基于C++語言的雷達(dá)系統(tǒng)組件化建模與仿真

張曉東，李 想

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

0 引言

目前，世界各國都高度重視雷達(dá)仿真技術(shù)的發(fā)展。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測試和評估進(jìn)行模擬，可以有效縮短雷達(dá)研制周期，降低成本，提高試驗(yàn)的成功率。近幾十年以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展革新，依托的雷達(dá)仿真技術(shù)也在不斷與時(shí)俱進(jìn)。20世紀(jì)90年代以前，雷達(dá)建模仿真系統(tǒng)大多遵循的是模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，而模塊化設(shè)計(jì)思想是典型的面向過程的開發(fā)方法。20世紀(jì)90年代后，面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)思想逐漸應(yīng)用到雷達(dá)仿真系統(tǒng)的開發(fā)上。21世紀(jì)以來，組件化軟件體系成為軟件開發(fā)的主流技術(shù)，極大地促進(jìn)了模型和代碼的重用。歐美軍方已經(jīng)開發(fā)了多種復(fù)用組件庫，包含了CARDS、ASSET、DSRS等多種成熟的組件仿真系統(tǒng)。

國內(nèi)的雷達(dá)仿真技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)取得了許多成果，具有了一定的技術(shù)積累。但是國內(nèi)現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)仿真平臺大都是基于國外軟件進(jìn)行的二次開發(fā)，尤其以Matlab為平臺開發(fā)的雷達(dá)仿真系統(tǒng)居多，這樣帶來了系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間功能耦合，代碼冗余的問題，當(dāng)測試或更新某項(xiàng)功能時(shí)，需要重新編譯和調(diào)試整個(gè)工程項(xiàng)目，耗時(shí)久，系統(tǒng)開發(fā)起來效率低，難度大。

針對以上問題，本文采用C++語言面向?qū)ο缶幊痰奶匦院蛙浖こ讨薪M件復(fù)用的思想，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一部完整的雷達(dá)仿真系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雷達(dá)仿真系統(tǒng)運(yùn)行正確，效率高，并且各組件具有較好的復(fù)用性和移植性，降低了對雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試和更新功能的難度，為設(shè)計(jì)功能復(fù)雜和不同平臺的雷達(dá)仿真系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 雷達(dá)系統(tǒng)組件化仿真設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

組件化建模的核心思想是將系統(tǒng)功能抽象分解為獨(dú)立的組件，并將組件的接口關(guān)系規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)組件間去耦合的最大化，最理想的就是任意替換一個(gè)組件，而接口不變，整個(gè)系統(tǒng)依然能夠正常運(yùn)行。按照組件化建模與仿真的思想，本文將雷達(dá)仿真系統(tǒng)分為雷達(dá)系統(tǒng)和環(huán)境設(shè)置兩大部分，其中雷達(dá)系統(tǒng)部分由資源調(diào)度、發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、信號處理和數(shù)據(jù)處理六大功能組件組成，環(huán)境設(shè)置部分由目標(biāo)回波、雜波、干擾和傳輸損耗4個(gè)功能模塊組成，用來生成回波信號。各功能組件按照雷達(dá)工作順序通過標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口鏈接成一個(gè)完整的雷達(dá)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 雷達(dá)仿真系統(tǒng)框架圖

1.2 系統(tǒng)層次劃分

現(xiàn)代雷達(dá)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，如果按照其工作流程對雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)開發(fā)，將會變得異常困難。將軟件工程中的分層和組件化思想引入到雷達(dá)系統(tǒng)仿真中，便可以有效地解決這個(gè)問題。依據(jù)分層和組件化思想可將雷達(dá)仿真系統(tǒng)分為基礎(chǔ)運(yùn)算層、算法模塊層、功能組件層和系統(tǒng)集成層4個(gè)層次，然后對每個(gè)層次分別進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)層次劃分如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次圖

基礎(chǔ)運(yùn)算層：包含了矩陣運(yùn)算庫和一些補(bǔ)充的基礎(chǔ)函數(shù)，為算法模塊層提供正確、快速、穩(wěn)定的基礎(chǔ)運(yùn)算函數(shù)。

算法模塊層：算法模塊層是構(gòu)成雷達(dá)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并為功能組件層提供邏輯算法和服務(wù)功能的支持。

