一种多分辨率雷达仿真平台的设计与实现*



一种多分辨率雷达仿真平台的设计与实现*

郭金良1，王得旺1,2，韩文彬1，王岩1

(1. 中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳471003； 2. 兰州大学 物理科学与技术学院，甘肃 兰州723100)

摘要：为满足雷达系统建模仿真的多分辨率应用需求，提出了一种多分辨率雷达仿真平台设计方法。对传统功能仿真与信号仿真的仿真思想进行了分析，结合两者的特点进行了改进，研究了一种多分辨率雷达仿真实现方法。在此基础上，进行了多分辨率仿真平台的分析与设计，主要研究了2个方面的关键技术，即可组合仿真模型的设计与可组合仿真系统的开发。最后，开发了多分辨率雷达仿真平台，可进行功能仿真与信号仿真的同步仿真与灵活切换，实现了雷达仿真系统的多分辨率运行。

关键词：功能仿真；信号仿真；组合；组件

0引言

利用现代建模与仿真技术进行雷达系统研究是一条非常有效的技术途径，并已经广泛应用，涵盖了雷达系统的设计与研制、新型雷达电子战武器装备的发展论证、电子战装备试验鉴定及评估、电子战作战训练、演练及战法研究等众多方面[1-2]。针对不同的应用需求，采用多分辨率建模技术进行雷达仿真是当前亟需解决的关键技术之一。究其原因，有以下2个方面：首先，在大规模的仿真应用中，受制于硬件运行性能与解算速度，在高分辨率下仿真所有的模型是不现实的；其次，不同目的的仿真对仿真分辨率的要求是不同的，高分辨率模型能够抓住事物的细节，而低分辨率的模型能更好地揭示事物宏观的、本质的属性，例如，在雷达系统的研制仿真中，需要采用高分辨率模型，而在电子战作战训练与战略决策仿真中，则可以采用低分辨率的仿真模型[3-7]。

当前，对雷达的仿真研究主要包括功能与信号2类[8]，功能仿真属于一种低分辨率仿真方法，信号仿真属于一种高分辨率仿真方法。在传统的研究模式下，对这2种仿真方法的研究是相对独立的，在同一仿真平台下结合2种方法进行仿真的研究案例还未见相关报道。对此，本文从多分辨率建模的角度出发，综合信号仿真与功能仿真的特点进行雷达系统的仿真研究。

1多分辨率雷达仿真方法分析

1.1功能仿真方法

传统的雷达系统功能仿真基本思路是：从信号功率的角度，运用雷达方程、干扰方程、干扰/抗干扰原理以及运动学方程等建立仿真计算综合输出(检测)信噪比模型，进而确定雷达检测时的发现概率与虚警概率，并在此基础上进行干扰/抗干扰性能评估和电子战条件下雷达检测过程的功能仿真试验。

1.2信号仿真方法

信号仿真[9](亦称相干视频信号仿真)中的“信号”是指零中频信号，或者是经零中频或等效零中频处理的信号。“信号”既包括幅度信息，又包括相位信息。信号仿真是仿真信号的发射、传播、目标回波、杂波与干扰叠加以及接收滤波、抗干扰、信号处理、门限检测、数据处理的全过程。相干视频信号仿真的基本定义就是要逼真地复现既包含振幅又包含相位的相干视频信号，复现这种信号的发射、空间传播、经散射体反射、杂波与干扰信号叠加、以及在接收机内进行处理的全过程。

1.3信号仿真与功能仿真的结合

信号仿真最大的优势就是仿真精度高，但是现有的信号建模方法过于偏重处理流程的完全复现，往往导致数据量和运算量巨大，运行效率严重低下。因此，提高模型的运行效率是信号仿真面临的最大难题。为解决这个难题，一个有效的方法就是：通过高分辨率的仿真试验，掌握仿真模型的模型特性与运行特性，预估其处理结果，然后从模型形式上进行转变，采用数据库方式、拟合函数等方式进行功能替代，降低局部分辨率，以提高仿真运行效率。

功能仿真最大的优势就是结构简单、计算量小、运行速度快。但是现有的功能仿真方法不追求对具体处理过程的复现，主要围绕雷达方程计算信噪比展开，考虑的因素为单一的功率信息，对环境要素的敏感性差，无法适应复杂战场电磁环境的要求。因此，功能仿真亟需改进之处就是要提高仿真分辨率，以适应更多的应用需求。为达到这个目的，一个可行的技术途径就是：在功率信息的基础上，复现部分雷达处理流程，并添加对回波和处理模块时域和频域特性参数的利用，具体的如时域分布特性、频谱中心、频谱有效带宽、频谱分布函数等，即由传统的点信息变化到面信息，充分利用积分、累计等简单的数学手段，对模块处理回波的性能结果进行建模，以增加仿真精度。

