基于MATLAB GUI的某型雷達信號發射示教系統設計

朱 賽 蔡金燕 孟亞峰 呂貴洲 都學新

陸軍工程大學石家莊校區 河北石家莊 050003

雷達裝備教學是軍隊院校雷達專業學生的重要課程，是學習雷達基本結構、工作原理、工作過程和操作使用的一門課程。在教學過程中，以典型雷達裝備為基礎，通過理論教學和操作訓練兩大模塊來實施。教學過程中既需講清理論，又要實裝操作，同時作為大型裝備，數目有限，使得教學過程中存在學生數目較多與裝備數量有限、理論講解與裝備操作場地分離、雷達高頻信號不易觀測、理論知識與裝備實際聯系不緊密等各種問題。

MATLAB是一種常用的科研計算工具軟件，在雷達信號仿真處理中發揮重要作用，廣泛應用于雷達信號的產生[1]、處理[2]、可視化[3]等研究及教學過程[4]。MATLAB中的圖形用戶界面(Graphical User Interface，簡稱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互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[5,6]。

通過MATLAB GUI設計開發雷達裝備示教系統，通過“理論知識—仿真處理—裝備系統—實裝展示”的途徑，將雷達原理、實裝及操作流程直觀形象展示，解決裝備教學中存在的矛盾，提高教學效果。

1 某型雷達發射系統組成

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。

該型雷達發射過程框圖如圖1所示，其中二維有源固態陣列為雷達相控陣天線，由多個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1 雷達發射過程框圖

在圖1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第一本振頻率、第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 仿真示教系統結構設計

對于信號發射過程中的波束控制、頻率源、波形產生器、發射機前級及二維有源固態陣列等，在教學過程中使學生既要理解其工作原理，又要掌握其具體操作過程。該專業學生較多，而該型雷達裝備僅配備一部，同時課時安排有限，大大限制了每名學生的操作學習時間；作為發射部分，其中多為高頻信號，各模塊信號觀測不夠直觀，也限制了學生的學習理解能力；同時，相控陣天線的波束控制是理論難點，需要完善的教學手段提高學生的接受能力。

為了解決教學中存在的問題，提高該型雷達裝備信號發射部分的教學效果，仿真示教系統需要具有裝備展示、裝備分析、理論仿真等功能。

為了滿足以上功能需求，仿真示教系統結構設計如圖2所示。

圖2 仿真示教系統結構

圖2所示仿真示教系統由展示模塊、分析模塊、仿真模塊和素材庫構成。

2.1 展示模塊

展示模塊以裝備展示素材庫為基礎，主要進行裝備的直接展示，根據裝備實際組成進行裝備展示、系統展示和模塊展示。裝備展示素材庫包含裝備整體、系統及模塊的展示圖片，是裝備直接展示的基礎。

仿真示教系統通過對裝備的整體、各分系統外觀、位置進行直接展示介紹，使學生對裝備具有初步印象，提高學生對裝備的直觀認識，為裝備操作奠定基礎。

2.2 分析模塊

分析模塊進行裝備的系統結構組成、信號流向、模塊信號分析和展示。該模塊在裝備展示的基礎上，以裝備分析素材庫為基礎，對裝備組成、信號流程及各模塊信號形式等進行分析，提高學生對裝備組成、結構等理論的認識。

2.3 仿真模塊

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。仿真模塊根據理論基礎進行波形產生、信號放大合成和波束控制的仿真。

3 實現中的關鍵技術

3.1 展示功能

裝備展示模塊和裝備分析模塊主要基于素材庫進行裝備、構造及信號波形的直接展示。素材庫根據裝備結構，依據分系統、模塊組成構建樹狀存儲目錄，每個目錄下存儲對應分系統、模塊的展示圖片。

