武警工程大學(xué) 耿新元 李慶鵬 李 芳

基于Matlab的軍用雷達(dá)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武警工程大學(xué) 耿新元 李慶鵬 李 芳

本文在分析雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理和信號參數(shù)的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確再現(xiàn)了雷達(dá)目標(biāo)的信息處理過程,實(shí)現(xiàn)了一部對通用雷達(dá)的軟件化仿真。仿真平臺(tái)基于MATLAB GUI設(shè)計(jì)結(jié)合分析現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)及其應(yīng)用,可為雷達(dá)操作人員訓(xùn)練、分析設(shè)備性能等方面提供依據(jù)，對于雷達(dá)工作人員熟悉和掌握雷達(dá)原理和信號處理流程提供了真實(shí)有效的技術(shù)手段,為開發(fā)和研制新型雷達(dá)提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有很好的可操作性和可實(shí)現(xiàn)性。

雷達(dá)系統(tǒng)；圖形界面設(shè)計(jì)；GUI

0 引言

軍用雷達(dá)，顧名思義，主要是指在軍事范圍內(nèi)使用的雷達(dá)，它的主要工作原理是通過電磁波來完成對軍事目標(biāo)或設(shè)備的探測，工作過程是先將電磁波發(fā)射出去，在感應(yīng)到目標(biāo)之后，目標(biāo)物將對雷達(dá)所發(fā)射的電磁波進(jìn)行反射，雷達(dá)接收到由目標(biāo)物反射回的信號之后，將通過相關(guān)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算，從而由計(jì)算結(jié)果得到與目標(biāo)有關(guān)的信息[1-2]。

本文通過使用基于MATLAB GUI仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)，結(jié)合分析現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)及其應(yīng)用,為雷達(dá)工作人員熟悉和掌握雷達(dá)原理和信號處理流程提供了真實(shí)有效的技術(shù)手段,為開發(fā)和研制新型雷達(dá)提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有很好的可操作性和可實(shí)現(xiàn)性。[3]

1 Matlab GUI

MATLAB提供了具有強(qiáng)大功能的GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)模板，用于創(chuàng)建各種用戶圖形對象（GUI）.而且用戶可以根據(jù)需求直接在對象選擇區(qū)中中進(jìn)行選擇，從而自動(dòng)生成相應(yīng)的M文件框架，這樣讓編寫界面程序的工作變得簡單很多。[4]

Matlab GUI界面由前臺(tái)界面和后臺(tái)回調(diào)函數(shù)兩部分組成，其對應(yīng).fig文件與．m文件。其中前臺(tái)界面主要包括GUI布局區(qū)及相應(yīng)控件、菜單的設(shè)計(jì)。后臺(tái)主要提供用來實(shí)現(xiàn)前臺(tái)界面功能的回調(diào)函數(shù)。

2 界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 界面功能介紹

本文模擬了一個(gè)早期預(yù)警雷達(dá)，仿真產(chǎn)生隨機(jī)目標(biāo)（坐標(biāo)、速度、加速度以及RCS等）。具體地說，先用雷達(dá)方程來計(jì)算得到相關(guān)參數(shù)，包括設(shè)計(jì)的雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益、目標(biāo)距離和目標(biāo)的RCS。然后通過仿真計(jì)算得出回波的幅度和相位信息。本文中還引入了動(dòng)目標(biāo)檢測的部分，所有被檢測到的目標(biāo)在雷達(dá)主顯示器上放置，固定目標(biāo)被顯示為山峰。

依據(jù)上述方法，本文在對軍用雷達(dá)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：一是對各種參數(shù)的設(shè)定和修改，主要包括各項(xiàng)雷達(dá)參數(shù)、模擬環(huán)境影響參數(shù)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，二是結(jié)合實(shí)際雷達(dá)的工作過程，在界面中全面顯示表示雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)的信息，完成對目標(biāo)的探測，并將探測結(jié)果顯示在界面中，三是展示雷達(dá)在作用范圍內(nèi)具體的掃描過程。為了達(dá)到這些目標(biāo)要求，需要在仿真界面設(shè)置P型顯示器和A型顯示器用于具體信息的顯示，包括具體的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息和雷達(dá)圖像。除此之外，還需要設(shè)置用于修改各類參數(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)控制區(qū)，根據(jù)需要完成數(shù)據(jù)的設(shè)定。仿真界面之外的系統(tǒng)后臺(tái)部分主要用來完成生成數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)等活動(dòng)，具體方法是在用戶輸入相應(yīng)的參數(shù)信息之后，后臺(tái)系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)算生成雷達(dá)的工作數(shù)據(jù)，然后將生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以此得到需要在顯示界面顯示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，之后再將這些數(shù)據(jù)通過顯示器顯示出來。

2.2 界面設(shè)計(jì)

