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面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统设计.pdf

面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统设计

yue436
2012-12-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统设计pdf》,可适用于高等教育领域

南京理工大学硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统设计姓名:宋正钦申请学位级别:硕士专业:电子与通信工程指导教师:苏卫民刘兆磊工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统摘要本项目研究的主要目标是按照工程需求以国内现有技术和经济条件基础根据雷达系统仿真的理论和方法针对机载火控雷达系统软件的开发和评估开展研究最终建立面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统支撑机载火控雷达系统软件的开发包括:系统软件功能、工作流程、数据处理算法软件整体测试和效能评估等功能以最小的物力和人力开销为机载火控雷达系统软件的开发提供最大化的支撑。论文首先介绍了项目的背景、意义及研究现状然后描述了现代机载火控雷达系统的原理和基本组成设计了仿真系统的总体方案包括系统的结构和模块划分。接着对总体方案关键环节和关键技术进行详细描述和研究建立了目标和载机的运动模型、目标信号和噪声模型并进行了仿真实现。同时介绍了仿真系统的硬件设计、仿真系统的实现所选用的软硬件工具。最后以具体的工程实例展示了本仿真系统典型的应用。本仿真系统己经支持开发过多个产品和课题这些产品或课题往往时间较紧难度大开发软件时往往硬件还未投产仿真系统都很好的发挥了支撑作用达到了设计预期具有较大的实用价值。关键词:半实物仿真机载火控雷达雷达软件广播内存网摘要工程硕士学位论文AbstractAccordingtoengineeringrequirementsthesoftwaredevelopmentandevaluationofairbornefirecontrolradarsystemisresearchedbasedonthedomesticexistingtechnologiesandeconomicconditionsandtheradarsystemsimulationtheoryandmethod.ThesimulationsystemofsoftwaredevelopmentandevaluationiScreatedbasedontheairbornefirecontrolradarsystem.AndThissimulationsystemcansupportsoftwaredevelopmentincludingsoftwarefunctionalityworkflowdataprocessingalgorithmssoftwaretestingandperformanceassessmentoftheoverallfeatures.Itcanprovidemaximumsupportforairbornefirecontrolradarsystemsoftwarewiththeminimummaterialandhumancost.Paperfirstintroducesthebackgroundoftheprojectsignificanceandstudyofthestatusquo:andthendescribesthemodernairbornefirecontrolradarsystemandthebasicprinciplesofcompositiontheoveralldesignofthesimulationsystemprogramsincludingsystemarchitectureandmoduledivision.Thenthekeyinkoftheoverallprogramandadetaileddescriptionofkeytechnologiesandresearchtheestablishmentofthetargetandcontainsthemachinemovementmodelthetargetsignalandnoisemodelsandsimulationtoachieve.Alsointroducedthesimulationsystemhardwaredesignsimulationsystemtoachievetheselectedhardwareandsoftwaretools.Finallyaspecificprojectexamplesshowtypicalapplicationsofthissimulationsystem.Thesimulationsystemhasbeensupportingthedevelopmentofmultipleproductsandtopicstheseproductsorthesubjectoftimethanisoftentightdifficultandoftenhardwaresoftwaredevelopmenthasnotyetputintoproductionthesimulationsystemisverywellhaveplayedasupportingroletothedesignexpectationswithgreatpracticalvalue.Keywords:hardwareintheloopsimulationairbornefirecontrolradarRadarsoftwarebroadcastmemoryII声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果尽我所知在本学位论文中除了加以标注和致谢的部分外不包含其他人已经发表或公布过的研究成果也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。~研究生签名:燮沙年l明五JEt学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文按保密的有关规定和程序处理。研究生签名:耘欠≯。年月扣El工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统绪论.论文研究的背景和意义从近几次局部战争可以看出制空权有对战争胜负有至关重要的作用战斗机的主要作用就是夺取制空权在未来的空战中机载火控雷达是战斗机火控系统中不可或缺的一部分是战机空中作战平台实时、主动地获取目标信息的主要探测手段受到各国的广泛重视如APG.雷达被作为F.综合航空电子系统的关键部分n。相控阵技术的应用又进一步促使了机载火控雷达更多功能的开发现代机载火控雷达的发展已经步入了相控阵时代乜。第四代战斗机对火控雷达提出了如下要求臼:)提高雷达的作用距离和探测低RCS目标的能力)多功能与多目标跟踪和多目标攻击能力)更高的生存能力和突防能力)雷达、电子战和通讯共用多功能相控阵天线的能力)系统集成能力)高可靠性美国F“猛禽”战斗机装备的APG雷达就具备如下功能:远距搜索(距离搜索)、远距尾接搜索(尾接搜索)、全方位中距搜索(速率范围搜索)、跟踪(多E标跟踪)、AMRAAM(先进中距空对空导弹)、数据链能力(导弹更新)、目标识别、目标群分离(出击评估)和天气探测(气象)。雷达的拓展特征包括空对地合成孔径成像、空对地测距、增强的识别能力以及扩展的关系场H。火控雷达的系统软件作为系统控制和数据处理的核心必须具有与上述需求相适应的功能和性能。对于这样复杂且高性能的软件系统其开发过程和开发手段正越来越多地受到各国的高度重视。国内常见的开发手段是在地面上架设一个或数个射频源来模拟目标航迹旧这些射频源与雷达激励源相参通过延时和频移来模拟距离和多普勒频率改变射频源架设的位置可以模拟不同的方位俯仰角这些射频源称为目标模拟器。地面试验完成后将待测试雷达架设到专用的运输机上后再使用目标机沿特定的飞行包线飞行供雷达进行功能和性能验证。这种开发模式对于目标数目较少、以及较简单的飞行包线是适用的。但是当系统软件要面对大机动多目标的情况时这种开发模式就不适用了表现为以下几个方面:为仿真多个目标就需要为每个预设的目标配备一个目标模拟器这就大大增绪论工程硕士学位论文加调试所需的设备量和工作量而且“近场效应’’∞也会增加仿真工作的难度)这些模拟器产生出的目标在方位和俯仰的变化通常靠人员手动产生或机械驱动n难以模拟真实目标的机动更不能产生复杂的航迹。)现代火控雷达所面临的电子战、强杂波、数据融合、战情组网等重要功能难以模拟或者成本过于高昂。)用真实飞机试飞虽然可以获得真实的数据但是成本极高准备时间长风险高限制因素多而且调试雷达所必须的复杂和极限的情况不可能出现。)无论是目标模拟器还是真实试飞共同的问题是每次试验条件和场景由于人为或环境的偶然因素不可能完全复现十分不利于查找雷达软件故障和重复检验。因此新型的机载火控雷达软件的开发过程和手段必须有重大的改进和提升以适应现代战争的要求。另一方面仿真技术自世纪年代问世一直受到发达国家高度重视。从世纪中期开始随着大规模集成电路、计算机技术、信号/数据处理技术的发展半实物仿真技术在军事科技领域的应用越来越广泛阴.美国国防部年月提出的本世纪项关键技术及年月提出新技术战略的项重点中都把仿真技术放到重要位置。在项关键技术的’年投资中仿真技术的发展经费占亿美元的总额的亿美元在所有项目中居第三位。美国大多数主要的航天和国防承包商都有一个或多个半实物仿真试验室如美国洛克希航空系统公司就具备种飞机、种导弹以及其他如坦克、舰船等仿真模型或数据库共种为其产品研制和评估提供了强有力的支撑阳。国外统计数据表明在研制导弹的过程中由于采用了仿真技术导弹飞行试验的数量可减少%~%研制费用可节省%~%研制周期可缩短%,,%n引。