王　琳　張大鋒　劉　峰　任　強　段芳芳

(1.陸軍航空兵研究所　北京　101121；2.光電控制技術重點實驗室　洛陽　471023；3.西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

隨著近年來電子技術和計算機數(shù)字模擬技術的飛速發(fā)展，模擬仿真逐漸成為國內外軍事研究領域的熱點。作為雷達模擬技術的重要應用領域之一，雷達模擬仿真訓練以其安全、經濟、靈活、逼真的特點得到快速發(fā)展，已成為軍事訓練中必不可少的輔助工具和手段。雷達模擬訓練系統(tǒng)是模擬仿真技術和雷達技術相結合的產物，它通過模擬方法產生雷達操作和顯示的各種信號，在實際雷達前端不具備的條件下，真實地描述雷達的工作狀態(tài)[1]。

國外在雷達模擬訓練系統(tǒng)研究方面起步較早，開發(fā)的模擬訓練系統(tǒng)具有靈活性、通用性、兼容性和可擴展性等特點。具有代表性的是：美國KOR Electronics公司開發(fā)的數(shù)字化雷達環(huán)境模擬器(Digital Radar Environment Simulator)，該模擬器綜合采用了VME總線結構、DSP、模塊化設計等技術，可以同時產生大量高度逼真的目標、雜波和干擾回波，提供數(shù)字、中頻、射頻形式的雷達回波信號。國內從20世紀90年代開始研究雷達信號模擬技術，先后經歷了全模擬實現(xiàn)法、半實物仿真驗證、數(shù)字模擬等階段。[2]研究了雷達模擬器中可視化仿真技術的實現(xiàn)，建立想定目標運動仿真和雷達波位掃描等功能，能夠直觀、準確、動態(tài)地表現(xiàn)雷達戰(zhàn)場環(huán)境；[3]研究了機載雷達雜波環(huán)境模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)途徑，給出了機載雷達地面雜波數(shù)據(jù)仿真的方法。

以上成果經驗為開展火控雷達模擬訓練研究提供了寶貴經驗。然而，直升機載火控雷達有其自身的使用特點和訓練要求：一方面，直升機飛行高度相對較低，低空戰(zhàn)場環(huán)境非常復雜，地雜波數(shù)量和干擾較多，雷達在雜波和干擾環(huán)境下訓練要求較高；另一方面，受到雷達波束覆蓋范圍的限制，直升機飛行姿態(tài)的變化會對雷達探測范圍產生影響，因此需要真實模擬直升機慣導數(shù)據(jù)的變化。本文在分析直升機載火控雷達作戰(zhàn)使用特點的基礎上，提出了雷達模擬訓練系統(tǒng)的設計思想，介紹了雷達模擬訓練系統(tǒng)的組成，開展了目標信號模擬、直升機慣導信息模擬、干擾和雜波模擬、模擬訓練評估等技術研究。

1　雷達模擬訓練系統(tǒng)的設計原則和要求

1.1　雷達模擬訓練系統(tǒng)的設計原則

雷達模擬訓練系統(tǒng)以雷達回波信號理論和數(shù)字信號處理理論為基礎，通過設置不同的訓練模式、訓練場景、訓練科目等，使雷達訓練人員在地面就能真實體驗雷達的使用方法，從而全面掌握雷達的操作技能。因此，模擬訓練系統(tǒng)的使用操作必須與實際雷達完全一致，設計時還要兼顧通用性、靈活性、真實性、擴展性等原則[4]。

1)通用性：雷達模擬訓練系統(tǒng)的主控單元、終端顯示控制單元、信號源以及接口標準要滿足通用性要求，并具備一定的拓展能力。

2)靈活性：訓練模式要具有一定的靈活性，訓練人員可以選擇規(guī)定科目或自主設定訓練科目，可以任意設置目標數(shù)量、類型、航跡，以及背景、干擾的類型。

3)真實性：全狀態(tài)模擬雷達的工作狀態(tài)，模擬訓練系統(tǒng)的顯示界面、狀態(tài)指示、視覺效果、操作方法與實際雷達完全相同。

4)擴展性：雷達模擬訓練系統(tǒng)采用模塊化設計，留有標準的外部擴展接口，通過適當更改軟件和硬件，來實現(xiàn)對后續(xù)雷達的模擬。

1.2　雷達模擬訓練系統(tǒng)的設計要求

直升機載火控雷達模擬訓練系統(tǒng)基于相應的硬件、軟件體系構建，設計時綜合考慮了直升機的平臺特點、作戰(zhàn)使用環(huán)境，雷達的功能模式和性能特點。

