基于Qt的雷达模拟训练软件研究及实现

周志增 王永海 顾荣军 冯 保

(中国人民解放军63889部队 河南孟州 454750)

0 引言

模拟训练系统是进行装备训练的重要辅助手段，能够脱离实体装备对新上岗人员进行基础培训，以及对装备保障人员进行相关科研试验训练任务的针对性训练，解决实装训练器件损耗大和费用高的问题，提高日常训练效率。避免了频繁开机培训操作手造成装备的大量无谓损耗，有效延长了雷达固态功率放大器的使用寿命。

本文结合以上需求，基于Qt软件平台开发了一套雷达训练系统，该系统能提供网络训练环境，实现雷达操作训练、试验训练任务针对性训练、雷达组网一体化训练等功能。特别在干扰条件下，采用雷达干扰暴露区来模拟雷达受干扰后目标探测情况，解决了雷达受压制干扰后目标点迹模拟不够逼真的问题。

1 模拟训练系统实现

整个模拟系统主要由计算机通过网络搭建，辅以外围串口设备组建而成。主要由状态监测计算机、P显计算机、模式控制计算机以及主控计算机、交换机组成。其中，主控计算机自动响应外部输入请求，进行指令控制及数据下发，其他计算机可自行进行相关战术操作。整个系统实现了动态响应外部请求、点迹模拟产生、雷达数据处理、支持战术操作、实时显示系统状态等功能。

模拟系统功能模块共分为主控模块、数据处理模块、模式控制及参数显示模块、P显、串口控制模块、BIT显示6个模块组成，如图1所示。主控模块同时和其他模块进行数据交互，从串口控制模块读写串口数据，通过将串口数据转成网络数据再分发到其他模块完成相应动作。主控模块给BIT显示发送各分系统模拟状态数据，发送模拟点迹、杂波以及干扰到PPI显示和模式控制进行显示，同时送给数据处理做航迹起始、关联、滤波等处理。此外，主控响应PPI显示的战术操作指令、模式控制的模式选择、参数设置等操作指令。

图1 软件功能模块

由于主控软件处理的事务较多，为避免占用主线程资源太多，影响界面流畅性。主控软件采用多线程进行开发处理[1]，主要包括网络收发子线程、点迹模拟子线程、系统状态模拟子线程、通道测试子线程、环境信号子线程、串口收发子线程以及干扰处理子线程等多个子线程，线程组成关系如图2所示。

图2 系统工作线程组成

其中，主线程负责对子线程进行调度，响应界面控件控制，显示打印信息；网络收发子线程负责接收、解析以及发送网络TCP和UDP数据包；点迹模拟子线程产生各种工作模型下点迹数据，如三坐标、边扫边跟工作模式；状态模拟子线程产生分系统状态数据，如接收机分系统、阵列组件通道；通道测试子线程产生通道测试数据，主要用来模拟检测通道幅相一致性；环境信号子线程产生外部环境侦察数据以及发送伺服控制指令控制伺服转动；串口收发子线程负责收发、解析串口数据，完成外围设备对主控的控制；干扰处理子线程完成对外部干扰信息的解析，根据解析结果模拟假目标干扰和噪声压制干扰。

2 干扰处理子线程设计

2.1 干扰分析

对于常见雷达干扰来说，干扰主要分为噪声压制和欺骗干扰[2]。噪声压制主要采用噪声信号来抬高雷达噪底，从而降低雷达检测信噪比，达到雷达无法有效探测到目标的目的。而欺骗干扰则通过转发大量与真实目标相似的假目标，进入雷达信号处理，形成大量虚假点迹，起到以假乱真的效果，以至于操作手难以快速捕捉到真实目标。

1)噪声压制干扰

压制干扰分析主要基于雷达距离方程和干扰烧穿距离方程[3-4]。雷达接收到的干扰机功率为

(1)

当目标通过距离窗时，假设天线此时为最大增益。有G=G(θ=0)=Gmax，则回波功率为

(2)

其中，PJ、GJ分别为干扰机的发射功率和增益；RJ为干扰机到雷达的距离；G(θ)为干扰机与雷达主波束夹角为θ时雷达的增益。Pt、Gt分别为雷达发射功率和主瓣增益；λ为波长；σ为目标的雷达截面积；Rt为目标到雷达的距离；Gp为雷达相关处理增益。

对于宽带干扰，干扰机带宽大于雷达接收带宽。因此，雷达接收到的干扰机功率修改为

(3)

同时考虑雷达接收机和天线产生的热噪声N0=kTsBn，其中：Ts=TA+Te为系统噪声温度；TA为天线噪声温度；Te是接收机有效噪声温度。

综上所述，当同时有多点干扰源工作时，可得雷达信号干扰噪声比SJNR(Signal-to-Jammer-plus- Noise)为

(4)