基于上述分析可知，结合信号仿真与功能仿真的优势进行雷达系统仿真，是一条非常适应当前应用需求的技术途径，即可以借鉴功能仿真的思想降低信号仿真的分辨率以提高其运行效率，也可以借鉴信号仿真的思想提高功能仿真的仿真精度。从某种意义上来说，在信号仿真的基础上，如果将相干视频仿真模型中的信号产生、信号处理模型用功能性仿真模型替代，基本不用改变其他模型，即可以实现一种改进型的功能仿真。而这种改进型的功能仿真，相对于传统的功能仿真，则更多的复现了雷达的处理过程，具有更高的分辨率与仿真精度，是一种介于传统的信号仿真与传统的功能仿真之间的仿真模式。通过这种仿真模式，能够很好的将信号仿真与功能仿真结合起来，将两者整合到同一仿真平台下进行研究，实现信号仿真与功能仿真之间部分模型的重用，并在此基础上实现多分辨率仿真的运行。

要实现上述的多分辨率仿真模式，需要解决的技术难题是多方面的，包括模型、算法、软件等多个方面。然而，其中一个最为重要的方面，就是要实现一个多分辨率的通用仿真平台，在这个平台上，可以实现功能仿真、信号仿真等仿真模式的同步运行与灵活切换，从而为具体仿真模型设计以及算法研究提供基础平台，提高研究效率，并提供实现工具支持。

2多分辨率仿真平台设计

对于如上所述的多分辨率仿真平台，其最主要的特征就是要求仿真平台具有可组合性，即可以在运行过程中，能够实现功能模块的灵活组合，以满足多分辨率模型运行的要求。为实现仿真平台的可组合性，下面主要从仿真模型设计与仿真系统开发2个方面进行研究。

2.1可组合仿真模型设计

从仿真模型设计上来看，标准化、通用化的模块设计是可组合性的基础和保障[10]，为了实现这个目标，需要结合模型体系划分进行研究，具体实施步骤为：首先，对雷达系统的仿真处理流程进行系统地分析整理，并进行标准化描述；然后，根据模块化的建模思想，对雷达系统仿真模型体系进行结构划分，参照处理流程，分析确定各功能模块的输入输出关系，并采用模型与参数分离的方式，进行模型参数化设计；最后，根据标准化的输入输出关系进行模块内部模型的建模设计。

下面主要以相控阵雷达的仿真设计为例进行设计。依据实际相控阵雷达的工作流程，基于信号仿真的思想，设计仿真运行流程，如图1所示。

图1　相控阵雷达信号仿真流程Fig.1　Signal simulation process of phased array radar

参照信号仿真的流程，依据前述改进型功能仿真的思想，设计仿真流程，如图2所示。

上述2种仿真流程具有一致的运行结构，其主要区别在于雷达信号的生成、接收机处理、信号处理这几个环节，其他流程活动的实现基本上是一致的。因此，在进行仿真模块结构划分的时候，可以按照统一的模式进行，即模块组成是一致，只是在具体模块设计的时候，需根据不同的应用需求设计不同的模块接口。在这种设计模式下，可以采用统一的运行架构进行仿真模型的集成，同时基于仿真模块接口的设计易于实现仿真模型的重用与重组。

信号仿真的模型结构相对比较复杂，且完全可以覆盖到功能仿真的模型。因此，基于模型完备性的考虑，可以参照信号仿真流程进行模型结构划分。一般的来说，相控阵雷达仿真系统可以分为可分为资源调度模块、天线模块、信号产生模块、信号处理模块、数据处理模块、航迹管理模块、跟踪滤波模块等七大模块，各个模块再依据分层细化的方式，进一步划分子模块，其总体结构如图3所示。

2.2可组合仿真系统开发

为实现仿真平台的可组合性，采用组件化的开发方法，基于组件技术的开发方法是当前支持软件复用与可组合建模的核心技术[11]。

基于组件技术所支持的开发模型，可以确定仿真系统的开发过程[12]，如图4所示，主要包括以下步骤：

图2　相控阵雷达功能仿真流程Fig.2　Functional simulation process of phased array radar

图3　相控阵雷达系统的模块划分结构Fig.3　Module structure of phased array radar system

(1) 功能需求分析：分析仿真系统的功能需求，确定仿真系统的组成结构；

(2) 仿真架构设计：在需求分析的基础上，实现仿真系统的组件分解与识别，并设计仿真组件的集成架构；

(3) 仿真组件实现：采用某种组件标准开发仿真组件，如CORBA、COM/COM+等，并将新开发的组件保存到仿真组件库，便于组件重用；

(4) 系统集成运行：根据系统集成框架，从组件库检索所需仿真组件，进行仿真组件的集成，实现仿真系统的物理部署，最后加载仿真战情，进行仿真系统的运行测试。

组件化的设计实质上也是面向接口的设计，对于不同的组件，只要接口是一致的，即可以实现组件的替换与重用。在多分辨率雷达仿真系统中，对于同一组件模块，可以为其设计多类接口，如功能仿真接口、信号仿真接口等，也可以对同一接口采用不同的实现方式，实现不同分辨率的仿真模型。这样，在不改变仿真架构的条件下，通过选择组件接口，或者替换仿真组件，可以进行仿真组件的灵活重组，轻松实现仿真系统的多分辨率运行。另外，如果在运行架构中采用多线程模式，可以同时运行同一模型的不同分辨率组件，实现多个不同分辨率组件的同步运行，为不同分辨率模型之间的相互验证提供便捷条件。

