MatlabGUI仿真在雷達(dá)裝備教學(xué)中的應(yīng)用

朱賽+蔡金燕+孟亞峰+都學(xué)新

摘要：以某型相控陣?yán)走_(dá)裝備教學(xué)為例，根據(jù)裝備教學(xué)過程中存在的矛盾，分析了仿真需求，探索了Matlab圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）在裝備教學(xué)過程中的應(yīng)用環(huán)節(jié)，并以該型雷達(dá)裝備的信號(hào)發(fā)射過程為例，進(jìn)行了仿真示教系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為Matlab GUI在裝備教學(xué)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Matlab GUI；裝備教學(xué)；仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）03-0083-03

一、引言

《炮兵偵察校射雷達(dá)構(gòu)造》是學(xué)習(xí)炮兵偵察校射雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)工作過程和操作使用的一門課程，是從事炮兵偵察校射雷達(dá)技術(shù)保障和管理工作的前提，在培養(yǎng)“技指合一”的新型軍事指揮人才方面具有重要作用。

在教學(xué)過程中，通過典型炮兵偵察校射雷達(dá)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式和良好的機(jī)務(wù)作風(fēng)，并能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決炮兵偵察校射雷達(dá)的實(shí)際問題。

教學(xué)過程中分為理論教學(xué)和操作訓(xùn)練兩大模塊：理論教學(xué)以信號(hào)流程為主線，將各分系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系成一個(gè)整體，各分系統(tǒng)以功能電路為模塊，重點(diǎn)講清功能、組成和工作過程；操作訓(xùn)練通過講解示范、過程指導(dǎo)、效果檢驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)，以自主訓(xùn)練為主，培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力。

Matlab圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真的圖形化結(jié)果以人機(jī)交會(huì)的動(dòng)態(tài)方式呈現(xiàn)給客戶，將計(jì)算流程和易操作界面完美集成在一起[1，2]，為理論教學(xué)和操作訓(xùn)練間的有機(jī)結(jié)合提供了工具。

二、仿真需求分析

根據(jù)教學(xué)實(shí)際，首先分析了教學(xué)過程中遇到的問題，結(jié)合問題分析了仿真需求。

1.教學(xué)問題總結(jié)。該課程教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)員熟悉炮兵偵察校射雷達(dá)各分系統(tǒng)的工作原理、組成結(jié)構(gòu)、工作過程和信號(hào)的流程與變換；熟悉整體結(jié)構(gòu)和各分系統(tǒng)主要部件及大型元器件的作用；掌握整機(jī)和各分系統(tǒng)的操作使用、檢查調(diào)整、維護(hù)保養(yǎng)和常見故障判定與排除的技能；培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)務(wù)作風(fēng)，提高綜合素質(zhì)，為成為具有較強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)新型炮兵偵察校射雷達(dá)軍事人才奠定基礎(chǔ)。

該型雷達(dá)為有源相控陣?yán)走_(dá)，主要對(duì)多種火炮、火箭進(jìn)行偵察定位和校射：偵察敵火炮、火箭發(fā)射陣地；對(duì)己方火炮、火箭校正射擊。

教學(xué)過程中，在保證學(xué)員熟悉操作的前提下，更要聯(lián)系理論，使學(xué)員能夠融會(huì)貫通，掌握炮兵偵察校射雷達(dá)的結(jié)構(gòu)、原理。在教學(xué)過程中，主要存在以下問題：（1）學(xué)生人數(shù)較多與裝備數(shù)量有限的矛盾。專業(yè)學(xué)生較多，而該型雷達(dá)裝備數(shù)目有限，僅配備一部，大大限制了學(xué)生的上機(jī)操作時(shí)間，也限制了學(xué)生的觀摩學(xué)習(xí)。（2）高頻發(fā)射信號(hào)不易觀測。該雷達(dá)裝備中，發(fā)射信號(hào)頻率較高，發(fā)射功率較大，直接觀測不易。對(duì)于相控陣天線輻射電磁波，無法觀測其空間輻射情況，不便于學(xué)生的理解。（3）理論與裝備教學(xué)場地分離的矛盾。理論學(xué)習(xí)過程中，存在大量的公式推算、流程分析，需要各種板書、幻燈片進(jìn)行輔助教學(xué)；裝備教學(xué)需要緊貼裝備，通過裝備的具體演示、操作提高學(xué)員的動(dòng)手能力。同時(shí)，由于該裝備尺寸較大，無法放在教室，使得理論教學(xué)與裝備教學(xué)無法處于同一場景，減弱了理論與裝備教學(xué)間的聯(lián)系。

