雷达系统仿真

2024-05-24

雷达系统仿真（通用8篇）

雷达系统仿真篇1

机载雷达对抗仿真系统,主要仿真典型机载雷达对低空高速运动目标的探测过程以及低空高速目标对机载雷达实施有源干扰条件下机载雷达的性能变化。文中主要以F-16C/D的AN/APG68为仿真对象,低空高速目标主要以巡航导弹为仿真对象,雷达对抗系统的载体为巡航导弹或导弹外拖曳式干扰机。仿真系统模仿上述系统的电子对抗过程,通过系统仿真试验,评估巡航导弹的突防策略,指导外场试验方案设计。仿真基于WindowXP系统,使用VS2005 SP1编程,程序具有可扩展性。

1 仿真内容及模型

1.1 仿真内容

仿真内容包括以下两个方面:

(1)机载雷达系统仿真。仿真机载雷达主要功能,能够完成杂波背景下对低空高速目标的检测。雷达系统仿真的模式总体上分为空中探测模式和地面目标探测模式。

1)空中探测模式。

Range while Search (RWS)(边搜索边测距);

Track While Scan (TWS)(边跟踪边扫描);

Velocity Search (VS)(速度搜索);

Air Combat Manoeuvring (ACM)(空中格斗);

Situation Awareness Mode (SAM)(态势感知);

Single Target Track (STT)(单目标跟踪)。

2)地面目标探测模式包括。

Ground Mapping (GM)(地面测绘);

Ground Moving Target (GMT)(地面动目标)[1]。

(2)弹载有源干扰仿真。仿真单个弹载有源干扰机对机载雷达的干扰,包括压制性干扰和欺骗性干扰;压制干扰主要是多假目标压制干扰,欺骗干扰主要是距离欺骗干扰和速度欺骗干扰及距离速度同步欺骗干扰。主要包括随机距离假目标、随机速度假目标、随机距离速度假目标、距离假目标、速度假目标、距离速度联合假目标、距离拖引、速度拖引和距离速度联合拖引。

1.2 雷达系统模型

总体机载雷达仿真模型较为复杂,但可以建立一个基本的、可扩充的模型。现针对一个雷达的回波处理过程如图1所示。

1.2.1 回波信号建模

回波信号建模包括载机和目标信息的读取和回波信号的生成。仿真载机和目标的信息采用读取相应文档得到。首先通过读取文档得到载机和目标的基本位姿信息,根据当前仿真总体时间对载机个目标的航迹进行线性插值,得到较精确的位姿信息,然后计算得到载机和目标之间的相对距离、速度、方位和俯仰等信息。

雷达发射脉冲主要是线性调频,设雷达发射信号为

s(t)=Arect $(\frac{t}{τ}) \exp (2 π (f_{0} t + \frac{Κ t^{2}}{2}))$ (1)

式中,A为幅度;τ为脉冲宽度;f0为载频;K=B/τ为频率变化率;B为带宽;rect $(\frac{t}{τ})$ 为矩形函数,其表达式为

rect

$(\frac{t}{τ}) = {\begin{cases} 1, 0 \leq \frac{t}{τ} \leq 1 \\ 0, 其他 \end{cases}$

(2)

对于机载脉冲多普勒雷达,接收到的目标回波信号可以写为

s(t)=Arect $(\frac{t - t_{d}}{τ}) \exp (2 π f_{0} (t - t_{d}) + π Κ (t - t_{d})^{2})$ (3)

式中,td为延迟时间, $t_{d} = \frac{2 R (t)}{C} = \frac{2 (R_{0} - V_{r} t)}{C}$ ;R0为目标与雷达的初始距离;Vr为目标与雷达的径向速度,接近时为正;C为光速。那么回波信号与发射信号相位相差 $φ = - 2 π \frac{2}{λ} (R_{0} - V_{r} t) - 2 π Κ t_{d} + π t_{d}^{2}, φ$ 引起的频率差为 $f_{d} = \frac{1}{2 π} \cdot \frac{d φ}{d t}, f_{d}$ 为多普勒频移。

零中频正交双通道同相输出信号为

I(t)=Arect $(\frac{t - t_{d}}{τ}) \cos (2 π f_{d} t + π Κ t^{'}^{2})$ (4)

正交输出信号为

Q(t)=Arect $(\frac{t - t_{d}}{τ}) \sin (2 π f_{d} t + π Κ t^{'}^{2})$ (5)

其中,每个脉冲开始时t′=0。

1.2.2 信号处理及检测

得到的信号包含了噪声,对地模式还包含杂波等,这些对于信号检测不利,所以需要进行一系列的信号处理。

首先进行的是脉冲压缩。脉冲压缩就是在发射的宽脉冲内采用附加的频率或相位调制,以增加信号的时宽带宽积,这样,就将宽脉冲压缩到1/B宽度,从而可以在不损失雷达威力的前提下提高雷达的距离分辨力。脉冲压缩有两种方式,分别为时域相关法和频域法。两种方式本质上是一致的。在脉压D=Bτ比较大时,频域法的运算量远小于时域相关法[2],针对本系统,仿真采用频域FFT法[2]。

杂波对消是根据杂波的特性,去除杂波。进行杂波对消时采用将2倍的杂波数组的实部与虚部,分别和与其前后相邻的数组的实部与虚部之和进行相减。

1.2.3 数据处理

当检测到导弹目标后,经过确认转入跟踪,获取精确的弹头距离及角度信息。角度信息由和差支路获取。距离信息可采用数字内插法从波门面积中心获取。

可利用雷达目标的径向速度、位置等弹道信息、信号特征等,减少数据关联的模糊性,提高跟踪性能;加速初始化进程,提高目标参数的估计精度,减少点迹—航迹关联的模糊。

数据处理过程为:首先根据第一次的目标信息,按最大的速度进行预测此目标的下一个落足点,根据最大加速度预测误差量,形成一个误差圆环。第二次目标来临时,假定有目标落入此环内的话,那么关联成功,可以形成暂存航迹,根据两个点得到目标速度,再预测下一个点的落足点,假如下一次有点落入预测环内,就可以形成稳定航迹。若没有,发送确认报告,再次确认是否有目标,无则发送失踪报告,确认航迹终止[3]。

1.3 干扰模型

如上所述,仿真主要仿真欺骗干扰。总地来说干扰分为距离干扰和速度干扰。都是针对干扰机接收到的信号进行处理后再发射给载机雷达,从而达到干扰的目的。

1.3.1 距离干扰距离欺骗干扰

Rf≠R,αf≈α,βf≈β,fdf≈fd,Sf>S (6)

其中,Rf,αf,βf,fdf,Sf分别为假目标Tf在V中的距离、方位、仰角、多普勒频率和功率。距离欺骗干扰是指假目标的距离不同于真目标,能量往往强于真目标,而其余参数近似等于真目标。

对脉冲雷达距离信息的欺骗主要通过对收到的雷达照射信号进行时延调制和放大转发来实现,主要采用假目标干扰和距离波门拖引干扰[4]。

设Rf为假目标的所在距离,则雷达接收机内干扰脉冲包络相对于雷达定时脉冲的时延为tf=2Rf/C,当其满足 $| R_{f} - R | ＞ δ R$ 时,便形成距离假目标。

假目标的迟延时间tf=tf0+Δtf,tf0=2Rj/C。tf0是由雷达与干扰机之间距离Rj所引起的电波传播时延;Δtf则是干扰机收到雷达信号后的转发时延。一般情况下Rj是未知的,所以tf0是未知的,主要控制Δtf。

