雷達(dá)軟模擬技術(shù)研究

劉尚富，謝永亮，王 英，曾海兵

(海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽蚌埠 233000）

雷達(dá)軟模擬技術(shù)研究

劉尚富，謝永亮，王 英，曾海兵

(海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽蚌埠 233000）

目前，計算機(jī)模擬雷達(dá)系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用和獨(dú)特的優(yōu)勢。本文針對各類雷達(dá)模擬器中軟件系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計進(jìn)行研究，提出軟件設(shè)計應(yīng)遵循的原則，并對總體方案設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。

雷達(dá)系統(tǒng)模擬;設(shè)計原則;總體方案;CUDA

0 引言

計算機(jī)模擬在工程設(shè)計和科研開發(fā)中擁有難以撼動的主導(dǎo)地位，雷達(dá)由于裝備復(fù)雜、造價高昂，計算機(jī)模擬雷達(dá)系統(tǒng)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以概括為“多快好省”［1］。多:能夠模擬不同體制雷達(dá)及不同型號，突破現(xiàn)實條件的限制;快:不需要實物模型制作，許多裝備的調(diào)試過程以年月計，而模擬則以天和小時計;好:細(xì)節(jié)方面可以得到充分模擬，誤差及系統(tǒng)干擾小，測量調(diào)試方便;省:省去建造和運(yùn)行裝置的成本，可多次改造和升級，且沒有環(huán)境影響和安全隱患。模擬器在學(xué)員培訓(xùn)、實況模擬、科研開發(fā)方面起著越來越重要的作用。

1 雷達(dá)軟模擬應(yīng)遵循的原則

在一項計算機(jī)軟件的生存周期中，一般分為6個階段:可行性與計劃研究階段、需求分析階段、設(shè)計階段、實現(xiàn)階段、測試階段、運(yùn)行與維護(hù)階段。雷達(dá)是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，為使軟件功能完備，健壯性、靈活性和可靠性得到保障［2－3］，其軟件設(shè)計遵循以下原則:

1）功能與原雷達(dá)裝備的操作、維護(hù)和管理訓(xùn)練為主，操作界面、功能響應(yīng)、故障現(xiàn)象等與實際雷達(dá)一致。

2）系統(tǒng)功能設(shè)計采用功能仿真與信號級仿真相結(jié)合，以功能仿真為主。

3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計思想，接口標(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊可以疊加，通過接口可以擴(kuò)展功能。

4）注重軟件的健壯性、高效性，允許誤操作。

5）在軟件實施過程中，建立完善的文檔資料，增強(qiáng)軟件的可讀性和維護(hù)性。

進(jìn)行雷達(dá)模擬器軟件設(shè)計時，還應(yīng)考慮和解決以下幾個問題:

1）數(shù)據(jù)實時產(chǎn)生與數(shù)據(jù)處理。雷達(dá)模擬器在正常工作中，需要實時生成大量信息，主要是雜波信息、目標(biāo)信息、信號幅度信息、誤差信息、雷達(dá)系統(tǒng)工作模式等各種狀態(tài)信息等，并對采集到的這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時處理，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時產(chǎn)生及數(shù)據(jù)的處理。

2）精度和實時性問題。雷達(dá)模擬系統(tǒng)要求達(dá)到較高的精度和很高的實時性。由于模擬器系統(tǒng)本身及其信號和環(huán)境的變化很復(fù)雜，需要實時生成大量的信息，且產(chǎn)生的信息要與實際基本一致，決定了模擬系統(tǒng)的實時性要求。

3）可移植性問題。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)、仿真技術(shù)和各種高新技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)的更新?lián)Q代也隨之加快。因此增強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性是模擬器設(shè)計的重要課題之一。

4）模塊化問題。合理設(shè)計各種功能模塊，各模塊在自身功能的實現(xiàn)上是封裝的，彼此之間通過接口協(xié)調(diào)工作，能提高代碼的重復(fù)利用率，便于調(diào)試和排錯，且易于擴(kuò)展。

