基于实采杂波数据的雷达仿真训练系统研究

何永喜,张国兵

(91404部队,河北 秦皇岛 066000)



基于实采杂波数据的雷达仿真训练系统研究

何永喜,张国兵

(91404部队,河北 秦皇岛 066000)

针对计算机仿真模型产生的雷达探测背景杂波不够逼真、难以满足复杂电磁环境下雷达操作手实战化训练需求的问题,提出了基于实采数据与计算机仿真模型数据合成的雷达仿真训练系统。该系统借用成熟的数据采集技术采集雷达背景杂波数据,通过等效处理和数据合成等技术将采集后的杂波数据与计算机仿真模型数据拟合在一起,并在统一时序下重构再现了雷达相应的信号处理、数据处理及操作指令的正确反馈效果。从两种不同系统的显示效果比对结果看,该系统明显提高了雷达探测背景环境的逼真度。

雷达仿真;实采数据;数据合成;逼真度;等效处理

0 引 言

雷达仿真模拟训练由于不受各种自然和人为因素的制约,又可以防止雷达发射频率、脉冲重复周期、抗干扰措施等重要参数的泄露,并具有成本低、训练效益高的优点,因此倍受军事院校和一线部队的青睐[1]。但是,随着军事训练实战化要求不断地提高和部队战斗力的不断提升,对复杂电磁环境下雷达仿真训练的复杂度和逼真度提出了更高的需求。

目前,雷达模拟系统大部分都采用了实装的终端台和人机交互软件,给操作员营造了逼真的战位环境。但是,雷达探测背景杂波环境基本上都还是采用了数学模型。这种模拟方式生成的雷达探测背景杂波与实际还存在一定的差距,不利于雷达操作手从原始回波中区分目标和杂波并从杂波背景下识别出目标等技能的训练。因此,雷达模拟器能否逼真地模拟出雷达探测背景杂波环境,对于训练雷达操作手在杂波环境中对目标的正确检测和跟踪具有十分重要的意义[2-3]。本文将利用实装中采集到的真实探测背景杂波数据,并根据训练态势与模拟目标、干扰信号进行合成,构建逼真的雷达探测背景杂波环境。

1 雷达面临的杂波环境特征分析

雷达探测位于陆地或海面上以及空中的目标时,雷达接收的信号主要是有用的目标回波和由天电干扰、雷达设备本身等形成的噪声,以及地面、海面、空中的云雨及干扰箔条等背景形成的杂波。其中背景杂波信号的强度经常远远超过目标回波信号,且杂波谱常常接近于目标,同时还受雷达设备参数的影响[4]。在背景杂波中,陆地上的物体一般比较固定,其幅相的动态变化特征不大,而海杂波和气象杂波相对表现出更强的动态特性。海面作为雷达波的反射面,其性能十分复杂,海风、海流、海浪、潮汐和不同的水质等都对海杂波的产生有着不同的影响。云、雨等气象作为雷达波的反射面,其性能特点受区域面积、体积、风速和降雨量等条件的影响。背景杂波的存在严重影响着雷达对目标的探测,有时导致一些回波弱、速度快的目标淹没在杂波中,使雷达不能对其检测。而这些被漏掉的目标往往有很高的威胁性,例如采用隐身技术的目标和掠海飞行的小目标,因此在一定程度上降低了雷达探测威力。

虽然目前采用计算机仿真技术和数学统计模型能够对探测背景杂波进行仿真模拟,但是当前计算机仿真技术和手段还不能完全仿真模拟地物、海面和气象杂波的实时动态性,只能模拟特定条件下的杂波形态变化。其中对海面和气象杂波的实时动态性仿真模拟是最困难的,因其涉及到的实时计算量很大,以目前的计算机技术还不能实时动态模拟,导致背景杂波动态性的仿真模拟效果还达不到实际要求。

