基于移動平臺的某型雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)仿真研究?

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著科技水平的不斷進步，雷達(dá)裝備日趨復(fù)雜，新一代相控陣?yán)走_(dá)、微波超視距雷達(dá)等裝備陸續(xù)投入使用，但是目前在雷達(dá)職手的訓(xùn)練方面還存在較多問題，例如僅僅依靠實裝，效率低、代價高、器材不足、訓(xùn)練人數(shù)非常有限，而且雷達(dá)使用單位缺乏較先進的綜合訓(xùn)練手段，特別是在復(fù)雜電磁環(huán)境的訓(xùn)練難題一直未得到很好的解決，為提高日常訓(xùn)練的針對性、有效性、協(xié)同直觀性，訓(xùn)練態(tài)勢往往采用大地坐標(biāo)系以便更好地將多個目標(biāo)的訓(xùn)練位置及運動過程在電子地圖上顯示出來。隨著計算機技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，模擬訓(xùn)練得到全新的變革和發(fā)展。

回波圖像的顯示與生成是雷達(dá)模擬器重要指標(biāo)，國內(nèi)外對雷達(dá)圖像顯示與生成的仿真研究較多，隨著計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)模擬器的技術(shù)較之20世紀(jì)末有了極大的飛躍[1]，目前雷達(dá)模擬器的設(shè)計技術(shù)日趨成熟，尤其是隨著國內(nèi)近年來在技術(shù)上的迅速發(fā)展，目前國內(nèi)外在技術(shù)上已經(jīng)沒有太大的差別。徐景麗等采用數(shù)字信號處理技術(shù)，研究了雷達(dá)目標(biāo)回波繪制速度[2]D'Amato等運用多邊形求交的方法，生成回波的回波圖像較好，且生成效率低[3]；叢琳改進了岸海交界線回波生成方法，給出了不同潮汐狀況下的雷達(dá)回波圖像[4]；全秋燕利用粒子系統(tǒng)生成了合理的雨雪雜波數(shù)學(xué)模型，建立了雨雪回波圖像[5]。上述艦載雷達(dá)回波圖像的研究均是基于電腦桌面平臺，而基于移動平臺的研究還不太普遍。

近年來移動設(shè)備的發(fā)展十分迅速，5G技術(shù)已經(jīng)成熟，給雷達(dá)教學(xué)培訓(xùn)模式帶來了創(chuàng)新快捷的方式。

與相比基于臺式電腦的雷達(dá)模擬器相比，基于移動平臺開發(fā)的雷達(dá)雷達(dá)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)具有體積小、操作方便、成本低等優(yōu)點。本文以某型雷達(dá)為例，設(shè)計并實現(xiàn)了一個雷達(dá)仿真系統(tǒng)移動平臺終端顯示。主要目標(biāo)是通過多種技術(shù)手段，解決某型雷達(dá)的目標(biāo)、雜波、干擾、雜波抑制和抗干擾效果的仿真模擬難題，構(gòu)建復(fù)雜環(huán)境條件下針對某型雷達(dá)的移動訓(xùn)練模擬平臺，實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬訓(xùn)練。

2 基于移動平臺雷達(dá)模擬仿真系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

本文的移動平臺仿真設(shè)計基于Linux的開源移動操作系統(tǒng)，由應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序的框架層、存儲類庫、Linux內(nèi)核組成。本文以某型雷達(dá)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)為開發(fā)目標(biāo)，構(gòu)建了基于移動平臺雷達(dá)模擬仿真系統(tǒng)的負(fù)責(zé)電磁環(huán)境下雷達(dá)訓(xùn)練的仿真。某型雷達(dá)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)用戶界面在設(shè)計的移動終端得到的顯示畫面如圖1所示。

圖1 仿真界面

目標(biāo)、雜波的顯示是顯示移動平臺通過軟件在顯示內(nèi)存不同層面上作圖形成的，每層采用8位控制圖形顯示的灰度強弱，目標(biāo)、雜波的信號強度通過控制其顯示灰度實現(xiàn)。