系統(tǒng)硬件采用半實物仿真形式，雷達的人機交互界面主要是控制盒和綜合顯示器。硬件設計以外觀一致、控制關系一致、接口關系一致為原則，對雷達控制盒和綜合顯示器進行功能模擬。綜合顯示器提供雷達工作模式的設備操作平臺及雷達回波圖像的輸出；單片機系統(tǒng)采用軟件模擬生成直升機、目標、背景、干擾等信號，以及雷達發(fā)射、接收、信號處理和數(shù)據(jù)輸出，并通過通訊網絡進行數(shù)據(jù)交換。

軟件設計要求具備良好的人機交互界面以及較高的仿真精度[4]。一是要求系統(tǒng)具有友好、逼真的雷達顯示界面；二是要求系統(tǒng)具有方便可靠的操作性，可同時通過控制盒、綜合顯示器周邊鍵等對火控雷達進行指令操作和精確控制；三是要求系統(tǒng)能夠靈活設置和修改性能參數(shù)、工作方式，便于訓練人員開展不同科目的模擬訓練。

2　雷達模擬訓練系統(tǒng)的組成

火控雷達模擬訓練系統(tǒng)按功能分為三個部分：信號產生模塊、信號處理模塊、信號顯示控制模塊，如圖1所示。

1)信號產生模塊

信號產生模塊通過單板計算機和相關軟件實現(xiàn)，用于模擬產生直升機飛行、目標運動、戰(zhàn)場環(huán)境、雜波干擾等信號。

2)信號處理模塊

信號處理模塊接收信號產生模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)雷達當前的工作模式、戰(zhàn)場環(huán)境、目標信息，在仿真計算機上采用模型與軟件的方式模擬雷達的發(fā)射、接收、信號處理和數(shù)據(jù)輸出的功能。

信號處理模塊與實際雷達的信號處理模塊對應，采用仿真模型抽象出火控雷達對雜波背景下的目標檢測和跟蹤的物理過程，并且在檢測概率上達到與實際雷達一致或接近的效果，同時在模擬敵方實施電子干擾的情況下，正確模擬出雷達被干擾的現(xiàn)象。

3)信號顯示控制模塊

信號顯示控制模塊通過雷達控制盒、綜合顯示器實現(xiàn)及操作控制軟件實現(xiàn)，用于雷達數(shù)據(jù)的顯示與人機交互。其中，控制盒和綜合顯示器周邊鍵為控制輸入按鈕，用于操作人員與雷達之間進行交互，完成各種工作參數(shù)的更改和工作模式的切換。

3　雷達模擬訓練仿真的關鍵技術

雷達模擬訓練仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術主要有：目標信號模擬、直升機慣導信息模擬、背景和干擾模擬、顯示控制模擬等。

3.1　目標信號模擬

目標信號模擬包括目標屬性信息模擬和目標運動信息模擬。

1)目標屬性信息模擬

目標屬性信息模擬主要基于目標RCS特征，根據(jù)不同類型目標的RCS特征和回波特性[5]，模擬生成地面裝甲車輛、運輸車輛，空中無人機、固定翼飛機、直升機等空中和地面目標。由于真實目標的雷達反射數(shù)據(jù)難以獲取，而且目標在不同方向上的RCS也不盡相同，因此在設計時采用測量值或經驗值進行模擬。

目標運動信息模擬主要基于典型地面和空中目標的運動模型，模擬生成目標的位置、速度、航向、角速度和運動軌跡。直升機載火控雷達的典型目標運動模型有：勻速運動模型、勻加速運動模型、交互式多模型、Singer模型、當前統(tǒng)計模型等[6]。由于火控雷達具備多目標探測能力，因此在模擬單目標運動軌跡的基礎上，還要模擬多個目標運動軌跡交叉、重疊的情形。