2 雷达实采背景杂波数据的优势

随着计算机技术和IC技术的不断发展,快速的采集器件及高速计算机处理器不断涌现,如高速周边元件扩展接口(Peripheral Component Interconnect,PCI)数据采集卡、数据信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)芯片等,都可以满足雷达回波信号的数字采集和处理,实现实时传输数字化数据,并且高性能的采集设备可直接从雷达中频信号(I、Q支路)进行数字化采集。国内一些高等院校和研究机构都在研究设计雷达数据采集处理卡,并已开发出一些成形的产品[5-6]。雷达数据采集处理卡无疑将为实现雷达信息共享提供传输平台,其推广应用必将提高雷达视频终端的兼容性、可移植性和通用性,具有极大的实用价值。

雷达回波信号数据采集的成熟技术促使了高等院校和科研单位对软件化雷达终端系统实现技术的深入研究[7-8],其中基于GUP+CUP的雷达终端软件化技术是目前研究的重要热点。近年来,GPU的多计算单元以接近于3倍摩尔定律的速度不断加快发展,使其拥有众多线程,从而具有强大的并行计算能力。这一特点刚好吻合雷达大规模回波数据的处理。现在一台普通计算机其自身就拥有功能足够强大的GPU资源。在软件方面,采用Intel Integrated Performance Primitives(IPP)编程技术。IPP是一个集成了几千款支持多核心、多媒体和数据处理高度优化的软件包,与硬件关系非常密切的底层软件,可轻松实现最佳使用应用程序的性能,提高雷达数据处理的速度[9]。因此,这种实现方式具有逐渐替代传统雷达终端系统的优势。

3 基于实采数据的雷达仿真训练系统

雷达仿真训练系统必须具有较强的探测环境逼真度、信息处理的实时性和交互信息反馈的正确性。为了增强雷达仿真训练系统在这3方面的优势,本文提出了实采数据与模型数据合成的系统设计思想。下面重点从系统构成及功能和不同类型数据合成两个主要方面进行阐述。

3.1 系统构成及功能

该系统构成示意图如图1所示,主要包括实采数据存储设备、干扰仿真模块、目标仿真模块、计算机处理模块、训练态势编辑模块和显控设备等6部分组成。

图1 雷达训练系统结构框图

实采数据存储设备主要是大容量磁盘阵列,用于存储采集到的实装雷达探测背景数据,包括地物杂波、海面杂波和气象杂波等实测类型数据。采集的数据包中含有雷达系统时钟、雷达触发脉冲、雷达中频/视频回波和天线方位/仰角等信息数据,在训练过程中供计算机处理模块实时读取,并重构雷达探测背景[10]。

干扰和目标两个仿真模块主要是利用数学建模进行计算机仿真模拟有/无源干扰环境和多目标探测环境。干扰环境以有意干扰为主,主要生成噪声干扰、欺骗干扰和箔条干扰等典型干扰样式;多目标环境以空中目标和水面目标为主,主要生成目标回波的大小和运动航迹真值,在训练过程中供计算机处理模块实时读取,构成干扰和多目标环境。

计算机处理模块主要将探测背景数据、干扰生成数据和多目标数据进行等效处理和数据合成。在训练过程中,主要对3类数据进行等效性的信号处理、数据合成和目标信号检测,以及对操作员操作指令的等效处理。这主要涉及到MTI、MTD、脉冲压缩等信号处理方式和杂波图、CFAR等数据处理方式,以及波形变换、抗干扰措施运用等操作指令的等效处理[11]。

训练态势编辑模块主要是根据训练科目和内容进行战情想定态势编辑与训练进程控制。在训练过程中,该模块根据具体作战态势调配相应的兵力部署和复杂战场环境构设,控制训练的初始化、开始、暂停和结束等进程,并可以实现实时导调。

显控设备主要是雷达终端显示和人机交互的部分,与实际雷达装备一致,在训练过程中主要为操作员提供操控雷达进行训练的岗位。

3.2 实采数据与模型数据的合成

实采数据与模型数据的合成是本系统最关键的技术。它们之间的合成程度不仅影响着雷达探测性能和操作指令反馈效果,而且还影响系统仿真的逼真度。为了最大化提高不同类型数据之间的合成效果,本系统采用了“等效处理,后期合成”的方式实现,其数据处理合成流程如图2所示。

