雷达数字化设计与仿真的技术体系架构研究

夏 云 卢 冀

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着计算机技术的进步和计算机应用的发展，数字化已成为目前促进各个传统行业发展的最有效的手段之一，特别在“工业4.0”以及“中国制造2025”的论述中，数字化手段作为其核心技术，是构建“物理信息系统”的关键要素，扮演着桥接产品实物和设计理念的重要作用。因此，采用数字化建模和仿真的手段对产品的设计乃至功能、性能进行测试与优化、验证与评估将极大地提高产品适用性，缩短研制周期。

雷达数字化设计与仿真就是根据战情要求设计实验，采用数学建模构建雷达、目标、杂波、电子干扰等电磁环境模型，再采用数学方法，仿真在设定的工作流程和环境下雷达、目标、杂波、电子干扰和电磁环境的相互作用，模拟雷达波形参数/信号产生、发射、传输、回波和处理的全过程，测试与优化雷达的设计要素，验证与评估雷达功能、性能乃至作战效能要素[1-2]。

近年来，国内外学者针对雷达、通信、电子对抗领域进行了体系化、系统化的研究[3]，并依此针对雷达与目标、杂波、干扰等技术范畴或雷达分系统的仿真技术和方法进行了大量的研究[4-8]，随着雷达仿真技术的发展和实战复杂电磁环境的雷达仿真需求的增加，需要研究已有技术条件和手段情况下雷达设计与仿真的技术体系，为雷达设计与仿真系统搭建和技术发展提供有价值的参考。

1 体系架构研究

1.1 分层模型

雷达数字化设计与仿真技术体系以完成雷达设计验证和功能仿真的需求为牵引，包括仿真基础数据和数字模型的生成、加载、配置、运行和管理等功能，并将数据和模型相互作用的结果通过图形、图像及视频的方式进行展示和记录，在模拟的真实环境下系统性的评估雷达设计水平。为了便于归纳和阐述构成雷达数字化设计与仿真技术体系不同要素的类别和逻辑关系，采用分层模型给出了一种雷达数字化设计与仿真技术体系架构，如图1所示。

图1 雷达数字化设计与仿真技术体系架构

雷达数字化设计与仿真技术体系架主要由基础数据层，数字模型层和平台应用层三个层面构成，其中基础数据层为该体系提供地图数据、目标数据、杂波数据和视景数据，分别用于提供模拟真实地理环境所需的地图信息、用于雷达照射目标及场景中回波计算的幅度与相位信息、用于提供不同气象或地理环境下杂波数据产生所需的参数数据和用于提供视景展示所需的地理、气象、模型及作战动态2D或3D模型；数字模型层主要提供根据仿真需求设计并实现的各类数字化模型，包括装备模型、武器平台/目标模型和电波传播模型，装备模型包括雷达、通信及电子战等电子设备模型，用于模拟真实的电子设备功能与性能，武器平台/目标模型用于模拟搭载装备模型的平台和雷达目标，电波传播模型用于模拟雷达与目标、雷达与杂波区域、雷达与电子战等模型间的电波传输，获取雷达等装备模型的收发信号参数或信号波形；应用平台层首先完成数字模型加载、配置、编译运行和结果评估，其次将仿真战情配置、动态过程、装备功能、性能参数等通过真实2D和3D视景动画、动态图表等形式进行展示，并且还能结合分布式计算、GPU加速、VR以及AR方式增强平台功能，扩展应用领域，最后完成对基础数据、数字模型和仿真战情等数据进行数据库管理。

1.2 功能组成

基础数据层提供支撑雷达数字化设计与仿真所需的各类数据，主要包括地图、目标、杂波和视景数据，为模型的设计和场景的构建提供可信的设计参数和视景信息，其功能和描述见表1所列。

表1 基础数据层功能组成

数字模型层提供雷达数字化设计与仿真所需各种数字化模型，这些模型根据设计需求进行数字化建模与实现，主要包括装备模型、武器平台/目标模型和电波传播模型，其功能和描述见表2所列。