當(dāng)進行目標(biāo)顯示時，顯示平臺根據(jù)模擬態(tài)勢軟件計算完成的目標(biāo)強度數(shù)據(jù)，從中取得每批目標(biāo)的位置、速度、強度數(shù)據(jù)，寫入到顯示內(nèi)存對應(yīng)地址處，完成目標(biāo)顯示。雜波顯示方法同目標(biāo)。目標(biāo)、干擾、地物雜波、海雜波、氣象雜波、箔條云、有源干擾分層顯示，內(nèi)存分配示意圖如圖2所示。軟件流程圖如圖3所示。

圖2 雷達(dá)顯示層面設(shè)計

圖3 顯示軟件流程

3 雷達(dá)模擬回波的仿真實現(xiàn)

3.1 目標(biāo)運動數(shù)據(jù)的計算方法

當(dāng)目標(biāo)的運動軌跡確定后，目標(biāo)自身的運動參數(shù)以及相對于雷達(dá)的運動參數(shù)需要及時解算并將結(jié)果存儲到目標(biāo)運動參數(shù)庫中。目標(biāo)與雷達(dá)的相對運動態(tài)勢情況，目標(biāo)自身的運動參數(shù)解算同上述雷達(dá)平臺運動。如圖4所示。

圖4 目標(biāo)與雷達(dá)的相對運動關(guān)系

目標(biāo)在海面上的投影位置距離雷達(dá)平臺的距離和方位分別為

而相對雷達(dá)對目標(biāo)的測量距離求解方法如圖5所示（考慮到空中為標(biāo)準(zhǔn)大氣，因此用等效地球半徑代替真實地球半徑，即re=8490km）。

圖5 空中目標(biāo)與雷達(dá)平臺的距離關(guān)系

視距的計算公式如下：

上式中的Rv單位為km，天線和目標(biāo)高度單位為m。為了減少計算量，只有當(dāng)目標(biāo)航行到Rd＜Rv時，才需計算目標(biāo)的回波信號到達(dá)雷達(dá)處的強度。目標(biāo)相對于本船的徑向速度為[6]

目標(biāo)相對于雷達(dá)平臺的相對運動方向為

3.2 地物目標(biāo)運動要素的計算方法

由于本船是運動的，因此在每個時刻時，地物相對于雷達(dá)是按極坐標(biāo)分辨單元進行回波強度計算的，雷達(dá)分辨單元的面積計算如下[7]：

運動參數(shù)采樣間隔時間為：當(dāng)雷達(dá)平臺機動時，時間采樣間隔為6s，當(dāng)雷達(dá)平臺做直線運動時，時間采樣間隔為5min。

3.3 地物單元回波強度的計算方法

每個雷達(dá)分辨單元的回波信號強度[8]計算為

雜波信號注入點的信號功率應(yīng)為

3.4 海雜波強度的計算方法

首先利用環(huán)境設(shè)定的風(fēng)速，計算出雷達(dá)每個分辨單元的RCS，最后再計算出平均回波信號的大小。

通過風(fēng)速可以計算平均波高[9]：

風(fēng)速因子為：

計算粗糙度因子，其中ψ為波束擦地角[10]：

而風(fēng)向因子和干涉因子為[11]

其中φ為雷達(dá)天線軸與逆風(fēng)向間的夾角。最后可以計算出水平極化時的海面反射率：

得到了散射系數(shù)，就可以求出平均海雜波強度。仿真系統(tǒng)根據(jù)不同風(fēng)速和風(fēng)向條件下的海雜波強度形成海雜波數(shù)據(jù)。

3.5 氣象雜波強度的計算方法

雨雪區(qū)域自身的運動速度和方向與風(fēng)速和風(fēng)向一致，每個分辨單元相對雷達(dá)的強度和徑向運動速度的存儲同地物雜波。但每個雷達(dá)方位單元、距離的RCS計算方法不同，具體如下。

雷達(dá)距離R處的分辨單元體積的計算[12]：

其中，θB、φB分別為天線波束的水平和俯仰半功率波束寬度。該分辨單元的RCS為

其中：

Z為雷達(dá)反射率因子[13]，大小取決于降雨率或降雪率r（mm/h）。

注入到雷達(dá)中頻接收模塊的雨雪雜波信號強度為[14]

其中：

4 地海交界線圖像的顯示實現(xiàn)

