遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)

周振宇, 賀志毅, 湯 斌

(毫米波遙感技術(shù)重點實驗室,北京100039)

0 引言

隨著雷達(dá)遙測技術(shù)的突飛猛進(jìn),利用其不受天候及晝夜影響的特性,除了早期應(yīng)用于軍事探測外,已逐漸廣泛應(yīng)用于民用探測領(lǐng)域。

隨著全球科學(xué)技術(shù)的不斷提高,海洋成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“主戰(zhàn)場”,作為覆蓋地球表面70%的海洋蘊藏著豐富的海洋資源,全球90%的能源等運輸都要通過海運來實現(xiàn)。因此,保衛(wèi)國家領(lǐng)海、監(jiān)測航海運輸成為一個國家控制海洋資源的重要途徑。

本文介紹的就是一種運動平臺上的遙測雷達(dá),可以實現(xiàn)對遠(yuǎn)海的大范圍監(jiān)測,并對海上固定及慢速目標(biāo)實現(xiàn)搜索、識別和跟蹤。

1 遙測雷達(dá)系統(tǒng)組成

遙測雷達(dá)系統(tǒng)仿真是數(shù)字仿真技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。簡而言之,就是利用計算機(jī)軟件來建立雷達(dá)的模型,然后在數(shù)字計算機(jī)上復(fù)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的動態(tài)工作過程。具體的說,仿真的對象是遙測雷達(dá)系統(tǒng),包括雷達(dá)本身(硬件及軟件)、雷達(dá)目標(biāo)及目標(biāo)環(huán)境;仿真的手段是數(shù)字計算機(jī),包括軟件及硬件;仿真的方式是復(fù)現(xiàn)蘊含在雷達(dá)目標(biāo)及目標(biāo)環(huán)境信息的雷達(dá)信號。這里所說的“復(fù)現(xiàn)”就是重現(xiàn)雷達(dá)信號的產(chǎn)生、傳遞、處理等動態(tài)過程,從時間關(guān)系上看,就是重現(xiàn)一個隨機(jī)的時間序列及其處理過程。

此種遙測雷達(dá)設(shè)計的基本結(jié)構(gòu),如圖1所示。該雷達(dá)采用單脈沖測角方式,其基本結(jié)構(gòu)包括:天饋系統(tǒng)、雷達(dá)接收機(jī)、信號處理機(jī)、雷達(dá)發(fā)射機(jī)、頻率綜合器、伺服系統(tǒng)和二次電源等。另外,為了配合模擬雷達(dá)的全部工作狀態(tài),在遙測雷達(dá)仿真系統(tǒng)中還需要加入表征運動平臺特性的飛行控制計算機(jī)、外部環(huán)境仿真機(jī)和目標(biāo)與環(huán)境模擬器等。

圖1 遙測雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)圖

2 遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)硬件組成

本文所討論的遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)是建立在數(shù)臺PC機(jī)上的雷達(dá)綜合性能仿真系統(tǒng)。每臺PC機(jī)承擔(dān)遙測雷達(dá)系統(tǒng)的一個功能模塊的仿真,PC機(jī)之間通過反射內(nèi)存實時網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互,其硬件組成如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)硬件組成

3 遙測雷達(dá)仿真系統(tǒng)功能模塊化

對于實際的遙測雷達(dá)系統(tǒng)來說,系統(tǒng)內(nèi)部十分復(fù)雜,執(zhí)行各項功能的器件繁多,如果對雷達(dá)內(nèi)部的所有結(jié)構(gòu)都進(jìn)行仿真,會極大增加系統(tǒng)計算量和降低反射內(nèi)存實時網(wǎng)的響應(yīng)速度。因此,本文從仿真雷達(dá)功能角度將整個遙測雷達(dá)系統(tǒng)的功能分成五大類,通過這五大功能塊的協(xié)同工作完成雷達(dá)的全部功能。

(1) 信號處理器

雷達(dá)信號處理器是遙測雷達(dá)進(jìn)行信號處理,實現(xiàn)對目標(biāo)定位跟蹤的核心運算部分。本文采用單脈沖雷達(dá)測角體制,距離上采用調(diào)頻脈壓實現(xiàn)高分辨[1]。

(2) 伺服模擬器

在實際雷達(dá)系統(tǒng)中,伺服控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照飛行控制計算機(jī)和信號處理器的控制信息輸出雷達(dá)天線控制指令,在搜索階段(位置環(huán))按照飛行控制計算機(jī)指令控制雷達(dá)天線在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行搜索,在跟蹤階段(速度環(huán))按照信號處理器和外部環(huán)境仿真機(jī)輸出指令調(diào)整天線指向鎖定目標(biāo)。

