雷达模拟器软件的研究与设计

马敏

【摘 要】本文设计并实现了一款可在多个不同平台下设置多部雷达的雷达模拟器。文中介绍了如何模拟雷达的实际跟踪过程，解决了多雷达的资源使用问题，并针对岸基雷达工作的海面环境和目标特点，在雷达模拟器中设置了检测概率计算及海杂波模型。该雷达模拟器能够更加真实准确地模拟实际战场环境，为雷达系统的研究、生产和使用提供必要的学习、调试手段。

【关键词】雷达模拟器软件；资源使用；海杂波模型

【Abstract】This article designs and fulfills a new radar simulator， in which users can set several radars on different platforms. In this article， simulation of real work progress of radar is introduced， and distribution of cpu resource as well. Besides， sea clutter model， i.e. Rayleigh distribution， is used to describe different sea conditions. The Radar simulator can provide more realistic radar working circumstances for the research and produce of radar system.

【Key words】Land-based Radar； RCS frustration； Detection probability； Sea clutter model

0 引言

雷达模拟器可以模拟各种工作环境中的雷达，如天空、陆地或水面等。雷达和目标的参数亦可按需求灵活设置，如雷达的位置、周期、功率、精度，以及目标的轨迹、速度等。其操作方便，可以较为逼真地模拟雷达实时的探测性能，为信号处理和数据处理算法性能的测试、评估及研究提供仿真数据支持和评估环境。相关文献已介绍了多种工作环境中的雷达模拟器[1-5]，如机载雷达模拟器[2]，潜艇雷达模拟器[3]等。但目前所见文献中，模拟器大多针对单一环境中的单部雷达进行设计。而在实际战场环境中，往往是多部雷达在多种不同的平台上同时工作，对同一目标进行跟踪。而目前所见文献大都未进一步对此场景进行实现。

本文实现了一款可在多种不同环境下设置多部雷达的雷达模拟器。雷达可以设置在陆地或水面舰船上，目标可为飞机或舰船。针对对海观测的特点，模拟器中还考虑了海杂波导致的虚假目标。该款雷达模拟器更加符合实际场景，有利于更好地测试与评估相关信号及数据处理算法的有效性。

1 系统分析

该模拟器功能主要包含场景编辑和仿真、数据记录、动态显示功能等。

1）可以同时模拟多部雷达探测，并实时输出目标的点迹或航迹；

2）具有场景设置功能，能根据需要模拟各种运动特性的飞机和舰船目标，可以模拟运动平台下的雷达扫描；

3）采用可视化界面设计，具有地图显示功能，可以清晰的区分场景中的平台、目标和雷达等工作元素；

4）可以保存设置完毕的场景，形成剧情文件，读入后可以重复剧情；

5）系统软件目标点迹的产生，要符合雷达的自身特性，这些特性包括探测威力、发现概率、雷达视角和误差特性。

6）目标航迹的产生，要符合航迹数据的产生规律，也即要进行跟踪处理后输出。

2 主要功能实现

2.1 模拟真实雷达扫描

真实雷达的扫描是一个多个系统配合的复杂的过程，涉及到天线伺服的旋转，天线码盘的读取，涉及到雷达重复频率和发射机工作。真实雷达的扫描是连续的过程，是将整个0～360度的分成8192个角度单元（码盘的满刻度0～8192），在天线工作时，终端通过天线方位触发采集天线码盘方位和回波信息，通过光栅显示实现雷达扫描的过程显示。

雷达模拟器要实现雷达的扫描，必须要将雷达的扫描线实时画在场景上。为了能有更多的应用，雷达模拟器扫描周期可以在合理的范围内任意设置（3秒～40秒）。雷达在模拟扫描过程中不能有停顿感。考虑人眼的反应时间（一般10毫秒数量级，每个人各不相同），我们在设计的时候采用了5毫秒软件定时器，也就是每5毫秒进行一次新扫描线的绘制和旧扫描线的清除，每次扫描线画的方位为：

Azi=Azi-last+？驻t*360/T

这里的？驻t是上次扫描到这次扫描的时间差，虽然设置了5毫秒定时器，但是实际上Windows系统的并不能每次都能在5毫秒准时响应时钟中断，有时要稍长一点，但一般不会超过20毫秒。

2.2 模拟真实雷达探测过程

雷达探测是其最主要的任务，它是一个复杂的多系统协同工作过程，简单地说即雷达波束扫过目标后，通过接收处理，信号处理，点迹凝聚处理，产生目标的点迹信息。目标点迹信息是包含了该雷达自身系统误差和随机误差，同时也是满足该雷达的发现概率的。所以雷达探测的本质是在理想系统（无系统误差，无随机误差，无外部干扰）情况下，加入雷达自身条件约束和外部条件约束。

模拟雷达探测的过程也是按照“理想+噪声”这个模型原理进行的。实时计算目标的真值位置与雷达扫描线的当前方位，当确定扫描线已经扫过目标后，将目标真值方位和真值距离分别加上雷达系统误差和随机误差，作为点迹位置。

