何永喜,張國兵

(91404部隊(duì),河北 秦皇島 066000)

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基于實(shí)采雜波數(shù)據(jù)的雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究

何永喜,張國兵

(91404部隊(duì),河北 秦皇島 066000)

針對計(jì)算機(jī)仿真模型產(chǎn)生的雷達(dá)探測背景雜波不夠逼真、難以滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)操作手實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練需求的問題,提出了基于實(shí)采數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真模型數(shù)據(jù)合成的雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)借用成熟的數(shù)據(jù)采集技術(shù)采集雷達(dá)背景雜波數(shù)據(jù),通過等效處理和數(shù)據(jù)合成等技術(shù)將采集后的雜波數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真模型數(shù)據(jù)擬合在一起,并在統(tǒng)一時(shí)序下重構(gòu)再現(xiàn)了雷達(dá)相應(yīng)的信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理及操作指令的正確反饋效果。從兩種不同系統(tǒng)的顯示效果比對結(jié)果看,該系統(tǒng)明顯提高了雷達(dá)探測背景環(huán)境的逼真度。

雷達(dá)仿真;實(shí)采數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)合成;逼真度;等效處理

0 引 言

雷達(dá)仿真模擬訓(xùn)練由于不受各種自然和人為因素的制約,又可以防止雷達(dá)發(fā)射頻率、脈沖重復(fù)周期、抗干擾措施等重要參數(shù)的泄露,并具有成本低、訓(xùn)練效益高的優(yōu)點(diǎn),因此倍受軍事院校和一線部隊(duì)的青睞[1]。但是,隨著軍事訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化要求不斷地提高和部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的不斷提升,對復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)仿真訓(xùn)練的復(fù)雜度和逼真度提出了更高的需求。

目前,雷達(dá)模擬系統(tǒng)大部分都采用了實(shí)裝的終端臺(tái)和人機(jī)交互軟件,給操作員營造了逼真的戰(zhàn)位環(huán)境。但是,雷達(dá)探測背景雜波環(huán)境基本上都還是采用了數(shù)學(xué)模型。這種模擬方式生成的雷達(dá)探測背景雜波與實(shí)際還存在一定的差距,不利于雷達(dá)操作手從原始回波中區(qū)分目標(biāo)和雜波并從雜波背景下識(shí)別出目標(biāo)等技能的訓(xùn)練。因此,雷達(dá)模擬器能否逼真地模擬出雷達(dá)探測背景雜波環(huán)境,對于訓(xùn)練雷達(dá)操作手在雜波環(huán)境中對目標(biāo)的正確檢測和跟蹤具有十分重要的意義[2-3]。本文將利用實(shí)裝中采集到的真實(shí)探測背景雜波數(shù)據(jù),并根據(jù)訓(xùn)練態(tài)勢與模擬目標(biāo)、干擾信號(hào)進(jìn)行合成,構(gòu)建逼真的雷達(dá)探測背景雜波環(huán)境。

1 雷達(dá)面臨的雜波環(huán)境特征分析

雷達(dá)探測位于陸地或海面上以及空中的目標(biāo)時(shí),雷達(dá)接收的信號(hào)主要是有用的目標(biāo)回波和由天電干擾、雷達(dá)設(shè)備本身等形成的噪聲,以及地面、海面、空中的云雨及干擾箔條等背景形成的雜波。其中背景雜波信號(hào)的強(qiáng)度經(jīng)常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目標(biāo)回波信號(hào),且雜波譜常常接近于目標(biāo),同時(shí)還受雷達(dá)設(shè)備參數(shù)的影響[4]。在背景雜波中,陸地上的物體一般比較固定,其幅相的動(dòng)態(tài)變化特征不大,而海雜波和氣象雜波相對表現(xiàn)出更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性。海面作為雷達(dá)波的反射面,其性能十分復(fù)雜,海風(fēng)、海流、海浪、潮汐和不同的水質(zhì)等都對海雜波的產(chǎn)生有著不同的影響。云、雨等氣象作為雷達(dá)波的反射面,其性能特點(diǎn)受區(qū)域面積、體積、風(fēng)速和降雨量等條件的影響。背景雜波的存在嚴(yán)重影響著雷達(dá)對目標(biāo)的探測,有時(shí)導(dǎo)致一些回波弱、速度快的目標(biāo)淹沒在雜波中,使雷達(dá)不能對其檢測。而這些被漏掉的目標(biāo)往往有很高的威脅性,例如采用隱身技術(shù)的目標(biāo)和掠海飛行的小目標(biāo),因此在一定程度上降低了雷達(dá)探測威力。