3.2　直升機慣導信息模擬

直升機是火控雷達的平臺，受到雷達波束覆蓋范圍和雷達探測角度等限制，直升機飛行姿態(tài)的變化會對雷達探測目標產生影響，雷達顯示畫面也會隨之改變，因此需要對直升機的飛行姿態(tài)和航線等慣導信息進行模擬。這些信息包括：直升機的方位角、俯仰角、橫滾角、速度、加速度、角度、經緯度等。

直升機慣導信息模擬以實際火控雷達數(shù)據(jù)庫中的慣導信息為基礎，通過處理形成直升機運動軌跡，組合產生直升機在懸停、平飛、機動等狀態(tài)下的慣導信息；在此基礎上，疊加相應的模擬合作目標，逼真地展現(xiàn)直升機飛行時的畫面，達到理想的模擬訓練效果。

3.3　地物雜波和干擾信號模擬

1)地物雜波模擬

地物雜波模擬是雷達模擬訓練系統(tǒng)設計中圖像仿真和目標檢測跟蹤仿真的的關鍵內容之一，通過模擬不同背景下的地物雜波，來訓練操作人員在復雜背景中發(fā)現(xiàn)、搜索目標的能力。有經驗的雷達操作人員善于區(qū)分目標回波和地物干擾雜波，并從雜波背景中發(fā)現(xiàn)目標。由于直升機飛行高度低，地雜波是影響雷達目標檢測的主要背景干擾源，因此要盡量真實地模擬雜波信號。

在雷達波束照射過程中，地表面屬于面分布目標，可視為由大量散射元組成，這些散射元的位置及彼此間距是隨機的。由于散射元相互獨立，各散射元的散射信號也相互獨立，其在雷達上的回波信號就構成回波群。根據(jù)雜波研究理論和雜波概率分布特性，如果被照射的區(qū)域中沒有強散射體，那么地物回波的統(tǒng)計規(guī)律可以用瑞利分布、相關對數(shù)整體分布、韋布爾分布等描述[7]。此外，地物雜波數(shù)據(jù)仿真還與直升機的飛行高度、飛行速度、飛行航向以及脈沖寬度等有關，在仿真模擬過程中要考慮火控雷達的波形。

影響均宮內發(fā)育情況、窒息情況等窒息患兒體格、智能及運動發(fā)育，導致窒息患兒發(fā)育落后，所以科學合理的早期干預及運動訓練，使其各方面發(fā)育接近甚至達到正常嬰幼兒的水平受到人們的關注和支持。希望在不久的將來，通過我們醫(yī)務工作者的努力，認真跟蹤，指導訓練這樣的窒息患兒，使這些兒童得以健康的成長。

2)干擾信號模擬

有源干擾主要是用于破壞雷達對真實目標回波信號的檢測，通常表現(xiàn)為掩蓋真實目標信號或產生虛假目標信號[8]。有源干擾模擬是雷達模擬訓練系統(tǒng)設計的關鍵內容之一，通過模擬雷達有源干擾信號，可以訓練操作人員應對復雜電磁環(huán)境的能力，適應近似實戰(zhàn)的作戰(zhàn)條件。

雷達有源干擾分為遮蓋性干擾和欺騙式干擾。遮蓋性干擾是利用噪聲或類似噪聲的干擾信號掩蓋或淹沒目標信號，阻止雷達檢測目標信息；按照調制方式的不同分為射頻噪聲、調幅噪聲、調頻噪聲、調相噪聲。欺騙式干擾是采用虛假目標和信息作用于雷達檢測系統(tǒng)，使雷達不能正確檢測真正的目標或不能正確測量目標的參數(shù)信息，主要包括距離欺騙干擾、速度欺騙干擾、角度欺騙式干擾、間歇采樣轉發(fā)干擾等。雷達有源干擾模擬以DDS波形產生電路為核心，利用標準PCI總線的高速傳輸特性，結合數(shù)字邏輯控制電路對DDS芯片進行高速、精確控制，產生高逼真度的雷達有源干擾信號。