假目标的迟延时间是tf=tf0+Δtf,

$Δ t_{f} (t) = {\begin{cases} 0, 0 \leq t ＜ t_{1}, 停拖期 \\ 2 v (t - t_{1}) / c 或 2 a (t - t_{1})^{2} / c, t_{1} \leq t ＜ t_{2}, 拖引期 \\ 干扰关闭, t_{2} \leq t ＜ Τ_{j}, 关闭期 \end{cases}$

(7)

式中,v为匀速拖引时的速度;a为匀加速拖引时的加速度。

1.3.2 速度干扰

满足对速度欺骗干扰参数的要求是

fdf≠fd,Rf≈R,αf≈α,βf≈β,Sf>S (8)

其中,fdf,Rf,αf,βf,Sf分别为假目标Tf在v中的多普勒频率、距离、方位、仰角和功率。速度欺骗干扰是指假目标的多普勒频率不同于真目标,能量强于真目标,而其余参数近似等于真目标。

速度波门拖引干扰的基本原理是:首先转发与目标回波具有相同多普勒频率fd的干扰信号[4]。然后使干扰信号的多普勒频率fdj逐渐与目标回波的多普勒频率fd分离,fdj的变化过程

$f_{d_{j}} (t) = {\begin{cases} f_{d}, 0 \leq t ＜ t_{1} \\ f_{d} + v_{f} (t - t_{1}), t_{1} \leq t ＜ t_{2} \\ 干扰关闭, t_{2} \leq t ＜ Τ_{j} \end{cases}$

(9)

其中,vf是拖引的分离速度;并且它不能大于雷达可跟踪目标的最大加速度vf≤2a/λ;a是雷达可跟踪目标的最大加速度;vf的正负取决于拖引的方向。

当0≤t<t1时,干扰信号多普勒频率是信号的多普勒频率。

当t1≤t<t2时,干扰信号多普勒频率是式(9)所示。

当t2≤t<Tj时,干扰机将会关闭。雷达跟踪的信号将会消失,且消失时间大于速度跟踪电路的等待时间和AGC电路的恢复时间,速度跟踪电路将重新转入搜索状态。

由于干扰能量大于目标回波能量,将使雷达的速度跟踪电路跟踪在干扰的多普勒频率上,造成速度欺骗,此时间长度按照最大频差δfmax计算。

t2-t1=δfmax/vf (10)

2 仿真流程

系统采用单机仿真。首先设置雷达参数、载机及目标航迹、干扰、导弹RCS、雷达天线图、杂波等参数,然后开始仿真。具体的仿真流程图如图4所示。

3 计算机仿真

雷达的主要指标有:工作频率:9.7～9.9 GHz;作用距离:150 km;扫描范围:方位±60°,仰角±60°;方位扫描:10°,25°,30°,60°;重复频率:HPRF,MPRF,LPRF;脉冲宽度:0.81～4 μs;波束宽度:笔形波束,方位3°,仰角4°;峰值功率:21.5 kW;处理机:信息存储100万个数据,处理速度14万次/s,可编程处理机3 400万次/s,波束锐化:DBS1 8:1,DBS2 64:1。干扰机参数:干扰机峰值功率:200 W;干扰机天线增益:10 dB;水平、垂直波束宽度:60°,瞬时带宽2～5 BW。

图5为仿真程序的主界面。

P显中会显示比较直观的目标信息,A显显示相对应的处理后的目标回波信息。A显上面的信息栏显示当前探测到的目标的所有信息。无目标则信息全部显示零。

若所选模式需要进行数据处理,则点击“视图”可以显示目标的暂存航迹和稳定航迹。

4 结束语

进行了F16机载雷达对抗系统的仿真。整个模型分为雷达系统模型和干扰模型。雷达系统模型研究了回波信号的产生、信号的检测方法以及对已经检测到的目标如何进行航迹处理。干扰模型研究了距离干扰和速度干扰。最后给出了仿真流程并进行了仿真。试验表明,系统可以很好地为机载雷达对抗系统提供方案论证和性能评估。

参考文献

[1]STEPHEN H.F4_AN-APG-68-v5Operations[M].Guide,Newyork:Chapman Hall CRC,2001.

[2]贺知明,黄巍,向敬成.数字脉压时域与频域处理方法的对比研究[J].电子科技大学学报,2002(4):120-124.

[3]徐玉芬.现代雷达信号处理的数字脉冲压缩方法[J].现代雷达,2007(7):61-64.

[4]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[5]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[6]孙国基.计算机仿真技术[M].北京:国防工业出版社,1979.

雷达系统仿真篇2

在对地面目标检测技术研究的.基础上,提出了以STAGE为开发平台,建立机载雷达地面目标检测的软件仿真系统辅助机载雷达调试的方法,实现了机载雷达对地面慢动目标检测的软件仿真;详细描述了系统仿真模型的建立和在STAGE中具体实现;分析了系统的性能,并给出了仿真结果.

作者：符伟夏传浩吴关 FU Wei XIA Chuan-hao WU Guan 作者单位：符伟,FU Wei(合肥工业大学,计算机与信息学院,安徽,合肥,230009)

夏传浩,XIA Chuan-hao(合肥工业大学,计算机与信息学院,安徽,合肥,230009;中国电子科技集团公司第38研究所,安徽,合肥,230031)

吴关,WU Guan(中国电子科技集团公司第38研究所,安徽,合肥,230031)

雷达建模与仿真系统设计与实现篇3

随着信息技术的发展, 雷达、制导导航、数字通信、电子对抗、图像处理等领域普遍存在着大数据量、强实时性、高速度的数据处理工作, 这对数字信号处理系统的数据处理能力、实时性、体积、功耗和稳定性等都提出了越来越高的要求。近年来, 数字信号处理软件开发环境有了迅速发展。但是随着项目规模的急剧扩大, 基于数字信号处理设备上的大量程序需要手工编写, 不仅程序复用性极差, 而且不同程序员的编写习惯不同, 导致大型项目难以维护;其次, 由于数字信号处理设备的硬件局限性, 通用的软件调试器在很多方面不能满足特定的应用需要, 而且测试成本过于高昂。

为解决以上问题, 数字信号的模型化应运而生, 其将数字信号按照功能、层次等用描述文件存储, 一般描述文件是字符流形式的XML文件。数字处理系统就是以这些模型库为输入, 可以用高级语言编写的软件。另外, 代码自动生成技术的出现, 使得基于模型驱动的开发方法真正在软件开发领域得到应用。代码自动生成技术降低了软件开发维护成本, 提高了开发效率, 减小了需求变更对系统的影响以及延长了系统的生命周期。

对于大型系统, 目前的设计方法往往是, 事先在仿真系统上进行算法仿真得到正确的算法, 然后根据算法模型在处理器平台上编写并调试相应程序。如果能把算法仿真和编写调试代码集成到一个开发环境中, 使算法仿真和编写调试代码一步完成, 则可以大大缩减系统开发周期, 节约大量人力成本。

雷达系统仿真是在计算机上模拟, 再现真实雷达系统在不同场景中的工作机理和过程, 从而求解、验证和评估真实雷达系统特性、效能等的一套方法。通常, 在系统仿真设计及开发过程中, 采用模块化方法对雷达整个系统进行功能拆解和归并, 以确定系统功能模块 (即组件) , 建立具有一定抽象度的软件仿真系统模型, 从而降低系统设计的复杂性。

1 雷达建模与仿真系统

雷达建模与仿真系统平台主要包括以下功能模块:

