朱 賽 蔡金燕 孟亞峰 呂貴洲 都學(xué)新

陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 河北石家莊 050003

雷達(dá)裝備教學(xué)是軍隊(duì)院校雷達(dá)專業(yè)學(xué)生的重要課程，是學(xué)習(xí)雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程和操作使用的一門課程。在教學(xué)過程中，以典型雷達(dá)裝備為基礎(chǔ)，通過理論教學(xué)和操作訓(xùn)練兩大模塊來實(shí)施。教學(xué)過程中既需講清理論，又要實(shí)裝操作，同時(shí)作為大型裝備，數(shù)目有限，使得教學(xué)過程中存在學(xué)生數(shù)目較多與裝備數(shù)量有限、理論講解與裝備操作場(chǎng)地分離、雷達(dá)高頻信號(hào)不易觀測(cè)、理論知識(shí)與裝備實(shí)際聯(lián)系不緊密等各種問題。

MATLAB是一種常用的科研計(jì)算工具軟件，在雷達(dá)信號(hào)仿真處理中發(fā)揮重要作用，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生[1]、處理[2]、可視化[3]等研究及教學(xué)過程[4]。MATLAB中的圖形用戶界面(Graphical User Interface，簡(jiǎn)稱GUI)既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真的圖形化結(jié)果以人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)方式呈現(xiàn)給客戶，將計(jì)算流程和易操作界面完美集成在一起[5,6]。

通過MATLAB GUI設(shè)計(jì)開發(fā)雷達(dá)裝備示教系統(tǒng)，通過“理論知識(shí)—仿真處理—裝備系統(tǒng)—實(shí)裝展示”的途徑，將雷達(dá)原理、實(shí)裝及操作流程直觀形象展示，解決裝備教學(xué)中存在的矛盾，提高教學(xué)效果。

1 某型雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)組成

該型雷達(dá)為有源相控陣?yán)走_(dá)，主要對(duì)多種火炮、火箭進(jìn)行偵察定位和校射：偵察敵火炮、火箭發(fā)射陣地，對(duì)己方火炮、火箭校正射擊。

該型雷達(dá)發(fā)射過程框圖如圖1所示，其中二維有源固態(tài)陣列為雷達(dá)相控陣天線，由多個(gè)T/R組件二維排列而成，通過控制每個(gè)T/R組件的發(fā)射波形相位，從而控制整個(gè)天線發(fā)射波束指向，實(shí)現(xiàn)波束的電掃描。

圖1 雷達(dá)發(fā)射過程框圖

在圖1所示發(fā)射框圖中，雷達(dá)接口接收雷達(dá)計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，并將控制指令重新編排后分配到波束控制單元和頻率源波形產(chǎn)生器；波束控制單元根據(jù)計(jì)算機(jī)控制指令在發(fā)射和接收期間分別控制天線中T/R組件移相器相位，實(shí)現(xiàn)波束按一定的規(guī)律在指定空間搜索、跟蹤空中目標(biāo)；頻率源根據(jù)計(jì)算機(jī)控制指令產(chǎn)生第一本振頻率、第二本振頻率及相參本振等雷達(dá)基準(zhǔn)頻率信號(hào)，波形產(chǎn)生器接收計(jì)算機(jī)指令控制，并根據(jù)基準(zhǔn)頻率信號(hào)射頻激勵(lì)信號(hào)；發(fā)射機(jī)前級(jí)將波形發(fā)生器送來的低功率射頻激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，并通過中間推動(dòng)級(jí)放大后送到每個(gè)T/R組件。

2 仿真示教系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于信號(hào)發(fā)射過程中的波束控制、頻率源、波形產(chǎn)生器、發(fā)射機(jī)前級(jí)及二維有源固態(tài)陣列等，在教學(xué)過程中使學(xué)生既要理解其工作原理，又要掌握其具體操作過程。該專業(yè)學(xué)生較多，而該型雷達(dá)裝備僅配備一部，同時(shí)課時(shí)安排有限，大大限制了每名學(xué)生的操作學(xué)習(xí)時(shí)間；作為發(fā)射部分，其中多為高頻信號(hào)，各模塊信號(hào)觀測(cè)不夠直觀，也限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)理解能力；同時(shí)，相控陣天線的波束控制是理論難點(diǎn)，需要完善的教學(xué)手段提高學(xué)生的接受能力。

為了解決教學(xué)中存在的問題，提高該型雷達(dá)裝備信號(hào)發(fā)射部分的教學(xué)效果，仿真示教系統(tǒng)需要具有裝備展示、裝備分析、理論仿真等功能。

為了滿足以上功能需求，仿真示教系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 仿真示教系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2所示仿真示教系統(tǒng)由展示模塊、分析模塊、仿真模塊和素材庫(kù)構(gòu)成。

