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一種多分辨率雷達(dá)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

郭金良1，王得旺1,2，韓文彬1，王巖1

(1. 中國(guó)洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽471003； 2. 蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州723100)

摘要：為滿足雷達(dá)系統(tǒng)建模仿真的多分辨率應(yīng)用需求，提出了一種多分辨率雷達(dá)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方法。對(duì)傳統(tǒng)功能仿真與信號(hào)仿真的仿真思想進(jìn)行了分析，結(jié)合兩者的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，研究了一種多分辨率雷達(dá)仿真實(shí)現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多分辨率仿真平臺(tái)的分析與設(shè)計(jì)，主要研究了2個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，即可組合仿真模型的設(shè)計(jì)與可組合仿真系統(tǒng)的開發(fā)。最后，開發(fā)了多分辨率雷達(dá)仿真平臺(tái)，可進(jìn)行功能仿真與信號(hào)仿真的同步仿真與靈活切換，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)仿真系統(tǒng)的多分辨率運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：功能仿真；信號(hào)仿真；組合；組件

0引言

利用現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)研究是一條非常有效的技術(shù)途徑，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用，涵蓋了雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制、新型雷達(dá)電子戰(zhàn)武器裝備的發(fā)展論證、電子戰(zhàn)裝備試驗(yàn)鑒定及評(píng)估、電子戰(zhàn)作戰(zhàn)訓(xùn)練、演練及戰(zhàn)法研究等眾多方面[1-2]。針對(duì)不同的應(yīng)用需求，采用多分辨率建模技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)仿真是當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。究其原因，有以下2個(gè)方面：首先，在大規(guī)模的仿真應(yīng)用中，受制于硬件運(yùn)行性能與解算速度，在高分辨率下仿真所有的模型是不現(xiàn)實(shí)的；其次，不同目的的仿真對(duì)仿真分辨率的要求是不同的，高分辨率模型能夠抓住事物的細(xì)節(jié)，而低分辨率的模型能更好地揭示事物宏觀的、本質(zhì)的屬性，例如，在雷達(dá)系統(tǒng)的研制仿真中，需要采用高分辨率模型，而在電子戰(zhàn)作戰(zhàn)訓(xùn)練與戰(zhàn)略決策仿真中，則可以采用低分辨率的仿真模型[3-7]。

當(dāng)前，對(duì)雷達(dá)的仿真研究主要包括功能與信號(hào)2類[8]，功能仿真屬于一種低分辨率仿真方法，信號(hào)仿真屬于一種高分辨率仿真方法。在傳統(tǒng)的研究模式下，對(duì)這2種仿真方法的研究是相對(duì)獨(dú)立的，在同一仿真平臺(tái)下結(jié)合2種方法進(jìn)行仿真的研究案例還未見相關(guān)報(bào)道。對(duì)此，本文從多分辨率建模的角度出發(fā)，綜合信號(hào)仿真與功能仿真的特點(diǎn)進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)的仿真研究。

1多分辨率雷達(dá)仿真方法分析

1.1功能仿真方法

傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)功能仿真基本思路是：從信號(hào)功率的角度，運(yùn)用雷達(dá)方程、干擾方程、干擾/抗干擾原理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程等建立仿真計(jì)算綜合輸出(檢測(cè))信噪比模型，進(jìn)而確定雷達(dá)檢測(cè)時(shí)的發(fā)現(xiàn)概率與虛警概率，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行干擾/抗干擾性能評(píng)估和電子戰(zhàn)條件下雷達(dá)檢測(cè)過程的功能仿真試驗(yàn)。

1.2信號(hào)仿真方法

信號(hào)仿真[9](亦稱相干視頻信號(hào)仿真)中的“信號(hào)”是指零中頻信號(hào)，或者是經(jīng)零中頻或等效零中頻處理的信號(hào)?！靶盘?hào)”既包括幅度信息，又包括相位信息。信號(hào)仿真是仿真信號(hào)的發(fā)射、傳播、目標(biāo)回波、雜波與干擾疊加以及接收濾波、抗干擾、信號(hào)處理、門限檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理的全過程。相干視頻信號(hào)仿真的基本定義就是要逼真地復(fù)現(xiàn)既包含振幅又包含相位的相干視頻信號(hào)，復(fù)現(xiàn)這種信號(hào)的發(fā)射、空間傳播、經(jīng)散射體反射、雜波與干擾信號(hào)疊加、以及在接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理的全過程。