在示教系統操作過程中，根據用戶選擇內容，進行裝備、框圖、信號波形圖片的展示。MATLAB GUI中，圖片展示關鍵代碼為：

其中imgPath為待展示圖片保存路徑，Display為顯示圖片的控件名稱。

3.2 射頻發射波形仿真

仿真模塊的波形產生仿真主要進行裝備發射過程中頻率源、波形產生器的理論波形仿真。

頻率源、波形產生器的主要功能如圖3所示，其中頻率源產生中頻相參本振頻率fCOHO，經頻率合成生成一本振頻率fL1和二本振頻率fL2；Chirp源接收頻率源送來的相參本振頻率fCOHO，產生線性調頻頻率fLFM；激勵器接收Chirp源送來的線性調頻頻率和頻率合成器送來的一本振、二本振頻率，對線性調頻信號進行上變頻，產生射頻發射頻率fRF。

記一本振、二本振信號為sL1，sL2，則有：

記Chirp源產生的線性調頻信號為sLFM(t)，開始頻率為f0，τ為雷達發射脈沖的寬度，μ為線性調頻信號的頻率變化斜率[7]，則有：

經過二本振上變頻后的信號記為sLFM_L2(t)，則有：

經過一本振上變頻后的信號記為sLFM_L1(t)，則有：

通過對式(4)(5)(6)進行計算，并進行時、頻域分析，可完成波形產生過程的仿真。

3.3 波束控制仿真

仿真模塊的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問題。

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。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。

若多個輻射元排列為M行N列的二維陣列，如圖4所示，其中每個黑點表示一個輻射元，x方向上任意兩相鄰輻射元間距為dx，相位增量為φx，y方向上任意兩相鄰輻射元間距為dy，相位增量為φy。

圖4 天線陣列

則陣列中所有輻射元輻射能量將在空間中疊加，整個陣列的方向圖函數[8]如式(7)所示。

其中θ，φ為球坐標下的俯仰角、方位角，λ為相控陣天線發射電磁波的波長。

式(7)計算結果為極坐標下的輻射情況，為了進行直觀顯示，需要轉換到直角坐標下，根據圖4所示，其轉換為：

通過改變輻射元間的相位增量φx，φy，就可以實現波束在空間的任意掃描。對于給定的天線陣列規模M，N，在確定其輻射元間隔dx，dy，相位增量φx，φy，波長λ的情況下，通過式(7)可計算空間中波束輻射情況。

該型雷達裝備中，相位增量由數字式移相器實現。以五位PIN管移相器為例，其五個控制位P0，P1，P2，P3，P4分別控制實現11.25 °，22.5 °，45 °，90 °，180 °的移相。當天線波束指向(θ，φ)方向時，陣列中(m，n)位置天線對應的移相控制碼為：

其中α(θ，φ)為行波控基碼，β(θ，φ)為列波控基碼，Δ(m，n，f)為加權修正碼。

通過改變式(9)中的波控基碼α(θ，φ)，β(θ，φ)，可以實現相控陣天線發射波束的掃描。

4 仿真示教系統實現

所實現系統主界面如圖5所示。通過“裝備展示”“信號分析”“理論仿真”等按鍵分別調用對應模塊功能。

裝備展示模塊界面由分系統選擇、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模塊圖片，進行顯示，實現裝備展示功能。

圖5 系統主界面

理論仿真包括信號模擬和波束控制兩部分，其中波束控制界面如圖6所示。信號模擬模塊中，主要由參數設置、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6 波束控制模塊界面

在圖6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四部分組成。陣列參數設置主要設置相控陣中輻射元的行數、行內間距、列數、列內間距及發射波長等表達式(7)所需參數；行相增量調節、列相增量調節主要進行輻射元間行相位、列相位增量的設置，包括連續設置和單次設置兩種模式：單次設置模擬裝備中五位PIN管移相器的各控制位，通過控制位調節相位增量，通過滑動連續設置以方便觀察方向圖指向隨相位增量的變化關系。方向圖顯示主要進行當前設置下相控陣輻射電磁波的顯示，包括空間三維圖和俯視圖。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。

5 結語

在總結裝備教學中存在的矛盾基礎上，根據裝備信號發射過程，設計實現了某型雷達裝備發射系統的仿真示教系統，為該型雷達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，對于雷達崗位人員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。

但該系統僅包括信號產生、發射部分的仿真示教，下一步，將在該系統的基礎上，對雷達的接收、信號處理等部分進行設計實現，不斷完善仿真示教系統。