因海圖的地海交界線圖像數(shù)據(jù)較多，不經(jīng)過系統(tǒng)處理的雷達(dá)回波成像運行時間較長，本文對地海交界線圖像數(shù)據(jù)進行了外形化處理。處理后外形既保持地海交界的外形特征和地物的復(fù)雜性特征，也減少了線要素的數(shù)據(jù)。Douglas-Peucker提出了一種簡化成像數(shù)據(jù)點的算法，其研究方法是將外形輪廓曲線的首末點虛連成一條直線，然后設(shè)定一個距離閾值，再將計算得到的輪廓上所有點到連線的距離并找出最大距離值，最后再用最大值與設(shè)定的閾值比較，計算得到的最大值小于閾值，則舍去輪廓上所有的中間點；反之則保留最大值對應(yīng)的點。以該點為界把曲線分為兩部分，對這兩段重復(fù)使用此方法，一直到?jīng)]有更多的點被舍去停止，最后剩余的點即為所求，實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 道格拉斯-普克算法

圖7為某港海圖，利用上述算法得到地海交界線雷達(dá)回波模擬圖像如圖8所示，地海交界線模擬的雷達(dá)回波與海圖地形基本一致。

圖7 某海港海圖

5 一次回波余輝的實現(xiàn)

Direct3D繪制圖形的顏色總是替換當(dāng)前顏色緩沖區(qū)中存在的顏色值，即后渲染的圖像總是覆蓋在原有的位置上。該方法不能滿足繪制類似于玻璃、水等具有透明效果的物體。Direct3D通過定義一個表示物體半透明度的Alpha值和一個半透明公式，可以把將要繪制的物體顏色與顏色緩沖區(qū)存在的顏色相混合，從而繪制出具有半透明效果的物體。Direct3D計算Alpha顏色混合的方法如下式[15]：

其中Color表示Alpha混合后的顏色值；RGBsrc表示源顏色值，即將要繪制的圖元的顏色值，Ksrc表示源混合系數(shù)；RGBdst表示目標(biāo)顏色值，即當(dāng)前顏色緩沖區(qū)中的顏色值，Kdst表示目標(biāo)混合系數(shù)。OP表示源計算結(jié)果與顏色緩沖區(qū)計算結(jié)果的混合方法，默認(rèn)狀態(tài)下為D3DBLEND_ADD，即源計算結(jié)果與顏色緩沖區(qū)結(jié)果相加。本文利用Direct3D的Alpha混合實現(xiàn)雷達(dá)的余輝效果。

圖8 圖像模擬

圖9 Direct3D實現(xiàn)的余輝效果

傳統(tǒng)的PPI雷達(dá)顯示器依靠熒光物質(zhì)的余輝效應(yīng)將原始回波信號顯示在雷達(dá)屏幕上供人們觀察天線的掃描位置以及目標(biāo)的運動狀態(tài)，但是基于移動平臺無法自動產(chǎn)生隨機掃描中熒光粉的余輝效應(yīng)，需要人為地模擬雷達(dá)掃描線的余輝顯示。本文提出了一種利用改變同一顏色的不同透明度來表現(xiàn)的，顏色設(shè)置的越透明，顏色就越淺。通過使用這種顯示模式，能夠達(dá)到很好的逼真顯示效果。圖9是利用Direct3D實現(xiàn)的不同長度的余輝效果。

6 結(jié)語

針對雷達(dá)職手的訓(xùn)練存在的問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于某型雷達(dá)移動平臺系統(tǒng)的模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。主要解決雷達(dá)使用單位缺乏較先進的綜合訓(xùn)練手段，特別是在復(fù)雜電磁環(huán)境的訓(xùn)練難題一直未得到很好的解決的問題，根據(jù)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真應(yīng)用了道格拉斯-普克算法對地海交界線數(shù)據(jù)抽稀，建立了復(fù)雜電磁環(huán)境下的目標(biāo)、地物雜波、海雜波、氣象雜波的信號強度計算模型，實現(xiàn)了雷達(dá)回波圖像在移動平臺上的顯示。采用分層疊加顯示的方法實現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)仿真功能，實驗結(jié)果表明，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在移動平臺上仿真效果良好。