雖然目前采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型能夠?qū)μ綔y背景雜波進(jìn)行仿真模擬,但是當(dāng)前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和手段還不能完全仿真模擬地物、海面和氣象雜波的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性,只能模擬特定條件下的雜波形態(tài)變化。其中對海面和氣象雜波的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性仿真模擬是最困難的,因其涉及到的實(shí)時(shí)計(jì)算量很大,以目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)還不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬,導(dǎo)致背景雜波動(dòng)態(tài)性的仿真模擬效果還達(dá)不到實(shí)際要求。

2 雷達(dá)實(shí)采背景雜波數(shù)據(jù)的優(yōu)勢

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和IC技術(shù)的不斷發(fā)展,快速的采集器件及高速計(jì)算機(jī)處理器不斷涌現(xiàn),如高速周邊元件擴(kuò)展接口(Peripheral Component Interconnect,PCI)數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)芯片等,都可以滿足雷達(dá)回波信號(hào)的數(shù)字采集和處理,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)字化數(shù)據(jù),并且高性能的采集設(shè)備可直接從雷達(dá)中頻信號(hào)(I、Q支路)進(jìn)行數(shù)字化采集。國內(nèi)一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)都在研究設(shè)計(jì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集處理卡,并已開發(fā)出一些成形的產(chǎn)品[5-6]。雷達(dá)數(shù)據(jù)采集處理卡無疑將為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信息共享提供傳輸平臺(tái),其推廣應(yīng)用必將提高雷達(dá)視頻終端的兼容性、可移植性和通用性,具有極大的實(shí)用價(jià)值。

雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集的成熟技術(shù)促使了高等院校和科研單位對軟件化雷達(dá)終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的深入研究[7-8],其中基于GUP+CUP的雷達(dá)終端軟件化技術(shù)是目前研究的重要熱點(diǎn)。近年來,GPU的多計(jì)算單元以接近于3倍摩爾定律的速度不斷加快發(fā)展,使其擁有眾多線程,從而具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。這一特點(diǎn)剛好吻合雷達(dá)大規(guī)?；夭〝?shù)據(jù)的處理?，F(xiàn)在一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)其自身就擁有功能足夠強(qiáng)大的GPU資源。在軟件方面,采用Intel Integrated Performance Primitives(IPP)編程技術(shù)。IPP是一個(gè)集成了幾千款支持多核心、多媒體和數(shù)據(jù)處理高度優(yōu)化的軟件包,與硬件關(guān)系非常密切的底層軟件,可輕松實(shí)現(xiàn)最佳使用應(yīng)用程序的性能,提高雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的速度[9]。因此,這種實(shí)現(xiàn)方式具有逐漸替代傳統(tǒng)雷達(dá)終端系統(tǒng)的優(yōu)勢。

3 基于實(shí)采數(shù)據(jù)的雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)

雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的探測環(huán)境逼真度、信息處理的實(shí)時(shí)性和交互信息反饋的正確性。為了增強(qiáng)雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)在這3方面的優(yōu)勢,本文提出了實(shí)采數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)合成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。下面重點(diǎn)從系統(tǒng)構(gòu)成及功能和不同類型數(shù)據(jù)合成兩個(gè)主要方面進(jìn)行闡述。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

該系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示,主要包括實(shí)采數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、干擾仿真模塊、目標(biāo)仿真模塊、計(jì)算機(jī)處理模塊、訓(xùn)練態(tài)勢編輯模塊和顯控設(shè)備等6部分組成。

圖1 雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)采數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備主要是大容量磁盤陣列,用于存儲(chǔ)采集到的實(shí)裝雷達(dá)探測背景數(shù)據(jù),包括地物雜波、海面雜波和氣象雜波等實(shí)測類型數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)包中含有雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)鐘、雷達(dá)觸發(fā)脈沖、雷達(dá)中頻/視頻回波和天線方位/仰角等信息數(shù)據(jù),在訓(xùn)練過程中供計(jì)算機(jī)處理模塊實(shí)時(shí)讀取,并重構(gòu)雷達(dá)探測背景[10]。

干擾和目標(biāo)兩個(gè)仿真模塊主要是利用數(shù)學(xué)建模進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬有/無源干擾環(huán)境和多目標(biāo)探測環(huán)境。干擾環(huán)境以有意干擾為主,主要生成噪聲干擾、欺騙干擾和箔條干擾等典型干擾樣式;多目標(biāo)環(huán)境以空中目標(biāo)和水面目標(biāo)為主,主要生成目標(biāo)回波的大小和運(yùn)動(dòng)航跡真值,在訓(xùn)練過程中供計(jì)算機(jī)處理模塊實(shí)時(shí)讀取,構(gòu)成干擾和多目標(biāo)環(huán)境。

