直升机载火控雷达模拟训练仿真系统设计

王　琳　张大锋　刘　峰　任　强　段芳芳

(1.陆军航空兵研究所　北京　101121；2.光电控制技术重点实验室　洛阳　471023；3.西安电子工程研究所　西安　710100)

0　引言

随着近年来电子技术和计算机数字模拟技术的飞速发展，模拟仿真逐渐成为国内外军事研究领域的热点。作为雷达模拟技术的重要应用领域之一，雷达模拟仿真训练以其安全、经济、灵活、逼真的特点得到快速发展，已成为军事训练中必不可少的辅助工具和手段。雷达模拟训练系统是模拟仿真技术和雷达技术相结合的产物，它通过模拟方法产生雷达操作和显示的各种信号，在实际雷达前端不具备的条件下，真实地描述雷达的工作状态[1]。

国外在雷达模拟训练系统研究方面起步较早，开发的模拟训练系统具有灵活性、通用性、兼容性和可扩展性等特点。具有代表性的是：美国KOR Electronics公司开发的数字化雷达环境模拟器(Digital Radar Environment Simulator)，该模拟器综合采用了VME总线结构、DSP、模块化设计等技术，可以同时产生大量高度逼真的目标、杂波和干扰回波，提供数字、中频、射频形式的雷达回波信号。国内从20世纪90年代开始研究雷达信号模拟技术，先后经历了全模拟实现法、半实物仿真验证、数字模拟等阶段。[2]研究了雷达模拟器中可视化仿真技术的实现，建立想定目标运动仿真和雷达波位扫描等功能，能够直观、准确、动态地表现雷达战场环境；[3]研究了机载雷达杂波环境模拟系统的实现途径，给出了机载雷达地面杂波数据仿真的方法。

以上成果经验为开展火控雷达模拟训练研究提供了宝贵经验。然而，直升机载火控雷达有其自身的使用特点和训练要求：一方面，直升机飞行高度相对较低，低空战场环境非常复杂，地杂波数量和干扰较多，雷达在杂波和干扰环境下训练要求较高；另一方面，受到雷达波束覆盖范围的限制，直升机飞行姿态的变化会对雷达探测范围产生影响，因此需要真实模拟直升机惯导数据的变化。本文在分析直升机载火控雷达作战使用特点的基础上，提出了雷达模拟训练系统的设计思想，介绍了雷达模拟训练系统的组成，开展了目标信号模拟、直升机惯导信息模拟、干扰和杂波模拟、模拟训练评估等技术研究。

1　雷达模拟训练系统的设计原则和要求

1.1　雷达模拟训练系统的设计原则

雷达模拟训练系统以雷达回波信号理论和数字信号处理理论为基础，通过设置不同的训练模式、训练场景、训练科目等，使雷达训练人员在地面就能真实体验雷达的使用方法，从而全面掌握雷达的操作技能。因此，模拟训练系统的使用操作必须与实际雷达完全一致，设计时还要兼顾通用性、灵活性、真实性、扩展性等原则[4]。

1)通用性：雷达模拟训练系统的主控单元、终端显示控制单元、信号源以及接口标准要满足通用性要求，并具备一定的拓展能力。

2)灵活性：训练模式要具有一定的灵活性，训练人员可以选择规定科目或自主设定训练科目，可以任意设置目标数量、类型、航迹，以及背景、干扰的类型。

3)真实性：全状态模拟雷达的工作状态，模拟训练系统的显示界面、状态指示、视觉效果、操作方法与实际雷达完全相同。

4)扩展性：雷达模拟训练系统采用模块化设计，留有标准的外部扩展接口，通过适当更改软件和硬件，来实现对后续雷达的模拟。

1.2　雷达模拟训练系统的设计要求

直升机载火控雷达模拟训练系统基于相应的硬件、软件体系构建，设计时综合考虑了直升机的平台特点、作战使用环境，雷达的功能模式和性能特点。

系统硬件采用半实物仿真形式，雷达的人机交互界面主要是控制盒和综合显示器。硬件设计以外观一致、控制关系一致、接口关系一致为原则，对雷达控制盒和综合显示器进行功能模拟。综合显示器提供雷达工作模式的设备操作平台及雷达回波图像的输出；单片机系统采用软件模拟生成直升机、目标、背景、干扰等信号，以及雷达发射、接收、信号处理和数据输出，并通过通讯网络进行数据交换。

软件设计要求具备良好的人机交互界面以及较高的仿真精度[4]。一是要求系统具有友好、逼真的雷达显示界面；二是要求系统具有方便可靠的操作性，可同时通过控制盒、综合显示器周边键等对火控雷达进行指令操作和精确控制；三是要求系统能够灵活设置和修改性能参数、工作方式，便于训练人员开展不同科目的模拟训练。