3.4　雷達顯示控制模擬

在雷達模擬訓練系統(tǒng)中，顯示控制終端用于雷達信號數(shù)據(jù)的處理和顯示、雷達操作界面的設置、操作指令的發(fā)送、模擬系統(tǒng)的控制。

雷達顯示控制軟件通過VxWork多任務實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)，軟件運行在顯示控制單板機上，顯示控制與數(shù)據(jù)處理之間采用以太網絡接口，傳輸控制指令和雷達數(shù)據(jù)。顯示控制軟件主要實現(xiàn)以下功能：①實時接收雷達處理數(shù)據(jù)；②完成雷達控制功能和部分運算任務；③實現(xiàn)人機交互、數(shù)據(jù)實時記錄與顯示。

4　雷達模擬訓練評估設計

訓練效果評估是火控雷達模擬訓練仿真系統(tǒng)的主要功能之一，對于提高訓練人員的操作水平具有重要的促進作用。雷達模擬訓練評估包括訓練檔案管理模塊、任務設計模塊、訓練數(shù)據(jù)記錄與評估模塊、反饋糾正模塊等。

(1)訓練檔案管理模塊

訓練檔案管理模塊主要用于訓練人員的基本信息和訓練記錄管理，包括訓練信息登錄、訓練信息加載、訓練檔案添加、訓練檔案刪除等。訓練檔案管理模塊是一個典型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其主要功能模塊及相互關系如圖2所示。

(2)任務設計選擇模塊

任務設計模塊用于制定雷達操作訓練的內容和訓練科目。根據(jù)雷達的作戰(zhàn)使用特點，分別設計了不同難度級別的訓練：①基礎操作訓練，訓練內容包括：角度設置、距離設置、門限設置、單目標跟蹤操作等；②復雜操作訓練，訓練內容包括：雜波環(huán)境操作、干擾環(huán)境操作、多目標跟蹤操作等；③自定義科目訓練，根據(jù)訓練人員的需求自定義設置訓練科目，適合于專項強化訓練。自定義設置的內容包括：直升機飛行航線、飛行姿態(tài)，雷達使用環(huán)境和任務背景，目標類型、數(shù)量、運動模型，干擾類型、強度等。

(3)訓練數(shù)據(jù)記錄與評估模塊

訓練數(shù)據(jù)記錄與評估是全方位提升雷達操作人員訓練水平的重要環(huán)節(jié)。該模塊首先記錄訓練人員操作雷達的全過程，并記錄相關訓練數(shù)據(jù)。訓練結束后，將操作情況進行回放分析，利用專家或相關算法評估操作過程的準確性、合理性。

(4)反饋糾正模塊

反饋糾正模塊是根據(jù)數(shù)據(jù)記錄與評估模塊的結果，將正確的操作信息反饋給訓練人員，輔助訓練人員更好地完成雷達操作任務，加深對雷達正確操作的印象，提升雷達模擬訓練效果。主要有以下兩種輔助功能：①當訓練人員出現(xiàn)操作錯誤時，在顯示畫面中不影響操作的位置，提示錯誤操作的原因、錯誤的等級(輕微、一般、嚴重)以及正確的操作步驟。②在復雜訓練任務中，根據(jù)訓練人員的訓練情況智能分析，確定是否對其進行提示。

5　結束語

雷達模擬訓練系統(tǒng)是提高裝備訓練效率和訓練水平、節(jié)約訓練經費、延長使用壽命的有效手段。本文分析了直升機載火控雷達的訓練特點和訓練需求，提出了模擬訓練系統(tǒng)的設計思想，探討了目標信號模擬、直升機信息模擬、干擾和雜波模擬等關鍵技術。為了達到更好的模擬訓練效果，可在后續(xù)系統(tǒng)設計中，進一步豐富的直升機飛行數(shù)據(jù)庫、地形數(shù)據(jù)庫和干擾數(shù)據(jù)庫。

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