2.1 展示模塊

展示模塊以裝備展示素材庫(kù)為基礎(chǔ)，主要進(jìn)行裝備的直接展示，根據(jù)裝備實(shí)際組成進(jìn)行裝備展示、系統(tǒng)展示和模塊展示。裝備展示素材庫(kù)包含裝備整體、系統(tǒng)及模塊的展示圖片，是裝備直接展示的基礎(chǔ)。

仿真示教系統(tǒng)通過對(duì)裝備的整體、各分系統(tǒng)外觀、位置進(jìn)行直接展示介紹，使學(xué)生對(duì)裝備具有初步印象，提高學(xué)生對(duì)裝備的直觀認(rèn)識(shí)，為裝備操作奠定基礎(chǔ)。

2.2 分析模塊

分析模塊進(jìn)行裝備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、信號(hào)流向、模塊信號(hào)分析和展示。該模塊在裝備展示的基礎(chǔ)上，以裝備分析素材庫(kù)為基礎(chǔ)，對(duì)裝備組成、信號(hào)流程及各模塊信號(hào)形式等進(jìn)行分析，提高學(xué)生對(duì)裝備組成、結(jié)構(gòu)等理論的認(rèn)識(shí)。

2.3 仿真模塊

為了提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，在裝備展示、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合裝備具體模塊原理，進(jìn)行理論分析仿真，通過直觀的仿真結(jié)果深化學(xué)生對(duì)裝備理論的學(xué)習(xí)。仿真模塊根據(jù)理論基礎(chǔ)進(jìn)行波形產(chǎn)生、信號(hào)放大合成和波束控制的仿真。

3 實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 展示功能

裝備展示模塊和裝備分析模塊主要基于素材庫(kù)進(jìn)行裝備、構(gòu)造及信號(hào)波形的直接展示。素材庫(kù)根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)，依據(jù)分系統(tǒng)、模塊組成構(gòu)建樹狀存儲(chǔ)目錄，每個(gè)目錄下存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)分系統(tǒng)、模塊的展示圖片。

在示教系統(tǒng)操作過程中，根據(jù)用戶選擇內(nèi)容，進(jìn)行裝備、框圖、信號(hào)波形圖片的展示。MATLAB GUI中，圖片展示關(guān)鍵代碼為：

其中imgPath為待展示圖片保存路徑，Display為顯示圖片的控件名稱。

3.2 射頻發(fā)射波形仿真

仿真模塊的波形產(chǎn)生仿真主要進(jìn)行裝備發(fā)射過程中頻率源、波形產(chǎn)生器的理論波形仿真。

頻率源、波形產(chǎn)生器的主要功能如圖3所示，其中頻率源產(chǎn)生中頻相參本振頻率fCOHO，經(jīng)頻率合成生成一本振頻率fL1和二本振頻率fL2；Chirp源接收頻率源送來的相參本振頻率fCOHO，產(chǎn)生線性調(diào)頻頻率fLFM；激勵(lì)器接收Chirp源送來的線性調(diào)頻頻率和頻率合成器送來的一本振、二本振頻率，對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行上變頻，產(chǎn)生射頻發(fā)射頻率fRF。

記一本振、二本振信號(hào)為sL1，sL2，則有：

記Chirp源產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)為sLFM(t)，開始頻率為f0，τ為雷達(dá)發(fā)射脈沖的寬度，μ為線性調(diào)頻信號(hào)的頻率變化斜率[7]，則有：

經(jīng)過二本振上變頻后的信號(hào)記為sLFM_L2(t)，則有：

經(jīng)過一本振上變頻后的信號(hào)記為sLFM_L1(t)，則有：

通過對(duì)式(4)(5)(6)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行時(shí)、頻域分析，可完成波形產(chǎn)生過程的仿真。

3.3 波束控制仿真

仿真模塊的波束控制仿真主要進(jìn)行信號(hào)發(fā)射過程中波束控制單元和二維有源固態(tài)陣列天線的理論仿真。通過仿真的圖形化結(jié)果，向?qū)W生形象展示相控陣天線波束方向控制問題。

相控陣就是通過控制陣列各單元的相位以達(dá)到波束自動(dòng)掃描的陣列。相控陣天線是由多個(gè)輻射元組成的陣列，陣列中每個(gè)輻射元的信號(hào)相位可控，通過控制每個(gè)輻射元的相位，進(jìn)而控制整個(gè)相控陣天線的波束方向。

若多個(gè)輻射元排列為M行N列的二維陣列，如圖4所示，其中每個(gè)黑點(diǎn)表示一個(gè)輻射元，x方向上任意兩相鄰輻射元間距為dx，相位增量為φx，y方向上任意兩相鄰輻射元間距為dy，相位增量為φy。

