監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型通用框架設(shè)計

王燊燊 趙 晶 車萬方

(1.中國人民解放軍93110部隊(duì) 北京 100038；2.北京賽博天網(wǎng)防務(wù)技術(shù)有限公司 北京 100041)

0 引言

監(jiān)視雷達(dá)仿真在防空反導(dǎo)武器效能評估、彈道導(dǎo)彈攻防對抗仿真等應(yīng)用領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。建立雷達(dá)仿真模型通用框架是降低模型開發(fā)成本、提高開發(fā)質(zhì)量的必然途徑。本文提出一種監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型通用框架設(shè)計方法，該方法以監(jiān)視雷達(dá)仿真模型為研究對象，分析了監(jiān)視雷達(dá)信號處理流程，建立了監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型體系結(jié)構(gòu)，通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件設(shè)計模式等，設(shè)計了模型外部接口和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。這種方法可在后續(xù)雷達(dá)模型開發(fā)中充分利用過去積累的模型成果，減少重復(fù)開發(fā)的過程，從而保證仿真模型的開發(fā)質(zhì)量、降低開發(fā)成本。

然而，現(xiàn)有雷達(dá)仿真建模文獻(xiàn)大都將研究重點(diǎn)放在模型內(nèi)部算法的實(shí)現(xiàn)上[1-5]，很少有文獻(xiàn)論述雷達(dá)仿真模型的通用框架設(shè)計。為減少重復(fù)勞動，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型的重用性，本文重點(diǎn)研究雷達(dá)仿真模型框架的設(shè)計方法，為各種監(jiān)視雷達(dá)仿真模型提供一種通用的軟件框架。采用UML類圖來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計模式封裝系統(tǒng)的可變部分。最后通過幾種典型監(jiān)視雷達(dá)工作樣式對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型體系

1.1 監(jiān)視雷達(dá)信號處理流程

對監(jiān)視雷達(dá)進(jìn)行信號級仿真建模，首先要清楚其工作過程和信號處理流程。通過對監(jiān)視雷達(dá)作戰(zhàn)使用進(jìn)行分析可知，監(jiān)視雷達(dá)開機(jī)后，通過預(yù)定的天線掃描方式，向指定空域發(fā)射電磁信號，電磁信號在大氣中傳輸，遇到目標(biāo)后產(chǎn)生電磁散射，部分散射能量通過大氣傳輸?shù)竭_(dá)雷達(dá)接收天線，產(chǎn)生回波信號，對回波信號分別進(jìn)行接收機(jī)處理和信號處理，得到探測目標(biāo)的點(diǎn)跡，該點(diǎn)跡進(jìn)入雷達(dá)航跡管理模塊，進(jìn)行航跡的起始、狀態(tài)更新和航跡終結(jié)，同時在顯示器上輸出相應(yīng)的航跡和點(diǎn)跡狀態(tài)信息。其工作流程如圖1所示。

由圖可知，監(jiān)視雷達(dá)探測目標(biāo)過程可分為信號發(fā)射和信號接收兩部分。信號發(fā)射部分主要是通過雷達(dá)發(fā)射天線將電磁信號輻射到大氣環(huán)境中，通過電波傳輸后，到達(dá)空中目標(biāo)，在目標(biāo)處產(chǎn)生后向散射，生成目標(biāo)回波信號。信號接收部分主要是生成的目標(biāo)回波信號通過電波傳輸，疊加上地海雜波信號后，達(dá)到雷達(dá)接收天線，然后對接收的信號進(jìn)行接收機(jī)處理、信號處理、數(shù)據(jù)處理和抗干擾處理后，提取目標(biāo)有用信息，并輸出至顯示設(shè)備進(jìn)行綜合顯示。

1.2 監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)對監(jiān)視雷達(dá)信號處理流程的分析，結(jié)合信號/信息處理流程劃分，可將監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型分為天線、發(fā)射信號、電波傳輸、地海雜波、回波生成、接收處理六大類，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模型體系結(jié)構(gòu)圖

