基于Qt的雷達模擬訓(xùn)練軟件研究及實現(xiàn)

周志增 王永海 顧榮軍 馮 保

(中國人民解放軍63889部隊 河南孟州 454750)

0 引言

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是進行裝備訓(xùn)練的重要輔助手段，能夠脫離實體裝備對新上崗人員進行基礎(chǔ)培訓(xùn)，以及對裝備保障人員進行相關(guān)科研試驗訓(xùn)練任務(wù)的針對性訓(xùn)練，解決實裝訓(xùn)練器件損耗大和費用高的問題，提高日常訓(xùn)練效率。避免了頻繁開機培訓(xùn)操作手造成裝備的大量無謂損耗，有效延長了雷達固態(tài)功率放大器的使用壽命。

本文結(jié)合以上需求，基于Qt軟件平臺開發(fā)了一套雷達訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練環(huán)境，實現(xiàn)雷達操作訓(xùn)練、試驗訓(xùn)練任務(wù)針對性訓(xùn)練、雷達組網(wǎng)一體化訓(xùn)練等功能。特別在干擾條件下，采用雷達干擾暴露區(qū)來模擬雷達受干擾后目標探測情況，解決了雷達受壓制干擾后目標點跡模擬不夠逼真的問題。

1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實現(xiàn)

整個模擬系統(tǒng)主要由計算機通過網(wǎng)絡(luò)搭建，輔以外圍串口設(shè)備組建而成。主要由狀態(tài)監(jiān)測計算機、P顯計算機、模式控制計算機以及主控計算機、交換機組成。其中，主控計算機自動響應(yīng)外部輸入請求，進行指令控制及數(shù)據(jù)下發(fā)，其他計算機可自行進行相關(guān)戰(zhàn)術(shù)操作。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了動態(tài)響應(yīng)外部請求、點跡模擬產(chǎn)生、雷達數(shù)據(jù)處理、支持戰(zhàn)術(shù)操作、實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)等功能。

模擬系統(tǒng)功能模塊共分為主控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、模式控制及參數(shù)顯示模塊、P顯、串口控制模塊、BIT顯示6個模塊組成，如圖1所示。主控模塊同時和其他模塊進行數(shù)據(jù)交互，從串口控制模塊讀寫串口數(shù)據(jù)，通過將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)再分發(fā)到其他模塊完成相應(yīng)動作。主控模塊給BIT顯示發(fā)送各分系統(tǒng)模擬狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)送模擬點跡、雜波以及干擾到PPI顯示和模式控制進行顯示，同時送給數(shù)據(jù)處理做航跡起始、關(guān)聯(lián)、濾波等處理。此外，主控響應(yīng)PPI顯示的戰(zhàn)術(shù)操作指令、模式控制的模式選擇、參數(shù)設(shè)置等操作指令。

圖1 軟件功能模塊

由于主控軟件處理的事務(wù)較多，為避免占用主線程資源太多，影響界面流暢性。主控軟件采用多線程進行開發(fā)處理[1]，主要包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)子線程、點跡模擬子線程、系統(tǒng)狀態(tài)模擬子線程、通道測試子線程、環(huán)境信號子線程、串口收發(fā)子線程以及干擾處理子線程等多個子線程，線程組成關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作線程組成

其中，主線程負責(zé)對子線程進行調(diào)度，響應(yīng)界面控件控制，顯示打印信息；網(wǎng)絡(luò)收發(fā)子線程負責(zé)接收、解析以及發(fā)送網(wǎng)絡(luò)TCP和UDP數(shù)據(jù)包；點跡模擬子線程產(chǎn)生各種工作模型下點跡數(shù)據(jù)，如三坐標、邊掃邊跟工作模式；狀態(tài)模擬子線程產(chǎn)生分系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，如接收機分系統(tǒng)、陣列組件通道；通道測試子線程產(chǎn)生通道測試數(shù)據(jù)，主要用來模擬檢測通道幅相一致性；環(huán)境信號子線程產(chǎn)生外部環(huán)境偵察數(shù)據(jù)以及發(fā)送伺服控制指令控制伺服轉(zhuǎn)動；串口收發(fā)子線程負責(zé)收發(fā)、解析串口數(shù)據(jù)，完成外圍設(shè)備對主控的控制；干擾處理子線程完成對外部干擾信息的解析，根據(jù)解析結(jié)果模擬假目標干擾和噪聲壓制干擾。