功能組件層：根據(jù)高內(nèi)聚、低耦合的核心思想將雷達(dá)仿真系統(tǒng)軟件的功能進(jìn)行劃分，保證各功能組件間耦合度最低。功能組件以算法模塊層提供的算法為支撐，實(shí)現(xiàn)其所需的功能。

系統(tǒng)層：根據(jù)某一型雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行流程，操作各功能組件實(shí)現(xiàn)對其仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。

2 雷達(dá)功能組件的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與管理

2.1 組件設(shè)計(jì)

組件設(shè)計(jì)的核心思想是邏輯封裝和標(biāo)準(zhǔn)接口，設(shè)計(jì)者需要將雷達(dá)系統(tǒng)的各個(gè)功能抽象為組件，組件對外只提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口，即組件內(nèi)部的運(yùn)算邏輯對外是封閉的，這樣既保證了組件之間的去耦合性，又利于組件功能的拓展和升級。

構(gòu)建組件時(shí)，將雷達(dá)系統(tǒng)中的各個(gè)功能組成部分定義為C++里的類。所有的組件類繼承自基類baseModel，基類封裝了組件類共有的屬性和方法，包括矩陣運(yùn)算庫、基礎(chǔ)運(yùn)算函數(shù)、系統(tǒng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)傳輸接口、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換函數(shù)和數(shù)據(jù)庫讀寫函數(shù)等。組件類具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口參數(shù)，輸入?yún)?shù)經(jīng)過主體運(yùn)行函數(shù)的計(jì)算后將運(yùn)算結(jié)果傳遞給輸出參數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)簡化了組件類的創(chuàng)建過程，對于共有的屬性和方法直接繼承自基類即可，當(dāng)需要對共有屬性和方法修改時(shí)，只需要修改基類即可，不同的組件根據(jù)不同的功能編寫不同的主體運(yùn)行函數(shù)，組件之間互不影響。類的繼承關(guān)系如圖3所示。

圖3 組件類關(guān)系圖

雷達(dá)仿真系統(tǒng)依賴于各個(gè)組件模型的正確性，各個(gè)組件是雷達(dá)仿真系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)。本文將一個(gè)完整的雷達(dá)仿真系統(tǒng)按功能將其抽象為七大組件，分別為資源調(diào)度、發(fā)射機(jī)、天線、回波生成、接收機(jī)、信號處理和數(shù)據(jù)處理。其中資源調(diào)度組件管總，是控制雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行的核心組件。下面將以資源調(diào)度組件為例，重點(diǎn)介紹其實(shí)現(xiàn)方法，并對其他組件進(jìn)行簡要介紹。

2.1.1 資源調(diào)度

資源調(diào)度用來實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)事件的調(diào)度，其根據(jù)設(shè)計(jì)約束和雷達(dá)限制范圍，對系統(tǒng)的操作優(yōu)先級進(jìn)行劃分，約束條件包括時(shí)間約束、能量約束、計(jì)算能力約束和硬件約束。根據(jù)操作優(yōu)先級對數(shù)據(jù)處理組件傳來的任務(wù)請求按照一定的調(diào)度算法安排雷達(dá)事件，并分配相應(yīng)的波束指向，最后將執(zhí)行事件信息輸出到其他的組件。仿真系統(tǒng)主要考慮了搜索、確認(rèn)、跟蹤和小搜4個(gè)事件。

資源調(diào)度組件類繼承自基類baseModel，按照軟件分層的思想，將資源調(diào)度組件分成波位編排、實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和主體運(yùn)行函數(shù)等算法模塊實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)代雷達(dá)通常采用搜索加跟蹤(TAS)的工作模式，即對空域搜索的同時(shí)也能保持對重點(diǎn)目標(biāo)的跟蹤，根據(jù)時(shí)間分割原理可將其理解為雷達(dá)在特定時(shí)刻對某一空間位置的照射動作，原理如圖4所示。

圖4 時(shí)間分割原理圖

雷達(dá)系統(tǒng)的資源是有限的，會受到時(shí)間、能量、計(jì)算能力和硬件的約束，而雷達(dá)系統(tǒng)往往是多任務(wù)系統(tǒng)，即在同一時(shí)刻會執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，從而會出現(xiàn)多個(gè)事件對同一時(shí)間槽的競爭，此時(shí)，就需要資源調(diào)度組件依據(jù)事先約定的優(yōu)先級準(zhǔn)則對請求執(zhí)行的事件隊(duì)列進(jìn)行安排。其執(zhí)行邏輯框架如圖5所示。

