周志增 王永海 顧榮軍 馮 保

(中國(guó)人民解放軍63889部隊(duì) 河南孟州 454750)

0 引言

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是進(jìn)行裝備訓(xùn)練的重要輔助手段，能夠脫離實(shí)體裝備對(duì)新上崗人員進(jìn)行基礎(chǔ)培訓(xùn)，以及對(duì)裝備保障人員進(jìn)行相關(guān)科研試驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)的針對(duì)性訓(xùn)練，解決實(shí)裝訓(xùn)練器件損耗大和費(fèi)用高的問(wèn)題，提高日常訓(xùn)練效率。避免了頻繁開(kāi)機(jī)培訓(xùn)操作手造成裝備的大量無(wú)謂損耗，有效延長(zhǎng)了雷達(dá)固態(tài)功率放大器的使用壽命。

本文結(jié)合以上需求，基于Qt軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一套雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練環(huán)境，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)操作訓(xùn)練、試驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)針對(duì)性訓(xùn)練、雷達(dá)組網(wǎng)一體化訓(xùn)練等功能。特別在干擾條件下，采用雷達(dá)干擾暴露區(qū)來(lái)模擬雷達(dá)受干擾后目標(biāo)探測(cè)情況，解決了雷達(dá)受壓制干擾后目標(biāo)點(diǎn)跡模擬不夠逼真的問(wèn)題。

1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)模擬系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搭建，輔以外圍串口設(shè)備組建而成。主要由狀態(tài)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)、P顯計(jì)算機(jī)、模式控制計(jì)算機(jī)以及主控計(jì)算機(jī)、交換機(jī)組成。其中，主控計(jì)算機(jī)自動(dòng)響應(yīng)外部輸入請(qǐng)求，進(jìn)行指令控制及數(shù)據(jù)下發(fā)，其他計(jì)算機(jī)可自行進(jìn)行相關(guān)戰(zhàn)術(shù)操作。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)外部請(qǐng)求、點(diǎn)跡模擬產(chǎn)生、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、支持戰(zhàn)術(shù)操作、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)等功能。

模擬系統(tǒng)功能模塊共分為主控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、模式控制及參數(shù)顯示模塊、P顯、串口控制模塊、BIT顯示6個(gè)模塊組成，如圖1所示。主控模塊同時(shí)和其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從串口控制模塊讀寫(xiě)串口數(shù)據(jù)，通過(guò)將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)再分發(fā)到其他模塊完成相應(yīng)動(dòng)作。主控模塊給BIT顯示發(fā)送各分系統(tǒng)模擬狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)送模擬點(diǎn)跡、雜波以及干擾到PPI顯示和模式控制進(jìn)行顯示，同時(shí)送給數(shù)據(jù)處理做航跡起始、關(guān)聯(lián)、濾波等處理。此外，主控響應(yīng)PPI顯示的戰(zhàn)術(shù)操作指令、模式控制的模式選擇、參數(shù)設(shè)置等操作指令。

圖1 軟件功能模塊

由于主控軟件處理的事務(wù)較多，為避免占用主線(xiàn)程資源太多，影響界面流暢性。主控軟件采用多線(xiàn)程進(jìn)行開(kāi)發(fā)處理[1]，主要包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)子線(xiàn)程、點(diǎn)跡模擬子線(xiàn)程、系統(tǒng)狀態(tài)模擬子線(xiàn)程、通道測(cè)試子線(xiàn)程、環(huán)境信號(hào)子線(xiàn)程、串口收發(fā)子線(xiàn)程以及干擾處理子線(xiàn)程等多個(gè)子線(xiàn)程，線(xiàn)程組成關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作線(xiàn)程組成

其中，主線(xiàn)程負(fù)責(zé)對(duì)子線(xiàn)程進(jìn)行調(diào)度，響應(yīng)界面控件控制，顯示打印信息；網(wǎng)絡(luò)收發(fā)子線(xiàn)程負(fù)責(zé)接收、解析以及發(fā)送網(wǎng)絡(luò)TCP和UDP數(shù)據(jù)包；點(diǎn)跡模擬子線(xiàn)程產(chǎn)生各種工作模型下點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，如三坐標(biāo)、邊掃邊跟工作模式；狀態(tài)模擬子線(xiàn)程產(chǎn)生分系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，如接收機(jī)分系統(tǒng)、陣列組件通道；通道測(cè)試子線(xiàn)程產(chǎn)生通道測(cè)試數(shù)據(jù)，主要用來(lái)模擬檢測(cè)通道幅相一致性；環(huán)境信號(hào)子線(xiàn)程產(chǎn)生外部環(huán)境偵察數(shù)據(jù)以及發(fā)送伺服控制指令控制伺服轉(zhuǎn)動(dòng)；串口收發(fā)子線(xiàn)程負(fù)責(zé)收發(fā)、解析串口數(shù)據(jù)，完成外圍設(shè)備對(duì)主控的控制；干擾處理子線(xiàn)程完成對(duì)外部干擾信息的解析，根據(jù)解析結(jié)果模擬假目標(biāo)干擾和噪聲壓制干擾。