2 干擾處理子線程設(shè)計

2.1 干擾分析

對于常見雷達干擾來說，干擾主要分為噪聲壓制和欺騙干擾[2]。噪聲壓制主要采用噪聲信號來抬高雷達噪底，從而降低雷達檢測信噪比，達到雷達無法有效探測到目標的目的。而欺騙干擾則通過轉(zhuǎn)發(fā)大量與真實目標相似的假目標，進入雷達信號處理，形成大量虛假點跡，起到以假亂真的效果，以至于操作手難以快速捕捉到真實目標。

1)噪聲壓制干擾

壓制干擾分析主要基于雷達距離方程和干擾燒穿距離方程[3-4]。雷達接收到的干擾機功率為

(1)

當(dāng)目標通過距離窗時，假設(shè)天線此時為最大增益。有G=G(θ=0)=Gmax，則回波功率為

(2)

其中，PJ、GJ分別為干擾機的發(fā)射功率和增益；RJ為干擾機到雷達的距離；G(θ)為干擾機與雷達主波束夾角為θ時雷達的增益。Pt、Gt分別為雷達發(fā)射功率和主瓣增益；λ為波長；σ為目標的雷達截面積；Rt為目標到雷達的距離；Gp為雷達相關(guān)處理增益。

對于寬帶干擾，干擾機帶寬大于雷達接收帶寬。因此，雷達接收到的干擾機功率修改為

(3)

同時考慮雷達接收機和天線產(chǎn)生的熱噪聲N0=kTsBn，其中：Ts=TA+Te為系統(tǒng)噪聲溫度；TA為天線噪聲溫度；Te是接收機有效噪聲溫度。

綜上所述，當(dāng)同時有多點干擾源工作時，可得雷達信號干擾噪聲比SJNR(Signal-to-Jammer-plus- Noise)為

(4)

代入方程SJNR=1/Kj，(Kj為干擾雷達所需的壓制系數(shù))，可以求得雷達最大探測距離。

在下面的仿真中，假設(shè)干擾機數(shù)量為1，其他參數(shù)見表1所列參量，仿真得到的暴露區(qū)結(jié)果如圖3所示。雷達最大探測距離334km，暴露區(qū)最小距離為18.6km。也就是，雷達能夠發(fā)現(xiàn)干擾機的最大距離為18.6km。

表1 仿真參數(shù)

圖3 雷達暴露區(qū)

2)欺騙干擾

欺騙干擾主要是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾[5]，根據(jù)假目標的位置可以分為滯后干擾和超前干擾兩種；根據(jù)假目標的個數(shù)可以分為假目標欺騙和假目標壓制；根據(jù)采樣方式的不同，可以分為全脈寬采樣和部分脈寬采樣以及間歇采樣；根據(jù)欺騙的特點不同，又可以分為距離欺騙、速度欺騙和角度欺騙三種。欺騙干擾的特征參數(shù)主要有假目標個數(shù)、假目標間隔、假目標首延時、多普勒調(diào)制、距離波門拖引、速度波門拖引等等。

在本模擬系統(tǒng)中，對欺騙干擾進行了簡化，主要對假目標的位置、假目標個數(shù)、假目標間隔、以及假目標首延時在現(xiàn)象級層面進行了模擬。

2.2 干擾設(shè)計

1)實現(xiàn)流程

在干擾處理子線程中，具體實現(xiàn)流程如圖4所示。首先，解析外部的干擾數(shù)據(jù)包，根據(jù)輸入判斷干擾類型。如果是噪聲壓制干擾，根據(jù)干擾機干擾參數(shù)，如功率、帶寬、距離計算雷達暴露區(qū)，依據(jù)暴露區(qū)對點跡進行過濾。同時，根據(jù)頻點判斷干擾是否能進入雷達接收機工作頻段以內(nèi)；根據(jù)雷達法線和干擾夾角計算干擾能量。如果是壓制干擾，根據(jù)干擾參數(shù)，如干擾延時、假目標個數(shù)、假目標間隔等等產(chǎn)生干擾點跡。最后，點跡輸出到數(shù)據(jù)處理進行航跡處理。