天線模型用于仿真雷達(dá)天線，主要對雷達(dá)天線指向、天線方向圖和發(fā)射或接收增益進(jìn)行計算；信號發(fā)射模型綜合考慮雷達(dá)信號樣式、發(fā)射功率、發(fā)射波形等典型因素，完成發(fā)射信號模擬；電波傳輸模型用來描述地表地面反射、電磁波衍射、大氣層對雷達(dá)波的彎曲和折射、對雷達(dá)波能量的衰減和吸收、多徑效應(yīng)以及其它傳輸信道的影響效應(yīng)；地海雜波模型依據(jù)雷達(dá)的技戰(zhàn)術(shù)參數(shù)和工作狀態(tài)，采用距離-方位二維網(wǎng)格劃分的方式，對雷達(dá)主瓣、旁瓣波束照射范圍內(nèi)的雜波RCS進(jìn)行計算，根據(jù)后向散射系數(shù)、幅度分布、功率譜，產(chǎn)生相參地海雜波回波序列；回波生成模型綜合考慮雷達(dá)散射截面積及其統(tǒng)計描述、目標(biāo)起伏模型、相對運(yùn)動速率等狀態(tài)參數(shù)，通過回波功率計算、傳播延時計算、多普勒頻率計算、遮擋效應(yīng)計算、距離波門選通計算等一系列模型解算，生成到達(dá)監(jiān)視雷達(dá)接收天線前端的目標(biāo)回波信號；接收處理計算模型按照典型的信號/信息處理流程，首先對接收天線處的信號進(jìn)行相干合成，然后完整地執(zhí)行雷達(dá)的接收機(jī)處理、信號處理、數(shù)據(jù)處理和抗干擾處理等操作。接收處理是模型的核心，通過模擬實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)的工作過程，生成相應(yīng)的中間過程數(shù)據(jù)、任務(wù)評估數(shù)據(jù)，從而為定量評估雷達(dá)系統(tǒng)的作用距離、探測精度、多目標(biāo)跟蹤、航跡管理等典型戰(zhàn)技指標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 可復(fù)用監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型框架設(shè)計

仿真模型復(fù)用是指在新仿真模型的開發(fā)過程中，利用已有的、可重用的軟件成分來構(gòu)造和生成新的仿真模型，為了復(fù)用目的而設(shè)計的仿真模型被稱為可復(fù)用仿真模型。對監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型進(jìn)行可復(fù)用設(shè)計，能有效提高模型開發(fā)效率，減少開發(fā)代價。在新的仿真模型開發(fā)中可以充分地利用己有的開發(fā)成果，消除了包括分析、設(shè)計、編碼、測試等在內(nèi)的許多重復(fù)勞動。仿真模型復(fù)用的主要思想是，將模型看成是由不同功能部分的“構(gòu)件”所組成的有機(jī)體，每一個構(gòu)件在設(shè)計編寫時可以被設(shè)計成完成同類工作的通用工具，這些可復(fù)用構(gòu)件包括對象類、框架或者軟件體系結(jié)構(gòu)等。

2.1 外部接口設(shè)計

外部系統(tǒng)使用監(jiān)視雷達(dá)仿真模型時，并不關(guān)心模型內(nèi)部的工作流程，而只關(guān)心模型與外部系統(tǒng)的交互。對仿真模型建立一個外觀類既是仿真控制的需要也是提高復(fù)用性的需要。外觀類中的接口提供的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)仿真需求中對仿真控制的要求制定，同時也應(yīng)盡可能多的將雷達(dá)仿真模型內(nèi)部能夠提供的信息暴露出來。一旦使提供的信息最大化，那么當(dāng)遇到不同監(jiān)視雷達(dá)仿真需求時，就可以不用或是較少地修改接口，進(jìn)一步提高復(fù)用性。

通過分析可知，外部系統(tǒng)在使用監(jiān)視雷達(dá)雷達(dá)信號仿真模型時，首先要對其進(jìn)行初始化和位置、狀態(tài)等信息的設(shè)置，然后在仿真過程中，需要在每個仿真步長中輸入環(huán)境信息，執(zhí)行雷達(dá)解算后，輸出雷達(dá)的狀態(tài)信息、探測信息和受關(guān)注的采樣信號信息等。因此，監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型接口主要有初始化、設(shè)置雷達(dá)位置和開關(guān)狀態(tài)、輸入環(huán)境信息、執(zhí)行一步解算、輸出雷達(dá)狀態(tài)、輸出掃描點(diǎn)跡、輸出航跡信息、輸出采樣信號，在該模型的外觀類中應(yīng)該包含這幾個接口的函數(shù)，但不提供模型內(nèi)部接口。確定了監(jiān)視雷達(dá)仿真模型的對外接口后，就可以設(shè)計其外觀類了。外觀類一般被仿真主控調(diào)用，且外觀類通過對子系統(tǒng)的操作來實(shí)現(xiàn)其接口功能。監(jiān)視雷達(dá)仿真模型的外觀類結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 監(jiān)視雷達(dá)仿真模型外觀類結(jié)構(gòu)