表2 数字模型层功能组成

分类内容功能描述装备雷达模型雷达信号发射、接收及处理雷达天线、伺服、信处等分系统的建模通信系统模型装备的信息及数据交互通信系统物理层、链路层、网络层建模电子战模型雷达电子战信号生成雷达压制和欺骗干扰的建模武器平台车辆模型装载雷达或雷达目标的地面模型陆基的雷达位置、运动特征或目标RCS船舶模型装载雷达或雷达目标的海面模型舰载的雷达位置、运动特征或目标RCS飞行器模型装载雷达或雷达目标的空中模型机载的雷达位置、运动特征或目标RCS弹体模型装载雷达或雷达目标的弹体模型导引头雷达位置、运动特征或弹体RCS传播大气模型大气对雷达波形传输的影响解算云、降水等对雷达波形的幅相数据杂波模型地、海对雷达波形传输的影响解算陆、海对雷达波形传输的幅相数据多径模型多径对雷达波形传输的影响解算多路径对雷达回波的幅相数据波形模型生成雷达信号级回波波形通过回波数字参数生成雷达回波信号

应用平台层主要提供展示、配置、运行、管理雷达数字化设计与仿真的系统，基于基础数据和数字模型驱动雷达全流程动态仿真，主要包括视景展示、运行引擎、应用技术和数据库，其功能和描述见表3所列。

表3 应用平台层功能组成

分类内容功能描述视景展示战情视景作战单元、时序、功能设置作战时间、地点和事件配置动画视景三维仿真过程动画展示一定空间和时间内装备间相互作用的视频装备视景雷达等装备的显控界面雷达等装备用户操作界面图形视景模型参数的图形化显示雷达等装备性能参数设置和图形化展示运行引擎模型加载加载仿真所需的数字化模型加载地图场景及装备、平台等数字模型模型配置配置已加载模型的参数对模型时空、作战及性能参数进行配置编译运行生成仿真可执行文件并运行对模型程序编译成可执行文件,运行仿真评估结果对装备性能和功能进行评估根据指标体系对模型仿真结果进行评估应用技术分布式计算优化仿真运行速度和时间组网连机分布方式提高仿真运行速度GPU加速增强仿真计算能力GPU多计算单元方式提升仿真计算速度VR技术增加仿真展示能力VR方式增强仿真的三维展示效果数据库战情库仿真战情的管理通过数据库管理战情及其仿真结果模型库数字化模型的管理通过数据库管理数字化模型及配置参数基础数据库基础数据的管理通过数据库管理地图、目标等基础数据信息

1.3 信息流程

雷达数字化设计与仿真完成全数字仿真模型的设计与实现，虚拟时空战情搭建，通过仿真模型间的相互作用获取对雷达装备的功能及性能评估，其典型的信息流程见图2所示。

图2 雷达数字化设计与仿真信息流程

雷达数字化设计与仿真，首先需要根据仿真需求进行基础数据的完备和模型的设计与开发，基础数据中的地图、目标和杂波数据及数字模型用于模型加载与配置，生成仿真所需的战情，视景数据用于仿真过程和结果的动画或图像展示，其次在确保数据准确和模型功能正常的情况下，由仿真应用进行仿真，其中运行引擎完成数据、数字模型的加载，生成战情，编译运行完成对战情的编译，生成运行仿真的可执行文件，在该文件的生成产过程中可以采用分布式、GPU等技术加快文件生成结果评估从运行得到的仿真结果中获取对雷达性能和功能的评估，与此同时，模型加载与配置、编译运行和结果评估分别通过战情视景、动画视景和装备与图形视景实时展示仿真场景与雷达参数的动态变化，并可通过数据库对仿真战情、基础数据和数字化模型进行管理。

