仿真在“雷达原理与系统”课程教学中的应用

2012-10-12肖顺平

电气电子教学学报 2012年1期

赵锋，刘进，肖顺平

(国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073)

“雷达原理与系统”是我院电子工程专业的一门核心专业课程，该课程所包含的知识点繁多且概念性极强，如何让学生切实理解并掌握诸多关键的物理概念，是本课程教学需要解决的核心问题［1]。我院“雷达原理与系统”课程组经过多年的探索和实践，充分利用我院雷达电子战仿真评估方向科研项目的研究成果，在无法购置雷达系统实际装备的不利条件下，将全数字雷达仿真系统应用于课程的课堂教学和课余实践，增加了学生的感性认识，使雷达系统中的物理概念更加直观易懂，提高了本课程的教学质量。

1 全数字仿真教学应用的优势

雷达全数字仿真是综合利用建模技术、系统仿真技术和计算机技术等，通过软件编程开发实现的对实际雷达装备处理过程的数字化复现［2]，通常以计算机应用软件形式出现，相比于实际雷达装备，雷达全数字仿真系统应用于教学时，具备以下优点。

(1)充分利用学院相关科研项目的研制成果，成本极低，开发周期也较实际装备短很多。并且，软件系统的维护、升级都非常方便，可以做到老师学生人手一套;

(2)复现所有体制和所有用途雷达的主要工作过程，并将雷达系统任意环节的处理结果进行多种形式的显示，使得课程中涉及的物理概念和关键算法可以非常直观的方式展现在学生面前;

(3)只需经过简单的拷贝就可以随时随地进行运行和操作，并可以根据教学内容灵活改变系统设置;

(4)模块化设计为学生提供了探索研究和工程实践的实验平台，提高课程教学的交互性。

2 教学用雷达全数字仿真系统

2.1 系统结构与组成

为了完整展现雷达在多种条件下的工作过程，教学用雷达仿真系统除了雷达装备分系统外，还应包含目标仿真分系统、电磁环境仿真分系统和干扰仿真分系统等，各分系统基于高层体系结构(HLA)构建成一套分布式仿真系统［3]，系统组成如图1所示。

图1 教学用雷达仿真系统分布式结构

上述结构组成中，雷达装备仿真分系统是核心环节。由于是分布式结构，因此可以根据不同的教学内容需要，选择不同体制、不同用途的雷达装备仿真模型加入系统，以典型的相控阵雷达为例，该分系统的组成及其流程如图2和图3所示。

2.2 系统功能

为了最大程度地配合课程内容的讲授，教学用雷达全数字仿真系统设计时必须实现以下功能。

(1)战情设置:可以根据讲课内容需要，设置相应的作战情景。如:设置目标低空突防加强地物杂波战情，便可向学生展示课程中“脉冲多普勒雷达与动目标检测”章节的原理和概念。

(2)雷达组成部分的模拟:包括发射机、接收机、天线方向图、信号处理、数据处理和雷达显示器等，该功能可向学生展示雷达各组成部分的特性及相应概念。

(3)信号波形的特性仿真:可向学生展示典型样式信号的特征和雷达信号理论的相关概念。

(4)雷达目标发现、确认、跟踪和识别全过程的模拟，可向学生展示雷达方程、目标检测、距离和角度测量、脉冲积累、脉冲压缩以自动跟踪等章节的概念和原理。

(5)雷达处理过程及结果的可视化:根据教学需要，可将任意数据进行直观显示，包括特性数据、状态数据和结果数据等，主要用于相关概念和原理的直观展示。

(6)复杂电磁环境条件下的雷达处理仿真:可以针对干扰、杂波等条件下，对雷达特殊处理过程进行仿真。该功能可用于脉冲多普勒雷达的杂波特性及运动目标检测等章节的概念和过程展示。

3 教学应用实例设计

3.1 实例一雷达方程中各因素影响

雷达方程是进行雷达威力分析的最基本的工具，根据雷达方程可以分析出雷达最大作用距离和诸多因素之间的影响关系，可以通过改变仿真战情中相应参数，对比雷达探测结果来直观展现上述影响关系。实际教学中，仿真系统的设置和结果列举如表1所示。

表1 雷达最大发现距离和影响因素关系

3.2 实例二脉冲压缩特性

脉冲压缩特性部分的教学重点包括脉冲压缩的基本概念、实现方法、脉冲压缩比、时宽带宽积、线性调频脉冲信号(LFM)脉压特性以及相位编码脉冲信号(PCM)脉压特性等。应用仿真系统辅助教学时，可以通过设置相应的信号类型和信号参数，屏蔽雷达接收机噪声信号，并通过改变某些参数值，输出脉冲压缩前后的时域信号采样波形来进行直观展现。具体实施方式如表2所示。

4 结语

将全数字仿真系统应用于“雷达原理与系统”课程的教学实践，是帮助学生理解课程中诸多物理概念和原理特性的行之有效的教学手段。我院教学组经过几轮的应用实践，从课堂交互、学生反馈、课程考核以及后续的毕业设计实践上均反映出该方法的有效性。该方式后续还将运用于我校正在建设的本科生电子工程实验室中，为进一步增强我校学生的动手实践能力和科研创新能力提供工具和平台支撑。