(1) 图形化建模功能模块:用户可通过该模块自主建立所需模型。

(2) 子系统管理功能模块:用户可通过该模块自主建立由原子模型组成的可复用模型, 方便模型的再次调用和管理。

(3) 模型库管理功能模块:用户可通过该模块在模型库中添加、删除、修改原子模型。

(4) 模型代码生成功能模块:用户可通过该模块对已创建好的模型系统进行相应的工程代码的自动生成, 减少用户不必要的重复性工作。

2 图形化建模

系统采用面向对象的组件建模方法, 进行标准化的建模, 使建模系统过程与真实的系统操作具有非常好的相似性, 方便快捷, 自动化程度高。标准化建模系统良好的通用性和简单的可操作性, 为使用者提供了足够的扩展空间。系统支持将模型组件加入图形化建模工具, 便于图形化交互, 实现模型组件的可重用性、可扩展性。

雷达建模与仿真系统图形化建模的主要特点:面向对象的模块化建模方法;规范化、标准化建模方法;灵活的扩展能力;良好的继承性。

建模模块是在封装的基础上实现了模型的抽象化。用户在不需要知道模型的具体操作, 只需依靠模型提供的接口和信息, 建立数字系统模型, 在这个过程中用户也不需要知道整个系统的数据流动, 只需按照自己的需求连接结构模型, 就能得到多个模型的仿真结果。

系统建模设计思路如图1所示。

3 子系统管理

完整的子系统创建过程主要分为4个阶段 (如图2所示) :子系统模型搭建过程、子系统完整性检查、子系统代码生成、子系统封装到模型库。

4 模型库管理

模型库管理功能是组件化建模与图形化建模的链接部分, 为图形化建模提供支持。标准化组件建模后生成的标准化模型统一加入到模型库管理界面进行统一管理。模型库采用树型目录管理, 支持模型组件的查询、增加、修改和删除, 模型属性、输入输出接口分组排列, 命名均采用英文, 并有相应的数据类型、单位的说明。

模型库管理主要分为两大模块:模型的管理与模型的封装。模型管理功能包括:

(1) 新建模型:除了给定的模型类库之外, 用户可以根据自己的需求创建新的模型, 参数、接口信息以及类的基本信息都可以完全由用户自定义。

(2) 模型的编辑:当用户需要对某模型的信息进行修改时, 可以使用编辑功能。

(3) 模型的删除:当确定不需要该模型, 则可对其进行删除等操作。

模型封装功能包括:

(1) 模型的代码生成:确定模型信息后, 可以生成单个模型的代码, 对应生成cpp、h文件。

(2) 模型的编译:代码生成完成后可对其进行编译, 若成功, 系统会给出对应的提示信息, 并会生成dll文件。

(3) 添加到模型库中:当所选模型编译成功后, 生成相应的dll文件, 此时即可将该模型添加到模型库中。

5 模型代码生成

模型代码生成是对已建立的模型自动生成代码, 包括单个模型的代码生成、系统模型的代码生成。在图形化建模成功的基础上, 用户选择代码生成, 系统就会自动将生成的代码保存在对应的目录下, 同时将系统编译和运行需要的其他头文件、LIB文件、DLL文件保存到该目录下。

单个模型的代码生成是代码生成模块的关键部分之一, 只有单个模型的代码生成、编译并连接生成动态链接文件之后, 才能实现系统模型的代码生成。单个模型是被抽象成一个单独的类来实现的, 所有的模型代码生成要有一定的格式, 方便以后的编译。代码生成的设计要求:在进行代码生成时, 对于同一模型, 调用的接口、传递的参数、生成的代码都要一致, 同一模型不允许生成不同的代码;代码生成过程中, 用户除了能在模版中直接使用建模模块外, 还要能手动添加代码, 以达到理想的代码生成效果。

系统模型的代码生成过程是在单个模型代码基础上对各模型进行检测, 包括模型的重命名检查、模型连接判断、模型连接完整性判断等, 然后根据拓扑排序算法对建模模型进行排序, 最终对已经完成拓扑排序的模型进行代码生成。模性检测存在于建模以及模型排序的所有过程。

和手工书写代码相比, 自动代码生成有以下优点:

(1) 为代码质量的一致性提供了保证:代码的质量往往依赖于代码生成的模板、文件以及模型;而传统手工采用的拷贝粘贴的方法对前后代码质量的一致性带来了隐患。

(2) 提高了代码复用的能力:在要求大量更改、替换代码的情况下, 只需对模板进行更改并且重新运行代码生成器即可。

(3) 提高了修复软件Bug的能力:只需要修复模板的Bug然后重新运行生成器就可以修复所有生成文件的Bug。

(4) 大幅提高了工作效率:运用代码生成技术可以节省时间, 提高软件的开发效率。

自动代码生成的缺点:自动代码生成器不是通用的, 必须先为不同的环境实现特定的生成器;代码生成器的准确率并不能达到100%, 还有一些代码需要手动修改;数据库代码必须设计正确、规范, 生成器有时不能很好地处理有奇特设计的数据。

摘要：介绍雷达建模与仿真系统设计与实现, 重点分析其模块功能。

关键词：建模与仿真,模型驱动开发技术,代码生成技术,图形化建模

参考文献

[1]盛森芝, 强明.数字信号处理技术发展概要[J].数据采集与处理, 1996, 1 (2) :100-114

[2]凌华徳.基于MDA的代码自动生成技术的研究与实现[D].上海:华东师范大学, 2006

[3]Frederick P.Brooks Jr.人月神话[M].北京:中国电力出版社, 2002

[4]B.Hailpern, P.Tarr.Model-Driven Development:the Good, the Bad, and the Ugly[J].IBM Systems Journal, 2006, 48 (3) :451-461

雷达系统仿真篇4

机载雷达是现代作战飞机的主要传感器之一,是完成超视距攻击的主要探测设备。飞行员对机载雷达操作的准确性与熟练程度,影响其对战场态势的判断,与作战结果直接相关。由于受各种条件和训练成本的制约,飞行员不可能在空中进行大量的实装操作训练,随着计算机仿真技术、电子技术、网络通信技术的发展,走装备模拟仿真,使用模拟器训练是解决部队训练、院校教学的一条有效途径。

机载雷达仿真系统作为某型飞机飞行模拟器的重要任务子系统,其逻辑关系与操作设置应与实际相一致,逼真度也应尽量接近真实状态,通过对雷达使用特点、项目需求和现代仿真技术等因素综合分析基础上,决定采用OpenGL技术实现机载雷达的仿真。本文给出了一种在Windows平台上采用Visual C++6.0开发基于OpenGL的机载雷达仿真系统的方法。

2 OpenGL简介

OpenGL是一个工业标准的三维计算机图形软件接口,是美国高级图形和高性能计算机系统公司(SGL)开发的三维图形库。它独立于窗口系统和操作系统,以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植;OpenGL可以与Visual C++紧密接口,便于实现有关计算和图形算法,可保证算法的正确性和可靠性;OpenGL使用简便,效率高。它具有建模、变换、颜色模式设置、光照与材质设置、双缓存动画以及更先进的能力,如纹理映射、物体运动模糊等功能。OpenGL是实现逼真的三维渲染效果,建立交互的三维景观的优秀软件工具。

3 机载雷达仿真系统结构

本文所讨论的机载雷达仿真系统属于某型飞机飞行模拟训练器的一个子系统,因此信息要在不同计算机之间传递,根据主控计算机送来的战场环境和载机参数完成雷达模型建立和信号处理仿真,机载雷达与火控系统有数据交联,雷达信号采集计算机通过信号采集卡采集各元器件的开关量和模拟量,产生各种控制信号,通过雷达显示计算机来控制雷达的状态。系统采用的是基于TCP/IP协议的Winsock接口应用程序来进行网络通信的,Winsock接口是Windows下得到广泛应用的、开放的、支持多种协议的网络编程接口,非常适用于分布式处理的网络通信。

