多普勒搜索雷达模块化仿真设计概述

宁 伟,杨泽山,黄云洋

（北京蓝天航空科技有限责任公司研发中心，北京,100085）

多普勒搜索雷达模块化仿真设计概述

宁 伟,杨泽山,黄云洋

（北京蓝天航空科技有限责任公司研发中心，北京,100085）

多普勒搜索雷达仿真目的是满足飞行员实装设备训练要求，同时降低训练成本。设计过程中考虑到该搜索雷达的功能要求和软件要求，提出模块化仿真的思路。通过模块化仿真设计的思路，可满足该系统与飞行模拟器其它分系统的数据交互，逼真的达到故障、特情等现象。同时，为后续其他型号雷达的复用及敏捷开发提供支持。 通过在某反潜直升机飞行模拟器训练设备中进行该雷达仿真设计实例的应用，证明该仿真方法具备严谨性及实用性。

RCS；DEM

0 引言

现代战斗机中火控雷达的对空、对地进行目标攻击训练是当前部队作战训练的重点训练科目内容之一，它要求飞行员能够利用雷达的搜索、跟踪及辅助地图测绘功能，与自动驾驶仪和火控武器系统做到最佳配合，保证在操作上尽量简单快捷地实现对目标的精准识别和有效攻击。而实装训练成本高、效率低，受空域和天气等环境因素的制约，实施难度大，借助雷达仿真器的模拟训练是当前形势下的迫切需求。但市场上用于模拟训练的商用雷达系统的仿真软件国内外均存在下述问题：不仅价格昂贵，处于技术封锁原因也难于购买，一般渠道购置后仍旧功能受限。

因此，迫切需要打破该领域技术限制，立足于开创具有公司自主知识产权的研发成果。通过对雷达系统进行仿真设计需求分析。得到如下两个综合考虑因素：

从仿真功能角度，在突出雷达仿真系统正在成为综合电子战仿真系统中的重要部分，迫切需要从仿真系统建模和验模的角度考虑，提出更高的要求，能够充分发挥模拟训练和战术演练中的作用，使得雷达真实特性能够闭环于战术系统中进行特性体现。

从软件设计角度，促进该仿真系统的模块化设计思想，使得仿真系统对工作平台、搭建战术网络环境均能具有较强的适用性；同时，还可以通过战术网络建模层级对软件模型的粒度进行升级和降级的更新，这种模块化的设计可以根据用户的不同需求定制功能模块，使得该全数字雷达仿真系统具有扩展能力和多项目应用价值。

1 系统组成

1.1 系统功能

下述系统说明以某反潜直升机的某型多普勒搜索雷达为模拟对象，雷达能够通过发射高功率射频脉冲信号并接收目标回波信号，对其进行处理，得到目标距离、方位，并可将目标及其距离、方位在综合显示器上显示。同时，为反潜提供近海和远海搜索，在战术显示器上显示空间态势及视频显示，可对其中目标进行跟踪。

1.2 数据交互

该多普勒搜索雷达仿真软件在反潜直升机飞行模拟器实现及验证过程。通过UDP协议与模拟器主仿真计算机通信，系统的仿真交联关系如下：首先，用户可通过配置文件进行雷达属性参数设置、设备端（座舱操作通过硬件接口采集获取）接收工作模式切换和操作信息、教员台对雷达进行故障设置、通过模拟器主控计算机接受来自其他系统的数据及环境仿真参数例如：气象、杂波数据以及目标和载机的信息。雷达仿真软件将会根据载机信息，目标信息，环境参数，控制信息，产生雷达回波信号，经过雷达系统的信号处理过程，计算得出目标的有用信息。最后通过数据驱动模块包将经信号处理后的目标信息提供给终端显示设备。

2 仿真软件设计实现

2.1 总体设计

仿真对象属性如下：

1) 雷达为X波段，具备频率捷变及脉冲压缩技术，它的椭圆孔径抛物反射天线具有低旁瓣消隐补偿功能，数字恒虚警处理及大脉冲压缩率；

2) 具备数字CFAR海杂波干扰抑制功能，很好的保证了低速目标运动的搜索及多目标跟踪能力；

3) 具备对陆地、海面及气象的视频成像功能。一次视频能够形成利于观测整体战场环境信息，对于弱反射目标探测能力较差；二次视频突出重点其发现小目标信号的能力。

4)具备抗干扰能力，包含主动和被动干扰抑制能力。

映射到项目中需要实现的功能和设计考虑，并依据上述功能要求进行如下软件模型组成及模块划分如下图：

2.2 设计输入

1）仿真对象属性输入

模拟对象的雷达天线属性（天线孔径、水平及垂直波束宽度、主瓣和旁瓣最大增益）、不同工作模式下的脉冲重复频率、雷达作业范围、探测能力（不同RCS不同海况下的探测距离）及性能参数（检测概率、虚警率）、极化特性、跟踪特性（跟踪速度、距离和角度跟踪精度）、距离分辨率和角度分辨率等。

