鈕俊清,任清安,朱明清

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088;3.智能情報(bào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088)

0 引言

近年來(lái),隨著雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展,雷達(dá)模擬器在雷達(dá)應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用[1-5],大部分雷達(dá)模擬器采用硬件和軟件相結(jié)合的半實(shí)物仿真方式,但這類設(shè)計(jì)費(fèi)用較高,對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理(航跡處理、顯控、波束調(diào)度)等軟件的調(diào)試不夠靈活。

點(diǎn)跡模擬器采用純軟件的方式模擬實(shí)裝雷達(dá)DSP處理后的凝聚點(diǎn)跡,包括目標(biāo)點(diǎn)跡、雜波點(diǎn)跡(海雜波、地雜波、云雨雜波)、干擾點(diǎn)跡、目標(biāo)點(diǎn)跡、雜波區(qū)域、干擾區(qū)域等信息,且設(shè)置靈活,可以充分驗(yàn)證雷達(dá)軟件的以下性能：

1)航跡處理性能：點(diǎn)跡處理能力、航跡處理能力、機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力、雜波起始能力和抗干擾能力等;

2)顯控性能：點(diǎn)跡顯示能力、航跡顯示能力和戰(zhàn)術(shù)操作能力等;

3)波束調(diào)度性能：事件調(diào)度成功率、時(shí)間利用率等。

但現(xiàn)有的點(diǎn)跡模擬器有很大的缺陷：①雜波/干擾的仿真和真實(shí)情況的差距較大;②雷達(dá)掃描波束的仿真與雷達(dá)實(shí)際工作方式差距較大,特別是相控陣?yán)走_(dá);③運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)信息的仿真和真實(shí)雷達(dá)的平臺(tái)差距較大。同時(shí)真實(shí)的雷達(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)也有缺陷：①目標(biāo)類型比較單一,大多數(shù)為民航飛機(jī);②目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型比較簡(jiǎn)單,很少出現(xiàn)編隊(duì),交叉等飛行的目標(biāo);③大多數(shù)目標(biāo)很難獲得GPS數(shù)據(jù);④雜波區(qū)域比較固定,缺少不同類型的干擾數(shù)據(jù)。

為了解決以上問(wèn)題,本文以雷達(dá)的真實(shí)數(shù)據(jù)(包括時(shí)統(tǒng)、平臺(tái)、波束)代替雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器的平臺(tái)、波束信息,并通過(guò)場(chǎng)景編輯軟件中設(shè)置目標(biāo)、雜波、干擾、隨機(jī)目標(biāo)等參數(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)的雷達(dá)點(diǎn)跡上的雜波、干擾、目標(biāo)/隨機(jī)目標(biāo)的任意疊加,對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的功能和性能進(jìn)行充分的測(cè)試。

1 雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器設(shè)計(jì)

1.1 軟件組成及功能

雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器軟件系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器軟件組成

雷達(dá)模擬器的軟件功能如下：

1)雷達(dá)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟件

雷達(dá)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟件主要完成以下功能：

(a)仿真控制：對(duì)整個(gè)模擬器進(jìn)行仿真開(kāi)始、結(jié)束等控制;

(b)時(shí)統(tǒng)：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)統(tǒng);

(c)波束統(tǒng)一：整個(gè)系統(tǒng)掃描波束保持一致;

(d)平臺(tái)統(tǒng)一：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)位置等信息與實(shí)際雷達(dá)采集的平臺(tái)信息一致;

(e)點(diǎn)跡信息：將點(diǎn)跡信息發(fā)送到航跡處理。

2)場(chǎng)景編輯軟件

場(chǎng)景編輯軟件主要完成以下功能：

(a)目標(biāo)設(shè)置：根據(jù)需求設(shè)置不同目標(biāo)及運(yùn)動(dòng)軌跡;

(b)雜波/干擾設(shè)置：根據(jù)要求設(shè)置雜波的等級(jí)以及干擾個(gè)數(shù)和區(qū)域,以及區(qū)域的形狀;

(c)設(shè)置隨機(jī)目標(biāo)數(shù)。

3)雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件

(a)雜波/干擾：根據(jù)接收到的波束位置及雜波/干擾信息,產(chǎn)生雜波和干擾點(diǎn),發(fā)送到航跡處理軟件,并在顯示界面顯示;