2 干擾處理子線(xiàn)程設(shè)計(jì)

2.1 干擾分析

對(duì)于常見(jiàn)雷達(dá)干擾來(lái)說(shuō)，干擾主要分為噪聲壓制和欺騙干擾[2]。噪聲壓制主要采用噪聲信號(hào)來(lái)抬高雷達(dá)噪底，從而降低雷達(dá)檢測(cè)信噪比，達(dá)到雷達(dá)無(wú)法有效探測(cè)到目標(biāo)的目的。而欺騙干擾則通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)大量與真實(shí)目標(biāo)相似的假目標(biāo)，進(jìn)入雷達(dá)信號(hào)處理，形成大量虛假點(diǎn)跡，起到以假亂真的效果，以至于操作手難以快速捕捉到真實(shí)目標(biāo)。

1)噪聲壓制干擾

壓制干擾分析主要基于雷達(dá)距離方程和干擾燒穿距離方程[3-4]。雷達(dá)接收到的干擾機(jī)功率為

(1)

當(dāng)目標(biāo)通過(guò)距離窗時(shí)，假設(shè)天線(xiàn)此時(shí)為最大增益。有G=G(θ=0)=Gmax，則回波功率為

(2)

其中，PJ、GJ分別為干擾機(jī)的發(fā)射功率和增益；RJ為干擾機(jī)到雷達(dá)的距離；G(θ)為干擾機(jī)與雷達(dá)主波束夾角為θ時(shí)雷達(dá)的增益。Pt、Gt分別為雷達(dá)發(fā)射功率和主瓣增益；λ為波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積；Rt為目標(biāo)到雷達(dá)的距離；Gp為雷達(dá)相關(guān)處理增益。

對(duì)于寬帶干擾，干擾機(jī)帶寬大于雷達(dá)接收帶寬。因此，雷達(dá)接收到的干擾機(jī)功率修改為

(3)

同時(shí)考慮雷達(dá)接收機(jī)和天線(xiàn)產(chǎn)生的熱噪聲N0=kTsBn，其中：Ts=TA+Te為系統(tǒng)噪聲溫度；TA為天線(xiàn)噪聲溫度；Te是接收機(jī)有效噪聲溫度。

綜上所述，當(dāng)同時(shí)有多點(diǎn)干擾源工作時(shí)，可得雷達(dá)信號(hào)干擾噪聲比SJNR(Signal-to-Jammer-plus- Noise)為

(4)

代入方程SJNR=1/Kj，(Kj為干擾雷達(dá)所需的壓制系數(shù))，可以求得雷達(dá)最大探測(cè)距離。

在下面的仿真中，假設(shè)干擾機(jī)數(shù)量為1，其他參數(shù)見(jiàn)表1所列參量，仿真得到的暴露區(qū)結(jié)果如圖3所示。雷達(dá)最大探測(cè)距離334km，暴露區(qū)最小距離為18.6km。也就是，雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)干擾機(jī)的最大距離為18.6km。

表1 仿真參數(shù)

圖3 雷達(dá)暴露區(qū)

2)欺騙干擾

欺騙干擾主要是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾[5]，根據(jù)假目標(biāo)的位置可以分為滯后干擾和超前干擾兩種；根據(jù)假目標(biāo)的個(gè)數(shù)可以分為假目標(biāo)欺騙和假目標(biāo)壓制；根據(jù)采樣方式的不同，可以分為全脈寬采樣和部分脈寬采樣以及間歇采樣；根據(jù)欺騙的特點(diǎn)不同，又可以分為距離欺騙、速度欺騙和角度欺騙三種。欺騙干擾的特征參數(shù)主要有假目標(biāo)個(gè)數(shù)、假目標(biāo)間隔、假目標(biāo)首延時(shí)、多普勒調(diào)制、距離波門(mén)拖引、速度波門(mén)拖引等等。

在本模擬系統(tǒng)中，對(duì)欺騙干擾進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要對(duì)假目標(biāo)的位置、假目標(biāo)個(gè)數(shù)、假目標(biāo)間隔、以及假目標(biāo)首延時(shí)在現(xiàn)象級(jí)層面進(jìn)行了模擬。

2.2 干擾設(shè)計(jì)

1)實(shí)現(xiàn)流程

在干擾處理子線(xiàn)程中，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。首先，解析外部的干擾數(shù)據(jù)包，根據(jù)輸入判斷干擾類(lèi)型。如果是噪聲壓制干擾，根據(jù)干擾機(jī)干擾參數(shù)，如功率、帶寬、距離計(jì)算雷達(dá)暴露區(qū)，依據(jù)暴露區(qū)對(duì)點(diǎn)跡進(jìn)行過(guò)濾。同時(shí)，根據(jù)頻點(diǎn)判斷干擾是否能進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)工作頻段以?xún)?nèi)；根據(jù)雷達(dá)法線(xiàn)和干擾夾角計(jì)算干擾能量。如果是壓制干擾，根據(jù)干擾參數(shù)，如干擾延時(shí)、假目標(biāo)個(gè)數(shù)、假目標(biāo)間隔等等產(chǎn)生干擾點(diǎn)跡。最后，點(diǎn)跡輸出到數(shù)據(jù)處理進(jìn)行航跡處理。

