夏 云 盧 冀

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和計算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)字化已成為目前促進(jìn)各個傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的最有效的手段之一，特別在“工業(yè)4.0”以及“中國制造2025”的論述中，數(shù)字化手段作為其核心技術(shù)，是構(gòu)建“物理信息系統(tǒng)”的關(guān)鍵要素，扮演著橋接產(chǎn)品實(shí)物和設(shè)計理念的重要作用。因此，采用數(shù)字化建模和仿真的手段對產(chǎn)品的設(shè)計乃至功能、性能進(jìn)行測試與優(yōu)化、驗(yàn)證與評估將極大地提高產(chǎn)品適用性，縮短研制周期。

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真就是根據(jù)戰(zhàn)情要求設(shè)計實(shí)驗(yàn)，采用數(shù)學(xué)建模構(gòu)建雷達(dá)、目標(biāo)、雜波、電子干擾等電磁環(huán)境模型，再采用數(shù)學(xué)方法，仿真在設(shè)定的工作流程和環(huán)境下雷達(dá)、目標(biāo)、雜波、電子干擾和電磁環(huán)境的相互作用，模擬雷達(dá)波形參數(shù)/信號產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸、回波和處理的全過程，測試與優(yōu)化雷達(dá)的設(shè)計要素，驗(yàn)證與評估雷達(dá)功能、性能乃至作戰(zhàn)效能要素[1-2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對雷達(dá)、通信、電子對抗領(lǐng)域進(jìn)行了體系化、系統(tǒng)化的研究[3]，并依此針對雷達(dá)與目標(biāo)、雜波、干擾等技術(shù)范疇或雷達(dá)分系統(tǒng)的仿真技術(shù)和方法進(jìn)行了大量的研究[4-8]，隨著雷達(dá)仿真技術(shù)的發(fā)展和實(shí)戰(zhàn)復(fù)雜電磁環(huán)境的雷達(dá)仿真需求的增加，需要研究已有技術(shù)條件和手段情況下雷達(dá)設(shè)計與仿真的技術(shù)體系，為雷達(dá)設(shè)計與仿真系統(tǒng)搭建和技術(shù)發(fā)展提供有價值的參考。

1 體系架構(gòu)研究

1.1 分層模型

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)體系以完成雷達(dá)設(shè)計驗(yàn)證和功能仿真的需求為牽引，包括仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)字模型的生成、加載、配置、運(yùn)行和管理等功能，并將數(shù)據(jù)和模型相互作用的結(jié)果通過圖形、圖像及視頻的方式進(jìn)行展示和記錄，在模擬的真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)性的評估雷達(dá)設(shè)計水平。為了便于歸納和闡述構(gòu)成雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)體系不同要素的類別和邏輯關(guān)系，采用分層模型給出了一種雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)體系架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)體系架構(gòu)

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)體系架主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，數(shù)字模型層和平臺應(yīng)用層三個層面構(gòu)成，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層為該體系提供地圖數(shù)據(jù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)、雜波數(shù)據(jù)和視景數(shù)據(jù)，分別用于提供模擬真實(shí)地理環(huán)境所需的地圖信息、用于雷達(dá)照射目標(biāo)及場景中回波計算的幅度與相位信息、用于提供不同氣象或地理環(huán)境下雜波數(shù)據(jù)產(chǎn)生所需的參數(shù)數(shù)據(jù)和用于提供視景展示所需的地理、氣象、模型及作戰(zhàn)動態(tài)2D或3D模型；數(shù)字模型層主要提供根據(jù)仿真需求設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的各類數(shù)字化模型，包括裝備模型、武器平臺/目標(biāo)模型和電波傳播模型，裝備模型包括雷達(dá)、通信及電子戰(zhàn)等電子設(shè)備模型，用于模擬真實(shí)的電子設(shè)備功能與性能，武器平臺/目標(biāo)模型用于模擬搭載裝備模型的平臺和雷達(dá)目標(biāo)，電波傳播模型用于模擬雷達(dá)與目標(biāo)、雷達(dá)與雜波區(qū)域、雷達(dá)與電子戰(zhàn)等模型間的電波傳輸，獲取雷達(dá)等裝備模型的收發(fā)信號參數(shù)或信號波形；應(yīng)用平臺層首先完成數(shù)字模型加載、配置、編譯運(yùn)行和結(jié)果評估，其次將仿真戰(zhàn)情配置、動態(tài)過程、裝備功能、性能參數(shù)等通過真實(shí)2D和3D視景動畫、動態(tài)圖表等形式進(jìn)行展示，并且還能結(jié)合分布式計算、GPU加速、VR以及AR方式增強(qiáng)平臺功能，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，最后完成對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)字模型和仿真戰(zhàn)情等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。