1.3信號(hào)仿真與功能仿真的結(jié)合

信號(hào)仿真最大的優(yōu)勢(shì)就是仿真精度高，但是現(xiàn)有的信號(hào)建模方法過于偏重處理流程的完全復(fù)現(xiàn)，往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量巨大，運(yùn)行效率嚴(yán)重低下。因此，提高模型的運(yùn)行效率是信號(hào)仿真面臨的最大難題。為解決這個(gè)難題，一個(gè)有效的方法就是：通過高分辨率的仿真試驗(yàn)，掌握仿真模型的模型特性與運(yùn)行特性，預(yù)估其處理結(jié)果，然后從模型形式上進(jìn)行轉(zhuǎn)變，采用數(shù)據(jù)庫方式、擬合函數(shù)等方式進(jìn)行功能替代，降低局部分辨率，以提高仿真運(yùn)行效率。

功能仿真最大的優(yōu)勢(shì)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、運(yùn)行速度快。但是現(xiàn)有的功能仿真方法不追求對(duì)具體處理過程的復(fù)現(xiàn)，主要圍繞雷達(dá)方程計(jì)算信噪比展開，考慮的因素為單一的功率信息，對(duì)環(huán)境要素的敏感性差，無法適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的要求。因此，功能仿真亟需改進(jìn)之處就是要提高仿真分辨率，以適應(yīng)更多的應(yīng)用需求。為達(dá)到這個(gè)目的，一個(gè)可行的技術(shù)途徑就是：在功率信息的基礎(chǔ)上，復(fù)現(xiàn)部分雷達(dá)處理流程，并添加對(duì)回波和處理模塊時(shí)域和頻域特性參數(shù)的利用，具體的如時(shí)域分布特性、頻譜中心、頻譜有效帶寬、頻譜分布函數(shù)等，即由傳統(tǒng)的點(diǎn)信息變化到面信息，充分利用積分、累計(jì)等簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)手段，對(duì)模塊處理回波的性能結(jié)果進(jìn)行建模，以增加仿真精度。

基于上述分析可知，結(jié)合信號(hào)仿真與功能仿真的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)仿真，是一條非常適應(yīng)當(dāng)前應(yīng)用需求的技術(shù)途徑，即可以借鑒功能仿真的思想降低信號(hào)仿真的分辨率以提高其運(yùn)行效率，也可以借鑒信號(hào)仿真的思想提高功能仿真的仿真精度。從某種意義上來說，在信號(hào)仿真的基礎(chǔ)上，如果將相干視頻仿真模型中的信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理模型用功能性仿真模型替代，基本不用改變其他模型，即可以實(shí)現(xiàn)一種改進(jìn)型的功能仿真。而這種改進(jìn)型的功能仿真，相對(duì)于傳統(tǒng)的功能仿真，則更多的復(fù)現(xiàn)了雷達(dá)的處理過程，具有更高的分辨率與仿真精度，是一種介于傳統(tǒng)的信號(hào)仿真與傳統(tǒng)的功能仿真之間的仿真模式。通過這種仿真模式，能夠很好的將信號(hào)仿真與功能仿真結(jié)合起來，將兩者整合到同一仿真平臺(tái)下進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)信號(hào)仿真與功能仿真之間部分模型的重用，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多分辨率仿真的運(yùn)行。

要實(shí)現(xiàn)上述的多分辨率仿真模式，需要解決的技術(shù)難題是多方面的，包括模型、算法、軟件等多個(gè)方面。然而，其中一個(gè)最為重要的方面，就是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)多分辨率的通用仿真平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)功能仿真、信號(hào)仿真等仿真模式的同步運(yùn)行與靈活切換，從而為具體仿真模型設(shè)計(jì)以及算法研究提供基礎(chǔ)平臺(tái)，提高研究效率，并提供實(shí)現(xiàn)工具支持。

2多分辨率仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)于如上所述的多分辨率仿真平臺(tái)，其最主要的特征就是要求仿真平臺(tái)具有可組合性，即可以在運(yùn)行過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)功能模塊的靈活組合，以滿足多分辨率模型運(yùn)行的要求。為實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的可組合性，下面主要從仿真模型設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)開發(fā)2個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.1可組合仿真模型設(shè)計(jì)

從仿真模型設(shè)計(jì)上來看，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的模塊設(shè)計(jì)是可組合性的基礎(chǔ)和保障[10]，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要結(jié)合模型體系劃分進(jìn)行研究，具體實(shí)施步驟為：首先，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的仿真處理流程進(jìn)行系統(tǒng)地分析整理，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述；然后，根據(jù)模塊化的建模思想，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)仿真模型體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，參照處理流程，分析確定各功能模塊的輸入輸出關(guān)系，并采用模型與參數(shù)分離的方式，進(jìn)行模型參數(shù)化設(shè)計(jì)；最后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行模塊內(nèi)部模型的建模設(shè)計(jì)。

下面主要以相控陣?yán)走_(dá)的仿真設(shè)計(jì)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)實(shí)際相控陣?yán)走_(dá)的工作流程，基于信號(hào)仿真的思想，設(shè)計(jì)仿真運(yùn)行流程，如圖1所示。