图2 数据处理合成流程图

该系统中,实采数据、干扰模块和目标模块产生的数据流都被纳入统一的系统时序,根据雷达训练态势设置的具体参数产生相应的雷达探测环境,其中等效处理是系统的关键环节。

等效处理是基于具体参数的等效处理计算模型,不考虑处理过程,只考虑具体参数对应的输出结果,主要涉及到MTI、MTD、脉冲积累、恒虚警等信号处理或者视频处理计算模型,以及采取抗干扰措施等处理计算模型,根据它们在相关参数确定的条件下对信杂比、信噪比和信干比的改善结果值来等效调整目标回波与杂波信号之间的幅度值、目标回波与干扰信号之间的幅度值,使其达到相应处理的改善效果。举例说明MTI和脉冲积累两个等效处理的过程。

(1) MTI处理等效模型

MTI处理一次对消结构如图3所示。它利用固定地物的多谱勒频率为零的特点,采用跨周期相消方式抑制掉回波中的固定地物杂波。它也有3脉冲对消器,即两个一次对消。

图3 MTI一次对消结构图

等效处理时,只是根据相应的多谱勒频率值和对消脉冲数的改善结果值调整目标回波与杂波、目标回波与干扰信号之间的幅度比值,完成改善效果。MTI改善因子的范围可设为20～40 dB。当出现杂波或噪声干扰时,根据具体参数表将杂波或噪声干扰电平加权下降相应的幅度。

(2) 脉冲积累

脉冲积累可以改善输出信噪比,提高检测性能,主要分为相参积累和非相参积累两种。以相参积累为例:相参积累的理论处理增益(信噪比改善值)为脉冲数M,即

GpI=20 log(M) (dB)

当脉冲数为9～36时,相参积累的理论处理增益为18～31 dB。等效处理时,对于雷达回波脉冲,使其幅度增加18～31 dB;对于干扰信号,如果是噪声干扰则无积累增益；对于欺骗干扰，则其幅度增加10～21 dB。

3类数据流在各自通道完成相应的等效处理后,再按照雷达仿真系统时序根据3类数据具体设置参数,并按照相应的距离单元将它们合成为同一通道的雷达探测环境回波。然后需要对数据进行归一化处理,需要针对不同的处理模式标定不同的归一化电平,并转换成跟踪显示需要的定点数。最后完成目标跟踪,第1步是进行门限检测,利用给定的门限对视频数据流进行门限判决,检查目标是否超过门限。仅当目标超过门限值时目标数据才送跟踪模块。第2步是进行目标跟踪,利用卡尔曼滤波器对目标进行跟踪,形成目标的航迹。目标跟踪检测结果以航迹文件格式传送到显示模块,保证了雷达训练系统可以与实装具有相比拟的检测性能(发现概率和虚警概率)[12]。

3.3 数据合成验证结果

通过实采杂波数据与计算机仿真模型数据等效处理、数据合成的方式构建的雷达仿真训练系统不仅具有逼真的雷达探测背景和操控反馈的准确性,而且还保证了系统的实时性和目标检测性能。下面以某两型雷达两种仿真实现方式作差异性比较。图4为基于实采杂波数据的雷达仿真系统显示效果。图5为全数字仿真雷达系统显示效果。通过比对可以看出,实采的海杂波和气象杂波与数学模型产生的海杂波和气象杂波存在较大不同。

图4 实采杂波数据的显示效果

图5 全模型仿真的显示效果

实采的海杂波由近至远,回波由强到弱且连续,远区随机羽化效果比较真实,而模拟海杂波远近区域变化不明显,且远区随机羽化效果差。气象杂波和地物杂波也存在这种差异。如图6所示,地物杂波、目标回波与干扰信号的非常完美地合成在一起,能够逼真再现有源干扰影响了雷达对目标的录取与跟踪。可见,基于实采杂波数据的雷达仿真训练系统更能够逼真地构建雷达在复杂电磁环境下所探测到的真实环境。