在該設(shè)計中，監(jiān)視雷達(dá)仿真模型中包含了其主要接口，這些都是供外部系統(tǒng)調(diào)用的，這里并未對接口的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、返回類型等進(jìn)行詳細(xì)定義，也沒有對外觀類的成員變量進(jìn)行定義，關(guān)于這些內(nèi)容在后續(xù)設(shè)計中給出，本節(jié)只給出系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容。

在根據(jù)需要設(shè)計好外觀類后，利用外觀模式對仿真系統(tǒng)進(jìn)行封裝，使得調(diào)用雷達(dá)仿真模型的主控避免直接與其內(nèi)部的交互類和子系統(tǒng)類打交道，隔離了繁瑣的細(xì)節(jié)，提高了仿真模型復(fù)用性。具體代碼為：

classSurveillanceRadar

{

public:

void Initialize(RadPararadPara)//初始化

void SetSwitchState(bool state)//設(shè)置開關(guān)狀態(tài)

void SetRadPos(Position pos)//設(shè)置雷達(dá)位置

void SetEnvirInfo(vectortargetList);//設(shè)置環(huán)境信息

void RadExecute();//一步推進(jìn)

boolGetRadState();//得到雷達(dá)狀態(tài)

vectorGetDetectPoint();//獲取探測點(diǎn)跡

vectorGetRouteInfo();//獲取航跡信息

vectorGetSigInfo();//獲取中間過程信號

……//其他指令和信息接口

}

接口類中各接口在實(shí)現(xiàn)時通過調(diào)用子系統(tǒng)中的相關(guān)操作來實(shí)現(xiàn)其功能，避免了客戶端直接與雷達(dá)仿真模型內(nèi)部的細(xì)節(jié)交互，從而提升了雷達(dá)仿真模型的復(fù)用性。

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

進(jìn)行可復(fù)用設(shè)計的關(guān)鍵是對系統(tǒng)的易變部分進(jìn)行分離。在一個復(fù)雜系統(tǒng)的可復(fù)用設(shè)計中，通常將整個系統(tǒng)劃分為多個相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，這對于隔離變化是非常有利的[6]。根據(jù)監(jiān)視雷達(dá)信號處理流程，監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型主要包含六個部分：天線模型、信號發(fā)射模型、電波傳輸模型、回波生成模型、地海雜波模型和接收處理模型。其中天線模型主要確定天線指向、模擬雷達(dá)天線方向圖和計算增益；信號發(fā)射模型主要確定發(fā)射信號樣式、計算發(fā)射功率、確定發(fā)射波形；電波傳輸模型主要對電波在大氣中的衰減、折射、衍射和多徑進(jìn)行模擬；地海雜波模型用于計算雷達(dá)地海雜波信號，通過對雷達(dá)照射地域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計算每個網(wǎng)格的散射系數(shù)，得到綜合的雜波信號；回波生成模型對目標(biāo)回波進(jìn)行模擬，通過目標(biāo)的RCS特性，計算回波功率，并通過雷達(dá)和目標(biāo)的相對運(yùn)動狀態(tài)信息，計算信號傳輸延時和多普勒效應(yīng)；接收處理模型首先對目標(biāo)回波和地海雜波信號進(jìn)行相干合成，生成接收天線前端信號，然后對該合成信號進(jìn)行接收機(jī)處理、信號處理，得到探測點(diǎn)跡信息，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而更新目標(biāo)航跡信息。監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型對象層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

每個部分都是相對獨(dú)立且功能相對固定，因此可將這六個部分作為六個子系統(tǒng)，在每個子系統(tǒng)中，處理方法是多種多樣的，也就是每個子系統(tǒng)都是易變的。根據(jù)面向?qū)ο缶幊趟枷隱7]，可將監(jiān)視雷達(dá)仿真模型視為幾個子系統(tǒng)的組合。監(jiān)視雷達(dá)仿真模型框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型對象層次結(jié)構(gòu)