(b)目標(biāo)點(diǎn)跡解算：根據(jù)接收到的波束位置和目標(biāo)的位置信息,以及雷達(dá)的參數(shù)(比如波束寬度、檢測(cè)概率、由GIS信息計(jì)算的地形遮擋等),解算目標(biāo)的點(diǎn)跡信息,并發(fā)送到航跡處理軟件,并在顯示界面顯示;

(c)產(chǎn)生隨機(jī)目標(biāo)：根據(jù)接收到的隨機(jī)目標(biāo)的個(gè)數(shù),初始化目標(biāo)的參數(shù),包括位置、速度、航向、運(yùn)動(dòng)模型等。

4)數(shù)據(jù)記錄軟件

將波束調(diào)度的信息、目標(biāo)的真值、目標(biāo)的航跡保存到數(shù)據(jù)庫(kù)里,作為航跡處理評(píng)估、波束調(diào)度評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)可以將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行重演。

1.2 軟件的處理流程

雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器軟件處理流程如圖2所示。其中左側(cè)為實(shí)裝雷達(dá)軟件,右側(cè)為模擬器。

圖2 雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器軟件處理流程

首先場(chǎng)景編輯軟件,根據(jù)雷達(dá)站的位置進(jìn)行如下信息的設(shè)置：①設(shè)置目標(biāo)的類型、參數(shù)和運(yùn)行軌跡;②設(shè)置雜波、干擾的范圍、形狀、強(qiáng)度和速度等參數(shù);③設(shè)置隨機(jī)目標(biāo)數(shù)。然后雷達(dá)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真開(kāi)始控制,并將雷達(dá)站的平臺(tái)信息、時(shí)統(tǒng)信息、雷達(dá)波束信息實(shí)時(shí)地發(fā)送到波束調(diào)度和場(chǎng)景編輯軟件。最后雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件根據(jù)接收到的實(shí)時(shí)目標(biāo)的位置、平臺(tái)、雜波干擾、地形遮擋、發(fā)現(xiàn)概率等信息,解算雷達(dá)點(diǎn)跡發(fā)送到航跡處理、并把真值發(fā)送到數(shù)據(jù)記錄軟件。同時(shí)數(shù)據(jù)記錄軟件將目標(biāo)的真值、目標(biāo)的航跡信息及波束的調(diào)度信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,用于波束調(diào)度和航跡處理軟件性能評(píng)估。

2 雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器關(guān)鍵算法

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1)大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)WGS-84直角坐標(biāo)系

假設(shè)目標(biāo)的大地坐標(biāo)為(L k,B k,H k),轉(zhuǎn)換后的地心直角坐標(biāo)系坐標(biāo)為(x wk,y wk,z wk),轉(zhuǎn)化公式如下：

2)WGS-84直角坐標(biāo)系到地心直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

假設(shè)地面站的坐標(biāo)為(L r,B r,H r),地心直角坐標(biāo)為(x or,y or,z or),轉(zhuǎn)化公式如下：

故地心直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系坐標(biāo)(x rk,y rk,z rk),轉(zhuǎn)化公式如下：

式中,

3)地面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地面球面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

假設(shè)站心球面坐標(biāo)為(r k,θk,ηk),故由目標(biāo)的地面直角坐標(biāo)(x rk,y rk,z rk)轉(zhuǎn)化為地面極坐標(biāo)的(r k,θk,ηk)的坐標(biāo)變換為

2.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

1)目標(biāo)點(diǎn)跡發(fā)現(xiàn)概率

對(duì)Swerling I類目標(biāo),計(jì)算雷達(dá)作用距離的方程如下式[6]所示：

根據(jù)雷達(dá)的參數(shù)表及目標(biāo)的RCS、求出目標(biāo)在發(fā)現(xiàn)概率為0.5時(shí)的最大距離Rmax,此時(shí)的信噪比SNR0,利用當(dāng)前目標(biāo)的位置R,求出當(dāng)前的信噪比如下式所示：

對(duì)Swerling I類目標(biāo),目標(biāo)點(diǎn)跡的發(fā)現(xiàn)概率與信雜噪比之間的關(guān)系如式(8)所示。

式中,P f0=10-6。

2)地形遮擋計(jì)算

首先根據(jù)雷達(dá)在距離R、方位θ和俯仰η上的威力,建立三維數(shù)據(jù)表(R i,θj,ηk),其中,

在場(chǎng)景編輯軟件接收到雷達(dá)站的位置,然后根據(jù)GIS數(shù)據(jù),計(jì)算建立的三維數(shù)據(jù)表(R i,θj,ηk)所對(duì)應(yīng)的遮蔽信息D i,j,k。

3)場(chǎng)景編輯技術(shù)

編輯復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),就要將數(shù)據(jù)和圖形結(jié)合起來(lái)進(jìn)行目標(biāo)軌跡的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡上,我們采用了“所畫即所得”方法,通過(guò)按住鼠標(biāo),在顯示器屏幕上繪制你所需要的軌跡圖,將軌跡像素點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo),形成目標(biāo)的真值軌跡數(shù)據(jù),并通過(guò)運(yùn)動(dòng)模型對(duì)軌跡進(jìn)行修正。目標(biāo)在模擬仿真的時(shí)候是按照真值航線運(yùn)動(dòng)的,運(yùn)動(dòng)的速度和高度可以人工設(shè)置。這樣做的好處就是目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)都是按照指定的軌跡,每次模擬的過(guò)程都是一致的。

3 應(yīng)用效果

3.1 仿真目標(biāo)疊加

考慮在雷達(dá)實(shí)際探測(cè)過(guò)程中可能遇到的情況,比如目標(biāo)編隊(duì)、高速高機(jī)動(dòng)、雜波起始、穿雜波穩(wěn)定跟蹤、交叉飛行跟蹤等情況,在雷達(dá)真實(shí)數(shù)據(jù)上疊加這些目標(biāo)信息,其中編隊(duì)和穿雜波穩(wěn)定跟蹤性能測(cè)試的場(chǎng)景編輯如圖3所示,目標(biāo)疊加后航跡處理的顯示效果如圖4所示。

圖3 編隊(duì)目標(biāo)場(chǎng)景編輯

圖4 編隊(duì)穿雜波場(chǎng)景中的航跡處理效果

3.2 雜波干擾疊加

可以根據(jù)實(shí)際情況,在雷達(dá)的干凈區(qū)域的真實(shí)目標(biāo)附近疊加雨云等雜波和干擾,可以檢驗(yàn)航跡處理軟件真實(shí)目標(biāo)的雜波、干擾起始能力、穿雜波和干擾的能力、雜波干擾的抑制能力。加雜波區(qū)域的航跡處理效果如圖5所示。

圖5 疊加雜波場(chǎng)景中的航跡處理效果

3.3 隨機(jī)雜波和隨機(jī)目標(biāo)疊加

通過(guò)在真實(shí)雷達(dá)數(shù)據(jù)上疊加隨機(jī)目標(biāo)可以驗(yàn)證航跡處理軟件的航跡處理性能(比如600批/幀),疊加隨機(jī)雜波可以驗(yàn)證航跡穩(wěn)定跟蹤的性能。隨機(jī)雜波疊加和隨機(jī)目標(biāo)疊加如圖6和圖7所示。

圖6 疊加隨機(jī)雜波場(chǎng)景中的航跡處理效果

圖7 疊加隨機(jī)目標(biāo)場(chǎng)景中的航跡處理效果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器的缺陷和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件接口、性能和功能的測(cè)試要求,采用雷達(dá)真實(shí)數(shù)據(jù)和雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器相結(jié)合的技術(shù),即以真實(shí)雷達(dá)的時(shí)統(tǒng)、平臺(tái)、波束取代雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器的相應(yīng)信息,以真實(shí)雷達(dá)的點(diǎn)跡作為雷達(dá)點(diǎn)跡模擬器的背景信息,在場(chǎng)景編輯中靈活地設(shè)置目標(biāo)、干擾、雜波、隨機(jī)目標(biāo),得到近似實(shí)裝的靈活多變的場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的接口、功能、性能進(jìn)行詳盡而徹底的測(cè)試。

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