(3) 目標(biāo)與環(huán)境模擬器

本文研究的遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)是用于監(jiān)測海上慢速目標(biāo)的。不難發(fā)現(xiàn),遙測雷達(dá)接收的雷達(dá)信號中除了包括必要的目標(biāo)回波信號還包括海雜波及可能來自環(huán)境的干擾等信息[2]。因此,采用目標(biāo)與環(huán)境模擬器模擬雷達(dá)回波就必須考慮目標(biāo)電磁特性、雷達(dá)與目標(biāo)相對位置關(guān)系及運動狀態(tài)、海情和來自環(huán)境的干擾。

(4) 外部環(huán)境仿真機(jī)

運動平臺在飛行過程中,可能受到多種外部環(huán)境因素的影響。外部環(huán)境仿真機(jī)就是仿真運動平臺與目標(biāo)在整個仿真過程中所處的外部環(huán)境,包括海情、風(fēng)向和擾動等。

(5) 仿真調(diào)度管理器

仿真調(diào)度管理器是整個遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)的控制部分,根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)流程控制各個功能模塊的調(diào)用次序,控制內(nèi)存反射實時網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取、寫入并將每個仿真周期內(nèi)的仿真狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用于對整個仿真系統(tǒng)的評估。

4 遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

4.1 仿真實現(xiàn)

遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)是基于Visual C++6.0編譯環(huán)境開發(fā)的,使用C++面向?qū)ο笳Z言編寫。面向?qū)ο笳Z言將復(fù)雜的問題分解為多個能夠完成獨立功能的對象來研究,不僅模擬了現(xiàn)實世界中真實或抽象的對象,還模擬了對象之間的通信。面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)具有抽象性、封裝性、繼承性、多態(tài)性、動態(tài)聯(lián)編等特性,便于實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化模型,所開發(fā)軟件穩(wěn)定性好、可移植性強(qiáng),軟件與硬件相對獨立,易于實現(xiàn)并行仿真。遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)的仿真流程,如圖3所示。

4.2 人機(jī)交互界面

遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)采用VC++6.0創(chuàng)建人機(jī)交互界面,用于在仿真前對仿真系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置,以及在仿真過程中以圖像的形式實時反饋仿真進(jìn)程。采用這種方式可以動態(tài)的、實時的、準(zhǔn)確有效的反映出雷達(dá)在仿真過程中實時狀態(tài)。

(1) 參數(shù)輸入界面

遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)的參數(shù)輸入界面如圖4所示。在仿真前需要輸入的參數(shù)主要有以下幾方面:

圖3 仿真流程圖

a)飛行參數(shù);

b)雜波及干擾參數(shù)樣本;

c)目標(biāo)特性參數(shù)。

其中:代表噪聲、雜波、干擾和目標(biāo)特性的一維距離像樣本以讀取文件的形式讀入雷達(dá)仿真系統(tǒng),用于在目標(biāo)與環(huán)境模擬器中仿真回波數(shù)據(jù)。

(2) 仿真系統(tǒng)主界面

遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)的仿真主界面,如圖5所示,由七部分組成。

4.3 結(jié)果分析

通過遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)的仿真分析可以得出以下結(jié)論:雷達(dá)能夠按照預(yù)定設(shè)計邏輯,完成從開始搜索到監(jiān)測關(guān)注目標(biāo)的全部工作流程。信號處理器、伺服模擬器、目標(biāo)與環(huán)境模擬器、飛行控制計算機(jī)、外部環(huán)境仿真機(jī)和仿真調(diào)度管理器能夠通過內(nèi)存反射實時網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、協(xié)調(diào)工作。通過對雷達(dá)測角誤差和測距誤差的分析可知,遙測雷達(dá)能夠在穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)對目標(biāo)進(jìn)行精確定位,實現(xiàn)對目標(biāo)的監(jiān)測[3]。

圖4 輸入界面

圖5 遙測雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)的仿真主界面

5 結(jié)論

采用數(shù)字化仿真的方式對遙測雷達(dá)系統(tǒng)實現(xiàn)全功能仿真,脫離實物平臺通過反射內(nèi)存實時網(wǎng)聯(lián)接的計算機(jī)仿真系統(tǒng)對雷達(dá)的全部功能邏輯進(jìn)行驗證,模塊化的設(shè)計思路便于對系統(tǒng)進(jìn)行升級,最終實現(xiàn)對整個遙測系統(tǒng)的全閉合仿真,驗證了采用運動平臺遙測雷達(dá)監(jiān)測海上慢速目標(biāo)的技術(shù)可行性,對于現(xiàn)代的海洋開發(fā)、應(yīng)用提出了新的思路。

[1] 王海.基于單脈沖單通道的跟蹤數(shù)據(jù)處理[D].電子科技大學(xué),2006.

[2] 黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3] 張艷花,簪波,王鑒,等.單脈沖雷達(dá)主動測角與被動測角的建模與仿真[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2007,(3):338-341.