2　雷达模拟训练系统的组成

火控雷达模拟训练系统按功能分为三个部分：信号产生模块、信号处理模块、信号显示控制模块，如图1所示。

1)信号产生模块

信号产生模块通过单板计算机和相关软件实现，用于模拟产生直升机飞行、目标运动、战场环境、杂波干扰等信号。

2)信号处理模块

信号处理模块接收信号产生模块的数据，根据雷达当前的工作模式、战场环境、目标信息，在仿真计算机上采用模型与软件的方式模拟雷达的发射、接收、信号处理和数据输出的功能。

信号处理模块与实际雷达的信号处理模块对应，采用仿真模型抽象出火控雷达对杂波背景下的目标检测和跟踪的物理过程，并且在检测概率上达到与实际雷达一致或接近的效果，同时在模拟敌方实施电子干扰的情况下，正确模拟出雷达被干扰的现象。

3)信号显示控制模块

信号显示控制模块通过雷达控制盒、综合显示器实现及操作控制软件实现，用于雷达数据的显示与人机交互。其中，控制盒和综合显示器周边键为控制输入按钮，用于操作人员与雷达之间进行交互，完成各种工作参数的更改和工作模式的切换。

3　雷达模拟训练仿真的关键技术

雷达模拟训练仿真系统实现的关键技术主要有：目标信号模拟、直升机惯导信息模拟、背景和干扰模拟、显示控制模拟等。

3.1　目标信号模拟

目标信号模拟包括目标属性信息模拟和目标运动信息模拟。

1)目标属性信息模拟

目标属性信息模拟主要基于目标RCS特征，根据不同类型目标的RCS特征和回波特性[5]，模拟生成地面装甲车辆、运输车辆，空中无人机、固定翼飞机、直升机等空中和地面目标。由于真实目标的雷达反射数据难以获取，而且目标在不同方向上的RCS也不尽相同，因此在设计时采用测量值或经验值进行模拟。

目标运动信息模拟主要基于典型地面和空中目标的运动模型，模拟生成目标的位置、速度、航向、角速度和运动轨迹。直升机载火控雷达的典型目标运动模型有：匀速运动模型、匀加速运动模型、交互式多模型、Singer模型、当前统计模型等[6]。由于火控雷达具备多目标探测能力，因此在模拟单目标运动轨迹的基础上，还要模拟多个目标运动轨迹交叉、重叠的情形。

3.2　直升机惯导信息模拟

直升机是火控雷达的平台，受到雷达波束覆盖范围和雷达探测角度等限制，直升机飞行姿态的变化会对雷达探测目标产生影响，雷达显示画面也会随之改变，因此需要对直升机的飞行姿态和航线等惯导信息进行模拟。这些信息包括：直升机的方位角、俯仰角、横滚角、速度、加速度、角度、经纬度等。

直升机惯导信息模拟以实际火控雷达数据库中的惯导信息为基础，通过处理形成直升机运动轨迹，组合产生直升机在悬停、平飞、机动等状态下的惯导信息；在此基础上，叠加相应的模拟合作目标，逼真地展现直升机飞行时的画面，达到理想的模拟训练效果。

3.3　地物杂波和干扰信号模拟

1)地物杂波模拟

地物杂波模拟是雷达模拟训练系统设计中图像仿真和目标检测跟踪仿真的的关键内容之一，通过模拟不同背景下的地物杂波，来训练操作人员在复杂背景中发现、搜索目标的能力。有经验的雷达操作人员善于区分目标回波和地物干扰杂波，并从杂波背景中发现目标。由于直升机飞行高度低，地杂波是影响雷达目标检测的主要背景干扰源，因此要尽量真实地模拟杂波信号。

在雷达波束照射过程中，地表面属于面分布目标，可视为由大量散射元组成，这些散射元的位置及彼此间距是随机的。由于散射元相互独立，各散射元的散射信号也相互独立，其在雷达上的回波信号就构成回波群。根据杂波研究理论和杂波概率分布特性，如果被照射的区域中没有强散射体，那么地物回波的统计规律可以用瑞利分布、相关对数整体分布、韦布尔分布等描述[7]。此外，地物杂波数据仿真还与直升机的飞行高度、飞行速度、飞行航向以及脉冲宽度等有关，在仿真模拟过程中要考虑火控雷达的波形。

影响均宫内发育情况、窒息情况等窒息患儿体格、智能及运动发育，导致窒息患儿发育落后，所以科学合理的早期干预及运动训练，使其各方面发育接近甚至达到正常婴幼儿的水平受到人们的关注和支持。希望在不久的将来，通过我们医务工作者的努力，认真跟踪，指导训练这样的窒息患儿，使这些儿童得以健康的成长。

2)干扰信号模拟

有源干扰主要是用于破坏雷达对真实目标回波信号的检测，通常表现为掩盖真实目标信号或产生虚假目标信号[8]。有源干扰模拟是雷达模拟训练系统设计的关键内容之一，通过模拟雷达有源干扰信号，可以训练操作人员应对复杂电磁环境的能力，适应近似实战的作战条件。

