雷达软模拟技术研究

刘尚富，谢永亮，王 英，曾海兵

(海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠 233000）

雷达软模拟技术研究

刘尚富，谢永亮，王 英，曾海兵

(海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠 233000）

目前，计算机模拟雷达系统有着广泛的应用和独特的优势。本文针对各类雷达模拟器中软件系统的构建与设计进行研究，提出软件设计应遵循的原则，并对总体方案设计进行详细介绍。

雷达系统模拟;设计原则;总体方案;CUDA

0 引言

计算机模拟在工程设计和科研开发中拥有难以撼动的主导地位，雷达由于装备复杂、造价高昂，计算机模拟雷达系统有其独特的优势，可以概括为“多快好省”［1］。多:能够模拟不同体制雷达及不同型号，突破现实条件的限制;快:不需要实物模型制作，许多装备的调试过程以年月计，而模拟则以天和小时计;好:细节方面可以得到充分模拟，误差及系统干扰小，测量调试方便;省:省去建造和运行装置的成本，可多次改造和升级，且没有环境影响和安全隐患。模拟器在学员培训、实况模拟、科研开发方面起着越来越重要的作用。

1 雷达软模拟应遵循的原则

在一项计算机软件的生存周期中，一般分为6个阶段:可行性与计划研究阶段、需求分析阶段、设计阶段、实现阶段、测试阶段、运行与维护阶段。雷达是一个较为复杂的系统，为使软件功能完备，健壮性、灵活性和可靠性得到保障［2－3］，其软件设计遵循以下原则:

1）功能与原雷达装备的操作、维护和管理训练为主，操作界面、功能响应、故障现象等与实际雷达一致。

2）系统功能设计采用功能仿真与信号级仿真相结合，以功能仿真为主。

3）系统结构采用模块化设计思想，接口标准化，功能模块可以叠加，通过接口可以扩展功能。

4）注重软件的健壮性、高效性，允许误操作。

5）在软件实施过程中，建立完善的文档资料，增强软件的可读性和维护性。

进行雷达模拟器软件设计时，还应考虑和解决以下几个问题:

1）数据实时产生与数据处理。雷达模拟器在正常工作中，需要实时生成大量信息，主要是杂波信息、目标信息、信号幅度信息、误差信息、雷达系统工作模式等各种状态信息等，并对采集到的这些数据信息进行及时处理，因此在进行系统设计时应考虑如何实现数据实时产生及数据的处理。

2）精度和实时性问题。雷达模拟系统要求达到较高的精度和很高的实时性。由于模拟器系统本身及其信号和环境的变化很复杂，需要实时生成大量的信息，且产生的信息要与实际基本一致，决定了模拟系统的实时性要求。

3）可移植性问题。随着电子技术、计算机技术、总线技术、仿真技术和各种高新技术的快速发展，雷达系统的更新换代也随之加快。因此增强系统的可移植性是模拟器设计的重要课题之一。

4）模块化问题。合理设计各种功能模块，各模块在自身功能的实现上是封装的，彼此之间通过接口协调工作，能提高代码的重复利用率，便于调试和排错，且易于扩展。

2 雷达软模拟总体方案设计

模拟器软件系统可采用以操控面板单元为主线，以模块响应为主体，通过操控面板各按键、旋钮、开关等的触发产生模块响应，得到绘图数据，在后备缓存中绘制好下一幅要显示的图像，实时地完成P显视频图像的输出。由此即可模拟出雷达的功能。

模拟器设计遵循模块化设计，各模块封装自身功能并采用标准化的设计接口，通过接口进行彼此间的通信，完成各操作对应的响应，其设计框图如图1所示。雷达系统通常可以分解成余辉效果模块、扫描线生成模块、各杂波生成模块、目标生成模块等，各模块接收操控面板传来的操作参数，实时生成各模块的特征图像信息，并在后台进行图像信息融合，构建成完整的雷达画面。

此外，在视频图像显示时，为了便于控制处理各类型的回波等，采用分层显示技术，根据一般雷达的回波视频特性，对图像分以下3层来显示:

第1类:扫描线、噪声层。这2种图像特性随方位、距离的变化不明显，在各种模式下变化非常缓慢，且对其进行操作的按键少，具有余辉效应，可作为视频图像的最底层。

图1 模拟器软件总体设计图Fig.1 General design chart of simulator software

第2类:海杂波、气象杂波、目标等。此类回波具有余辉效应，随时空的变化比较大，对不同的海况、天气、环境等有明显的不同，且目标出现的方位、距离随机性很大，目标类型也多样化。为了便于杂波抑制，目标录取等操作响应，此类作为视频图像的中间层，能及时响应对应的操作而不影响其他回波的显示。

第3类:固定图标类。固定图标类主要包括光标、动目标船形符、固定目标符、舰首线、登记卡等等。此类图层主要为明亮的符号，在屏幕上没有余辉效果，显示稳定，能迅速及时响应对应的操作。此类图标应作为视频图像的最上层，具有优先显示权利。