1.2 功能組成

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層提供支撐雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真所需的各類數(shù)據(jù)，主要包括地圖、目標(biāo)、雜波和視景數(shù)據(jù)，為模型的設(shè)計和場景的構(gòu)建提供可信的設(shè)計參數(shù)和視景信息，其功能和描述見表1所列。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層功能組成

數(shù)字模型層提供雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真所需各種數(shù)字化模型，這些模型根據(jù)設(shè)計需求進(jìn)行數(shù)字化建模與實(shí)現(xiàn)，主要包括裝備模型、武器平臺/目標(biāo)模型和電波傳播模型，其功能和描述見表2所列。

表2 數(shù)字模型層功能組成

分類內(nèi)容功能描述裝備雷達(dá)模型雷達(dá)信號發(fā)射、接收及處理雷達(dá)天線、伺服、信處等分系統(tǒng)的建模通信系統(tǒng)模型裝備的信息及數(shù)據(jù)交互通信系統(tǒng)物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層建模電子戰(zhàn)模型雷達(dá)電子戰(zhàn)信號生成雷達(dá)壓制和欺騙干擾的建模武器平臺車輛模型裝載雷達(dá)或雷達(dá)目標(biāo)的地面模型陸基的雷達(dá)位置、運(yùn)動特征或目標(biāo)RCS船舶模型裝載雷達(dá)或雷達(dá)目標(biāo)的海面模型艦載的雷達(dá)位置、運(yùn)動特征或目標(biāo)RCS飛行器模型裝載雷達(dá)或雷達(dá)目標(biāo)的空中模型機(jī)載的雷達(dá)位置、運(yùn)動特征或目標(biāo)RCS彈體模型裝載雷達(dá)或雷達(dá)目標(biāo)的彈體模型導(dǎo)引頭雷達(dá)位置、運(yùn)動特征或彈體RCS傳播大氣模型大氣對雷達(dá)波形傳輸?shù)挠绊懡馑阍?、降水等對雷達(dá)波形的幅相數(shù)據(jù)雜波模型地、海對雷達(dá)波形傳輸?shù)挠绊懡馑汴憽⒑走_(dá)波形傳輸?shù)姆鄶?shù)據(jù)多徑模型多徑對雷達(dá)波形傳輸?shù)挠绊懡馑愣嗦窂綄走_(dá)回波的幅相數(shù)據(jù)波形模型生成雷達(dá)信號級回波波形通過回波數(shù)字參數(shù)生成雷達(dá)回波信號

應(yīng)用平臺層主要提供展示、配置、運(yùn)行、管理雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真的系統(tǒng)，基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)字模型驅(qū)動雷達(dá)全流程動態(tài)仿真，主要包括視景展示、運(yùn)行引擎、應(yīng)用技術(shù)和數(shù)據(jù)庫，其功能和描述見表3所列。