雷达有源干扰分为遮盖性干扰和欺骗式干扰。遮盖性干扰是利用噪声或类似噪声的干扰信号掩盖或淹没目标信号，阻止雷达检测目标信息；按照调制方式的不同分为射频噪声、调幅噪声、调频噪声、调相噪声。欺骗式干扰是采用虚假目标和信息作用于雷达检测系统，使雷达不能正确检测真正的目标或不能正确测量目标的参数信息，主要包括距离欺骗干扰、速度欺骗干扰、角度欺骗式干扰、间歇采样转发干扰等。雷达有源干扰模拟以DDS波形产生电路为核心，利用标准PCI总线的高速传输特性，结合数字逻辑控制电路对DDS芯片进行高速、精确控制，产生高逼真度的雷达有源干扰信号。

3.4　雷达显示控制模拟

在雷达模拟训练系统中，显示控制终端用于雷达信号数据的处理和显示、雷达操作界面的设置、操作指令的发送、模拟系统的控制。

雷达显示控制软件通过VxWork多任务实时操作系统实现，软件运行在显示控制单板机上，显示控制与数据处理之间采用以太网络接口，传输控制指令和雷达数据。显示控制软件主要实现以下功能：①实时接收雷达处理数据；②完成雷达控制功能和部分运算任务；③实现人机交互、数据实时记录与显示。

4　雷达模拟训练评估设计

训练效果评估是火控雷达模拟训练仿真系统的主要功能之一，对于提高训练人员的操作水平具有重要的促进作用。雷达模拟训练评估包括训练档案管理模块、任务设计模块、训练数据记录与评估模块、反馈纠正模块等。

(1)训练档案管理模块

训练档案管理模块主要用于训练人员的基本信息和训练记录管理，包括训练信息登录、训练信息加载、训练档案添加、训练档案删除等。训练档案管理模块是一个典型的数据库系统，其主要功能模块及相互关系如图2所示。

(2)任务设计选择模块

任务设计模块用于制定雷达操作训练的内容和训练科目。根据雷达的作战使用特点，分别设计了不同难度级别的训练：①基础操作训练，训练内容包括：角度设置、距离设置、门限设置、单目标跟踪操作等；②复杂操作训练，训练内容包括：杂波环境操作、干扰环境操作、多目标跟踪操作等；③自定义科目训练，根据训练人员的需求自定义设置训练科目，适合于专项强化训练。自定义设置的内容包括：直升机飞行航线、飞行姿态，雷达使用环境和任务背景，目标类型、数量、运动模型，干扰类型、强度等。

(3)训练数据记录与评估模块

训练数据记录与评估是全方位提升雷达操作人员训练水平的重要环节。该模块首先记录训练人员操作雷达的全过程，并记录相关训练数据。训练结束后，将操作情况进行回放分析，利用专家或相关算法评估操作过程的准确性、合理性。

(4)反馈纠正模块

反馈纠正模块是根据数据记录与评估模块的结果，将正确的操作信息反馈给训练人员，辅助训练人员更好地完成雷达操作任务，加深对雷达正确操作的印象，提升雷达模拟训练效果。主要有以下两种辅助功能：①当训练人员出现操作错误时，在显示画面中不影响操作的位置，提示错误操作的原因、错误的等级(轻微、一般、严重)以及正确的操作步骤。②在复杂训练任务中，根据训练人员的训练情况智能分析，确定是否对其进行提示。

5　结束语

雷达模拟训练系统是提高装备训练效率和训练水平、节约训练经费、延长使用寿命的有效手段。本文分析了直升机载火控雷达的训练特点和训练需求，提出了模拟训练系统的设计思想，探讨了目标信号模拟、直升机信息模拟、干扰和杂波模拟等关键技术。为了达到更好的模拟训练效果，可在后续系统设计中，进一步丰富的直升机飞行数据库、地形数据库和干扰数据库。

参考文献:

[1]全厚德, 王春平, 孙书鹰, 等. 雷达模拟器的设计与实现[J]. 火力与指挥控制, 2002, 27(2): 79-81.

[2]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, 27(4): 324-328.

[3]李曦, 潘志明. 机载雷达杂波环境模拟器实现方法研究[J]. 现代雷达, 2009, 31(12): 5-9.

[4]张建仓. 机载火控雷达的仿真实现[J]. 科学技术与工程, 2012, 12(27): 7145-7148.

[5]Huang Hao, Pan Minghai, Lu Zhijun. Hardware-in-the-loop simulation technology of wide-band radar targets based on scattering center model[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2015, 28(5): 1476-1484.

[6]何友, 修建娟, 张晶炜, 等. 雷达数据处理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006, 134-150.

[7]欧阳文, 何友, 靳煜. 机载火控雷达训练模拟器的设计[J]. 计算机仿真, 2006, 23(1): 250-254.

[8]唐翥, 张兵, 张新勋, 等. 雷达有源干扰信号建模仿真及系统设计[J]. 火力与指挥控制, 2014, 39(9): 169-174.