2 雷達(dá)軟模擬總體方案設(shè)計

模擬器軟件系統(tǒng)可采用以操控面板單元為主線，以模塊響應(yīng)為主體，通過操控面板各按鍵、旋鈕、開關(guān)等的觸發(fā)產(chǎn)生模塊響應(yīng)，得到繪圖數(shù)據(jù)，在后備緩存中繪制好下一幅要顯示的圖像，實時地完成P顯視頻圖像的輸出。由此即可模擬出雷達(dá)的功能。

模擬器設(shè)計遵循模塊化設(shè)計，各模塊封裝自身功能并采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計接口，通過接口進(jìn)行彼此間的通信，完成各操作對應(yīng)的響應(yīng)，其設(shè)計框圖如圖1所示。雷達(dá)系統(tǒng)通?？梢苑纸獬捎噍x效果模塊、掃描線生成模塊、各雜波生成模塊、目標(biāo)生成模塊等，各模塊接收操控面板傳來的操作參數(shù)，實時生成各模塊的特征圖像信息，并在后臺進(jìn)行圖像信息融合，構(gòu)建成完整的雷達(dá)畫面。

此外，在視頻圖像顯示時，為了便于控制處理各類型的回波等，采用分層顯示技術(shù)，根據(jù)一般雷達(dá)的回波視頻特性，對圖像分以下3層來顯示:

第1類:掃描線、噪聲層。這2種圖像特性隨方位、距離的變化不明顯，在各種模式下變化非常緩慢，且對其進(jìn)行操作的按鍵少，具有余輝效應(yīng)，可作為視頻圖像的最底層。

圖1 模擬器軟件總體設(shè)計圖Fig.1 General design chart of simulator software

第2類:海雜波、氣象雜波、目標(biāo)等。此類回波具有余輝效應(yīng)，隨時空的變化比較大，對不同的海況、天氣、環(huán)境等有明顯的不同，且目標(biāo)出現(xiàn)的方位、距離隨機(jī)性很大，目標(biāo)類型也多樣化。為了便于雜波抑制，目標(biāo)錄取等操作響應(yīng)，此類作為視頻圖像的中間層，能及時響應(yīng)對應(yīng)的操作而不影響其他回波的顯示。

第3類:固定圖標(biāo)類。固定圖標(biāo)類主要包括光標(biāo)、動目標(biāo)船形符、固定目標(biāo)符、艦首線、登記卡等等。此類圖層主要為明亮的符號，在屏幕上沒有余輝效果，顯示穩(wěn)定，能迅速及時響應(yīng)對應(yīng)的操作。此類圖標(biāo)應(yīng)作為視頻圖像的最上層，具有優(yōu)先顯示權(quán)利。

視頻圖像分為3個圖像層顯示，能很方便地控制每個圖像層的變化，實時對控制按鍵的觸發(fā)進(jìn)行響應(yīng)，且對其他的圖像層沒有影響。另外，分層顯示能很大程度上提高軟件的繪圖效率，在圖像翻轉(zhuǎn)前有足夠的時間在后備緩存中繪制好各層的畫面，對于不需要改變的可以直接應(yīng)用前面的圖層，提高了軟件運(yùn)行的速度，克服了圖像的抖動現(xiàn)象。

圖像的分層顯示可以通過Direct3D組件為用戶提供的紋理對象來實現(xiàn)。Direct3D組件為用戶提供了Texture對象，Direct3D最多可以支持8層紋理，也就是說在一個物體的表面可以同時擁有1～8層不同的紋理貼圖［4－5］。Direct3D能夠在一個渲染過程中把這些紋理顏色依次混合，渲染到同一個物體的表面。

每幀雷達(dá)畫面的繪制順序如下:

1）操控面板輸入消息添加到消息隊列，各模塊依次響應(yīng);

2）用背景色對后臺表面進(jìn)行填充;

3）把掃描線、噪聲層紋理傳送到后臺表面上;

4）把海雜波、氣象雜波、目標(biāo)紋理傳送到后臺表面上;

5）把P顯固定圖標(biāo)類紋理傳送到后臺表面上;

6）繪制后臺表面，融合圖像數(shù)據(jù);