表3 應(yīng)用平臺層功能組成

分類內(nèi)容功能描述視景展示戰(zhàn)情視景作戰(zhàn)單元、時序、功能設(shè)置作戰(zhàn)時間、地點(diǎn)和事件配置動畫視景三維仿真過程動畫展示一定空間和時間內(nèi)裝備間相互作用的視頻裝備視景雷達(dá)等裝備的顯控界面雷達(dá)等裝備用戶操作界面圖形視景模型參數(shù)的圖形化顯示雷達(dá)等裝備性能參數(shù)設(shè)置和圖形化展示運(yùn)行引擎模型加載加載仿真所需的數(shù)字化模型加載地圖場景及裝備、平臺等數(shù)字模型模型配置配置已加載模型的參數(shù)對模型時空、作戰(zhàn)及性能參數(shù)進(jìn)行配置編譯運(yùn)行生成仿真可執(zhí)行文件并運(yùn)行對模型程序編譯成可執(zhí)行文件,運(yùn)行仿真評估結(jié)果對裝備性能和功能進(jìn)行評估根據(jù)指標(biāo)體系對模型仿真結(jié)果進(jìn)行評估應(yīng)用技術(shù)分布式計算優(yōu)化仿真運(yùn)行速度和時間組網(wǎng)連機(jī)分布方式提高仿真運(yùn)行速度GPU加速增強(qiáng)仿真計算能力GPU多計算單元方式提升仿真計算速度VR技術(shù)增加仿真展示能力VR方式增強(qiáng)仿真的三維展示效果數(shù)據(jù)庫戰(zhàn)情庫仿真戰(zhàn)情的管理通過數(shù)據(jù)庫管理戰(zhàn)情及其仿真結(jié)果模型庫數(shù)字化模型的管理通過數(shù)據(jù)庫管理數(shù)字化模型及配置參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理通過數(shù)據(jù)庫管理地圖、目標(biāo)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息

1.3 信息流程

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真完成全數(shù)字仿真模型的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，虛擬時空戰(zhàn)情搭建，通過仿真模型間的相互作用獲取對雷達(dá)裝備的功能及性能評估，其典型的信息流程見圖2所示。

圖2 雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真信息流程

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真，首先需要根據(jù)仿真需求進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完備和模型的設(shè)計與開發(fā)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的地圖、目標(biāo)和雜波數(shù)據(jù)及數(shù)字模型用于模型加載與配置，生成仿真所需的戰(zhàn)情，視景數(shù)據(jù)用于仿真過程和結(jié)果的動畫或圖像展示，其次在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和模型功能正常的情況下，由仿真應(yīng)用進(jìn)行仿真，其中運(yùn)行引擎完成數(shù)據(jù)、數(shù)字模型的加載，生成戰(zhàn)情，編譯運(yùn)行完成對戰(zhàn)情的編譯，生成運(yùn)行仿真的可執(zhí)行文件，在該文件的生成產(chǎn)過程中可以采用分布式、GPU等技術(shù)加快文件生成結(jié)果評估從運(yùn)行得到的仿真結(jié)果中獲取對雷達(dá)性能和功能的評估，與此同時，模型加載與配置、編譯運(yùn)行和結(jié)果評估分別通過戰(zhàn)情視景、動畫視景和裝備與圖形視景實(shí)時展示仿真場景與雷達(dá)參數(shù)的動態(tài)變化，并可通過數(shù)據(jù)庫對仿真戰(zhàn)情、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)字化模型進(jìn)行管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)施

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)是運(yùn)行于計算機(jī)環(huán)境的軟件，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層是雷達(dá)仿真所需地理圖像數(shù)據(jù)、目標(biāo)信息數(shù)據(jù)、地海氣象雜波信息數(shù)據(jù)以及圖像與三維視頻模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般由專業(yè)軟件、數(shù)理分析、實(shí)際測量等方式獲取，數(shù)字化模型是雷達(dá)裝備、雷達(dá)目標(biāo)、雷達(dá)雜波、雷達(dá)對抗以及其他與雷達(dá)進(jìn)行信號相互作用實(shí)體的數(shù)字化建模，一般根據(jù)功能和仿真需求編程實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用平臺是提供仿真運(yùn)行、展示、應(yīng)用與管理的頂層模塊，一般基于軟件開發(fā)工具定制開發(fā)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層具體的設(shè)計與實(shí)施方法見表4所列。數(shù)字模型層具體的設(shè)計與實(shí)施方法見表5所列。