圖4 天線陣列

則陣列中所有輻射元輻射能量將在空間中疊加，整個(gè)陣列的方向圖函數(shù)[8]如式(7)所示。

其中θ，φ為球坐標(biāo)下的俯仰角、方位角，λ為相控陣天線發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)。

式(7)計(jì)算結(jié)果為極坐標(biāo)下的輻射情況，為了進(jìn)行直觀顯示，需要轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)下，根據(jù)圖4所示，其轉(zhuǎn)換為：

通過改變輻射元間的相位增量φx，φy，就可以實(shí)現(xiàn)波束在空間的任意掃描。對(duì)于給定的天線陣列規(guī)模M，N，在確定其輻射元間隔dx，dy，相位增量φx，φy，波長(zhǎng)λ的情況下，通過式(7)可計(jì)算空間中波束輻射情況。

該型雷達(dá)裝備中，相位增量由數(shù)字式移相器實(shí)現(xiàn)。以五位PIN管移相器為例，其五個(gè)控制位P0，P1，P2，P3，P4分別控制實(shí)現(xiàn)11.25 °，22.5 °，45 °，90 °，180 °的移相。當(dāng)天線波束指向(θ，φ)方向時(shí)，陣列中(m，n)位置天線對(duì)應(yīng)的移相控制碼為：

其中α(θ，φ)為行波控基碼，β(θ，φ)為列波控基碼，Δ(m，n，f)為加權(quán)修正碼。

通過改變式(9)中的波控基碼α(θ，φ)，β(θ，φ)，可以實(shí)現(xiàn)相控陣天線發(fā)射波束的掃描。

4 仿真示教系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主界面如圖5所示。通過“裝備展示”“信號(hào)分析”“理論仿真”等按鍵分別調(diào)用對(duì)應(yīng)模塊功能。

裝備展示模塊界面由分系統(tǒng)選擇、模塊選擇及展示畫面組成。通過分系統(tǒng)選擇和模塊選擇，確定待展示的模塊，進(jìn)而選擇素材庫(kù)中對(duì)應(yīng)模塊圖片，進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)裝備展示功能。

圖5 系統(tǒng)主界面

理論仿真包括信號(hào)模擬和波束控制兩部分，其中波束控制界面如圖6所示。信號(hào)模擬模塊中，主要由參數(shù)設(shè)置、時(shí)域信號(hào)顯示和頻域信號(hào)顯示三部分組成，分別進(jìn)行Chirp信號(hào)、二本振調(diào)制信號(hào)和一本振調(diào)制信號(hào)的模擬顯示。

圖6 波束控制模塊界面

在圖6所示波束控制模塊中，由陣列參數(shù)設(shè)置、行相增量調(diào)節(jié)、列相增量調(diào)節(jié)和方向圖顯示四部分組成。陣列參數(shù)設(shè)置主要設(shè)置相控陣中輻射元的行數(shù)、行內(nèi)間距、列數(shù)、列內(nèi)間距及發(fā)射波長(zhǎng)等表達(dá)式(7)所需參數(shù)；行相增量調(diào)節(jié)、列相增量調(diào)節(jié)主要進(jìn)行輻射元間行相位、列相位增量的設(shè)置，包括連續(xù)設(shè)置和單次設(shè)置兩種模式：?jiǎn)未卧O(shè)置模擬裝備中五位PIN管移相器的各控制位，通過控制位調(diào)節(jié)相位增量，通過滑動(dòng)連續(xù)設(shè)置以方便觀察方向圖指向隨相位增量的變化關(guān)系。方向圖顯示主要進(jìn)行當(dāng)前設(shè)置下相控陣輻射電磁波的顯示，包括空間三維圖和俯視圖。通過連續(xù)調(diào)節(jié)行相增量、列相增量可觀察方向圖指向的不斷變化，實(shí)現(xiàn)波束控制。

5 結(jié)語(yǔ)

在總結(jié)裝備教學(xué)中存在的矛盾基礎(chǔ)上，根據(jù)裝備信號(hào)發(fā)射過程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了某型雷達(dá)裝備發(fā)射系統(tǒng)的仿真示教系統(tǒng)，為該型雷達(dá)裝備教學(xué)提供了有力保障。

應(yīng)用仿真系統(tǒng)形象直觀地分析了雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理和信號(hào)特性，對(duì)于雷達(dá)崗位人員熟悉和掌握雷達(dá)原理和雷達(dá)信號(hào)處理流程提供了真實(shí)有效的可靠手段，對(duì)于雷達(dá)數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)和流程有了全面的認(rèn)識(shí)，提高了技術(shù)人員分析問題和解決問題的能力及開展雷達(dá)設(shè)備技術(shù)研究的能力。

但該系統(tǒng)僅包括信號(hào)產(chǎn)生、發(fā)射部分的仿真示教，下一步，將在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)雷達(dá)的接收、信號(hào)處理等部分進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，不斷完善仿真示教系統(tǒng)。