2 系统设计与实施

雷达数字化设计与仿真系统是运行于计算机环境的软件，基础数据层是雷达仿真所需地理图像数据、目标信息数据、地海气象杂波信息数据以及图像与三维视频模型数据，这些数据一般由专业软件、数理分析、实际测量等方式获取，数字化模型是雷达装备、雷达目标、雷达杂波、雷达对抗以及其他与雷达进行信号相互作用实体的数字化建模，一般根据功能和仿真需求编程实现，应用平台是提供仿真运行、展示、应用与管理的顶层模块，一般基于软件开发工具定制开发。基础数据层具体的设计与实施方法见表4所列。数字模型层具体的设计与实施方法见表5所列。

表4 基础数据层设计与实施

分类内容设计实施方法基础数据数字地图按面积和分辨率要求确定经纬度坐标和精度级别按经纬度和精度级别下载谷歌等数字地图数字高程图确定对应地图的高程精度下载对应数字地图下载数字高程图数字地形图确定对应地图的地形种类下载对应数字地图的数字地形图目标RCS数据目标电磁散射模型确定频率、角度、极化等参数使用电磁计算软件计算目标RCS值目标航迹确定计算目标航迹的相关参数根据空气动力学等计算目标航迹参数综合RCS数据确定目标和背景环境的场景使用电磁计算软件计算目标与环境耦合RCS气象杂波数据确定气象杂波类型、位置等参数计算满足仿真要求的气象杂波参数地理杂波数据去顶地理杂波雷达、位置等参数计算满足仿真要求的地理杂波参数视景数据确定仿真所需视景的动态和静态可视化要求采用模型及动画制作软件制作地理、气象、数字化模型、作战等视景

表5 数字模型层设计与实施

分类内容设计实施方法数字模型装备模型装备的功能模块装备与平台和传播模型接口武器平台/目标模型武器平台的功能模块武器平台与装备模型接口目标与传播模型接口传播模型传播模型的功能模块传播模型与装备和目标接口采用编程方法对装备、平台/目标,传播模型的功能模块进行建模构建统一的模型间相互作用的接口

应用平台层是雷达数字化设计与仿真技术体系的顶层，是能够加载、配置、仿真、展示、评估雷达模型的设计与仿真系统的顶层，其编程语言同数字模型相同，一般采用C，C++或M语言，在Qt或Matlab及Simulink环境下开发。

3 系统实例说明

为了有效地说明系统的功能和效能，采用基于Matlab环境的雷达数字化设计与仿真系统直观的展示应用平台层、数字模型层和基础数据层的典型功能，也验证了本文研究的雷达数字化设计与仿真技术架构及系统的可信、可行和可用性。

图3和图4分别显示了应用平台层战情视景下模型的加载和动画及图形视景下雷达模型的功能评估。如图3所示，系统可以配置真实的地理信息，并按战情需求加载相应的数字化模型。如图4所示，系统在仿真过程中通过动画和图形视景实时展示雷达工作状态和相应的性能指标。

图3 战情视景下模型的加载

图4 动画及图形视景下雷达模型的功能评估

图5和图6分别显示了雷达装备和飞行器的数字化模型。如图5所示，雷达数字化模型实现了雷达的信号输入输出和信号处理流程与算法的建模。如图6所示，对飞行器的运动学航迹及作为目标的雷达回波进行了建模。

图5 雷达装备的数字化建模

图6 飞行器的数字化建模

图7和图8分别显示了目标的RCS数据和该目标在仿真场景中的展示效果。在图7中，显示了某型战斗机的RCS数据，图8显示了该目标的三维视景图像。

图7 目标RCS数据

图8 模型视景

4 结束语

本文对雷达数字化设计与仿真技术体系架构进行了研究，分三个层次说明了该体系架构的功能组成和信息流程，给出了雷达数字化设计与仿真系统的实现方法，并通过实现效果进一步直观展示了该系统的功能和作用。

本文研究的雷达数字化设计与仿真的分层技术体系架构，系统设计与实现方法是针对雷达数字化设计与仿真的技术归纳总结与前景展望，希望本文工作能为读者研究雷达设计与仿真系统与相关技术起到抛砖引玉的作用。