基于MATLAB GUI的某型雷达信号发射示教系统设计

朱 赛 蔡金燕 孟亚峰 吕贵洲 都学新

陆军工程大学石家庄校区 河北石家庄 050003

雷达装备教学是军队院校雷达专业学生的重要课程，是学习雷达基本结构、工作原理、工作过程和操作使用的一门课程。在教学过程中，以典型雷达装备为基础，通过理论教学和操作训练两大模块来实施。教学过程中既需讲清理论，又要实装操作，同时作为大型装备，数目有限，使得教学过程中存在学生数目较多与装备数量有限、理论讲解与装备操作场地分离、雷达高频信号不易观测、理论知识与装备实际联系不紧密等各种问题。

MATLAB是一种常用的科研计算工具软件，在雷达信号仿真处理中发挥重要作用，广泛应用于雷达信号的产生[1]、处理[2]、可视化[3]等研究及教学过程[4]。MATLAB中的图形用户界面(Graphical User Interface，简称GUI)既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真的图形化结果以人机交互的动态方式呈现给客户，将计算流程和易操作界面完美集成在一起[5,6]。

通过MATLAB GUI设计开发雷达装备示教系统，通过“理论知识—仿真处理—装备系统—实装展示”的途径，将雷达原理、实装及操作流程直观形象展示，解决装备教学中存在的矛盾，提高教学效果。

1 某型雷达发射系统组成

该型雷达为有源相控阵雷达，主要对多种火炮、火箭进行侦察定位和校射：侦察敌火炮、火箭发射阵地，对己方火炮、火箭校正射击。

该型雷达发射过程框图如图1所示，其中二维有源固态阵列为雷达相控阵天线，由多个T/R组件二维排列而成，通过控制每个T/R组件的发射波形相位，从而控制整个天线发射波束指向，实现波束的电扫描。

图1 雷达发射过程框图

在图1所示发射框图中，雷达接口接收雷达计算机发出的控制指令，并将控制指令重新编排后分配到波束控制单元和频率源波形产生器；波束控制单元根据计算机控制指令在发射和接收期间分别控制天线中T/R组件移相器相位，实现波束按一定的规律在指定空间搜索、跟踪空中目标；频率源根据计算机控制指令产生第一本振频率、第二本振频率及相参本振等雷达基准频率信号，波形产生器接收计算机指令控制，并根据基准频率信号射频激励信号；发射机前级将波形发生器送来的低功率射频激励信号进行功率放大，并通过中间推动级放大后送到每个T/R组件。

2 仿真示教系统结构设计

对于信号发射过程中的波束控制、频率源、波形产生器、发射机前级及二维有源固态阵列等，在教学过程中使学生既要理解其工作原理，又要掌握其具体操作过程。该专业学生较多，而该型雷达装备仅配备一部，同时课时安排有限，大大限制了每名学生的操作学习时间；作为发射部分，其中多为高频信号，各模块信号观测不够直观，也限制了学生的学习理解能力；同时，相控阵天线的波束控制是理论难点，需要完善的教学手段提高学生的接受能力。

为了解决教学中存在的问题，提高该型雷达装备信号发射部分的教学效果，仿真示教系统需要具有装备展示、装备分析、理论仿真等功能。

为了满足以上功能需求，仿真示教系统结构设计如图2所示。

图2 仿真示教系统结构

图2所示仿真示教系统由展示模块、分析模块、仿真模块和素材库构成。

2.1 展示模块

展示模块以装备展示素材库为基础，主要进行装备的直接展示，根据装备实际组成进行装备展示、系统展示和模块展示。装备展示素材库包含装备整体、系统及模块的展示图片，是装备直接展示的基础。

仿真示教系统通过对装备的整体、各分系统外观、位置进行直接展示介绍，使学生对装备具有初步印象，提高学生对装备的直观认识，为装备操作奠定基础。

2.2 分析模块

分析模块进行装备的系统结构组成、信号流向、模块信号分析和展示。该模块在装备展示的基础上，以装备分析素材库为基础，对装备组成、信号流程及各模块信号形式等进行分析，提高学生对装备组成、结构等理论的认识。

2.3 仿真模块

为了提高学生对理论知识的掌握，在装备展示、分析的基础上，结合装备具体模块原理，进行理论分析仿真，通过直观的仿真结果深化学生对装备理论的学习。仿真模块根据理论基础进行波形产生、信号放大合成和波束控制的仿真。

3 实现中的关键技术

3.1 展示功能

装备展示模块和装备分析模块主要基于素材库进行装备、构造及信号波形的直接展示。素材库根据装备结构，依据分系统、模块组成构建树状存储目录，每个目录下存储对应分系统、模块的展示图片。

