雷达原理教学实验室建设研究

韩壮志 马俊涛 尚朝轩 王雪飞

摘要：为适应以信号处理为核心的现代雷达技术发展现状，需要增强本科生对雷达基本理论的运用能力，其关键是建立实验室，在“雷达原理与系统”、“雷达信号处理”等原理类课程中开设相关实验。显然，为不同课程逐个建立实验室是不现实的。本文提出了雷达原理类课程教学共用实验室的建设方案，可以同时满足“雷达原理与系统”、“雷达信号处理”两门课程的实验教学需求，提高了实验室建设效率，也为相关课程共用实验室建设提供了参考。

关键词：雷达原理与系统;雷达信号处理;实验室建设

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）18-0243-02

“雷达原理与系统”、“雷达信号处理”是雷达、电子对抗等方向各专业的原理类核心课程，为适应以信号处理为核心的现代雷达系统发展现状，雷达原理教学中信号处理的比重逐渐提高。但这部分内容较为抽象，难以理解。为此，几年来的教学实践表明，对于工程类的雷达、电子对抗专业本科生，“雷达原理与系统”、“雷达信号处理”课程应以提高信号处理理论运用和实践能力为目标，通过配以一定学时的实验提高知识运用能力，实验内容应分别以雷达信号处理的算法原理和现代雷达结构为核心展开。但是，如果按一人一组的要求，对上述两门课程分别建立实验室，则存在较大的场地、经费、时间和维护等需求，会迟滞实验室的建设进度，难以尽快发挥效益。实际上，同时建设两个实验室也是不必要的。经过深入研究，我们发现：上述两门课程在实验方法、实验设备上存在很多交叠点，其区别仅仅在于分别侧重雷达信号处理过程的不同阶段，完全可以采用同一系统，通过配置不同的软件模块实现。为此，建立共用的雷达原理教学实验室成为最优方案。但为了保证实验室同时适应两门课程的教学、实验内容，其建设方案必须进行严密细致的论证和设计。

一、实验内容分析

在雷达领域，“雷达原理与系统”、“雷达信号处理”这两门课程都具有理论性强、知识面广的特点，很多原理和算法非常抽象，不易被学生掌握。实际上，对于工程类本科生而言，其对上述知识的掌握，应该以主要算法的实践、运用能力为标准，而非抽象的理论推导能力。为此，建立相关实验室，增加实验学时，加强实验教学成为提高雷達原理类课程教学效果的必要手段。但是，对于不同的课程分别建设不同的实验室，在场地、资金、管理、效益等方面均不现实。实际上，两门课程互为支撑、互有融合、相互交叠。“雷达原理与系统”课程中的数字收发系统、信号处理系统组成及工作原理是“雷达信号处理”课程中信号表达与算法实现的硬件基础，雷达系统的构造又与信号处理流程紧密相关。统一设计的雷达原理实验室不仅能够兼顾两门课程的交叉内容，节省有限的实验场地、经费和人员开销，加快建设进度，而且能双向促进两门课程的教学效果。当然，两门课程也各有侧重：“雷达原理与系统”课程注重雷达基本原理和系统概念，对学员掌握雷达基本理论、建立完整的雷达系统概念具有重要的作用;“雷达信号处理”课程主要学习现代雷达信号处理的基本理论和方法，注重算法原理分析。这就要求雷达原理教学实验室设计既要充分利用两门课程的共性内容，又必须充分考虑两门课程各自的特点。具体而言，“雷达信号处理”课程实验主要包括：线性调频、相位编码等多种雷达信号的生成实验，雷达信号分析实验，雷达信号处理算法验证实验等。其主要实验方法是：一方面通过Matlab模拟生成、分析和处理雷达信号，由计算机显示输出波形，掌握算法原理;另一方面通过调用“雷达信号高速处理模块”中的相应子程序，生成相应的信号，由示波器显示输出，验证仿真结果。通过上述虚、实两种信号波形对比，使学员加深对常规雷达信号处理算法的理解。“雷达原理与系统”的主要实验包括：数字上变频实验、数字下变频实验、信号处理机实验、数据处理机实验等内容。主要实验方法是：一方面通过Matlab仿真实现雷达的数字上变频、数字下变频、信号处理机、数据处理机功能;另一方面，通过“雷达信号处理实验系统”完成上述操作，对比两者的输出，使学员更深入地理解现代雷达系统的组成原理。

从上面的实验内容可以看出，为适应本科生的基础，实验均采用虚、实对比的方法实现：基于Matlab的仿真实验可以加深学员对算法原理和现代雷达构造的理解，基于信号处理系统的验证性实验既让学生加深了对实际信号的认识，又避免了要求本科生掌握DSP编程技术的难题。为此，只要设计能同时满足两门课程的信号处理实验系统，即可实现两门课程共用的雷达原理教学实验室。