遵照之前得到的結(jié)論，在仿真界面主要通過P型顯示器和A型顯示器完成對所需數(shù)據(jù)和雷達(dá)界面的顯示。考慮到P型顯示器可以為操作人員對相關(guān)信息的分析和判讀提供主要依據(jù)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)決定將P型顯示器置于顯示窗口的中間位置，并將顯示尺寸盡量擴(kuò)大，滿足用戶的需求[5]。A型顯示器可設(shè)置與于整個(gè)界面的左下角。參數(shù)設(shè)置區(qū)主要用來完成用戶對各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定功能，包括雷達(dá)參數(shù)設(shè)置和環(huán)境參數(shù)設(shè)置。其中雷達(dá)可調(diào)參數(shù)包括脈沖重復(fù)周期、占空比、天線角速度、檢測門限、更新速度等；環(huán)境可調(diào)參數(shù)包括目標(biāo)個(gè)數(shù)設(shè)置、RCS、噪聲電平、山峰設(shè)置等可。界面如圖1所示，其中標(biāo)注“1”處為主控界面，控制仿真的開始和停止，重置按鈕有實(shí)現(xiàn)重新設(shè)置仿真參數(shù)的功能。標(biāo)注“2”處為A顯界面，顯示仿真目標(biāo)參考位置的小窗口，同時(shí)也可以顯示回波信號的波形。標(biāo)注“3”處為雷達(dá)可調(diào)參數(shù)。標(biāo)注“4”處為環(huán)境可調(diào)參數(shù)。標(biāo)注“5”處為P顯界面，顯示雷達(dá)檢測目標(biāo)的過程[6]。另外，在對雷達(dá)顯示界面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，模仿了實(shí)際雷達(dá)完成掃描過程的余跡效果，具體做法是在天線完成掃描的過程中，上一個(gè)波束點(diǎn)的消失過程是漸變式的。需要指出的是，A型顯示器輸出的一維距離向目標(biāo)波形顯示結(jié)果與P型顯示器掃描過程成映射狀態(tài)，同步進(jìn)行。

圖1 雷達(dá)界面設(shè)計(jì)

2.3 回調(diào)函數(shù)編寫

對完成的界面進(jìn)行運(yùn)行操作，同時(shí)利用GUI創(chuàng)建界面將運(yùn)行界面保存為一個(gè)格式為fig的文件，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)M文件。該M文件涵蓋著GUI的初始化代碼，繼續(xù)在M文件中增添或者修改回調(diào)函數(shù)的代碼，將可以在主界面讀取相關(guān)參數(shù)，也可以執(zhí)行相應(yīng)的控件功能。進(jìn)入所選控件回調(diào)函數(shù)的方法是用鼠標(biāo)右擊編輯過的控件，并在彈出的選項(xiàng)中選擇View Callbacks，再點(diǎn)擊其下的Callbacks即可。[7]

下面以界面中的開始控件為例，對相應(yīng)代碼進(jìn)行編寫。控件的Tag屬性使用系統(tǒng)默認(rèn)值。

代碼如下：

圖2 運(yùn)行結(jié)果一

圖3 運(yùn)行結(jié)果二

3 仿真實(shí)驗(yàn)

具體進(jìn)行仿真時(shí)，以某一特定的參數(shù)為例，設(shè)定雷達(dá)參數(shù)為:脈沖重復(fù)周期為0.8ms，參差值為1，天線發(fā)射功率為10,天線速率為π/3rad /s，采樣頻率為50kHz，帶寬0．02MHz，更新速率0.05s，目標(biāo)RCS為100，電磁噪聲-13dB，數(shù)字噪聲級為-9dB，緩沖區(qū)脈沖個(gè)數(shù)為32，目標(biāo)數(shù)為4，山峰數(shù)為3。仿真運(yùn)行之后的結(jié)果顯示如圖2所示。圖2中，藍(lán)色不規(guī)則線條標(biāo)志表示動(dòng)態(tài)目標(biāo)，黑色三角標(biāo)志表示固定目標(biāo)山峰。重新設(shè)置目標(biāo)數(shù)為3，山峰數(shù)為2，其余參數(shù)不變，得到運(yùn)行結(jié)果為圖3。通過進(jìn)行多次仿真，可以看出雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)對多個(gè)目標(biāo)的穩(wěn)定探測和追蹤，且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了實(shí)際要求。實(shí)驗(yàn)表明，仿真雷達(dá)探測跟蹤結(jié)果在個(gè)數(shù)或者位置上，都大體上和實(shí)際目標(biāo)的個(gè)數(shù)或位置相一致，與雷達(dá)界面仿真的性能需求相符。

4 結(jié)論

本文對復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，全文主要分成兩部分，理論介紹部分和實(shí)踐設(shè)計(jì)部分，理論部分系統(tǒng)地介紹了雷達(dá)的基本概念以及工作原理和顯示原理，實(shí)踐設(shè)計(jì)部分主要是利用MATLAB軟件中的 GUI設(shè)計(jì)對雷達(dá)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真?；贛ATLAB GUI設(shè)計(jì)的編程較為容易，設(shè)計(jì)較為直觀簡單，界面實(shí)現(xiàn)了軍用雷達(dá)探測，顯示的功能。通過這種方法構(gòu)建的仿真，不僅設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)便于理解，而且便于運(yùn)行操作。經(jīng)過仿真結(jié)果表明仿真界面設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

[1]王燕,朱松．軍用雷達(dá)發(fā)展綜述[J]．國際電子戰(zhàn),2003(9):3-6．

[2]張連仲,王炳如,陳玲,張光義．軍用雷達(dá)技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代雷達(dá),2008,30(4)．

[3]董錦,蔣明．基于Matlab GUI的雷達(dá)總調(diào)軟件實(shí)現(xiàn)[J]．電子科技,2014,27(7):8-45．

[4]劉利軍．基于MATLAB的軟件雷達(dá)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D]．蘭州:蘭州大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,2008．

[5]徐挺,彭冬亮,薛安克．雷達(dá)系統(tǒng)仿真平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[N]．杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(5)．

[6]陳媛媛,徐佳,王慶松．基于MATLAB GUI的SAR雜波統(tǒng)計(jì)建模與仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(30)．

[7]成鴻飛,王瑩,段柳云,尹忠,宗節(jié)保．基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件包設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(16)．

耿新元【通訊作者】（1993—），山東濟(jì)南人，碩士研究生在讀，現(xiàn)就讀于武警工程大學(xué)，主要研究方向：光通信技術(shù)。