图6 干扰信号与目标回波合成效果

4 结束语

雷达仿真训练系统与真实雷达在探测背景环境方面的差异性会影响到雷达操作手对地物杂波、海杂波和气象杂波的感观认识,从而影响到实际作战中雷达操作手如何应对不同类型杂波的影响,进一步影响到雷达操作手对目标的检测与跟踪。这使得雷达操作手的训练效果大打折扣。本系统基于实采杂波数据进行雷达杂波模拟,构建了与真实雷达基本一致的背景环境,能够满足雷达操作手对各类杂波的感知和杂波环境下目标探测跟踪训练,具有较高的应用价值。

[1] 夏栋,察豪,秦华,等.基于实采数据的海杂波与气象杂波模拟[J].现代雷达,2012,34(5):77-80.

[2] 李如年,王新鹏,倪国旗.雷达模拟器中地物回波的模拟实现[J].火力指挥与控制,2008,33(9):119-121.

[3] Cui Xiaohai,Zeng Tao,Long Teng.Modeling and simulation of video target echo and clutter for HLA-based radar system[C]//7th International Conferences on Signal Processing Proceedings,Beijing:Beijing Institute of Electronic Engi-neering Technology,2004:2049-2052.

[4] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社,2005.

[5] 张乐锋,吴建辉,郁文贤,等. 一种通用雷达数据采集卡设计方法[J].系统工程与电子技术,2005,4(27):623-626.

[6] 宋杰,何友,唐小明,等. 雷达视频回波信号的实时采集、显示与存储系统[J].数据采集与处理,2006,21(1):91-94.

[7] 曹成忠. 基于GPU+CPU软件化雷达终端系统的设计与实现[D]. 武汉理工大学硕士论文,2014.5.

[8] 吴桂生,夏栋,察豪. 雷达模拟器通用显控终端的设计与实现[J].雷达与对抗,2011,31(3): 62-65.

[9] 徐文利,察豪,周沫,等. 基于多核PC软件雷达信号处理实时性仿真[J].舰船科学技术,2011,33(3): 93-94,111.

[10] 张国兵,何永喜. 基于COST视频采集卡的雷达训练系统研究[J].电子元器件应用,2011,12(13): 22-25.

[11] Bassem R Mahafza, Atef Z Elsherbeni.雷达系统设计MATLAB仿真[M]. 朱国富,黄晓涛 黎向阳,等译.北京:电子工业出版社,2012.

[12] 何友,修建娟,张晶炜,等.雷达数据处理及应用[M]. 北京:电子工业出版社,2006.

Research on a radar simulation training system based on real clutter data sampled

HE Yong-xi, ZHANG Guo-bing

(Unit 91404 of the PLA Navy, Qinhuangdao 066000, China)

The radar detection background clutters generated by the computer simulation model are not realistic, and it is difficult to meet the requirements of the actual combat training in the complex electromagnetic environment for radar operators. A radar simulation training system is proposed based on the synthesis of the real data sampled and the data of the computer simulation model. The system collects the radar background clutter data with the mature data acquisition technology, and then the clutter data and the computer simulation data are synthesized through the equivalent processing and the data synthesis technology. The correct feedback effect of the corresponding signal processing, data processing and operation instructions is reconstructed and reproduced under the unified time sequence. Finally, from the comparison results of the display effect of the two different systems, the system greatly improves the fidelity of the radar detection background environment.

radar simulation; real data sampled; data synthesis; fidelity; equivalent processing

2016-09-20

何永喜(1983-),男,工程师,研究方向:雷达仿真； 张国兵(1979-)，男，工程师，硕士，研究方向：雷达仿真。

TN955

A

1009-0401(2016)04-0008-04