3節應用環節，對圖2所示雷達發射信號過程基于Matlab GUI進行仿真實現，所實現系統主界面如圖3（a）所示。通過“裝備展示”、“信號分析”、“理論仿真”等按鍵分別進行對應環節的仿真分析。

裝備展示模塊界面如圖3（b）所示，由分系統選擇、模塊選擇及展示畫面組成。通過分系統選擇和模塊選擇，確定待展示的模塊，進而選擇素材庫中對應的模塊圖片進行顯示，實現裝備的展示功能。

理論仿真包括信號模擬和波束控制兩部分，其界面分別如圖3（c）、圖3（d）所示。在圖3（c）所示的信號模擬模塊中，主要有參數設置、時域信號顯示和頻域信號顯示三部分組成，分別進行Chirp信號、二本振調制信號和一本振調制信號的模擬顯示。圖3（d）所示波束控制模塊中，由陣列參數設置、行相增量調節、列相增量調節和方向圖顯示幾部分組成。通過連續調節行相增量、列相增量，可觀察方向圖指向的不斷變化，實現波束控制。

五、結語

在總結裝備教學中存在矛盾的基礎上，分析了仿真示教系統需求，設計實現了某型雷達裝備發射系統的仿真示教系統，為裝備教學提供了有力保障。

應用仿真系統形象、直觀地分析了雷達系統的工作原理和信號特性，對于學生熟悉和掌握雷達原理和雷達信號處理流程提供了真實有效的可靠手段，對于雷達數字信號的處理技術和流程有了全面的認識，提高了技術人員分析問題和解決問題的能力及開展雷達設備技術研究的能力。

參考文獻：

[1]溫淑煥，佟永正，劉福才，等.基于Matlab GUI的計算機控制技術教學演示系統設計[J].高教研究與實踐，2016，35（4）：55-59.

[2]賈云飛.自控原理綜合教學平臺[J].教育教學論壇，2016，（14）：81-82.

[3]丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達原理[M].第5版.電子工業出版社，2014：21-23.

[4]封吉平，曾瑞，梁玉英.微波工程基礎[M].第1版.電子工業出版社，2002：202-207.endprint