韓壯志 馬俊濤 尚朝軒 王雪飛

摘要：為適應(yīng)以信號處理為核心的現(xiàn)代雷達技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，需要增強本科生對雷達基本理論的運用能力，其關(guān)鍵是建立實驗室，在“雷達原理與系統(tǒng)”、“雷達信號處理”等原理類課程中開設(shè)相關(guān)實驗。顯然，為不同課程逐個建立實驗室是不現(xiàn)實的。本文提出了雷達原理類課程教學(xué)共用實驗室的建設(shè)方案，可以同時滿足“雷達原理與系統(tǒng)”、“雷達信號處理”兩門課程的實驗教學(xué)需求，提高了實驗室建設(shè)效率，也為相關(guān)課程共用實驗室建設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：雷達原理與系統(tǒng);雷達信號處理;實驗室建設(shè)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）18-0243-02

“雷達原理與系統(tǒng)”、“雷達信號處理”是雷達、電子對抗等方向各專業(yè)的原理類核心課程，為適應(yīng)以信號處理為核心的現(xiàn)代雷達系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，雷達原理教學(xué)中信號處理的比重逐漸提高。但這部分內(nèi)容較為抽象，難以理解。為此，幾年來的教學(xué)實踐表明，對于工程類的雷達、電子對抗專業(yè)本科生，“雷達原理與系統(tǒng)”、“雷達信號處理”課程應(yīng)以提高信號處理理論運用和實踐能力為目標，通過配以一定學(xué)時的實驗提高知識運用能力，實驗內(nèi)容應(yīng)分別以雷達信號處理的算法原理和現(xiàn)代雷達結(jié)構(gòu)為核心展開。但是，如果按一人一組的要求，對上述兩門課程分別建立實驗室，則存在較大的場地、經(jīng)費、時間和維護等需求，會遲滯實驗室的建設(shè)進度，難以盡快發(fā)揮效益。實際上，同時建設(shè)兩個實驗室也是不必要的。經(jīng)過深入研究，我們發(fā)現(xiàn)：上述兩門課程在實驗方法、實驗設(shè)備上存在很多交疊點，其區(qū)別僅僅在于分別側(cè)重雷達信號處理過程的不同階段，完全可以采用同一系統(tǒng)，通過配置不同的軟件模塊實現(xiàn)。為此，建立共用的雷達原理教學(xué)實驗室成為最優(yōu)方案。但為了保證實驗室同時適應(yīng)兩門課程的教學(xué)、實驗內(nèi)容，其建設(shè)方案必須進行嚴密細致的論證和設(shè)計。

一、實驗內(nèi)容分析

在雷達領(lǐng)域，“雷達原理與系統(tǒng)”、“雷達信號處理”這兩門課程都具有理論性強、知識面廣的特點，很多原理和算法非常抽象，不易被學(xué)生掌握。實際上，對于工程類本科生而言，其對上述知識的掌握，應(yīng)該以主要算法的實踐、運用能力為標準，而非抽象的理論推導(dǎo)能力。為此，建立相關(guān)實驗室，增加實驗學(xué)時，加強實驗教學(xué)成為提高雷達原理類課程教學(xué)效果的必要手段。但是，對于不同的課程分別建設(shè)不同的實驗室，在場地、資金、管理、效益等方面均不現(xiàn)實。實際上，兩門課程互為支撐、互有融合、相互交疊?！袄走_原理與系統(tǒng)”課程中的數(shù)字收發(fā)系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)組成及工作原理是“雷達信號處理”課程中信號表達與算法實現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，雷達系統(tǒng)的構(gòu)造又與信號處理流程緊密相關(guān)。統(tǒng)一設(shè)計的雷達原理實驗室不僅能夠兼顧兩門課程的交叉內(nèi)容，節(jié)省有限的實驗場地、經(jīng)費和人員開銷，加快建設(shè)進度，而且能雙向促進兩門課程的教學(xué)效果。當然，兩門課程也各有側(cè)重：“雷達原理與系統(tǒng)”課程注重雷達基本原理和系統(tǒng)概念，對學(xué)員掌握雷達基本理論、建立完整的雷達系統(tǒng)概念具有重要的作用;“雷達信號處理”課程主要學(xué)習(xí)現(xiàn)代雷達信號處理的基本理論和方法，注重算法原理分析。這就要求雷達原理教學(xué)實驗室設(shè)計既要充分利用兩門課程的共性內(nèi)容，又必須充分考慮兩門課程各自的特點。具體而言，“雷達信號處理”課程實驗主要包括：線性調(diào)頻、相位編碼等多種雷達信號的生成實驗，雷達信號分析實驗，雷達信號處理算法驗證實驗等。其主要實驗方法是：一方面通過Matlab模擬生成、分析和處理雷達信號，由計算機顯示輸出波形，掌握算法原理;另一方面通過調(diào)用“雷達信號高速處理模塊”中的相應(yīng)子程序，生成相應(yīng)的信號，由示波器顯示輸出，驗證仿真結(jié)果。通過上述虛、實兩種信號波形對比，使學(xué)員加深對常規(guī)雷達信號處理算法的理解?！袄走_原理與系統(tǒng)”的主要實驗包括：數(shù)字上變頻實驗、數(shù)字下變頻實驗、信號處理機實驗、數(shù)據(jù)處理機實驗等內(nèi)容。主要實驗方法是：一方面通過Matlab仿真實現(xiàn)雷達的數(shù)字上變頻、數(shù)字下變頻、信號處理機、數(shù)據(jù)處理機功能;另一方面，通過“雷達信號處理實驗系統(tǒng)”完成上述操作，對比兩者的輸出，使學(xué)員更深入地理解現(xiàn)代雷達系統(tǒng)的組成原理。