圖5 資源調(diào)度執(zhí)行邏輯框架圖

自適應(yīng)任務(wù)調(diào)度算法框圖如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)任務(wù)調(diào)度算法框圖

資源調(diào)度組件實(shí)現(xiàn)如下：

class rdSchedule: public baseModel

{

public: //基本方法

rdSchedule ();

void beamArrange(); /波位編排

void taskManage(); //實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度

void run(); //主體運(yùn)行函數(shù)

～ rdSchedule ();

public: //輸入?yún)?shù)

int in_mode; //工作模式

mwin_DetectRange; //探測區(qū)域

mwin_ReqList; //請求列表

public: //輸出參數(shù)

mwout_ScheduleDat; //輸出事件安排

};

2.1.2 發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)用來模擬雷達(dá)的發(fā)射信號波形。發(fā)射機(jī)組件根據(jù)資源調(diào)度組件輸出的任務(wù)指令對發(fā)射信號功率、載頻、中心頻率、帶寬、脈寬等參數(shù)進(jìn)行配置，調(diào)制產(chǎn)生脈內(nèi)信號。組件構(gòu)成如圖7所示。

圖7 發(fā)射機(jī)組件構(gòu)成

2.1.3 回波生成

回波生成組件用來模擬發(fā)射信號經(jīng)過天線傳播后，接觸到外部環(huán)境產(chǎn)生的多種類型的回波信號，主要包括：目標(biāo)回波信號、干擾信號和雜波信號。組件構(gòu)成如圖8所示。

圖8 回波生成組件構(gòu)成

2.1.4 天線

天線的功能是用來完成天線方向圖的模擬，從而為目標(biāo)回波、干擾和雜波信號天線增益的計(jì)算提供依據(jù)。

天線組件根據(jù)天線方向圖及資源調(diào)度組件輸出的波束指向，將接收到的目標(biāo)回波、雜波和干擾信號，分別進(jìn)行調(diào)制并合成出和通道、方位差通道、俯仰差通道三路信號。天線組件構(gòu)成如圖9所示。

圖9 天線組件構(gòu)成

2.1.5 接收機(jī)

接收機(jī)的功能是對雷達(dá)接收機(jī)濾除噪聲、抑制雜波和干擾的一系列處理過程的模擬。

首先將回波信號送入帶通濾波模塊，實(shí)現(xiàn)對噪聲和壓制式干擾的抑制。然后進(jìn)行近程增益控制(STC)和線性-對數(shù)放大處理，實(shí)現(xiàn)對近程強(qiáng)地物雜波的抑制和接收機(jī)動態(tài)范圍的擴(kuò)大。執(zhí)行完一系列增益控制之后，放大了目標(biāo)回波信號，最后通過數(shù)字下變頻將中頻實(shí)信號變?yōu)榛鶐?fù)信號，送信號處理組件進(jìn)行旁瓣相消處理。接收機(jī)組件構(gòu)成如圖10所示。

圖10 接收機(jī)組件構(gòu)成

2.1.6 信號處理

信號處理的功能是用來模擬雷達(dá)對接收機(jī)輸出信號的處理過程，其能進(jìn)一步對回波中存在的干擾、雜波等無用信號進(jìn)行濾除，從而只保留有用的目標(biāo)信號，獲得目標(biāo)點(diǎn)跡信息。信號處理組件包括了旁瓣相消、脈沖壓縮、動目標(biāo)顯示(MTI)、動目標(biāo)檢測(MTD)、恒虛警檢測(CFAR)、旁瓣匿影、距離測量和角度測量等幾個(gè)算法模塊。當(dāng)在進(jìn)行MTI、MTD與CFAR時(shí)，差通道信號的幅度會受到影響，從而影響后面測角的精度，所以俯仰差與方位差通道信號在信號處理時(shí)只做旁瓣相消和脈沖壓縮處理。信號處理組件構(gòu)成如圖11所示。

圖11 信號處理組件構(gòu)成

2.1.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理組件用來對目標(biāo)進(jìn)行判斷其是否已經(jīng)起批，并對目標(biāo)的軌跡進(jìn)行預(yù)測，以便雷達(dá)能夠?qū)ζ浔３指?。?shù)據(jù)處理組件將信號處理得到的點(diǎn)跡信息與已有航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并通過濾波器進(jìn)行預(yù)測，得到目標(biāo)航向和徑向速度，通過濾波提高了目標(biāo)測量參數(shù)的精度。數(shù)據(jù)處理組件包括了數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、航跡更新和跟蹤濾波4個(gè)算法模塊，組件構(gòu)成如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)處理組件構(gòu)成