圖1　相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)仿真流程Fig.1　Signal simulation process of phased array radar

參照信號(hào)仿真的流程，依據(jù)前述改進(jìn)型功能仿真的思想，設(shè)計(jì)仿真流程，如圖2所示。

上述2種仿真流程具有一致的運(yùn)行結(jié)構(gòu)，其主要區(qū)別在于雷達(dá)信號(hào)的生成、接收機(jī)處理、信號(hào)處理這幾個(gè)環(huán)節(jié)，其他流程活動(dòng)的實(shí)現(xiàn)基本上是一致的。因此，在進(jìn)行仿真模塊結(jié)構(gòu)劃分的時(shí)候，可以按照統(tǒng)一的模式進(jìn)行，即模塊組成是一致，只是在具體模塊設(shè)計(jì)的時(shí)候，需根據(jù)不同的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)不同的模塊接口。在這種設(shè)計(jì)模式下，可以采用統(tǒng)一的運(yùn)行架構(gòu)進(jìn)行仿真模型的集成，同時(shí)基于仿真模塊接口的設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)仿真模型的重用與重組。

信號(hào)仿真的模型結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，且完全可以覆蓋到功能仿真的模型。因此，基于模型完備性的考慮，可以參照信號(hào)仿真流程進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)劃分。一般的來說，相控陣?yán)走_(dá)仿真系統(tǒng)可以分為可分為資源調(diào)度模塊、天線模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、航跡管理模塊、跟蹤濾波模塊等七大模塊，各個(gè)模塊再依據(jù)分層細(xì)化的方式，進(jìn)一步劃分子模塊，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2可組合仿真系統(tǒng)開發(fā)

為實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的可組合性，采用組件化的開發(fā)方法，基于組件技術(shù)的開發(fā)方法是當(dāng)前支持軟件復(fù)用與可組合建模的核心技術(shù)[11]。

基于組件技術(shù)所支持的開發(fā)模型，可以確定仿真系統(tǒng)的開發(fā)過程[12]，如圖4所示，主要包括以下步驟：

圖2　相控陣?yán)走_(dá)功能仿真流程Fig.2　Functional simulation process of phased array radar

圖3　相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的模塊劃分結(jié)構(gòu)Fig.3　Module structure of phased array radar system

(1) 功能需求分析：分析仿真系統(tǒng)的功能需求，確定仿真系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)；

(2) 仿真架構(gòu)設(shè)計(jì)：在需求分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的組件分解與識(shí)別，并設(shè)計(jì)仿真組件的集成架構(gòu)；

(3) 仿真組件實(shí)現(xiàn)：采用某種組件標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)仿真組件，如CORBA、COM/COM+等，并將新開發(fā)的組件保存到仿真組件庫，便于組件重用；

(4) 系統(tǒng)集成運(yùn)行：根據(jù)系統(tǒng)集成框架，從組件庫檢索所需仿真組件，進(jìn)行仿真組件的集成，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的物理部署，最后加載仿真戰(zhàn)情，進(jìn)行仿真系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試。

組件化的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上也是面向接口的設(shè)計(jì)，對(duì)于不同的組件，只要接口是一致的，即可以實(shí)現(xiàn)組件的替換與重用。在多分辨率雷達(dá)仿真系統(tǒng)中，對(duì)于同一組件模塊，可以為其設(shè)計(jì)多類接口，如功能仿真接口、信號(hào)仿真接口等，也可以對(duì)同一接口采用不同的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)不同分辨率的仿真模型。這樣，在不改變仿真架構(gòu)的條件下，通過選擇組件接口，或者替換仿真組件，可以進(jìn)行仿真組件的靈活重組，輕松實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的多分辨率運(yùn)行。另外，如果在運(yùn)行架構(gòu)中采用多線程模式，可以同時(shí)運(yùn)行同一模型的不同分辨率組件，實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同分辨率組件的同步運(yùn)行，為不同分辨率模型之間的相互驗(yàn)證提供便捷條件。

圖4　組件化可組合仿真系統(tǒng)開發(fā)過程Fig.4　Development process of component simulation system