從上面的實驗內(nèi)容可以看出，為適應(yīng)本科生的基礎(chǔ)，實驗均采用虛、實對比的方法實現(xiàn)：基于Matlab的仿真實驗可以加深學(xué)員對算法原理和現(xiàn)代雷達構(gòu)造的理解，基于信號處理系統(tǒng)的驗證性實驗既讓學(xué)生加深了對實際信號的認識，又避免了要求本科生掌握DSP編程技術(shù)的難題。為此，只要設(shè)計能同時滿足兩門課程的信號處理實驗系統(tǒng)，即可實現(xiàn)兩門課程共用的雷達原理教學(xué)實驗室。

二、實驗系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上面的分析，雷達原理教學(xué)實驗系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)性實驗系統(tǒng)和擴展性實驗系統(tǒng)兩部分。基礎(chǔ)性實驗系統(tǒng)主要完成雷達信號處理實驗，包括信號生成實驗、信號分析實驗、信號處理算法驗證實驗等算法運用實驗，以及數(shù)字上變頻、數(shù)字下變頻、雷達信號處理機等信號處理系統(tǒng)構(gòu)成和處理流程實驗;擴展性實驗系統(tǒng)主要完成雷達原理的數(shù)據(jù)處理機實驗。

1.基礎(chǔ)性實驗系統(tǒng)?；A(chǔ)性實驗系統(tǒng)可以進行雷達信號處理的原理性實驗，包括雷達信號產(chǎn)生及脈沖壓縮實驗、雷達波形特性分析實驗、動目標回波信號處理實驗等，基本上涵蓋了常用的雷達信號處理技術(shù);同時該實驗系統(tǒng)可以進行雷達原理與系統(tǒng)信號處理模塊的相關(guān)實驗，主要包括數(shù)字上變頻、數(shù)字下變頻、信號處理機實驗等，使學(xué)員能夠熟練掌握雷達信號的處理算法原理和系統(tǒng)構(gòu)成。該實驗系統(tǒng)主要由雷達信號處理實驗系統(tǒng)、示波器、控制計算機等組成（如圖1）。其中，信號源可以在計算機控制下，模擬產(chǎn)生綜合雷達信號，包括目標回波、雜波和干擾等。信號源采用數(shù)字基帶信號生成、矢量信號調(diào)制、組合控制等技術(shù)設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)字調(diào)制、空情想定和信號模擬等功能的一體化，并根據(jù)實際需要編輯產(chǎn)生特定信號樣式;雷達信號處理實驗系統(tǒng)在計算機控制下，對模擬雷達信號進行A/D轉(zhuǎn)換、信號處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給計算機分析，或通過D/A轉(zhuǎn)換，形成實時信號波形，送到示波器顯示。示波器同時顯示信號源產(chǎn)生的綜合雷達信號及處理后的雷達波形，以直觀的形式進行對比，顯示信號處理效果;控制計算機運行于自主開發(fā)的信號處理仿真控制軟件，一方面用于對信號源、雷達信號處理實驗系統(tǒng)的參數(shù)、狀態(tài)進行控制，另一方面也是雷達信號處理算法編程、參數(shù)調(diào)整和數(shù)據(jù)分析的平臺。