2.仿真需求。為了解決教學(xué)中存在的問題，需要進(jìn)行以下仿真：（1）裝備展示功能仿真。為了提高學(xué)生對(duì)裝備的直觀認(rèn)識(shí)，仿真示教系統(tǒng)中需要具有裝備展示功能。對(duì)裝備的整體、各分系統(tǒng)外觀、位置進(jìn)行直接展示，通過裝備直接展示的介紹，提高學(xué)生對(duì)裝備的認(rèn)識(shí)。（2）裝備分析功能仿真。在裝備展示的基礎(chǔ)上，對(duì)裝備組成、信號(hào)流等進(jìn)行分析，提高學(xué)生對(duì)裝備的理論認(rèn)識(shí)。（3）理論分析功能仿真。為了提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，在裝備展示、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合裝備具體模塊原理，進(jìn)行理論分析仿真，通過直觀的仿真結(jié)果深化學(xué)生對(duì)裝備、理論的學(xué)習(xí)。

三、Matlab GUI仿真應(yīng)用環(huán)節(jié)

為了解決裝備教學(xué)過程中的問題，提高學(xué)生對(duì)裝備的直接認(rèn)識(shí)和深層次理解，可根據(jù)Matlab GUI的特點(diǎn)，在裝備展示、裝備分析、信號(hào)仿真等環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真應(yīng)用，如圖1所示。

1.裝備展示環(huán)節(jié)。展示模塊環(huán)節(jié)主要進(jìn)行裝備的直接展示，根據(jù)裝備系統(tǒng)組成，分別進(jìn)行裝備展示、分系統(tǒng)展示和系統(tǒng)內(nèi)各模塊展示。通過裝備整體、分系統(tǒng)、模塊等從整體到局部的層次展示方式，提高學(xué)生對(duì)裝備的直觀認(rèn)識(shí)，為學(xué)生上機(jī)操作提供基礎(chǔ)。

2.裝備分析環(huán)節(jié)。裝備分析環(huán)節(jié)在裝備展示的基礎(chǔ)上，對(duì)裝備的系統(tǒng)框圖、信號(hào)流圖、模塊信號(hào)等進(jìn)行分析，提高學(xué)生對(duì)裝備結(jié)構(gòu)、組成及信號(hào)關(guān)系的深層認(rèn)識(shí)。（1）系統(tǒng)框圖主要展示裝備系統(tǒng)框圖，分析各分系統(tǒng)的組成關(guān)系。（2）信號(hào)流程，主要分析分系統(tǒng)間的信號(hào)傳遞關(guān)系。（3）模塊信號(hào)主要分析分系統(tǒng)內(nèi)各模塊輸入/輸出信號(hào)波形、模塊間的系統(tǒng)傳遞關(guān)系。

3.信號(hào)仿真環(huán)節(jié)。仿真模塊根據(jù)該裝備理論基礎(chǔ)，進(jìn)行波形產(chǎn)生、波束控制、回波接收及信號(hào)處理的仿真。（1）波形產(chǎn)生仿真：雷達(dá)由頻率源產(chǎn)生中頻相參本振信號(hào)，經(jīng)頻率合成生成一本振、二本振信號(hào)及線性調(diào)頻型號(hào)；線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)二本振、一本振信號(hào)的上變頻，生成射頻發(fā)射信號(hào)。波形產(chǎn)生仿真主要對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)、一本振信號(hào)、二本振信號(hào)及射頻發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行模擬仿真。（2）波束控制仿真：相控陣就是通過控制陣列各單元的相位以達(dá)到波束自動(dòng)掃描的陣列[3，4]。相控陣天線是由多個(gè)輻射元組成的陣列，陣列中每個(gè)輻射元的信號(hào)相位可控，通過控制每個(gè)輻射元的相位，進(jìn)而控制整個(gè)相控陣天線的波束方向。波束控制仿真主要進(jìn)行信號(hào)發(fā)射過程中波束控制單元和二維有源固態(tài)陣列天線的理論仿真。通過仿真的圖形化結(jié)果，向?qū)W生形象展示相控陣天線波束方向控制。（3）回波接收仿真：雷達(dá)裝備接收到的目標(biāo)回波信號(hào)，通過一本振信號(hào)、二本振信號(hào)的下變頻，將射頻回波信號(hào)轉(zhuǎn)為中頻信號(hào)，以供處理?；夭ń邮辗抡孢M(jìn)行回波信號(hào)的模擬和接收后變頻的仿真。（4）信號(hào)處理仿真：對(duì)于中頻回波信號(hào)，通過脈沖壓縮、動(dòng)目標(biāo)顯示（Moving Target Indicator，MTI）、動(dòng)目標(biāo)檢測（Moving Target Display，MTD）、雜波圖等處理，從而檢測出目標(biāo)的距離、方位、速度等參數(shù)。信號(hào)處理仿真主要根據(jù)中頻回波信號(hào)進(jìn)行各種信號(hào)處理仿真。endprint