二、实验系统设计

根据上面的分析，雷达原理教学实验系统主要包括基础性实验系统和扩展性实验系统两部分。基础性实验系统主要完成雷达信号处理实验，包括信号生成实验、信号分析实验、信号处理算法验证实验等算法运用实验，以及数字上变频、数字下变频、雷达信号处理机等信号处理系统构成和处理流程实验;扩展性实验系统主要完成雷达原理的数据处理机实验。

1.基础性实验系统。基础性实验系统可以进行雷达信号处理的原理性实验，包括雷达信号产生及脉冲压缩实验、雷达波形特性分析实验、动目标回波信号处理实验等，基本上涵盖了常用的雷达信号处理技术;同时该实验系统可以进行雷达原理与系统信号处理模块的相关实验，主要包括数字上变频、数字下变频、信号处理机实验等，使学员能够熟练掌握雷达信号的处理算法原理和系统构成。该实验系统主要由雷达信号处理实验系统、示波器、控制计算机等组成（如图1）。其中，信号源可以在计算机控制下，模拟产生综合雷达信号，包括目标回波、杂波和干扰等。信号源采用数字基带信号生成、矢量信号调制、组合控制等技术设计，实现了数字调制、空情想定和信号模拟等功能的一体化，并根据实际需要编辑产生特定信号样式;雷达信号处理实验系统在计算机控制下，对模拟雷达信号进行A/D转换、信号处理，并将处理后的数据发给计算机分析，或通过D/A转换，形成实时信号波形，送到示波器显示。示波器同时显示信号源产生的综合雷达信号及处理后的雷达波形，以直观的形式进行对比，显示信号处理效果;控制计算机运行于自主开发的信号处理仿真控制软件，一方面用于对信号源、雷达信号处理实验系统的参数、状态进行控制，另一方面也是雷达信号处理算法编程、参数调整和数据分析的平台。

对于雷达信号生成和信号分析实验，学生可先在计算机上，利用Matlab仿真出要分析的雷达发射或回波波形;然后，通过计算机控制信号源，输出实际雷达波形;实际雷达波形一方面通过示波器显示，提供给学生与理想波形进行对比，另一方面以数据形式进入计算机，用于与理想波形的详细分析。对于雷达信号处理实验，可先在计算机上，利用Matlab对雷达回波数据进行处理，仿真出理想的雷达信号处理结果;另一方面，通过信号处理控制软件，将处理算法注入雷達信号处理实验系统，输出实际的处理后雷达波形，用于示波器显示和计算机分析;对于数字上变频、数字下变频、雷达信号处理机实验，主要是通过分析信号源、雷达信号处理机电路和软件结构，理解各部分在雷达信号处理中的作用，并通过控制计算机调整参数，验证理论分析结论。

2.扩展性实验系统。扩展性实验系统主要完成雷达数据处理机实验。当前的雷达系统终端和数据处理机一般由高性能加固计算机实现，因此雷达数据处理机实验系统主要由计算机及相关软件构成。实验系统主要用于演示雷达数据处理机的组成及数据处理流程，包括数据关联、野值剔除、航迹起始、多目标跟踪、卡尔曼滤波、航迹终止等内容的演示性讲解，并演示A显、B显和局部高速采样3维显示等功能。

具体而言，雷达数据处理机实验系统主要由标准机柜、20.1英寸显示器及终端处理分机组成，其中终端处理分机包括目标检测处理组件、光栅显示组件、通信组件、局部总线底板、电源模块以及用于本地和战术操作的键盘、鼠标等组成。实验时，目标检测处理插件完成雷达信号的输入处理，数据格式包括雷达信号处理系统送出的幅度信号、距离同步信号及过门限检测信号，或由该插件内建的模拟目标产生单元形成模拟目标信号，由光栅显示插件完成恒虚警检测、目标参数自动录取、点迹处理、航迹处理、高度测量、各种显示与干预命令的实现、人机界面接口等，由通信接口插件形成上报数据、信息显示等。

三、实验室应用价值

采用上述方案，雷达原理教学实验室以本科教学需求为牵引，以理论和科技前沿知识为核心，不仅能够同时满足两门雷达原理类课程的教学实验需求，提高学员的雷达基础理论水平，还可以强化学生的实验技能，可为培养具有创新能力的高层次人才奠定基础。同时，实验室还为雷达信号处理关键技术研究提供先进的仿真、设计、调试和实验环境，满足雷达专业本科生毕业设计、科技竞赛等方面的需要。随着实验项目的扩展完善，仪器设备、算法理论的逐步充实，实验室还可服务于研究生教学，用于相关课程的教学实践、研究生的自主开放性实验和设计性实验，以及研究生课题研究过程中的雷达系统仿真。

参考文献：

[1]丁鹭飞，等.雷达原理[M].第4版.北京：电子工业出版社，2009.

[2]Mark A.Richards.雷达信号处理基础[M].北京：电子工业出版社，2010.