圖4 干擾效果模擬實(shí)現(xiàn)流程圖

2)實(shí)現(xiàn)具體考慮

在干擾暴露區(qū)計(jì)算中，應(yīng)考慮具體目標(biāo)的RCS值和位置信息。不同的RCS起伏值和距離，決定了雷達(dá)是否能發(fā)現(xiàn)該目標(biāo)。所以，在暴露區(qū)計(jì)算中，首先根據(jù)干擾機(jī)相關(guān)參數(shù)得到干擾機(jī)的暴露區(qū)，再根據(jù)其他目標(biāo)的RCS和距離進(jìn)行折算，最后根據(jù)門(mén)限值判定該目標(biāo)是否落在探測(cè)區(qū)內(nèi)。

在雷達(dá)暴露區(qū)計(jì)算中，關(guān)鍵是計(jì)算出目標(biāo)的信噪比。從計(jì)算公式(5)可以看出，信噪比與目標(biāo)RCS成正比，與距離的4次方成反比。通過(guò)推算，目標(biāo)的信噪比與干擾暴露區(qū)的最小信噪比、目標(biāo)RCS和干擾機(jī)RCS比值、干擾機(jī)距離與目標(biāo)距離比值的4次方成正比。依此為依據(jù)，分別計(jì)算每個(gè)目標(biāo)的信噪比。

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，SNRjam為計(jì)算干擾機(jī)暴露區(qū)的最小信噪比，σj為干擾機(jī)RCS值，Rj為干擾機(jī)距離，SNRt為目標(biāo)信噪比，σj為目標(biāo)RCS值，Rt為目標(biāo)距離?？梢?jiàn)，隨著干擾機(jī)距離發(fā)生變化，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力也在不斷發(fā)生變化。

在軟件實(shí)現(xiàn)中，分別通過(guò)JammingHead、NoiseJam和DeceptionJam三個(gè)結(jié)構(gòu)體保存干擾報(bào)文信息、噪聲干擾信息以及欺騙干擾信息。其中，JammingHead主要包括報(bào)文頭、干擾機(jī)個(gè)數(shù)、干擾類(lèi)型；NoiseJam包括干擾頻段、干擾帶寬、干擾功率以及干擾增益；DeceptionJam包括假目標(biāo)數(shù)量、假目標(biāo)間距、假目標(biāo)類(lèi)型、假目標(biāo)時(shí)延。

3 實(shí)現(xiàn)效果

軟件采用Qt設(shè)計(jì)[6]，干擾暴露區(qū)顯示界面如圖5所示。左上為雷達(dá)方向圖，左下為實(shí)時(shí)雷達(dá)暴露區(qū)。右上為解析出的雷達(dá)和干擾機(jī)參數(shù)，右下為雷達(dá)底噪、干擾噪聲強(qiáng)度以及目標(biāo)回波強(qiáng)度。從圖5中可以看出，壓制區(qū)位于31°～49°雷達(dá)扇區(qū)中，兩側(cè)探測(cè)距離由于受雷達(dá)副瓣影響呈現(xiàn)振蕩的趨勢(shì)。

圖5 雷達(dá)暴露區(qū)顯示界面

圖6～圖8為雷達(dá)P顯示截圖。其中，圖6為未實(shí)施干擾前的點(diǎn)跡分布圖。從圖6中可以看出，雷達(dá)探測(cè)方位范圍為21°～61°，點(diǎn)跡統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)為115個(gè)。圖7為受到噪聲壓制干擾之后的點(diǎn)跡分布，點(diǎn)跡統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)為97個(gè)，點(diǎn)跡減少的原因是位于暴露區(qū)之外的目標(biāo)都被有效過(guò)濾掉，線(xiàn)段表示干擾壓制區(qū)域。圖8為雷達(dá)收到欺騙干擾之后的P顯畫(huà)面，點(diǎn)跡個(gè)數(shù)為160個(gè)，假目標(biāo)間隔為15km。從以上模擬結(jié)果來(lái)看，實(shí)現(xiàn)效果與實(shí)際設(shè)備受到干擾的情形一致。

圖6 未受干擾時(shí)雷達(dá)點(diǎn)跡分布

圖7 受干擾時(shí)雷達(dá)點(diǎn)跡分布

圖8 全量程欺騙干擾

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Qt軟件平臺(tái)加外圍硬件的方法實(shí)現(xiàn)了一套模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)能逼真模擬某型雷達(dá)的狀態(tài)顯示、目標(biāo)點(diǎn)跡生成、數(shù)據(jù)處理、以及建航、刪批等多種戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，可用于快速提高雷達(dá)操作手對(duì)雷達(dá)的應(yīng)用能力。特別是針對(duì)干擾條件下的目標(biāo)顯示問(wèn)題，系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)計(jì)算雷達(dá)干擾暴露區(qū)，準(zhǔn)確過(guò)濾壓制目標(biāo)，結(jié)果更能符合理論和實(shí)際情況。