四、應(yīng)用實(shí)例

1.某型雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)組成。該型雷達(dá)發(fā)射過程框圖如圖2所示，其中二維有源固態(tài)陣列為雷達(dá)相控陣天線，有多個(gè)T/R組件二維排列而成，通過控制每個(gè)T/R組件的發(fā)射波形相位，從而控制整個(gè)天線發(fā)射波束指向，實(shí)現(xiàn)波束的電掃描。

圖2所示發(fā)射框圖中，雷達(dá)接口接收雷達(dá)計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，并將控制指令重新編排后分配到波束控制單元和頻率源波形產(chǎn)生器；波束控制單元根據(jù)計(jì)算機(jī)控制指令，在發(fā)射和接收期間分別控制天線中T/R組件移相器相位，實(shí)現(xiàn)波束按一定的規(guī)律在指定空間搜索、跟蹤空中目標(biāo)；頻率源根據(jù)計(jì)算機(jī)控制指令產(chǎn)生一本振頻率、二本振頻率及相參本振等雷達(dá)基準(zhǔn)頻率信號(hào)，波形產(chǎn)生器接收計(jì)算機(jī)指令控制，并根據(jù)基準(zhǔn)頻率信號(hào)射頻激勵(lì)信號(hào)；發(fā)射機(jī)前級(jí)將波形發(fā)生器送來的低功率射頻激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，并通過中間推動(dòng)級(jí)放大后送到每個(gè)T/R組件。

2.仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)3節(jié)應(yīng)用環(huán)節(jié)，對(duì)圖2所示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)過程基于Matlab GUI進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主界面如圖3（a）所示。通過“裝備展示”、“信號(hào)分析”、“理論仿真”等按鍵分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)的仿真分析。

裝備展示模塊界面如圖3（b）所示，由分系統(tǒng)選擇、模塊選擇及展示畫面組成。通過分系統(tǒng)選擇和模塊選擇，確定待展示的模塊，進(jìn)而選擇素材庫中對(duì)應(yīng)的模塊圖片進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)裝備的展示功能。

理論仿真包括信號(hào)模擬和波束控制兩部分，其界面分別如圖3（c）、圖3（d）所示。在圖3（c）所示的信號(hào)模擬模塊中，主要有參數(shù)設(shè)置、時(shí)域信號(hào)顯示和頻域信號(hào)顯示三部分組成，分別進(jìn)行Chirp信號(hào)、二本振調(diào)制信號(hào)和一本振調(diào)制信號(hào)的模擬顯示。圖3（d）所示波束控制模塊中，由陣列參數(shù)設(shè)置、行相增量調(diào)節(jié)、列相增量調(diào)節(jié)和方向圖顯示幾部分組成。通過連續(xù)調(diào)節(jié)行相增量、列相增量，可觀察方向圖指向的不斷變化，實(shí)現(xiàn)波束控制。

五、結(jié)語

在總結(jié)裝備教學(xué)中存在矛盾的基礎(chǔ)上，分析了仿真示教系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了某型雷達(dá)裝備發(fā)射系統(tǒng)的仿真示教系統(tǒng)，為裝備教學(xué)提供了有力保障。

應(yīng)用仿真系統(tǒng)形象、直觀地分析了雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理和信號(hào)特性，對(duì)于學(xué)生熟悉和掌握雷達(dá)原理和雷達(dá)信號(hào)處理流程提供了真實(shí)有效的可靠手段，對(duì)于雷達(dá)數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)和流程有了全面的認(rèn)識(shí)，提高了技術(shù)人員分析問題和解決問題的能力及開展雷達(dá)設(shè)備技術(shù)研究的能力。

參考文獻(xiàn)：

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