在示教系统操作过程中，根据用户选择内容，进行装备、框图、信号波形图片的展示。MATLAB GUI中，图片展示关键代码为：

其中imgPath为待展示图片保存路径，Display为显示图片的控件名称。

3.2 射频发射波形仿真

仿真模块的波形产生仿真主要进行装备发射过程中频率源、波形产生器的理论波形仿真。

频率源、波形产生器的主要功能如图3所示，其中频率源产生中频相参本振频率fCOHO，经频率合成生成一本振频率fL1和二本振频率fL2；Chirp源接收频率源送来的相参本振频率fCOHO，产生线性调频频率fLFM；激励器接收Chirp源送来的线性调频频率和频率合成器送来的一本振、二本振频率，对线性调频信号进行上变频，产生射频发射频率fRF。

记一本振、二本振信号为sL1，sL2，则有：

记Chirp源产生的线性调频信号为sLFM(t)，开始频率为f0，τ为雷达发射脉冲的宽度，μ为线性调频信号的频率变化斜率[7]，则有：

经过二本振上变频后的信号记为sLFM_L2(t)，则有：

经过一本振上变频后的信号记为sLFM_L1(t)，则有：

通过对式(4)(5)(6)进行计算，并进行时、频域分析，可完成波形产生过程的仿真。

3.3 波束控制仿真

仿真模块的波束控制仿真主要进行信号发射过程中波束控制单元和二维有源固态阵列天线的理论仿真。通过仿真的图形化结果，向学生形象展示相控阵天线波束方向控制问题。

相控阵就是通过控制阵列各单元的相位以达到波束自动扫描的阵列。相控阵天线是由多个辐射元组成的阵列，阵列中每个辐射元的信号相位可控，通过控制每个辐射元的相位，进而控制整个相控阵天线的波束方向。

若多个辐射元排列为M行N列的二维阵列，如图4所示，其中每个黑点表示一个辐射元，x方向上任意两相邻辐射元间距为dx，相位增量为φx，y方向上任意两相邻辐射元间距为dy，相位增量为φy。

图4 天线阵列

则阵列中所有辐射元辐射能量将在空间中叠加，整个阵列的方向图函数[8]如式(7)所示。

其中θ，φ为球坐标下的俯仰角、方位角，λ为相控阵天线发射电磁波的波长。

式(7)计算结果为极坐标下的辐射情况，为了进行直观显示，需要转换到直角坐标下，根据图4所示，其转换为：

通过改变辐射元间的相位增量φx，φy，就可以实现波束在空间的任意扫描。对于给定的天线阵列规模M，N，在确定其辐射元间隔dx，dy，相位增量φx，φy，波长λ的情况下，通过式(7)可计算空间中波束辐射情况。

该型雷达装备中，相位增量由数字式移相器实现。以五位PIN管移相器为例，其五个控制位P0，P1，P2，P3，P4分别控制实现11.25 °，22.5 °，45 °，90 °，180 °的移相。当天线波束指向(θ，φ)方向时，阵列中(m，n)位置天线对应的移相控制码为：

其中α(θ，φ)为行波控基码，β(θ，φ)为列波控基码，Δ(m，n，f)为加权修正码。

通过改变式(9)中的波控基码α(θ，φ)，β(θ，φ)，可以实现相控阵天线发射波束的扫描。

4 仿真示教系统实现

所实现系统主界面如图5所示。通过“装备展示”“信号分析”“理论仿真”等按键分别调用对应模块功能。

装备展示模块界面由分系统选择、模块选择及展示画面组成。通过分系统选择和模块选择，确定待展示的模块，进而选择素材库中对应模块图片，进行显示，实现装备展示功能。

图5 系统主界面

理论仿真包括信号模拟和波束控制两部分，其中波束控制界面如图6所示。信号模拟模块中，主要由参数设置、时域信号显示和频域信号显示三部分组成，分别进行Chirp信号、二本振调制信号和一本振调制信号的模拟显示。

图6 波束控制模块界面

在图6所示波束控制模块中，由阵列参数设置、行相增量调节、列相增量调节和方向图显示四部分组成。阵列参数设置主要设置相控阵中辐射元的行数、行内间距、列数、列内间距及发射波长等表达式(7)所需参数；行相增量调节、列相增量调节主要进行辐射元间行相位、列相位增量的设置，包括连续设置和单次设置两种模式：单次设置模拟装备中五位PIN管移相器的各控制位，通过控制位调节相位增量，通过滑动连续设置以方便观察方向图指向随相位增量的变化关系。方向图显示主要进行当前设置下相控阵辐射电磁波的显示，包括空间三维图和俯视图。通过连续调节行相增量、列相增量可观察方向图指向的不断变化，实现波束控制。

5 结语

在总结装备教学中存在的矛盾基础上，根据装备信号发射过程，设计实现了某型雷达装备发射系统的仿真示教系统，为该型雷达装备教学提供了有力保障。

应用仿真系统形象直观地分析了雷达系统的工作原理和信号特性，对于雷达岗位人员熟悉和掌握雷达原理和雷达信号处理流程提供了真实有效的可靠手段，对于雷达数字信号的处理技术和流程有了全面的认识，提高了技术人员分析问题和解决问题的能力及开展雷达设备技术研究的能力。

但该系统仅包括信号产生、发射部分的仿真示教，下一步，将在该系统的基础上，对雷达的接收、信号处理等部分进行设计实现，不断完善仿真示教系统。