代入方程SJNR=1/Kj，(Kj为干扰雷达所需的压制系数)，可以求得雷达最大探测距离。

在下面的仿真中，假设干扰机数量为1，其他参数见表1所列参量，仿真得到的暴露区结果如图3所示。雷达最大探测距离334km，暴露区最小距离为18.6km。也就是，雷达能够发现干扰机的最大距离为18.6km。

表1 仿真参数

图3 雷达暴露区

2)欺骗干扰

欺骗干扰主要是转发式干扰[5]，根据假目标的位置可以分为滞后干扰和超前干扰两种；根据假目标的个数可以分为假目标欺骗和假目标压制；根据采样方式的不同，可以分为全脉宽采样和部分脉宽采样以及间歇采样；根据欺骗的特点不同，又可以分为距离欺骗、速度欺骗和角度欺骗三种。欺骗干扰的特征参数主要有假目标个数、假目标间隔、假目标首延时、多普勒调制、距离波门拖引、速度波门拖引等等。

在本模拟系统中，对欺骗干扰进行了简化，主要对假目标的位置、假目标个数、假目标间隔、以及假目标首延时在现象级层面进行了模拟。

2.2 干扰设计

1)实现流程

在干扰处理子线程中，具体实现流程如图4所示。首先，解析外部的干扰数据包，根据输入判断干扰类型。如果是噪声压制干扰，根据干扰机干扰参数，如功率、带宽、距离计算雷达暴露区，依据暴露区对点迹进行过滤。同时，根据频点判断干扰是否能进入雷达接收机工作频段以内；根据雷达法线和干扰夹角计算干扰能量。如果是压制干扰，根据干扰参数，如干扰延时、假目标个数、假目标间隔等等产生干扰点迹。最后，点迹输出到数据处理进行航迹处理。

图4 干扰效果模拟实现流程图

2)实现具体考虑

在干扰暴露区计算中，应考虑具体目标的RCS值和位置信息。不同的RCS起伏值和距离，决定了雷达是否能发现该目标。所以，在暴露区计算中，首先根据干扰机相关参数得到干扰机的暴露区，再根据其他目标的RCS和距离进行折算，最后根据门限值判定该目标是否落在探测区内。

在雷达暴露区计算中，关键是计算出目标的信噪比。从计算公式(5)可以看出，信噪比与目标RCS成正比，与距离的4次方成反比。通过推算，目标的信噪比与干扰暴露区的最小信噪比、目标RCS和干扰机RCS比值、干扰机距离与目标距离比值的4次方成正比。依此为依据，分别计算每个目标的信噪比。

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，SNRjam为计算干扰机暴露区的最小信噪比，σj为干扰机RCS值，Rj为干扰机距离，SNRt为目标信噪比，σj为目标RCS值，Rt为目标距离。可见，随着干扰机距离发生变化，雷达对目标的发现能力也在不断发生变化。

在软件实现中，分别通过JammingHead、NoiseJam和DeceptionJam三个结构体保存干扰报文信息、噪声干扰信息以及欺骗干扰信息。其中，JammingHead主要包括报文头、干扰机个数、干扰类型；NoiseJam包括干扰频段、干扰带宽、干扰功率以及干扰增益；DeceptionJam包括假目标数量、假目标间距、假目标类型、假目标时延。

3 实现效果

软件采用Qt设计[6]，干扰暴露区显示界面如图5所示。左上为雷达方向图，左下为实时雷达暴露区。右上为解析出的雷达和干扰机参数，右下为雷达底噪、干扰噪声强度以及目标回波强度。从图5中可以看出，压制区位于31°～49°雷达扇区中，两侧探测距离由于受雷达副瓣影响呈现振荡的趋势。

图5 雷达暴露区显示界面

图6～图8为雷达P显示截图。其中，图6为未实施干扰前的点迹分布图。从图6中可以看出，雷达探测方位范围为21°～61°，点迹统计个数为115个。图7为受到噪声压制干扰之后的点迹分布，点迹统计个数为97个，点迹减少的原因是位于暴露区之外的目标都被有效过滤掉，线段表示干扰压制区域。图8为雷达收到欺骗干扰之后的P显画面，点迹个数为160个，假目标间隔为15km。从以上模拟结果来看，实现效果与实际设备受到干扰的情形一致。

图6 未受干扰时雷达点迹分布

图7 受干扰时雷达点迹分布

图8 全量程欺骗干扰

4 结束语

本文基于Qt软件平台加外围硬件的方法实现了一套模拟训练系统。该系统能逼真模拟某型雷达的状态显示、目标点迹生成、数据处理、以及建航、删批等多种战术动作，可用于快速提高雷达操作手对雷达的应用能力。特别是针对干扰条件下的目标显示问题，系统可动态计算雷达干扰暴露区，准确过滤压制目标，结果更能符合理论和实际情况。