视频图像分为3个图像层显示，能很方便地控制每个图像层的变化，实时对控制按键的触发进行响应，且对其他的图像层没有影响。另外，分层显示能很大程度上提高软件的绘图效率，在图像翻转前有足够的时间在后备缓存中绘制好各层的画面，对于不需要改变的可以直接应用前面的图层，提高了软件运行的速度，克服了图像的抖动现象。

图像的分层显示可以通过Direct3D组件为用户提供的纹理对象来实现。Direct3D组件为用户提供了Texture对象，Direct3D最多可以支持8层纹理，也就是说在一个物体的表面可以同时拥有1～8层不同的纹理贴图［4－5］。Direct3D能够在一个渲染过程中把这些纹理颜色依次混合，渲染到同一个物体的表面。

每帧雷达画面的绘制顺序如下:

1）操控面板输入消息添加到消息队列，各模块依次响应;

2）用背景色对后台表面进行填充;

3）把扫描线、噪声层纹理传送到后台表面上;

4）把海杂波、气象杂波、目标纹理传送到后台表面上;

5）把P显固定图标类纹理传送到后台表面上;

6）绘制后台表面，融合图像数据;

7）通过翻转，把后台表面变成前台表面，使其上的图像显示出来。

根据总体方案的设计思路，模拟器软件系统总体工作流程如图2所示。

图2 模拟器软件系统总体工作流程Fig.2 General workflow of simulator software system

用户通过操控面板进行操作，操控参数存储并传送到相应的模块，各模块接收到参数后实时处理并生成对应的绘图数据，各绘图数据传送到后台表面上，后台表面的画面绘制完成后，通过翻转，把后台表面变成前台表面，使图像快速显示出来，由此来模拟雷达的功能。

3 结语

在雷达模拟过程中，为了解决余辉巨大计算量的问题，可以采用CUDA的编程模式来代替传统的CPU+DSP模拟余辉，在GPU中为每一个像素点创建一个线程独立进行亮度衰减处理。GPU特别适合并行数据运算问题，同一个程序可操作许多并行数据元素，并具有高运算密度 (算术运算与内存操作的比例），且在高密度运算时，GPU访问内存的延迟可以被掩盖［6］。

固定图标的实现采用预存位图的方式，将每个图标的真实图片通过处理后以位图的形式存储在资源中，然后将位图载入Direct3D纹理资源，在后台渲染通过翻转表面显示出真实度很高的图标［7］。与直接在程序中绘制图标相比，能克服2个缺点:一是直接绘制的图标效果不一定完全与实装上的图标一致;二是直接绘制带来了复杂的计算量，给系统增加了包袱。

通过用CUDA与DirectX结合的编程方式，模拟的雷达画面结果如图3所示。

图3 雷达模拟画面Fig.3 Radar simulated display

合理地设计好雷达软件系统，对整个系统的资源利用率和软件运行的流畅性起着至关重要的作用，同时优化构建好关键模块是模拟系统的高效性的基本保障。本文主要研究雷达软模拟的构建原则，并提出了合理的构建方案，对各类模拟器的研发有着重要意义，同时也可以应用于雷达系统的优化设计。

［1］多相复杂系统国家重点实验室多尺度离散模拟项目组.基于多GPU的多尺度离散模拟并行计算［M］.北京:科学出版社，2009:1－33.

［2］温昱.软件架构设计［M］.北京:电子工业出版社，2007:3－14.

［3］IAN S.软件工程［M］.程成，陈霞，译.北京:机械工业出版社，2008:60－99.

［4］SHERROD.DirectX游戏开发终极指南［M］.北京:清华大学出版社，2008:5－31.

［5］FRANK D L.DirectX 9.0 3D 游戏开发编程基础［M］.北京:清华大学出版社，2007:1－21.

［6］谢永亮，汤晓迪，刘尚富，等.基于CUDA技术模拟雷达余辉的一种方法［J］.微型机与应用，2011，30(8）:61 －63.

XIE Yong-liang，TANG Xiao-di，LIU Shang-fu，et al.Rodar persistence vision simulativemethod based on CUDA［J］.Technique and Method，2011，30(8）:61 －63.

［7］BRADLEY B，PETER D.Inside DirectDraw［M］.Microsoft Press，1998:2 －15.

Research on radar software-simulation technique

LIU Shang-fu，XIE Yong-liang，WANG Ying，ZENG Hai-bing
(Naval Petty Officer Academy，Bengbu 233000，China）

Nowadays，radar system simulated by computer is widely used and has its unique advantages.In this paper，software system for each radar simulator is studied，design principle is advanced，and general scheme of radar system software is introduced fully.

radar system simulation;design principle;general scheme;CUDA

TN95

A

1672－7649(2014）04－0117－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.024

2013－12－02;

2014－01－06

刘尚富(1980－），男，讲师，从事舰艇雷达技术研究。