4 雷达显示仿真

雷达显示器有多种类型,该雷达仿真系统采用的是平面位置显示器,平面位置显示器是一种以极坐标形式显示目标距离和方位的显示器。它能把雷达周围的目标以亮点或亮弧的形式显示在荧光屏上。应用OpenGL纹理映射技术可以较好的实现平面位置显示器的仿真效果。

4.1 OpenGL纹理映射技术

利用OpenGL纹理映射技术可以以很低的代价生成复杂的视觉效果,实现逼真度和运行速度的平衡。纹理映射是将一个一维、二维、三维的图像映射到几何物体上的过程,可以仿真自然界的材质,减少几何复杂度,增加反射效果模拟。

纹理映射通常分三步:

1)设置纹理。首先读入或者生成图像,将图像赋到某个纹理上,然后打开纹理映射功能。即在程序中调用glTexImage2D函数。

2)将纹理坐标赋到顶点上。纹理映射区域通常是平面或曲面,计算任意空间曲面与纹理域的对应关系本质上是一个参数化的过程。在绘制纹理映射场景时,不仅要给出每个顶点定义的几何坐标,同时还要定义纹理坐标。经过多次变换后,几何坐标决定顶点在屏幕上的绘制位置,纹理坐标决定纹理图像中的哪一个元素赋予该顶点。

3)设置纹理参数。Wrapping(重复pattern的方式),filtering(纹理采样的滤波方式)。

4.2 雷达显示余辉效果的实现

平面位置显示器的核心部件是示波管,当电子停止轰击示波管的荧光屏后,亮点不能立即消失而要保留一段时间(称为余辉)。亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫做余辉时间。余辉的仿真需要借助数学模型。

一般地,荧光亮度一次指数衰减曲线方程可用I=I0e-t/k来表示,其中,I为余辉亮度,I0为涂层亮度,k为时间衰减常数,t为衰减时间。对于特定的荧光物质,I0和k均为常数。I0越大,荧光衰减曲线越平坦;k越大则余辉时间越长。

为了实现余辉显示效果,将平面位置显示器分为360等份,由于每个扇形占的圆心角很小,可以认为平面位置显示器由360个等腰三角形组成。利用定时器控制扫描线进行360度旋转,扫描线每旋转1度按一次指数衰减曲线方程来设置等腰三角形的填充颜色。从而就逼真地显示出雷达余辉效果。

4.3 地杂波显示的实现

DEM数据是区域地形的数字表示,由一系列地面点的(x,y)位置及其相联系的高程z按一定的结构组织在一起,表示实际地形的空间分布特征。DEM数据的形成多是在Arc/Info、ArcView等专业GIS软件中由离散的数据点或等高线直接生成的。

为了调用DEM数据,首先将DEM数据转换成ASCII文件,由VC++6.0直接从ASCII文件中读取。然后对DEM数据进行着色处理,论文采用按照高度值着色处理的方法,对不同的高度赋予不同的颜色,为了简单渲染过程,对最高点着白色,最低点着黑色。然后采用OpenGL纹理映射技术把处理过的高程数据映射到各个天线扫描角度上。DEM数据经处理和着色后的地杂波效果如图2所示。

4.3 雷达目标仿真的实现

在极坐标系中,任一点目标,可用距离、方位角(目标相对于飞机纵轴的顺时针角度)、俯仰角三个参数来确定。当扫描线扫过目标时,由于物体的位置较先前已经发生变化,因此在OpenGL中进行显示时,点迹位置要进行相应的刷新即可。

对地面固定大型目标在雷达画面上显示,由于载机坐标与固定目标的坐标都可以由主控计算机获得,其在雷达画面的动态更新显示通过OpenGL坐标变换容易设置,此处就不详细论述。

对于运动目标,假设雷达的当前量程为Dmax。已知载机与目标的距离D和方位θ,目标是以一定的空速μ和航向ξ运动。

1)目标在屏幕上显示位置

根据以下公式x=D/Dmax*cos(π/2-θ)和y=D/Dmax*sin(π/2-θ)可以求出目标在屏幕上的显示位置,动态设置雷达的量程Dmax来改变目标的显示位置。

载机与目标运动相对位置变化后,下一时刻在屏幕上的显示位置(x1,y1)和当前位置(x0,y0)的关系可以用x1=x0+μ*ΔtS*cos(π/2-ξ)和y1=y0+μ*ΔtS*sin(π/2-ξ)来表示。其中,ΔtS雷达的扫描周期;角度经过了雷达扫描坐标系向笛卡尔坐标的转换。空速μ和航向ξ只是目标的瞬时航速和航向,可以进行动态设置。

2)扫描线与目标的位置关系

扫描线与目标的位置关系,可以通过扫描线的角度是否与目标物体的方位角一致来判断。

5 结论

运用OpenGL技术和DEM高程数据实现了雷达仿真显示,具有很好的仿真效果,可模拟该雷达的检查校准及飞行过程中的各种状态,便于飞行员在较短时间内掌握所学理论及相关的操作步骤和方法、要领,不仅满足了飞行部队和院校日常训练的需要,而且对延长装备寿命,保障新装备快速形成战斗力具有重大的军事意义。

参考文献

[1]张明友.雷达系统[M].北京:电子工业出版社,2006.

雷达系统仿真篇5

随着计算机技术的发展,虚拟样机技术在仿真与建模领域迅速发展起来,并在国际上得到了广泛的应用[1]。在ADAMS软件中建立虚拟样机模型后,一般需要反复仿真并修改模型样机模型,这种建模工作花费大量的机时和人工[2]。利用ADAMS / view提供的参数化建模和分析功能可以大大提高分析效率。本文研究雷达天线模型的参数化建模,在参数化思想的指导下,实现了计算机联合仿真,提出了雷达天线模型参数化建模的设计方案。

2雷达天线建模

2. 1 ADAMS虚拟物理模型

雷达天线系统是一直复杂的多刚体系统,采用计算机自动生成其数学模型,不必考虑推导公式的难易程度,这种方法不仅适用于较简单的平面模型, 而且更适用于复杂的三维空间模型[3]。根据雷达天线模型的结构尺寸,在ADAMS软件平台上建立它的虚拟模型,如图1所示。对于雷达天线模型来说,需要在基座与大地之间添加一个固定约束副,在俯仰和方位轴添加一个转动副,同时给模型的俯仰轴和方位轴添加驱动。对该模型进行初步仿真: 驱动俯仰轴以及方位轴,天线可正常转动,此模型运行正常。

2. 2模型的参数化

进行参数化建模时,首先确定影响样机性能的关键输入值,选择合适的方法对虚拟物理模型进行参数化。本文主要运用了参数化点坐标及设计变量两种方法来进行雷达天线模型的参数化,其中主要对天线高频箱以及叉臂的厚度进行参数化,部分参数化信息见图2。

2. 3控制ADAMS模型

在模型中除了添加约束之外,还需要创建单分量力矩、状态变量,定义模型的输入输出变量。在本天线模型中将力矩作为俯仰轴和方位轴的输入状态变量,定义天线转动的俯仰轴的角度、角速度以及角加速度,将方位轴的角度、角速度以及角加速度作为输出状态变量。