表4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層設(shè)計與實(shí)施

分類內(nèi)容設(shè)計實(shí)施方法基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)字地圖按面積和分辨率要求確定經(jīng)緯度坐標(biāo)和精度級別按經(jīng)緯度和精度級別下載谷歌等數(shù)字地圖數(shù)字高程圖確定對應(yīng)地圖的高程精度下載對應(yīng)數(shù)字地圖下載數(shù)字高程圖數(shù)字地形圖確定對應(yīng)地圖的地形種類下載對應(yīng)數(shù)字地圖的數(shù)字地形圖目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)目標(biāo)電磁散射模型確定頻率、角度、極化等參數(shù)使用電磁計算軟件計算目標(biāo)RCS值目標(biāo)航跡確定計算目標(biāo)航跡的相關(guān)參數(shù)根據(jù)空氣動力學(xué)等計算目標(biāo)航跡參數(shù)綜合RCS數(shù)據(jù)確定目標(biāo)和背景環(huán)境的場景使用電磁計算軟件計算目標(biāo)與環(huán)境耦合RCS氣象雜波數(shù)據(jù)確定氣象雜波類型、位置等參數(shù)計算滿足仿真要求的氣象雜波參數(shù)地理雜波數(shù)據(jù)去頂?shù)乩黼s波雷達(dá)、位置等參數(shù)計算滿足仿真要求的地理雜波參數(shù)視景數(shù)據(jù)確定仿真所需視景的動態(tài)和靜態(tài)可視化要求采用模型及動畫制作軟件制作地理、氣象、數(shù)字化模型、作戰(zhàn)等視景

表5 數(shù)字模型層設(shè)計與實(shí)施

分類內(nèi)容設(shè)計實(shí)施方法數(shù)字模型裝備模型裝備的功能模塊裝備與平臺和傳播模型接口武器平臺/目標(biāo)模型武器平臺的功能模塊武器平臺與裝備模型接口目標(biāo)與傳播模型接口傳播模型傳播模型的功能模塊傳播模型與裝備和目標(biāo)接口采用編程方法對裝備、平臺/目標(biāo),傳播模型的功能模塊進(jìn)行建模構(gòu)建統(tǒng)一的模型間相互作用的接口

應(yīng)用平臺層是雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)體系的頂層，是能夠加載、配置、仿真、展示、評估雷達(dá)模型的設(shè)計與仿真系統(tǒng)的頂層，其編程語言同數(shù)字模型相同，一般采用C，C++或M語言，在Qt或Matlab及Simulink環(huán)境下開發(fā)。

3 系統(tǒng)實(shí)例說明

為了有效地說明系統(tǒng)的功能和效能，采用基于Matlab環(huán)境的雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)直觀的展示應(yīng)用平臺層、數(shù)字模型層和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層的典型功能，也驗(yàn)證了本文研究的雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)架構(gòu)及系統(tǒng)的可信、可行和可用性。

圖3和圖4分別顯示了應(yīng)用平臺層戰(zhàn)情視景下模型的加載和動畫及圖形視景下雷達(dá)模型的功能評估。如圖3所示，系統(tǒng)可以配置真實(shí)的地理信息，并按戰(zhàn)情需求加載相應(yīng)的數(shù)字化模型。如圖4所示，系統(tǒng)在仿真過程中通過動畫和圖形視景實(shí)時展示雷達(dá)工作狀態(tài)和相應(yīng)的性能指標(biāo)。

圖3 戰(zhàn)情視景下模型的加載

圖4 動畫及圖形視景下雷達(dá)模型的功能評估

圖5和圖6分別顯示了雷達(dá)裝備和飛行器的數(shù)字化模型。如圖5所示，雷達(dá)數(shù)字化模型實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的信號輸入輸出和信號處理流程與算法的建模。如圖6所示，對飛行器的運(yùn)動學(xué)航跡及作為目標(biāo)的雷達(dá)回波進(jìn)行了建模。

圖5 雷達(dá)裝備的數(shù)字化建模

圖6 飛行器的數(shù)字化建模

圖7和圖8分別顯示了目標(biāo)的RCS數(shù)據(jù)和該目標(biāo)在仿真場景中的展示效果。在圖7中，顯示了某型戰(zhàn)斗機(jī)的RCS數(shù)據(jù)，圖8顯示了該目標(biāo)的三維視景圖像。

圖7 目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)

圖8 模型視景

4 結(jié)束語

本文對雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)體系架構(gòu)進(jìn)行了研究，分三個層次說明了該體系架構(gòu)的功能組成和信息流程，給出了雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并通過實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)一步直觀展示了該系統(tǒng)的功能和作用。

本文研究的雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真的分層技術(shù)體系架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法是針對雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計與仿真的技術(shù)歸納總結(jié)與前景展望，希望本文工作能為讀者研究雷達(dá)設(shè)計與仿真系統(tǒng)與相關(guān)技術(shù)起到拋磚引玉的作用。