2.3 多雷达模拟器的资源使用问题

单个雷达的实现可能还相对简单一点，对于多个雷达的同时工作，需要考虑的问题就更多：

1）如何分配资源给每个雷达；

2）如何能让每个雷达可以按照自身的规律工作，而不受其他雷达影响；

3）如何能使雷达的性能不因为雷达增加而降低。

采用数据链表和时间驱动的方法解决这些问题。数据链表的方法就是把每个雷达作为一个对象来进行管理（每个雷达有自身的特性，这些特性是独立的），然后用链表把他们连接起来见图 1。

时间驱动的方法，就是整个仿真系统的工作是通过5毫秒软时钟来实现的。当5毫秒时间中断到来时，系统检视一下每个雷达要做的工作，从第一个雷达到最后一个雷达，谁有工作，就立即执行谁的工作内容，如果没有工作，那么立即进行下一个雷达的工作检视。工作过程见图 2。

每增加一个雷达就会增加相应的系统资源，产生的代价就是增加计算机内存的占用和增加计算机CPU的负荷。这里的“多雷达”并不是可以无限的多下去。如果是N个雷达和M个目标，系统运行后会产生最多M×N批次的目标探测和跟踪。我们设计的指标是100批目标，10个雷达模拟器，这相当于1000批次的目标探测和跟踪，再加上每个雷达模拟器还有自身的扫描和维护，这对系统的资源占用也是十分巨大的。

2.4 海杂波模型

海杂波环境通常会对目标的探测造成较大困难。一方面是由于在海面上，海杂波的信号强度往往高于舰船目标的信号强度；另一方面，海上舰船运动速度较慢，其多普勒频移又会与海杂波能量所对应的频谱相重叠。常用的海杂波幅度分布有Rayleigh分布、对数正态分布等[6、7]。简化起见，本文只采用最常用的Rayleigh分布。

在模拟器中，杂波区域设置为扇形。当雷达扫描线进入杂波区域后，将扫描线触及的区域等分为n点，每点按杂波分布模型产生相应的杂波幅度。如图 3所示，绿色点为雷达站位置，红色点为海杂波点。为简单起见，假设海杂波最大值为1.0，杂波的检测概率等于杂波幅度值。

求得目标和海杂波点的检测概率后，按照如下方法判断目标是否从屏幕输出：在[0，1]区间内选择一个随机数a，该随机数a在[0，1]内满足均匀分布。若a>p，则该杂波点未被雷达检测到，反之，输出该点的杂波信息。

3 模拟器实现

在均匀杂波9级，海杂波4级情况下，同时产生四部雷达的中、小两种典型船只的点迹数据。其中，中、小两种船的RCS分别为2000m2、200m2，两种船只分别独立进行匀速、机动运动（速度15节、30节、50节），相互之间的运动轨迹无交叉，且目标做向站或背站运动，每种状态运行15分钟。雷达参数如下表所示。其中，1-3是岸基雷达，4号为舰载雷达。4号雷达匀速直线运动，速度为15节。

图6可以说明：1）海面舰船目标沿着设定的航线和速度运动，形象地表示了目标的真实运动情况；2）四部雷达分别部署在陆地和舰船上，可以按照各自的工作参数同时进行目标探测和跟踪；3）场景仿真时在海面上设置了杂波区，模拟器可按设定参数产生相应的海杂波。

因此，该雷达模拟器能够直观、形象地模拟出战场环境、目标及雷达的工作过程，并基于真实的地理信息显示雷达探测结果， 使得模拟器的系统工作环境达到可视化。

4 结束语

本系统设计并实现了一款简洁直观的多雷达场景仿真软件。用户可直接设置雷达站以及各种目标（包括舰船、飞机等）的坐标、工作参数、运动轨迹等。可为雷达系统的研究、生产和使用提供必要的学习、调试手段。已开发的雷达模拟器已经通过联试，实际应用于雷达研制过程中。

【参考文献】

[1]高梅国，毛二可.雷达模拟器[J].电子对抗，1999：1，6-12.

[2]方伟；何友，欧阳文.机载雷达模拟器设计与实现[J].第九届全国雷达学术年会，2004.

[3]刘向君，刘忠义，周建平.潜艇雷达模拟器建设新思路[J].潜艇学术研究，2009，27（4）：43-44.

[4]陈丽平，杨峰，梁彦.雷达模拟器中可视化仿真技术的实现[J].计算机仿真，2010，4：324-328.

[5]田佳.雷达模拟器的研究与设计[M].大连海事大学，2008.

[6]唐念智，张安清.海杂波特性分布模型研究[J].中国雷达，2007，2：18-22.

[7]谢永亮，赵朋亮，甘怀锦.雷达模拟器中海杂波模拟的一种新方法[J].微型机与应用，2011，30（3）：67-69.

[责任编辑：张涛]