3 ADAMS和MATLAB的联合仿真

3. 1联合控制方案

ADAMS和MATLAB的联合控制是在ADAMS中建立虚拟模型,由ADAMS输出描述系统方程的有关参数,MATLAB根据ADAMS输出的信息建立控制系统并进行仿真。在计算过程中ADAMS与MATLAB进行数据交换,由ADAMS的求解器求解系统方程,由MATLAB求解控制方程,共同完成整个控制过程的计算[4]。联合仿真中数据交换过程如图3所示。

3. 2控制系统模型

雷达天线系统伺服电机一般采用的永磁直流电动机,永磁直流电动机的电枢可以等效为电阻Ra和电感La,Eb表示转子转动时在电枢中产生的反电动势。对永磁直流电机的电枢电压方程、电动机力矩平衡方程、电动机力矩方程和反电动势方程[5]施加零初始条件,并进行拉氏变换,可以得到如下方程组:

根据以上电机系统模型,在MATLAB /Simulink中建立雷达天线伺服电机控制系统模型。图4所示的结构动态图描述了系统各个模块传递函数之间的关系。

4仿真结果

联合仿真得到的曲线如图5、图6所示,图5为俯仰轴阶跃响应仿真曲线,图6为方位轴阶跃响应仿真曲线。该雷达天线俯仰轴伺服系统上升时间tr为0.144s,峰值时间tp为0.371s,超调量σ为0,调节时间ts为0.371s,稳态误差ess为0.0018rad。方位轴伺服系统的上升时间tr为0.2s,峰值时间tp为0.41s,超调量σ为3.03%,调节时间ts为0.54s,稳态误差ess为0.0008rad。俯仰轴及方位轴伺服系统的上升时间、峰值时间、调整时间都比较短,系统的响应是较快,对阶跃信号的响应超调量也很小,因而系统相对稳定。同时,稳态误差也很小说明其复现精度也很好。整个系统的快速性,稳定性以及准确性均达到要求。

5综述

本文运用ADAMS和MATLAB两款仿真软件对雷达天线伺服系统进行了联合仿真。运用多刚体动力学原理与分析软件建立了虚拟样机机构; 根据雷达天线的结构参数,完成了雷达天线在ADAMS环境下的建模; 设计了ADAMS和MATLAB两款软件的联合控制方案; 通过联合仿真结果,分析了非线性环节对雷达天线系统的影响。

参考文献

[1]王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2002.

[2]郑建荣等.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3]李素兰,黄进,段宝岩.一种雷达天线伺服系统结构与控制的集成设计研究[J].机械工程学报,2010,46(19):140-146.

[4]衣袖帅,黄志刚,孙明涛.ADAMS和MATLAB联合仿真技术应用[J].北京工商大学学报(自然科学版),2009,5(27):14-21.

雷达系统仿真篇6

随着电子技术的发展,计算机仿真不仅是理论研究的一种手段,更是开发电子系统必不可少的前提。当前雷达系统仿真软件,大多采用Matlab或C语言作为软件开发工具。可是,Matlab虽然图像显示美观,但是数据处理速度较慢,难以处理大规模的雷达仿真数据[1];而C语言虽然数据处理速度较快,但是程序编写复杂,并且程序读写不直观、难懂[2]。

结合Matlab与C语言的优点,本文选择Lab VIEW作为软件开发平台。该平台内置大量数据分析和信号处理工具,并且采用“电线”等方式进行图形化编程。将Lab VIEW用于雷达系统仿真软件的设计,不仅大大缩短了软件开发周期,降低了软件开发成本[3],而且凭借Lab VIEW的诸多优点,使设计的雷达系统仿真软件功能全面、性能稳定。

本文从雷达系统仿真软件的系统结构设计、系统模块设计以及性能验证等三方面进行论述。系统结构设计提供了该软件的设计思路与设计流程;系统模块设计则对整个雷达系统采用模块化的设计方式,从信号的发射、接收、处理、显示等过程复现整个雷达系统的工作流程;系统性能验证则是对设计的雷达系统的各个模块进行分析与测试,验证该软件功能的全面性和性能的稳定性。

1系统结构设计

雷达是一种依靠电磁波的收发对目标进行检测、跟踪、识别成像等处理的设备[4]。本文设计的雷达系统仿真软件主要是用于对雷达目标检测性能的分析与验证。雷达系统仿真软件的系统结构如图1所示。

雷达系统仿真软件的结构分为三部分:模拟器模块、雷达信号处理模块以及显控界面。

模拟器模块包括目标模拟器和信号模拟器。其中目标模拟器用于产生目标所处的方位角、俯仰角、目标的距离、目标的个数等;信号模拟器用于产生基带发射波形以及回波信号,发射波形类型有简单脉冲波形和线性调频波形。

雷达信号处理模块是雷达系统仿真软件的核心,为了从回波信号中提取出目标的距离、速度等有用信息,可以采用匹配滤波、脉冲积累、MTI处理、脉冲Doppler处理以及CFAR门限检测等雷达信号处理算法。

显控界面包括控制部分和显示部分,通过参数的设置,将检测结果反馈到界面上。

整套雷达系统仿真软件各个模块的实现是基于系统主控与调度模块,主要由扫描控制和显示控制等组成,它将软件各个部分有机地结合起来,使软件可靠稳定的运行。

2模块设计与性能验证

2.1模拟器模块

目标模拟器用于产生目标的方位、距离以及个数等信息。用随机函数使目标以一定概率分布于整个雷达探测的空域,以此模拟出不同方位、距离处的目标,此外,也可以人为设置目标的距离。信号模拟器用于产生雷达的收、发信号。发射信号主要设计了简单脉冲波形和线性调频波形两类,而将发射信号进行幅值衰减、时间延迟、频率偏移、加噪等处理后,则得到雷达系统的接收信号。

2.1.1回波信号的幅度设计

对于点目标,雷达距离方程[4]为:

式中:Pt是雷达发射峰值功率;Gt是发射天线增益;Gr是接收天线增益;λ 是雷达工作波长;σ 是目标截面积RCS;L是总损耗(包括系统损耗、大气衰减等);R为目标距离;Pr是回波信号的峰值功率。假设该雷达共用收发天线,雷达天线方位角宽度 θa,雷达天线俯仰角宽度 θe,则雷达收发天线增益[4]近似为:

得到雷达距离方程为:

式中:K = (7.8 × 1012)2/(4π)3为常数;f为雷达发射信号的频率。

若雷达发射波形的基带信号为x(t),脉冲时间为 τ ,幅度为A ,采样间隔为Ts,在脉冲时间 τ 内的采样点数为N1,得到基带信号的发射峰值功率为:

忽略调制、解调过程中信号功率的损耗,且不考虑收发天线前端的功放器,则接收信号的幅度为:

2.1.2回波信号的时延设计

当目标距离雷达为R时 ,回波信号将延时 Δt = 2R c,则延迟时间内的采样点数为 ΔN = Δt Ts。由于接收信号y(t) = x(t - Δt), 0  t  T,得到接收信号的采样为:

式中:x(t) 为发射信号;N为雷达脉冲周期T内的采样点数;Ts为采样时间间隔,即快时间域的采样间隔。

2.1.3回波信号的频率设计

若探测的目标存在径向速度,则回波信号的频率相对于发射信号的频率有所偏移,这就是多普勒频移现象[4]。利用该现象可以推知目标的径向速度为:

式中:v为目标径向速度;λ 为发射波长;FD为多普勒偏移。

为了模拟目标径向运动的现象,可以将发射波形的基带信号的频率附加多普勒频率FD,即:

当积累m个脉冲时,回波信号相位的总改变量为θ(t) = θ(m T) = 2πFDm T,即第m个脉冲时的回波信号为:

式中:T为雷达脉冲周期,也即慢时间域的采样间隔。

2.1.4多目标的回波信号设计

考虑距离为Ri(i =0,1,2,…,p)处速度分别为vi(i= 0,1,2,…,p)的p个目标回波情况。第i个目标,第m个脉冲的回波信号yim(t) 快时间域的一次采样结果为:

由式(10),得到p个目标,第m个脉冲的回波信号ym(t) 快时间域的一次采样结果为:

2.1.5回波信号的加噪设计

噪声主要来源于接收机[5],其功率大小为:

式中:F为噪声系数;Tc为接收机工作的摄氏温度, k = 1.38 × 10-23为玻尔兹曼常数 ;Br为接收机工作带宽。这里 ,以高斯白噪声来模拟接收机的噪声 ,由,得到噪声功率大小为:

式中:σ2为高斯白噪声采样点的方差。因为雷达信号的发射与接收都是I/Q两路通道,且I/Q两路通道的噪声相互独立,可设计I/Q两路通道的噪声大小为:

最后,得到单周期内,完整的回波信号模型为:

2.2雷达信号处理模块

2.2.1匹配滤波与脉冲积累

对于脉宽内频率有变化的发射波形,如线性调频波形、步进频波形等,可以通过脉冲压缩的方式,将接收到的回波信号通过匹配滤波器以提高回波信号的信噪比[6]。同时,脉冲积累是同一个目标的多个回波信号的叠加, 由于信号与噪声在脉冲积累后,信号的功率增益大于噪声的功率增益,所以脉冲积累也是改善回波信号信噪比的一种方式。

已知接收机接收到的输入信号为x(t),其频谱为X(ω),接收机频率响应为H(ω),则t′ 时刻,接收机输出信号的功率[7]为:

当且仅当H(ω) = αX*(ω)e-jωt′时,式(16)中等号成立。其中,α 为常数,一般地 α = 1 。也就是说,设计接收机频率相应为X*(ω)e-jωt′,能使接收机输出功率最大, 而噪声功率Pnoise与输入信号无关,因此,此时输出能得到回波信号的最大信噪比。

同时,第m个脉冲的回波信号为:

式中:sm(t) 为雷达回波信号(不包括回波中的噪声); nm(t) 为接收机噪声。对ym(t) 进行快时间域采样,得到ym(t) 的采样值为:

积累M个脉冲的回波信号为:

得到M个脉冲的回波信号的功率为:

因为雷达回波信号之间相关,噪声与信号以及噪声与噪声之间不相关,所以:

因此,当M个脉冲相干积累时,信号功率Ps增加M2倍,而噪声功率Pn增加M倍,也就是说,信噪比将提升10 log M d B。

设置一个点目标位于9 800 m处,将回波信号在不同的脉冲数下,通过匹配滤波器,得到如图2所示的结果。

如图2(a)所示,当脉冲数M= 1时,脉冲压缩后,回波信号的信噪比SNR1≈ 6 d B;而进行相干积累,如图2(b) 所示,当积累脉冲数M = 100时,脉冲压缩后,回波信号的信噪比改善为SNR100≈ 25 d B,信噪比提升了近20 d B, 与理论值接近。此外,通过比较图2(a)和图2(b),可以发现噪声功率从-96 d B改善为-75 d B,增加了20 d B, 而信号功率从-90 d B改善为-50 d B,增加了40 d B,即信号的功率增益大于噪声的功率增益,使得信噪比得以提升。

2.2.2MTI处理与脉冲Doppler处理

MTI处理主要是针对动目标检测的一种处理方式[8]。由于目标运动速度快慢的差异,其多普勒频移是不同的,若将信号回波通过单/双延迟对消器,则多普勒频移小(运动速度低)的目标将被滤除,而检测出运动速度较大的目标。

脉冲Doppler处理则是在慢时间采样域上对信号做FFT变换,根据回波信号频率的不同,以区分不同的目标并检测其速度。

由于杂波信号的回波功率很强,容易使接收机饱和或者引起误检;并且杂波回波的旁瓣很高,容易淹没目标,引起漏检。所以,一般而言,MTI处理位于Doppler处理之前,即先对杂波进行抑制,再对作动目标检测。 MTI处理与脉冲Doppler处理是两类主要的Doppler处理方式,都是在慢时间域上利用回波信号频率的变化对目标作检测[9]。

单延迟对消器是将雷达输入信号x(t) 延迟一个脉冲周期T,并将x(t) 与延迟得到的x(t - T) 相减。对消器输出信号为:

则该对消器的频率响应为:

因此,单延迟线对消器的功率增益为:

而双延迟线对消器是单延迟线对消器的串联,其输出为:

因此,双延迟线对消器的功率增益为:

设置目标1,2的距离分别为7 600 m,7 800 m,速度分别为30 m/s,300 m/s,目标截面积RCS分别为200 m2, 10 m2,MTI处理方式选择双延迟线对消器,得到如图3所示的仿真图。

从图3(b)中可以看到回波信号通过双延迟线对消器后,速度较低的目标1处于谷底,速度快的目标2处于峰顶;对比图3(a)和图3(c)可知,虽然目标1,2相隔较近 ,但是由于它们的速度差异很大 ,所以通过脉冲Doppler处理后,能将其在速度维上完全区分开;对比图3(c) 和图3(d),可以发现,尽管目标1的RCS远大于目标2,目标1的回波信号功率为-42 d B,而目标2仅为-55 d B,但是由于目标1的运动速度很慢,所以通过MTI处理后, 只留下了目标2。总之,脉冲Doppler处理能在信号频率维上对目标作区分,MTI处理能滤除掉运动速度较小的目标而检测出运动速度较大的目标。

2.2.3门限检测

检测位于雷达信号处理的各个阶段,目标能否从噪声、杂波等中被检测出来,在于检测门限的设计是否合理,这里设计了两种最基本的检测门限:固定门限与单元平均恒虚警率门限。当检测门限为一恒定值时,该检测门限为固定门限;而在噪声功率变化的情况下,为了保证系统的虚警率不变,必须实时改变检测门限值,该门限为恒虚警率(CFAR)门限。

对于单元平均CFAR门限检测,若参考单元横向窗长度为C,纵向窗长度为K,保护单元横向窗长度为B,纵向窗长度为H,则待检单元的平均CFAR门限[10]为:

设置目标1,2距离分别为9 000 m,9 500 m,速度分别为40 m/s,60 m/s,C= 51,K = 5,B = 25,H = 3,Pfa= 10-6, 得到单元平均CFAR门限检测图如图4所示。

图4(a)为单元平均CFAR门限检测下的距离-速度维图,可以看到检测门限为一个矩形环框,其外环大小为参考单元大小,内环为保护单元;图4(b)为单元平均CFAR门限检测下的三维图。

将M × N个数据通过检测门限,若某待检单元内的信号功率值大于检测门限,则判定该待检单元内存在目标, 否则不存在。设置3个目标分别位于9 500 m,9 550 m, 9 800 m,速度均为40 m/s,在不同的虚警率下作固定门限和单元平均CFAR门限检测,如图5所示。

对比图5(a)和图5(b),发现虚警率的降低,相当于检测门限的提高。当虚警率Pfa= 10-3时,检测门限过低,导致有些待检单元处噪声的功率大小超过固定门限值 ,从而检测出许多虚假目标 ;而降低虚警率至Pfa= 10-6,相当于提高了固定门限值,从而提升了目标被检测到的概率。对比图5(b)和图5(c),虽然单元平均CFAR门限检测的虚警率更高,但是效果更好,目标定位更准确。