基于前面分析的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真流程的與模塊劃分結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合功能仿真與信號(hào)仿真的組件化仿真運(yùn)行架構(gòu)，如圖5所示，限于篇幅，圖中省略了部分模型。在仿真組件實(shí)現(xiàn)上，功能仿真與信號(hào)仿真的主要區(qū)別在于信號(hào)生成模塊、接收機(jī)模塊與信號(hào)處理模塊所對(duì)應(yīng)的三大組件。例如，對(duì)于信號(hào)生成組件，功能仿真只考慮功率模型，可以設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)生成組件，而不必要考慮其下層組件的實(shí)現(xiàn)，而信號(hào)仿真考慮的模型則比較復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)所有下層模塊對(duì)應(yīng)的組件，并通過調(diào)用下層組件來實(shí)現(xiàn)仿真。同時(shí)，在功能仿真中，信號(hào)產(chǎn)生模塊與接收機(jī)模塊之間交互的主要是功率信息，而在信號(hào)仿真中，則包括了信號(hào)的幅度、相位、頻率等信息，需要采用不同的組件接口來實(shí)現(xiàn)兩者之間的交互。因此，可以為功能仿真與信號(hào)仿真開發(fā)不同的信號(hào)生成仿真組件，在實(shí)際運(yùn)行過程中，再根據(jù)所設(shè)置的仿真分辨率條件，實(shí)時(shí)選擇不同的仿真組件進(jìn)行仿真。

圖5　組件化仿真系統(tǒng)的運(yùn)行架構(gòu)Fig.5　Operation frame of component simulation system

3仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與演示

在上述研究的基礎(chǔ)上，下面以某相控陣仿真為例開發(fā)了系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)功能仿真與信號(hào)仿真的同步運(yùn)行，也能在2種運(yùn)行模式之間進(jìn)行靈活切換。

如圖6所示，為仿真平臺(tái)的想定設(shè)計(jì)界面，在該界面下，可以實(shí)現(xiàn)各類分辨率仿真參數(shù)的統(tǒng)一定制。

圖6　仿真平臺(tái)想定設(shè)計(jì)界面Fig.6　Scenario design interface of simulation platform

如圖7所示，為仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行界面，用于顯示運(yùn)行狀態(tài)與雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，也能夠在仿真運(yùn)行過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，實(shí)現(xiàn)不同分辨率仿真的實(shí)時(shí)切換與運(yùn)行，并以多種方式查看仿真輸出。

圖7　仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行界面Fig.7　Real-time running interface of simulation platform

如圖8所示，為仿真結(jié)果分析界面，可以用于分析在不同分辨率仿真模式下雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果，并可以相互之間進(jìn)行比較。圖6所示為信號(hào)仿真與功能仿真的距離誤差分析結(jié)果，通過對(duì)比結(jié)果，可以調(diào)整仿真輸入?yún)?shù)，使得兩者的結(jié)果趨于一致。一般情況下，信號(hào)仿真具有較高的精度，可以參照信號(hào)仿真的結(jié)果，來調(diào)整功能仿真的參數(shù)，使兩者之間的輸出誤差最小，以提高功能仿真的精度。

圖8　仿真平臺(tái)運(yùn)行結(jié)果分析界面Fig.8　Operation results analysis interface　　　of simulation platform

4結(jié)束語

基于多分辨率的思想，將雷達(dá)仿真功能仿真與信號(hào)仿真進(jìn)行整合，開發(fā)了統(tǒng)一的仿真平臺(tái)，為多分辨率雷達(dá)仿真提供了一個(gè)非常便利的研究工具，為多分辨率建模的研究進(jìn)一步發(fā)展提供了很好的支撐，結(jié)合該平臺(tái)，進(jìn)一步研究，必將進(jìn)一步完善雷達(dá)仿真系統(tǒng)的多分辨率建模，使得仿真分辨率更加豐富，滿足多樣性的仿真應(yīng)用需求。

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Design and Realization of a Type of Multi-Resolution Radar Simulation Plat

GUO Jin-liang1,WANG De-wang1,2,HAN Wen-bin1, WANG Yan1

(1. LEETC,Henan Luoyang 471003, China;2.Lanzhou University, School of physical science and technology,Gansu Lanzhou 723100, China)

Abstract:To achieve the multi-resolution application requirements of the modeling and simulation of radar system, a method is proposed for designing multi-resolution radar simulation platform.The traditional function simulation and signal simulation are firstly analyzed and improved based on the characteristics of the two methods, and a multi-resolution radar simulation realization method is studied. Then, analysis and design of the multi-resolution radar simulation plat are carried out, and mainly two critical technologiesincludingthe design of compoundable simulation model and the development of compoundable simulation systemare studied. Finally, the multi-resolution radar simulation platform is developed, the function simulation and signal simulation can be executed together and easily switched, and multi-resolution execution of radar simulation system is realized.

Key words:functional simulation；signal simulation；composition；component

中圖分類號(hào)：TN95；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-02-0191-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.031

通信地址：471003河南省洛陽市085信箱轉(zhuǎn)02號(hào)E-mail：sure990@163.com

作者簡(jiǎn)介：郭金良(1982-)，男，湖南瀏陽人。工程師，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娮有畔⑾到y(tǒng)建模與仿真評(píng)估。

* 收稿日期：2014-05-20；
修回日期：2014-07-04