對于雷達信號生成和信號分析實驗，學(xué)生可先在計算機上，利用Matlab仿真出要分析的雷達發(fā)射或回波波形;然后，通過計算機控制信號源，輸出實際雷達波形;實際雷達波形一方面通過示波器顯示，提供給學(xué)生與理想波形進行對比，另一方面以數(shù)據(jù)形式進入計算機，用于與理想波形的詳細分析。對于雷達信號處理實驗，可先在計算機上，利用Matlab對雷達回波數(shù)據(jù)進行處理，仿真出理想的雷達信號處理結(jié)果;另一方面，通過信號處理控制軟件，將處理算法注入雷達信號處理實驗系統(tǒng)，輸出實際的處理后雷達波形，用于示波器顯示和計算機分析;對于數(shù)字上變頻、數(shù)字下變頻、雷達信號處理機實驗，主要是通過分析信號源、雷達信號處理機電路和軟件結(jié)構(gòu)，理解各部分在雷達信號處理中的作用，并通過控制計算機調(diào)整參數(shù)，驗證理論分析結(jié)論。

2.擴展性實驗系統(tǒng)。擴展性實驗系統(tǒng)主要完成雷達數(shù)據(jù)處理機實驗。當前的雷達系統(tǒng)終端和數(shù)據(jù)處理機一般由高性能加固計算機實現(xiàn)，因此雷達數(shù)據(jù)處理機實驗系統(tǒng)主要由計算機及相關(guān)軟件構(gòu)成。實驗系統(tǒng)主要用于演示雷達數(shù)據(jù)處理機的組成及數(shù)據(jù)處理流程，包括數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、野值剔除、航跡起始、多目標跟蹤、卡爾曼濾波、航跡終止等內(nèi)容的演示性講解，并演示A顯、B顯和局部高速采樣3維顯示等功能。

具體而言，雷達數(shù)據(jù)處理機實驗系統(tǒng)主要由標準機柜、20.1英寸顯示器及終端處理分機組成，其中終端處理分機包括目標檢測處理組件、光柵顯示組件、通信組件、局部總線底板、電源模塊以及用于本地和戰(zhàn)術(shù)操作的鍵盤、鼠標等組成。實驗時，目標檢測處理插件完成雷達信號的輸入處理，數(shù)據(jù)格式包括雷達信號處理系統(tǒng)送出的幅度信號、距離同步信號及過門限檢測信號，或由該插件內(nèi)建的模擬目標產(chǎn)生單元形成模擬目標信號，由光柵顯示插件完成恒虛警檢測、目標參數(shù)自動錄取、點跡處理、航跡處理、高度測量、各種顯示與干預(yù)命令的實現(xiàn)、人機界面接口等，由通信接口插件形成上報數(shù)據(jù)、信息顯示等。

三、實驗室應(yīng)用價值

采用上述方案，雷達原理教學(xué)實驗室以本科教學(xué)需求為牽引，以理論和科技前沿知識為核心，不僅能夠同時滿足兩門雷達原理類課程的教學(xué)實驗需求，提高學(xué)員的雷達基礎(chǔ)理論水平，還可以強化學(xué)生的實驗技能，可為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高層次人才奠定基礎(chǔ)。同時，實驗室還為雷達信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究提供先進的仿真、設(shè)計、調(diào)試和實驗環(huán)境，滿足雷達專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計、科技競賽等方面的需要。隨著實驗項目的擴展完善，儀器設(shè)備、算法理論的逐步充實，實驗室還可服務(wù)于研究生教學(xué)，用于相關(guān)課程的教學(xué)實踐、研究生的自主開放性實驗和設(shè)計性實驗，以及研究生課題研究過程中的雷達系統(tǒng)仿真。

參考文獻：

[1]丁鷺飛，等.雷達原理[M].第4版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]Mark A.Richards.雷達信號處理基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.