2.3显控界面

雷达系统仿真软件的显控界面如图6所示,主要分为控制部分和显示部分。其中,控制部分有模拟器模块参数、信号处理模块参数、扫描控制以及显示控制;显示部分有三维显示图、目标个数以及检测出的目标距离速度,其中“三维显示图”是指目标的距离、速度以及回波信号功率大小三个维度的显示图。

设置相应的参数,如“波形类型”、“采样率”、“天线方位角宽度”、“窗函数”等;选择“生成模拟目标”,则调用目标模拟器在设定的150°水平方位角上随机生成不同距离上的3个目标,并设置速度分别是40 m/s,60 m/s, 20 m/s;经回波模拟、雷达信号处理等过程,在“三维显示图”中显示出来,并且检测出的“目标个数”为3,距离分别是7 999.37 m,8 473.75 m,10 168.8 m,速度分别是39.843 7 m/s,59.765 6 m/s,19.921 9 m/s。更改设置,重新运行软件,则会更新检测结果。

3结语

本文设计的基于Lab VIEW的雷达系统仿真软件, 其功能全面、性能稳定。该软件通过发射基带信号的设计,回波信号的模拟,目标的生成,雷达回波信号的处理以及显示的控制等过程,复现了整个检测雷达的大致工作流程。使用该雷达系统仿真软件不仅可以更加深刻地理解检测雷达系统的工作原理,而且可以通过设置不同的参数,在该软件平台上做多种关于目标检测问题的仿真实验。

摘要：利用LabVIEW具有软件开发周期短、开发成本低的优势,设计了一套基于LabVIEW的雷达系统仿真软件。先后开展对雷达系统的结构分析以及模块化设计等工作,并对设计的各个模块进行分析与测试。其中,模块化设计完成了雷达收、发波形的设计以及匹配滤波、脉冲积累、MTI处理、Doppler处理和CFAR门限检测等雷达信号处理算法的实现。该雷达系统仿真软件从信号的发射、接收、处理以及显示等过程复现了整个雷达系统的工作流程,通过测试,验证了该软件功能全面、性能稳定。

雷达系统仿真篇7

靶场测量雷达精度高、波束窄,使用中捕获运动目标困难,需要对操作手进行有效的训练,才能具备快速捕获目标能力。测量雷达操作手捕获目标训练,主要是训练操作手在实际杂波背景下快速识别目标和操作雷达快速截获目标的能力,捕获目标训练的难点是没有合适的空间运动目标供训练使用,特别是多目标雷达需要提供一定空间内的多个动态目标就更加困难。以往的仿真训练系统主要是利用计算机和半实物仿真器进行仿真训练,对操作手掌握雷达操机方法起到了很好的效果,但对快速识别和截获目标能力训练的作用大大降低,主要原因是仿真信号与真实目标回波信号有差异; 仿扫描线上只有仿真信号,无杂波干扰使识别目标过于简单; 人机结合不够紧密,操作手训练与实际操机的视觉、感觉都有差异所致。研究训练系统的目的就是给操作手提供操机及捕获目标的训练条件,使操作手能够按照雷达捕获、跟踪目标过程进行仿真训练,培养快速反应能力和冷静、果断的心理素质。文中研究设计了单脉冲测角体制的多目标测量雷达实景仿真训练系统,由雷达装备,多目标信号仿真器和信号合成板组成训练系统,系统将仿真的多个空间运动目标回波信号与实际背景的杂波信号合成并在A/R显示器显示,实现操作手在实际杂波背景下,操作雷达进行多个运动目标识别、捕获的仿真训练。

1 系统概述

系统由雷达整机,多目标信号仿真器和信号合成板组成,在雷达主控计算机控制调度下运行。雷达主控计算机发送系统运行命令、控制字、目标航迹及特性参数给目标仿真器和雷达相关分系统,多目标仿真器按控制命令工作,根据目标容量和目标运动、特性参数分别计算仿真信号控制码,依据控制字中的雷达波束角度位置和对应目标航迹参数判断波束内是否有目标,若目标航迹参数转换到雷达的空间角度在雷达当前波束覆盖空间角度内,则判定目标在波束内,仿真器生成对应目标回波中频信号送信号合成板并与接收机送出的背景杂波中频信号合成后送中频接收机进行后续信号处理和记录、显示。多目标信号仿真器依据雷达周期、对应目标号产生当前目标仿真信号,实现对应的多个目标仿真信号的产生,双路波形产生器产生同波束双目标仿真信号,组成如图1 所示。

2 系统硬件

系统以多目标信号仿真器为核心与雷达整机构成嵌入结构,信号处理、运行控制利用了雷达各分系统功能,雷达部分不再赘述。多目标信号仿真器由波形产生器,功分器,衰减器,角度信号产生器,信号合成器,控制器、CPCI总线底板和电源组成,原理框图如图2 所示。功分器用于把波形产生器生成的仿真信号功分成3 路信号,2 路送角误差信号产生器,生成角误差仿真信号。信号合成器用于把两路波形产生器生成的同波束双目标仿真信号合成输出。其他单元功能如图2 所示。

2. 1 波形产生器

波形产生器产生当前雷达周期相对发射脉冲有一定时间延迟的仿真目标回波信号。采用TI公司的DAC5686 芯片实现,内部集成有数字正交调制器、32 位的DDS、16 位的高速D/A变换器和1 个8位的输出幅度控制器,可输出高品质高稳定度的信号,信号频率、幅度均可编程控制,满足不同目标仿真信号产生的需求。

仿真波形生成采用数字基带波形存储,数字正交调制和高速D/A转换技术实现[1]。对模拟波形信号s( t) 采样,生成数字正交信号[2]I( n) 、Q( n) 存入存储器,在仿真距离回波有效期间,将I ( n) 、Q( n) 分别与DDS产生的正交载波信号:

相乘,再相加得:

经D/A变换后恢复为:

式中,fd为目标多普勒频率,Φ( t) 为基带波形的相位信息,Y( t) 为带多普勒调制的中频仿真目标回波信号。

仿真目标回波信号的距离实时变化,采用数字计数方式产生目标距离回波视频脉冲。发射同步脉冲到来时,计数器开始计数,计数值送入比较器与当前周期仿真目标距离值比较,相同则产生距离回波脉冲,经脉宽控制输出。计数脉冲时钟120MHz,距离分辨率为1. 25m,满足当前测量雷达测距精度要求。

距离回波信号强度随目标距离远近而变化,由雷达方程得知,对同一目标反射面积不变且在雷达性能参数一定时,回波功率与距离R4成反比,即:

式中,C0为雷达等效参数。

依据上述公式,采取数控衰减仿真信号幅度的方法实现回波强度随距离远近的变化[6],距离仿真信号原理图如图3 所示。

多普勒频率fd的仿真,采用数字频率合成技术( DDS) 实现[3,4]。依据目标航迹参数得到径向速度Vr,由多普勒频率公式[5]得到fd,即:

式中,λ 为雷达工作波长。

采用频率锁相环的方式,通过频移控制码实现频移,生成含多普勒频率的中频仿真回波信号fo=60MHz ± fd输出。DAC5686 的频率控制字32 位,频控精度为f = 240 × 106 /232 = 0. 056Hz。