图4　组件化可组合仿真系统开发过程Fig.4　Development process of component simulation system

基于前面分析的相控阵雷达系统仿真流程的与模块划分结构，可以设计一个结合功能仿真与信号仿真的组件化仿真运行架构，如图5所示，限于篇幅，图中省略了部分模型。在仿真组件实现上，功能仿真与信号仿真的主要区别在于信号生成模块、接收机模块与信号处理模块所对应的三大组件。例如，对于信号生成组件，功能仿真只考虑功率模型，可以设计一个独立的信号生成组件，而不必要考虑其下层组件的实现，而信号仿真考虑的模型则比较复杂，需要设计所有下层模块对应的组件，并通过调用下层组件来实现仿真。同时，在功能仿真中，信号产生模块与接收机模块之间交互的主要是功率信息，而在信号仿真中，则包括了信号的幅度、相位、频率等信息，需要采用不同的组件接口来实现两者之间的交互。因此，可以为功能仿真与信号仿真开发不同的信号生成仿真组件，在实际运行过程中，再根据所设置的仿真分辨率条件，实时选择不同的仿真组件进行仿真。

图5　组件化仿真系统的运行架构Fig.5　Operation frame of component simulation system

3仿真平台实现与演示

在上述研究的基础上，下面以某相控阵仿真为例开发了系统，在该系统中，可以实现功能仿真与信号仿真的同步运行，也能在2种运行模式之间进行灵活切换。

如图6所示，为仿真平台的想定设计界面，在该界面下，可以实现各类分辨率仿真参数的统一定制。

图6　仿真平台想定设计界面Fig.6　Scenario design interface of simulation platform

如图7所示，为仿真平台实时运行界面，用于显示运行状态与雷达探测结果，也能够在仿真运行过程中进行实时操控，实现不同分辨率仿真的实时切换与运行，并以多种方式查看仿真输出。

图7　仿真平台实时运行界面Fig.7　Real-time running interface of simulation platform

如图8所示，为仿真结果分析界面，可以用于分析在不同分辨率仿真模式下雷达的探测结果，并可以相互之间进行比较。图6所示为信号仿真与功能仿真的距离误差分析结果，通过对比结果，可以调整仿真输入参数，使得两者的结果趋于一致。一般情况下，信号仿真具有较高的精度，可以参照信号仿真的结果，来调整功能仿真的参数，使两者之间的输出误差最小，以提高功能仿真的精度。

图8　仿真平台运行结果分析界面Fig.8　Operation results analysis interface　　　of simulation platform

4结束语

基于多分辨率的思想，将雷达仿真功能仿真与信号仿真进行整合，开发了统一的仿真平台，为多分辨率雷达仿真提供了一个非常便利的研究工具，为多分辨率建模的研究进一步发展提供了很好的支撑，结合该平台，进一步研究，必将进一步完善雷达仿真系统的多分辨率建模，使得仿真分辨率更加丰富，满足多样性的仿真应用需求。

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Design and Realization of a Type of Multi-Resolution Radar Simulation Plat

GUO Jin-liang1,WANG De-wang1,2,HAN Wen-bin1, WANG Yan1

(1. LEETC,Henan Luoyang 471003, China;2.Lanzhou University, School of physical science and technology,Gansu Lanzhou 723100, China)

Abstract:To achieve the multi-resolution application requirements of the modeling and simulation of radar system, a method is proposed for designing multi-resolution radar simulation platform.The traditional function simulation and signal simulation are firstly analyzed and improved based on the characteristics of the two methods, and a multi-resolution radar simulation realization method is studied. Then, analysis and design of the multi-resolution radar simulation plat are carried out, and mainly two critical technologiesincludingthe design of compoundable simulation model and the development of compoundable simulation systemare studied. Finally, the multi-resolution radar simulation platform is developed, the function simulation and signal simulation can be executed together and easily switched, and multi-resolution execution of radar simulation system is realized.

Key words:functional simulation；signal simulation；composition；component

中图分类号：TN95；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-02-0191-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.031

通信地址：471003河南省洛阳市085信箱转02号E-mail：sure990@163.com

作者简介：郭金良(1982-)，男，湖南浏阳人。工程师，硕士，主要研究领域为电子信息系统建模与仿真评估。

* 收稿日期：2014-05-20；
修回日期：2014-07-04