圖5 監(jiān)視雷達(dá)仿真模型框架結(jié)構(gòu)

在雷達(dá)仿真模型接口類中，只提供了仿真用例中列出的功能接口，而將六個子系統(tǒng)對象設(shè)置為私有變量，這就實(shí)現(xiàn)了對雷達(dá)仿真模型的封裝。在某個子系統(tǒng)發(fā)生變化時，只需將相應(yīng)的新的子系統(tǒng)替換原有子系統(tǒng)，這個新的子系統(tǒng)可以通過擴(kuò)展得到，而對于雷達(dá)仿真模型的外部接口并不發(fā)生改變，因此通過外觀模式設(shè)計提高了框架的復(fù)用性[8]。

雷達(dá)仿真模型接口類中，除了構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、初始化函數(shù)、輸入輸出函數(shù)外，最重要的就是雷達(dá)執(zhí)行函數(shù)RadExecute()，這個函數(shù)封裝了雷達(dá)的全部執(zhí)行流程，是雷達(dá)仿真模型的關(guān)鍵函數(shù)。通過分析可知，RadExecute()函數(shù)通過雷達(dá)初始化參數(shù)和輸入的目標(biāo)環(huán)境信息，并根據(jù)當(dāng)前仿真時間來確定當(dāng)前仿真步長內(nèi)雷達(dá)探測到的目標(biāo)點(diǎn)跡信息，同時通過數(shù)據(jù)處理算法輸出目標(biāo)航跡信息。RadExecute()函數(shù)執(zhí)行的交互圖如圖6所示。

圖6 RadExecute()函數(shù)執(zhí)行的交互圖

RadExecute()函數(shù)首先調(diào)用信號發(fā)射模型來生成發(fā)射信號，在生成發(fā)射信號過程中，通過天線模型來計算發(fā)射增益，然后依次生成回波信號、地海雜波信號，并通過電波傳輸模型來計算信號從發(fā)射到接收過程中的衰減和折射等效應(yīng)，將回波信號和雜波信號輸入接收處理模型，對接收天線前端的信號進(jìn)行相干合成，通過天線模型計算接收增益，得到接收信號，分別進(jìn)行接收機(jī)處理、信號處理和數(shù)據(jù)處理，得到中間過程信號、探測點(diǎn)跡和航跡信息。在這個過程中，RadExecute()函數(shù)將處理過程委托給下級子系統(tǒng)來處理，一方面簡化了該函數(shù)的處理流程，另一方面實(shí)現(xiàn)了各處理環(huán)節(jié)的解耦，一旦某個子系統(tǒng)的處理方法發(fā)生變化，RadExecute()函數(shù)的執(zhí)行流程無需更改，僅需要對該子系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展后重新實(shí)現(xiàn)新的處理方法即可，這進(jìn)一步提高了整個模型的復(fù)用性。

在子系統(tǒng)設(shè)計中，為提高算法的復(fù)用性，將易于變化的部分分離出來，可采用策略模式進(jìn)行設(shè)計。以接收處理模型中的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)為例，它包含航跡起始、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、狀態(tài)更新、航跡終結(jié)四個關(guān)鍵算法，而且有多重實(shí)現(xiàn)方法，針對這四個模塊，分別建立相應(yīng)的抽象類，具體執(zhí)行算法類再從各自的抽象類繼承，以分離變化。采用策略模式對數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，其類圖如圖7所示。