2）目标输入

通过建模场景中需要的目标信息，如飞机、舰船、导弹驱逐舰、商船及潜水艇等三维模型，并赋予运动特性。作为雷达目标探测的数据源，用于根据起伏特性建立该目标的RCS。

3）环境信息

主要包含海杂波、地杂波和气象杂波等的雷达杂波，通过建立基于Rayleigh分布的地面杂波统计模型，基于Weibull分布的气象杂波统计模型。统计模型既能较好的拟合实验数据，也降低了精确建模的复杂度。

4）DEM数据

DEM数据即数字高程模型，在此，它是模拟搜索模式下地形视频显示信息的依据和来源。仿真截取的DEM为机场分辨率15米，其他地形数据分辨率为30米，利用该信息进行分型算法及分类规则建立地形地貌数据，再依据遮挡模型获取虚拟的地形回波数据。

2.3 关键模型分析示例

脉冲压缩模型：

图1 仿真雷达与飞行模拟训练系统中的交互关系

发射相当长的脉冲（带调制），然后将雷达回波处理成非常短的脉冲，每个压缩后的子脉冲宽度等于期望的压缩后的脉宽，即脉冲压缩技术。对于一组给定的雷达参数，只要发射脉冲保持不变，那么SNR也不变。即当使用脉冲压缩时，通常保持脉宽不变而增加带宽，可以使检测距离不变的同时显著改善距离分辨率，因为距离分辨率与信号带宽的倒数成正比，即：

经推导，低通滤波后的信号可以改写成：

在仿真过程中，我们可以忽略混频器和脉冲压缩的详细滤波过程，只需要关心滤波达到的效果表达即可，但在推导中获得的重要信息是：

图2 多普勒搜索雷达仿真系统模型组成

该式表达了采样样本数的要求。对压缩脉冲谱使用加权函数（窗）来降低旁瓣电平，常见采取滤波方式是有：海明窗 (hamming(N))、布拉克曼窗 (Blackman(N))、凯泽窗(Kaiser(N,beta))、切比雪夫窗（Chebychew）等来实现FIR低通滤波器设计。这些滤波工具在Matlab中都有相应的窗函数可直接调用。

表1 仿真输入数值

图3 设置散射体后未做压缩的雷达回波信号

图4 设置散射体后经脉冲压缩后的雷达回波信号

通过上面两个图的对比，我们可以清晰的看出，在设置三个RCS接近，距离接近的散射体后，发射信号经脉冲压缩后，对这三个散射体能够有效识别，识别后相对距离与输入距离基本误差范围小。脉冲压缩在距离向的高分辨率特性效果明显。

3 应用示例

在项目实施过程，雷达模块化仿真系统选择VC++和MATLAB混合编程实现。主要编程语言仍为VC++。程序中对部分雷达信号处理依赖于MATLAB的程序进行封装后，进行动态调用。主要原因是：MATLAB本身明显优势在于该软件功能强大，包含的信号处理工具箱和工具函数使得设计者对于雷达信号处理相关的程序设计工作降低。同时，其图形化输出处理过程方便模型的调试或验证。但是，作为多功能大型软件，编程效率高，但执行效率低，在处理大型数据时速度特性差，在测试过程中读取部分DEM数据都常出现内存耗尽的提示而无法完成处理。

软件以60Hz速率独立运行于雷达仿真计算机中，模拟器主机运行周期100Hz，依据上述仿真设计方法应用于该实时仿真系统。进行搜索模式下的地形显示效果如下：

图5 搜索模式下的视频输出

4 结束语

本文给出多普勒搜索雷达模块化仿真设计方法，由于文章篇幅有限，概述说明设计框架，并列举脉冲压缩模型的仿真效果。同时，这种模块化设计方法更便于后续其他型号雷达的复用及敏捷开发。目前该仿真实现已应用于某型反潜直升机飞行模拟器配装雷达的仿真，其探测和搜索结果通过综合显示器作为显示终端。经验证，该系统建模方法及仿真思路着眼于工程实践及应用，具备严谨性的同时一定程度上能够达到实装设备训练要求。雷达系统仿真一直是国内仿真领域的难点，后续在模型的信号级仿真粒度提升方面还有很大的空间。

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[7] 陈洋、刘云翔、王志乐、付战平.战斗机载火控雷达地图测绘仿真算法研究[J].系统仿真学报.2012.9

Survey of Doppler Search Radar Modular Design Simulation

Ning Wei,Yang Zeshan,Huang Yunyang
(Beijin Bluesky Aviation Technology Co.,Ltd,Beijing,100085,China)

Doppler search radar simulation is designed to meet the actual equipment pilot training requirements,and to reduce the cost of training.In the process of design,the functional requirements of the search radar and the requirements of the software are taken into account.Through the modular design and Simulation of ideas,we can meet the data exchange between the system and flight simulator with other subsystems and realistic to achieve fault,the informer of the phenomenon.At the same time,we can provide support for the follow-up of other types of radar reuse and agile development.Through the application of an anti-submarine helicopter flight simulator.It is proved that the design of radar simulation method with rigorous and practical.

RCS;DEM