計(jì)算機(jī)處理模塊主要將探測背景數(shù)據(jù)、干擾生成數(shù)據(jù)和多目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行等效處理和數(shù)據(jù)合成。在訓(xùn)練過程中,主要對3類數(shù)據(jù)進(jìn)行等效性的信號(hào)處理、數(shù)據(jù)合成和目標(biāo)信號(hào)檢測,以及對操作員操作指令的等效處理。這主要涉及到MTI、MTD、脈沖壓縮等信號(hào)處理方式和雜波圖、CFAR等數(shù)據(jù)處理方式,以及波形變換、抗干擾措施運(yùn)用等操作指令的等效處理[11]。

訓(xùn)練態(tài)勢編輯模塊主要是根據(jù)訓(xùn)練科目和內(nèi)容進(jìn)行戰(zhàn)情想定態(tài)勢編輯與訓(xùn)練進(jìn)程控制。在訓(xùn)練過程中,該模塊根據(jù)具體作戰(zhàn)態(tài)勢調(diào)配相應(yīng)的兵力部署和復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)設(shè),控制訓(xùn)練的初始化、開始、暫停和結(jié)束等進(jìn)程,并可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)調(diào)。

顯控設(shè)備主要是雷達(dá)終端顯示和人機(jī)交互的部分,與實(shí)際雷達(dá)裝備一致,在訓(xùn)練過程中主要為操作員提供操控雷達(dá)進(jìn)行訓(xùn)練的崗位。

3.2 實(shí)采數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的合成

實(shí)采數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的合成是本系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)。它們之間的合成程度不僅影響著雷達(dá)探測性能和操作指令反饋效果,而且還影響系統(tǒng)仿真的逼真度。為了最大化提高不同類型數(shù)據(jù)之間的合成效果,本系統(tǒng)采用了“等效處理,后期合成”的方式實(shí)現(xiàn),其數(shù)據(jù)處理合成流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理合成流程圖

該系統(tǒng)中,實(shí)采數(shù)據(jù)、干擾模塊和目標(biāo)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流都被納入統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)序,根據(jù)雷達(dá)訓(xùn)練態(tài)勢設(shè)置的具體參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的雷達(dá)探測環(huán)境,其中等效處理是系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

等效處理是基于具體參數(shù)的等效處理計(jì)算模型,不考慮處理過程,只考慮具體參數(shù)對應(yīng)的輸出結(jié)果,主要涉及到MTI、MTD、脈沖積累、恒虛警等信號(hào)處理或者視頻處理計(jì)算模型,以及采取抗干擾措施等處理計(jì)算模型,根據(jù)它們在相關(guān)參數(shù)確定的條件下對信雜比、信噪比和信干比的改善結(jié)果值來等效調(diào)整目標(biāo)回波與雜波信號(hào)之間的幅度值、目標(biāo)回波與干擾信號(hào)之間的幅度值,使其達(dá)到相應(yīng)處理的改善效果。舉例說明MTI和脈沖積累兩個(gè)等效處理的過程。

(1) MTI處理等效模型

MTI處理一次對消結(jié)構(gòu)如圖3所示。它利用固定地物的多譜勒頻率為零的特點(diǎn),采用跨周期相消方式抑制掉回波中的固定地物雜波。它也有3脈沖對消器,即兩個(gè)一次對消。

圖3 MTI一次對消結(jié)構(gòu)圖

等效處理時(shí),只是根據(jù)相應(yīng)的多譜勒頻率值和對消脈沖數(shù)的改善結(jié)果值調(diào)整目標(biāo)回波與雜波、目標(biāo)回波與干擾信號(hào)之間的幅度比值,完成改善效果。MTI改善因子的范圍可設(shè)為20～40 dB。當(dāng)出現(xiàn)雜波或噪聲干擾時(shí),根據(jù)具體參數(shù)表將雜波或噪聲干擾電平加權(quán)下降相應(yīng)的幅度。

(2) 脈沖積累

脈沖積累可以改善輸出信噪比,提高檢測性能,主要分為相參積累和非相參積累兩種。以相參積累為例:相參積累的理論處理增益(信噪比改善值)為脈沖數(shù)M,即

GpI=20 log(M) (dB)

當(dāng)脈沖數(shù)為9～36時(shí),相參積累的理論處理增益為18～31 dB。等效處理時(shí),對于雷達(dá)回波脈沖,使其幅度增加18～31 dB;對于干擾信號(hào),如果是噪聲干擾則無積累增益；對于欺騙干擾，則其幅度增加10～21 dB。