2. 2 角度误差信号产生器

角度误差信号产生器用于生成仿真的雷达电轴与目标间角度误差信号。原理图见图2 所示。波形产生器送出的和路回波信号经三功分形成和、差、差3 路信号,两路差信号送给角度误差信号产生器,由0 / π 调制器实现方位、俯仰误差极性变换,再由低相移的精密数控衰减器归一化处理生成角误差信号。角误差仿真精度可达到0. 65 /63 = 0. 01mrad。

2. 3 控制器

控制器采用单板计算机,运行Vx Works,接收雷达主控计算机送来的控制字、目标航迹参数、目标特性参数,完成目标仿真参数计算和目标信号仿真器运行控制。

3 系统软件

系统功能的实现由软件和硬件配合完成。软件计算出目标空间角度及特性控制参数,形成控制码;生成仿真器运行控制字,控制各单元电路工作和系统同步运行。软件采用模块化编程,主程序流程见图4 所示。

仿真训练时,由雷达数传机完成目标航迹参数的输入和转换运算( 或实时接收外引导数据) ,生成雷达极坐标A、E、R、Vr数据,并发送给雷达主控计算机,主控机将控制字和数据发送给雷达分系统和目标信号仿真器。仿真器软件按主程序流程工作,控制器将当前周期数据送完后,累加时间,计算下一时刻目标及运动参数,等待雷达下一周期中断信号,重复上周期工作。

目标航迹参数统一转换为地心坐标,再转到测量坐标,由测量坐标转换为测站极坐标( A、E、R送主控机) ,使数据输入规范,便于处理计算。测量采用的坐标系间可转换[7],地心坐标( X、Y、Z) 到测量坐标( X1、Y1、Z1) 转换公式如下:

转换公式中: X0、Y0、Z0为雷达站址的地心坐标。

测量坐标转换极坐标公式如下,并经象限判断给出角度值:

4 调试使用

系统在雷达使用环境中进行了调试和使用。图5 是雷达A / R显示器在雷达搜索状态下的显示截图,显示的信号是仿真飞机回波信号叠加在实际背景杂波中的效果图。

第2 行线上有明显的杂波信号,共有4 个杂波堆,左数第3、4 连续杂波堆中间的竖线和第2 杂波堆最左边的大竖线是仿真相距12km的双目标信号,其他杂波堆中的竖线为背景大目标回波信号。从图中可以看出,仿真信号与第1 行线上独立竖线的背景中大目标信号没有明显差异,与真实目标回波信号基本一致,得到了接近真实目标的多目标仿真回波信号。仿真信号可供操作手在接近实战条件下快速识别和截获目标训练使用。

5 结束语

多目标信号仿真器采用数字基带波形存储,数字正交调制和高速D/A转换技术,可灵活生成不同目标仿真回波信号,简化了硬件结构,CPCI总线减少机柜和内部走线,信号仿真控制采用高精度数控衰减器实现精度高、仿真信号逼真。

系统嵌在雷达中,有效利用了装备资源,大量减少了研制成本。在装备上利用动态目标仿真信号叠加在实际背景杂波信号中进行目标捕获跟踪训练,使训练更接近真实情况,可有效培训高水平操作手,并可用于雷达系统调试、功能检测,通过对靶场试验目标在预定飞行航路上的仿真捕获跟踪训练,可预测雷达对预定航路上试验目标捕获跟踪的难点,该系统有广阔的应用前景。

摘要：为能在测量雷达使用环境下进行捕获跟踪目标仿真训练,研究设计了多目标测量雷达实景仿真训练系统。该系统嵌在雷达中,雷达主控机送出目标运动轨迹、特性参数和控制命令,多目标信号仿真器产生中频目标仿真信号,信号合成板将仿真信号与实际背景反射信号合成后送中频接收机,合成信号经处理后送A/R显示器显示,供操作手捕获目标训练使用。经试用有效提高了操作手在杂波背景下快速识别目标和捕获目标的能力,并能预测雷达对预定航路上目标的捕获跟踪情况。

雷达系统仿真篇8

随着现代战争的发展,武器装备越来越广泛的采用电子技术,世界各国都十分注重电子战技术的研究。在研究过程中,为了对预研设备的性能等技术指标的验证,一般采用仿真的方法进行模拟。仿真平台的建立,一方面可以提供对设备、兵力兵器等使用效能及战法的检验,另一方面又避免了组织复杂、代价昂贵的实际兵力演习,大幅度提高军事仿真训练效果,节省开发经费,对于提高军队战争研究和人员训练水平,提高部队战斗力将起到极大的促进和支撑作用。本文主要介绍某型雷达模拟器仿真系统的设计与实现。

2主要雷达模型

2.1辐射源威胁判断模型

根据目标对我方的威胁程度,将目标威胁分为0-7级,0级为最高级,7级为最低级。在对威胁目标识别出雷达类型时,威胁等级TH为:TH=C(C取值0,1,2,…,7),在无法识别威胁雷达类型时,威胁等级TH由下述公式计算:TH=CRF+CPRF+CPW+CDOA其中:CRF—依据载频确定的威胁基数;CPRF—依据重频确定的威胁基数;CPW—依据脉冲宽度确定的威胁基数;CDOA—依据方位变化确定的威胁基数。

2.2雷达信号可信度识别模型

在进行可信度识别过程中,按照模糊识别算法中的最大隶属度法对输入的测量参数分别进行隶属度计算,所需的参数为:射频(f),重频(PRF),脉宽(PW)。设射频隶属度为μRi(f),重频隶属度为μRi PRF,脉宽隶属度为μRi(PW)。根据各参数的相对重要性有所不同,各参数的相对重要性通过权系数来表达,愈重要的参数对应的权系数就愈大。

可信度以载频、重频、脉宽加权得到,载频、重频、脉宽的权系数分别设为a,b,c,其中a+b+c=1,则总的可信度为:

2.3干扰样式生成模型

根据侦察到的雷达目标特性及威胁等级等信息,确定采取什么干扰决策,并向系统显控台上报干扰样式建议。干扰样式库存储在仿真数据库中,作为系统能否进行干扰的依据。干扰样式决策表如表1所示。

3系统逻辑结构

根据任务的功能和要求,该模拟器的模拟范围是完成雷达辐射源识别、告警,进行定位解算,完成辐射源参数测量和目标识别的功能。并且该模拟器既要能够进行电子战分系统作战的模拟训练,又能够通过网络与其它分系统交互,完成综合模拟训练。系统逻辑结构如图1所示。

雷达模拟器设备软件可划分为以下几个功能模块:主控模块、无源定位模块、目标识别模块、告警模块、人机交互模块、通信接口模快、记录管理模块。

3.1主要模块简介

1.主控模块:完成雷达设备主控程序功能,对其它功能单元模块进行统一管理协调。此模块是整个程序的处理中心,所有的报文都是发向此模块,然后通过此模块处理分发到相应模块中去。

2.信号识别模块:信号识别是将被测辐射源信号参数与预先积累的辐射源参数相比较,以确认该辐射源本来属性的过程。

3.告警模块:完成对识别后的雷达信号进行威胁告警的功能。对可识别信号进行自动告警;对不可识别信号采用人工告警处理,此时,作战指挥员根据仿真战场的实现情况,对目标是否进行干扰做出判断。

4.记录管理模块:为了对仿真过程中的数据和操作进行管理,便于对数据进行分析,需要保存大量数据。我们应用Oracle数据库,对数据库的访问进行了封装,生成动态链接库DBInterface.dll,提供接口函数完成对数据库的操作。

5.无源定位模块:无源定位模块接收定位命令/请求和定位目标数据,通过单舰定位方式进行定位解算,采用了最小二乘估计算法[2,3],计算目标距离和定位精度。