圖4 干擾效果模擬實現(xiàn)流程圖

2)實現(xiàn)具體考慮

在干擾暴露區(qū)計算中，應(yīng)考慮具體目標的RCS值和位置信息。不同的RCS起伏值和距離，決定了雷達是否能發(fā)現(xiàn)該目標。所以，在暴露區(qū)計算中，首先根據(jù)干擾機相關(guān)參數(shù)得到干擾機的暴露區(qū)，再根據(jù)其他目標的RCS和距離進行折算，最后根據(jù)門限值判定該目標是否落在探測區(qū)內(nèi)。

在雷達暴露區(qū)計算中，關(guān)鍵是計算出目標的信噪比。從計算公式(5)可以看出，信噪比與目標RCS成正比，與距離的4次方成反比。通過推算，目標的信噪比與干擾暴露區(qū)的最小信噪比、目標RCS和干擾機RCS比值、干擾機距離與目標距離比值的4次方成正比。依此為依據(jù)，分別計算每個目標的信噪比。

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，SNRjam為計算干擾機暴露區(qū)的最小信噪比，σj為干擾機RCS值，Rj為干擾機距離，SNRt為目標信噪比，σj為目標RCS值，Rt為目標距離?？梢姡S著干擾機距離發(fā)生變化，雷達對目標的發(fā)現(xiàn)能力也在不斷發(fā)生變化。

在軟件實現(xiàn)中，分別通過JammingHead、NoiseJam和DeceptionJam三個結(jié)構(gòu)體保存干擾報文信息、噪聲干擾信息以及欺騙干擾信息。其中，JammingHead主要包括報文頭、干擾機個數(shù)、干擾類型；NoiseJam包括干擾頻段、干擾帶寬、干擾功率以及干擾增益；DeceptionJam包括假目標數(shù)量、假目標間距、假目標類型、假目標時延。

3 實現(xiàn)效果

軟件采用Qt設(shè)計[6]，干擾暴露區(qū)顯示界面如圖5所示。左上為雷達方向圖，左下為實時雷達暴露區(qū)。右上為解析出的雷達和干擾機參數(shù)，右下為雷達底噪、干擾噪聲強度以及目標回波強度。從圖5中可以看出，壓制區(qū)位于31°～49°雷達扇區(qū)中，兩側(cè)探測距離由于受雷達副瓣影響呈現(xiàn)振蕩的趨勢。

圖5 雷達暴露區(qū)顯示界面

圖6～圖8為雷達P顯示截圖。其中，圖6為未實施干擾前的點跡分布圖。從圖6中可以看出，雷達探測方位范圍為21°～61°，點跡統(tǒng)計個數(shù)為115個。圖7為受到噪聲壓制干擾之后的點跡分布，點跡統(tǒng)計個數(shù)為97個，點跡減少的原因是位于暴露區(qū)之外的目標都被有效過濾掉，線段表示干擾壓制區(qū)域。圖8為雷達收到欺騙干擾之后的P顯畫面，點跡個數(shù)為160個，假目標間隔為15km。從以上模擬結(jié)果來看，實現(xiàn)效果與實際設(shè)備受到干擾的情形一致。

圖6 未受干擾時雷達點跡分布

圖7 受干擾時雷達點跡分布

圖8 全量程欺騙干擾

4 結(jié)束語

本文基于Qt軟件平臺加外圍硬件的方法實現(xiàn)了一套模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)能逼真模擬某型雷達的狀態(tài)顯示、目標點跡生成、數(shù)據(jù)處理、以及建航、刪批等多種戰(zhàn)術(shù)動作，可用于快速提高雷達操作手對雷達的應(yīng)用能力。特別是針對干擾條件下的目標顯示問題，系統(tǒng)可動態(tài)計算雷達干擾暴露區(qū)，準確過濾壓制目標，結(jié)果更能符合理論和實際情況。