3類數(shù)據(jù)流在各自通道完成相應(yīng)的等效處理后,再按照雷達(dá)仿真系統(tǒng)時(shí)序根據(jù)3類數(shù)據(jù)具體設(shè)置參數(shù),并按照相應(yīng)的距離單元將它們合成為同一通道的雷達(dá)探測環(huán)境回波。然后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,需要針對不同的處理模式標(biāo)定不同的歸一化電平,并轉(zhuǎn)換成跟蹤顯示需要的定點(diǎn)數(shù)。最后完成目標(biāo)跟蹤,第1步是進(jìn)行門限檢測,利用給定的門限對視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行門限判決,檢查目標(biāo)是否超過門限。僅當(dāng)目標(biāo)超過門限值時(shí)目標(biāo)數(shù)據(jù)才送跟蹤模塊。第2步是進(jìn)行目標(biāo)跟蹤,利用卡爾曼濾波器對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,形成目標(biāo)的航跡。目標(biāo)跟蹤檢測結(jié)果以航跡文件格式傳送到顯示模塊,保證了雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)可以與實(shí)裝具有相比擬的檢測性能(發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率)[12]。

3.3 數(shù)據(jù)合成驗(yàn)證結(jié)果

通過實(shí)采雜波數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真模型數(shù)據(jù)等效處理、數(shù)據(jù)合成的方式構(gòu)建的雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)不僅具有逼真的雷達(dá)探測背景和操控反饋的準(zhǔn)確性,而且還保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和目標(biāo)檢測性能。下面以某兩型雷達(dá)兩種仿真實(shí)現(xiàn)方式作差異性比較。圖4為基于實(shí)采雜波數(shù)據(jù)的雷達(dá)仿真系統(tǒng)顯示效果。圖5為全數(shù)字仿真雷達(dá)系統(tǒng)顯示效果。通過比對可以看出,實(shí)采的海雜波和氣象雜波與數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的海雜波和氣象雜波存在較大不同。

圖4 實(shí)采雜波數(shù)據(jù)的顯示效果

圖5 全模型仿真的顯示效果

實(shí)采的海雜波由近至遠(yuǎn),回波由強(qiáng)到弱且連續(xù),遠(yuǎn)區(qū)隨機(jī)羽化效果比較真實(shí),而模擬海雜波遠(yuǎn)近區(qū)域變化不明顯,且遠(yuǎn)區(qū)隨機(jī)羽化效果差。氣象雜波和地物雜波也存在這種差異。如圖6所示,地物雜波、目標(biāo)回波與干擾信號(hào)的非常完美地合成在一起,能夠逼真再現(xiàn)有源干擾影響了雷達(dá)對目標(biāo)的錄取與跟蹤。可見,基于實(shí)采雜波數(shù)據(jù)的雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)更能夠逼真地構(gòu)建雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境下所探測到的真實(shí)環(huán)境。

圖6 干擾信號(hào)與目標(biāo)回波合成效果

4 結(jié)束語

雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)與真實(shí)雷達(dá)在探測背景環(huán)境方面的差異性會(huì)影響到雷達(dá)操作手對地物雜波、海雜波和氣象雜波的感觀認(rèn)識(shí),從而影響到實(shí)際作戰(zhàn)中雷達(dá)操作手如何應(yīng)對不同類型雜波的影響,進(jìn)一步影響到雷達(dá)操作手對目標(biāo)的檢測與跟蹤。這使得雷達(dá)操作手的訓(xùn)練效果大打折扣。本系統(tǒng)基于實(shí)采雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行雷達(dá)雜波模擬,構(gòu)建了與真實(shí)雷達(dá)基本一致的背景環(huán)境,能夠滿足雷達(dá)操作手對各類雜波的感知和雜波環(huán)境下目標(biāo)探測跟蹤訓(xùn)練,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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Research on a radar simulation training system based on real clutter data sampled

HE Yong-xi, ZHANG Guo-bing

(Unit 91404 of the PLA Navy, Qinhuangdao 066000, China)

The radar detection background clutters generated by the computer simulation model are not realistic, and it is difficult to meet the requirements of the actual combat training in the complex electromagnetic environment for radar operators. A radar simulation training system is proposed based on the synthesis of the real data sampled and the data of the computer simulation model. The system collects the radar background clutter data with the mature data acquisition technology, and then the clutter data and the computer simulation data are synthesized through the equivalent processing and the data synthesis technology. The correct feedback effect of the corresponding signal processing, data processing and operation instructions is reconstructed and reproduced under the unified time sequence. Finally, from the comparison results of the display effect of the two different systems, the system greatly improves the fidelity of the radar detection background environment.

radar simulation; real data sampled; data synthesis; fidelity; equivalent processing

2016-09-20

何永喜(1983-),男,工程師,研究方向:雷達(dá)仿真； 張國兵(1979-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)仿真。

TN955

A

1009-0401(2016)04-0008-04