仿真在“雷達原理與系統(tǒng)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

趙 鋒，劉 進，肖順平

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073)

“雷達原理與系統(tǒng)”是我院電子工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，該課程所包含的知識點繁多且概念性極強，如何讓學(xué)生切實理解并掌握諸多關(guān)鍵的物理概念，是本課程教學(xué)需要解決的核心問題［1]。我院“雷達原理與系統(tǒng)”課程組經(jīng)過多年的探索和實踐，充分利用我院雷達電子戰(zhàn)仿真評估方向科研項目的研究成果，在無法購置雷達系統(tǒng)實際裝備的不利條件下，將全數(shù)字雷達仿真系統(tǒng)應(yīng)用于課程的課堂教學(xué)和課余實踐，增加了學(xué)生的感性認識，使雷達系統(tǒng)中的物理概念更加直觀易懂，提高了本課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 全數(shù)字仿真教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢

雷達全數(shù)字仿真是綜合利用建模技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)和計算機技術(shù)等，通過軟件編程開發(fā)實現(xiàn)的對實際雷達裝備處理過程的數(shù)字化復(fù)現(xiàn)［2]，通常以計算機應(yīng)用軟件形式出現(xiàn)，相比于實際雷達裝備，雷達全數(shù)字仿真系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)時，具備以下優(yōu)點。

(1)充分利用學(xué)院相關(guān)科研項目的研制成果，成本極低，開發(fā)周期也較實際裝備短很多。并且，軟件系統(tǒng)的維護、升級都非常方便，可以做到老師學(xué)生人手一套;

(2)復(fù)現(xiàn)所有體制和所有用途雷達的主要工作過程，并將雷達系統(tǒng)任意環(huán)節(jié)的處理結(jié)果進行多種形式的顯示，使得課程中涉及的物理概念和關(guān)鍵算法可以非常直觀的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前;

(3)只需經(jīng)過簡單的拷貝就可以隨時隨地進行運行和操作，并可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活改變系統(tǒng)設(shè)置;

(4)模塊化設(shè)計為學(xué)生提供了探索研究和工程實踐的實驗平臺，提高課程教學(xué)的交互性。

2 教學(xué)用雷達全數(shù)字仿真系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

為了完整展現(xiàn)雷達在多種條件下的工作過程，教學(xué)用雷達仿真系統(tǒng)除了雷達裝備分系統(tǒng)外，還應(yīng)包含目標(biāo)仿真分系統(tǒng)、電磁環(huán)境仿真分系統(tǒng)和干擾仿真分系統(tǒng)等，各分系統(tǒng)基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)構(gòu)建成一套分布式仿真系統(tǒng)［3]，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 教學(xué)用雷達仿真系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)

上述結(jié)構(gòu)組成中，雷達裝備仿真分系統(tǒng)是核心環(huán)節(jié)。由于是分布式結(jié)構(gòu)，因此可以根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容需要，選擇不同體制、不同用途的雷達裝備仿真模型加入系統(tǒng)，以典型的相控陣雷達為例，該分系統(tǒng)的組成及其流程如圖2和圖3所示。

2.2 系統(tǒng)功能

為了最大程度地配合課程內(nèi)容的講授，教學(xué)用雷達全數(shù)字仿真系統(tǒng)設(shè)計時必須實現(xiàn)以下功能。

(1)戰(zhàn)情設(shè)置:可以根據(jù)講課內(nèi)容需要，設(shè)置相應(yīng)的作戰(zhàn)情景。如:設(shè)置目標(biāo)低空突防加強地物雜波戰(zhàn)情，便可向?qū)W生展示課程中“脈沖多普勒雷達與動目標(biāo)檢測”章節(jié)的原理和概念。

(2)雷達組成部分的模擬:包括發(fā)射機、接收機、天線方向圖、信號處理、數(shù)據(jù)處理和雷達顯示器等，該功能可向?qū)W生展示雷達各組成部分的特性及相應(yīng)概念。

(3)信號波形的特性仿真:可向?qū)W生展示典型樣式信號的特征和雷達信號理論的相關(guān)概念。

(4)雷達目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、確認、跟蹤和識別全過程的模擬，可向?qū)W生展示雷達方程、目標(biāo)檢測、距離和角度測量、脈沖積累、脈沖壓縮以自動跟蹤等章節(jié)的概念和原理。

(5)雷達處理過程及結(jié)果的可視化:根據(jù)教學(xué)需要，可將任意數(shù)據(jù)進行直觀顯示，包括特性數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)等，主要用于相關(guān)概念和原理的直觀展示。

(6)復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的雷達處理仿真:可以針對干擾、雜波等條件下，對雷達特殊處理過程進行仿真。該功能可用于脈沖多普勒雷達的雜波特性及運動目標(biāo)檢測等章節(jié)的概念和過程展示。

3 教學(xué)應(yīng)用實例設(shè)計

3.1 實例一雷達方程中各因素影響

雷達方程是進行雷達威力分析的最基本的工具，根據(jù)雷達方程可以分析出雷達最大作用距離和諸多因素之間的影響關(guān)系，可以通過改變仿真戰(zhàn)情中相應(yīng)參數(shù)，對比雷達探測結(jié)果來直觀展現(xiàn)上述影響關(guān)系。實際教學(xué)中，仿真系統(tǒng)的設(shè)置和結(jié)果列舉如表1所示。

表1 雷達最大發(fā)現(xiàn)距離和影響因素關(guān)系

3.2 實例二脈沖壓縮特性

脈沖壓縮特性部分的教學(xué)重點包括脈沖壓縮的基本概念、實現(xiàn)方法、脈沖壓縮比、時寬帶寬積、線性調(diào)頻脈沖信號(LFM)脈壓特性以及相位編碼脈沖信號(PCM)脈壓特性等。應(yīng)用仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)時，可以通過設(shè)置相應(yīng)的信號類型和信號參數(shù)，屏蔽雷達接收機噪聲信號，并通過改變某些參數(shù)值，輸出脈沖壓縮前后的時域信號采樣波形來進行直觀展現(xiàn)。具體實施方式如表2所示。

4 結(jié)語

將全數(shù)字仿真系統(tǒng)應(yīng)用于“雷達原理與系統(tǒng)”課程的教學(xué)實踐，是幫助學(xué)生理解課程中諸多物理概念和原理特性的行之有效的教學(xué)手段。我院教學(xué)組經(jīng)過幾輪的應(yīng)用實踐，從課堂交互、學(xué)生反饋、課程考核以及后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計實踐上均反映出該方法的有效性。該方式后續(xù)還將運用于我校正在建設(shè)的本科生電子工程實驗室中，為進一步增強我校學(xué)生的動手實踐能力和科研創(chuàng)新能力提供工具和平臺支撐。

表2 脈沖壓縮教學(xué)中仿真系統(tǒng)實例設(shè)計

［1] 王偉，徐振海，傅其祥，肖順平.“雷達原理與系統(tǒng)”課程教學(xué)實驗平臺建設(shè)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010年第5期:93－95

［1] 王國玉，汪連棟等.雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真與評估［M] .北京:國防工業(yè)出版社，2004

［1] 趙鋒，李盾，王雪松，肖順平.導(dǎo)彈防御雷達仿真系統(tǒng)［J] .北京:系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006年第5期:1190－1194