這里使用策略模式對數(shù)據(jù)處理中的航跡起始和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行了設(shè)計。航跡起始和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法均有多種，通過建立抽象基類接口，子類實(shí)現(xiàn)各自算法的方式，來增強(qiáng)模型的擴(kuò)展性。算法類的基類一般定義為抽象類，抽象類是一種不能進(jìn)行實(shí)例化的類，因此它只能作為基類使用。在抽象類中至少有一個沒有實(shí)現(xiàn)的方法，這個方法需要留到子類中去實(shí)現(xiàn)，這樣就提供了一種擴(kuò)展機(jī)制。由于抽象類不能被實(shí)例化，它可以作為實(shí)現(xiàn)具體子類的模板，因此它可以被看作是一種支持設(shè)計的機(jī)制。抽象類規(guī)定了父類和子類的接口，當(dāng)客戶需要子類化抽象類并使用子類的實(shí)例時，他實(shí)際上將使用一個實(shí)現(xiàn)了抽象類接口的子類對象。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證文中提出的設(shè)計框架，實(shí)現(xiàn)了幾種典型的監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型。在信號發(fā)射環(huán)節(jié)中的信號形式采用線性調(diào)頻、相位編碼和非線性調(diào)頻，天線方向圖類型采用高斯和余割平方。這樣，一共可以組合為6種不同的監(jiān)視雷達(dá)模型。分別采用傳統(tǒng)方法和本文提出的通用框架來設(shè)計這6種算法，傳統(tǒng)方法是對每一種監(jiān)視雷達(dá)分別建立模型，不采用任何設(shè)計模式，而采用本文框架則是設(shè)計第一種監(jiān)視雷達(dá)模型時工作量較大，而后續(xù)模型的實(shí)現(xiàn)非常便捷，分別從總代碼量、新增代碼量、代碼重用率、更改代碼量等方面進(jìn)行比較，得到6種監(jiān)視雷達(dá)仿真模型統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)模型類圖設(shè)計

表1 設(shè)計方法通用性比較

信號形式線性調(diào)頻相位編碼非線性調(diào)頻線性調(diào)頻相位編碼非線性調(diào)頻天線方向圖高斯高斯高斯余割平方余割平方余割平方代碼總量本文方法264022768528230288662902229152傳統(tǒng)方法229802332023456226842280323078新增代碼量本文方法2640214281630115600傳統(tǒng)方法2298045604822403616631520代碼重用率本文方法080.2%87.6%83.7%100%100%傳統(tǒng)方法067.8%63.3%56.7%88.5%90.6%更改代碼量本文方法000000傳統(tǒng)方法0232617402291518475

可以看出，在設(shè)計采用線性調(diào)頻和高斯方向圖的雷達(dá)仿真模型時，本文方法的代碼量要高于傳統(tǒng)方法，這是因?yàn)楸疚乃岢龅耐ㄓ每蚣茉谑状卧O(shè)計時所采用的類較多，要花費(fèi)更多的精力，因而也更具有擴(kuò)展性。在實(shí)現(xiàn)后續(xù)的算法時，可以看出傳統(tǒng)方法的總代碼量、新增代碼量、代碼重用率和更改代碼量都變化不大，代碼重用率較低。而通過本文方法設(shè)計的框架來實(shí)現(xiàn)這些后續(xù)算法時，盡管代碼總量較多，但是新增代碼量不多，這部分新增代碼僅僅是新算法產(chǎn)生的代碼，原程序架構(gòu)基本保持不變，代碼的重用率較高，特別是在實(shí)現(xiàn)最后兩種算法時，新增代碼量為0，代碼重用率達(dá)到100%，這是由于這兩種算法的每個環(huán)節(jié)在前面都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，不必再新增加代碼，只需通過指定算法的構(gòu)造器即可。另外，傳統(tǒng)方法僅僅是代碼有一定的重用性，對采用新算法的雷達(dá)，需要在原來基礎(chǔ)上對代碼進(jìn)行更改，更改的過程很容易出錯，大大降低了模型的維護(hù)性。而本文方法則無需對代碼進(jìn)行任何更改，只需在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，有效提高了雷達(dá)仿真模型的維護(hù)性和通用性。

利用本文提出的設(shè)計框架，不同算法的實(shí)現(xiàn)只需對相關(guān)抽象類進(jìn)行派生即可，而不必改動系統(tǒng)整體框架，而這可以保證系統(tǒng)的大部分代碼能夠重用。通過對以上算法的實(shí)現(xiàn)可以看出本文框架具有較強(qiáng)的通用性，且易于擴(kuò)展。

4 結(jié)束語

本文研究了一種監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型框架，在該框架中，系統(tǒng)中的易變部分和不變部分被隔離，通過策略模式來設(shè)計系統(tǒng)中的易變部分，通過工作模式來創(chuàng)建不同的算法對象。給出了監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型結(jié)構(gòu)，建立了其通用框架，對模型外部接口和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。實(shí)驗(yàn)證明本文提出的框架通用性強(qiáng)，且易于擴(kuò)展，為監(jiān)視雷達(dá)信號仿真模型的通用設(shè)計提供了一種新的思路。