7）通過翻轉(zhuǎn)，把后臺表面變成前臺表面，使其上的圖像顯示出來。

根據(jù)總體方案的設(shè)計思路，模擬器軟件系統(tǒng)總體工作流程如圖2所示。

圖2 模擬器軟件系統(tǒng)總體工作流程Fig.2 General workflow of simulator software system

用戶通過操控面板進(jìn)行操作，操控參數(shù)存儲并傳送到相應(yīng)的模塊，各模塊接收到參數(shù)后實時處理并生成對應(yīng)的繪圖數(shù)據(jù)，各繪圖數(shù)據(jù)傳送到后臺表面上，后臺表面的畫面繪制完成后，通過翻轉(zhuǎn)，把后臺表面變成前臺表面，使圖像快速顯示出來，由此來模擬雷達(dá)的功能。

3 結(jié)語

在雷達(dá)模擬過程中，為了解決余輝巨大計算量的問題，可以采用CUDA的編程模式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CPU+DSP模擬余輝，在GPU中為每一個像素點(diǎn)創(chuàng)建一個線程獨(dú)立進(jìn)行亮度衰減處理。GPU特別適合并行數(shù)據(jù)運(yùn)算問題，同一個程序可操作許多并行數(shù)據(jù)元素，并具有高運(yùn)算密度 (算術(shù)運(yùn)算與內(nèi)存操作的比例），且在高密度運(yùn)算時，GPU訪問內(nèi)存的延遲可以被掩蓋［6］。

固定圖標(biāo)的實現(xiàn)采用預(yù)存位圖的方式，將每個圖標(biāo)的真實圖片通過處理后以位圖的形式存儲在資源中，然后將位圖載入Direct3D紋理資源，在后臺渲染通過翻轉(zhuǎn)表面顯示出真實度很高的圖標(biāo)［7］。與直接在程序中繪制圖標(biāo)相比，能克服2個缺點(diǎn):一是直接繪制的圖標(biāo)效果不一定完全與實裝上的圖標(biāo)一致;二是直接繪制帶來了復(fù)雜的計算量，給系統(tǒng)增加了包袱。

通過用CUDA與DirectX結(jié)合的編程方式，模擬的雷達(dá)畫面結(jié)果如圖3所示。

圖3 雷達(dá)模擬畫面Fig.3 Radar simulated display

合理地設(shè)計好雷達(dá)軟件系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)的資源利用率和軟件運(yùn)行的流暢性起著至關(guān)重要的作用，同時優(yōu)化構(gòu)建好關(guān)鍵模塊是模擬系統(tǒng)的高效性的基本保障。本文主要研究雷達(dá)軟模擬的構(gòu)建原則，并提出了合理的構(gòu)建方案，對各類模擬器的研發(fā)有著重要意義，同時也可以應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

［1］多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室多尺度離散模擬項目組.基于多GPU的多尺度離散模擬并行計算［M］.北京:科學(xué)出版社，2009:1－33.

［2］溫昱.軟件架構(gòu)設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:3－14.

［3］IAN S.軟件工程［M］.程成，陳霞，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:60－99.

［4］SHERROD.DirectX游戲開發(fā)終極指南［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:5－31.

［5］FRANK D L.DirectX 9.0 3D 游戲開發(fā)編程基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:1－21.

［6］謝永亮，湯曉迪，劉尚富，等.基于CUDA技術(shù)模擬雷達(dá)余輝的一種方法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30(8）:61 －63.

XIE Yong-liang，TANG Xiao-di，LIU Shang-fu，et al.Rodar persistence vision simulativemethod based on CUDA［J］.Technique and Method，2011，30(8）:61 －63.

［7］BRADLEY B，PETER D.Inside DirectDraw［M］.Microsoft Press，1998:2 －15.

Research on radar software-simulation technique

LIU Shang-fu，XIE Yong-liang，WANG Ying，ZENG Hai-bing
(Naval Petty Officer Academy，Bengbu 233000，China）

Nowadays，radar system simulated by computer is widely used and has its unique advantages.In this paper，software system for each radar simulator is studied，design principle is advanced，and general scheme of radar system software is introduced fully.

radar system simulation;design principle;general scheme;CUDA

TN95

A

1672－7649(2014）04－0117－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.024

2013－12－02;

2014－01－06

劉尚富(1980－），男，講師，從事艦艇雷達(dá)技術(shù)研究。