2.2 組件管理

上述各個(gè)功能組件開發(fā)測試成功后，每個(gè)組件以動態(tài)鏈接庫的形式放入雷達(dá)組件管理庫中，然后根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的工作順序?qū)⒏鱾€(gè)組件鏈接成一個(gè)完整的雷達(dá)仿真系統(tǒng)。當(dāng)需要搭建新的雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，可以直接從雷達(dá)組件管理庫中調(diào)用所需的功能組件，并按照預(yù)定的功能需求和軟件框架，對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行搭建、更新和維護(hù)，具有快速、方便的優(yōu)點(diǎn)。

3 仿真系統(tǒng)實(shí)例

本節(jié)以艦載相控陣?yán)走_(dá)為例，給出了一個(gè)完整的組件化雷達(dá)仿真系統(tǒng)實(shí)例。仿真所用的計(jì)算平臺型號如下，中央處理器為英特爾酷睿i7-8700處理器。具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真平臺硬件參數(shù)

雷達(dá)系統(tǒng)開始工作前，首先要對雷達(dá)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行初始化，初始化參數(shù)存放于數(shù)據(jù)庫中，通過對數(shù)據(jù)庫的讀取，完成仿真系統(tǒng)的初始化。典型的艦載相控陣?yán)走_(dá)參數(shù)如表2所示。

表2 典型艦載相控陣?yán)走_(dá)參數(shù)表

圖13 目標(biāo)真實(shí)信息與雷達(dá)探測信息對比圖

雷達(dá)仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中的運(yùn)行結(jié)果存儲于數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)可在綜合顯示界面上將雷達(dá)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行直觀地顯示。在數(shù)據(jù)庫中取CFAR后回波信號的最大值所在位置，由目標(biāo)距離計(jì)算公式R=0.5nc/fs，可求出目標(biāo)的距離；由單脈沖測角可得出目標(biāo)角度信息；由數(shù)據(jù)濾波可得出目標(biāo)的徑向速度。

取數(shù)據(jù)庫中存儲的目標(biāo)的105次探測值對雷達(dá)仿真系統(tǒng)的測量精度進(jìn)行分析，目標(biāo)真實(shí)信息與雷達(dá)探測到的目標(biāo)信息對比圖及雷達(dá)探測誤差如圖13所示。

由圖分析可知，目標(biāo)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)跟蹤后，雷達(dá)的測距誤差在15m以內(nèi)，測角誤差在0.02°以內(nèi)。速度值在濾波初期，誤差較大，但隨著濾波次數(shù)的增加，速度誤差穩(wěn)定在5m/s以內(nèi)。這是因?yàn)樵谑状螢V波時(shí)并沒有速度信息，而是通過對距離信息的濾波才產(chǎn)生速度信息，并在后續(xù)過程中不斷用距離濾波值對速度信息進(jìn)行修正，提高了濾波速度的精度，間接實(shí)現(xiàn)了對速度的準(zhǔn)確測量。分析可見雷達(dá)探測到的目標(biāo)的運(yùn)動信息是正確的。

雷達(dá)探測到的目標(biāo)信息會以規(guī)定的格式保存到數(shù)據(jù)庫中，并在綜合顯示界面上直觀地顯示出目標(biāo)航跡信息，如圖14～15所示。

圖14 目標(biāo)信息存儲文件格式

圖15 雷達(dá)仿真系統(tǒng)綜合顯示界面

4 結(jié)束語

本文針對基于面向過程式語言的雷達(dá)仿真系統(tǒng)開發(fā)難度大、模塊復(fù)用度低、運(yùn)行速度慢的問題，提出了一種基于C++語言的組件化雷達(dá)系統(tǒng)建模與仿真方法，給出了雷達(dá)各功能組件的建模方法和完整的仿真系統(tǒng)實(shí)例。經(jīng)過實(shí)際仿真的驗(yàn)證，這種方法明顯地降低了雷達(dá)仿真系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了運(yùn)行速度，降低了開發(fā)成本，能夠很好地滿足現(xiàn)代雷達(dá)仿真系統(tǒng)開發(fā)的需求，具有光明的應(yīng)用前景。