不仅在航空航天领域在海军方面仿真技术也取得突破性进展n¨n刳。在非军事领域仿真技术也广泛应用到各个关键环节如美国的阿波罗登月计划和核电站计划n羽我国前些年在该领域与发达国家相比经费和人才投入不足但近年来随着大量的资金和人才的投入也取得了可喜的进步如“苏二七飞机飞行仿真系统”是一个典型的针对第三代军机运用现代先进技术研制成功的全任务仿真系统总体效果逼真任务盖率高n引。半实物仿真技术是仿真技术的一个分支它将对象实体的动态特性通过建立数程硕上学位论文面向机找火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统学模理、编程在计算机上运行并在计算机仿真回路中接入一些实物进行的试验刚而更接近实际情况”。半实物仿真技术在我国经历了“模拟计算机一>数模混合计算机一>々用仿真计算机一>通用数字仿真汁算机”的发展变化上世纪年代初我国银河仿真型机和银河仿真II型机系统的广泛应用为在我国航窄航天及是器发展上也立下汗马功劳“。下面简单介绍国内外几种有代表性的雷达环境仿真系统。国内外研究现状)美国Sensis公司研制的雷达环境模拟器(RES)“”为AN/TPS一远距离警戒雷达实时提供包含目标、杂波和电子对抗信息在内的射频信号以满足雷达工程设计验证、测试和调试的需要。该模拟器由一台工作站和一组雷达模拟器硬件设备组成(见图)可建立任意雷达环境。根据用户设置可以同时模拟多达个目标目标可以有闪烁、起伏、不同轨迹等特性:可通过设置杂波区、多普勒频移、风向、起伏、空问分布等参数模拟气象杂波、地杂波、海杂波和干扰.提供天线以逼真地模拟实战场景。可以检测雷达命令并依次确定波形、波束指向、天线配置等参数可达种以上的场景。图RES系统组成)另一种有特色的雷达仿真器是BuffaloComputerGraphics。Inc(BCG)公司最新产品PCS.=|⋯它兼容早期型号PCS。PCS一核心是全新的雷达信号发生板(RSO)t它可以在精度、性价比或可实现性方面给用户多种选择aPCS·雷达模拟器应用了新的高速FPGA技术融合了BCG公司二十多年仿真经验。实现了绪论工程硕士学位论立低成本和高性能的统一其模拟器的控制有增强型图形用户界面(GUD多台PC$.雷达模拟器可以被连接起来并用单一工作站控制还ur以远程控制每个模拟器作为一个独立的雷达网络平台。阿姻豳卜RSG雷达仿真器)在软件仿真方面具有代表性的雷达模拟器仿真软件是美国Camber公司开发的用于^咻一(F)、APG一(F)等近种雷达的系统模拟与仿真软件可以模拟的雷达效果包括雷达高度/姿态、距离/大气衰减、天线方向图、旁瓣、折射与地球球面影响、地形/目标的遮挡效应、海面状态、表面反射/散射、闪烁、干扰等:可以模拟的雷达参数与信号处理效果包括信号频率、天线方式(扫描快慢、波束方向用、扫描范围)、雷达分辨力、距离范围、脉冲宽度、PRF、接收机噪声、扫描转换效应、几何扭曲、频带宽度、发射功率、接收机增益、干扰、稳定性等等”⋯。)电子科技大学电子工程系于年研制了一台x波段机载火控相控阵雷达模拟器”用于提供数字输出、视频输出、射频输出和天线输出仿真信号。该模拟器由主控计算机、PCI接口系统、视频分机系统、射频分机系统、射频天线系统、电源系统组成其中丰控计算机软件基于Windows平台可以在软件环境中设置雷达载机、目标和雷达等的各项参数。能够模拟不同载机速度、不同载机高度的地杂波:杂波谱能随雷达天线扫描实时变化:能模拟高、中、低三种脉冲重复频率的杂波能模拟x的天线扫描范围同时还能模拟天线扫描时的波束变化。)南京电子技术研究所干年开发了通用的机载火控雷达应答机”“作为一种适用于大多数机载火控雷达内、外场联试的应答机.它成功地实现了机载雷达运动目标的实时仿真采用数字射频存储技术(DRFM)、数字直接合成(DDS)和宽带微波技术具有体积小、能进行智能化实时控制等特点更重要的是它实现工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统)了回波信号延时、多普勒频率、幅度等重要参数的精确模拟完全适用于绝大多数机载火控雷达的内、外场联试。综合看来国外对雷达信号模拟器的研究做得比较全面产品功能完备、技术先进多采用软硬件相结合的设计方式使系统既有很大的灵活性又可以满足信号实时输出的要求国内在该领域经过多年努力取得了很大进步。但从总体来看与国际先进水平相比还有一定的差距..论文主要研究内容本文的主要工作以工程需求为导向以国内现有技术和经济条件基础根据雷达系统模拟的理论和方法针对机载火控雷达系统系统软件的开发和评估开展研究。研究目的是在PC平台上建立面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统支撑机载火控雷达系统软件的开发包括:软件功能、工作流程、数据处理算法软件整体测试和效能评估等功能以最小的物力和人力开销为机载火控雷达系统软件的开发提供最大化的支撑。本文的主要工作具体包括以下内容:)完成系统的总体设计:)讨论了环境和雷达相关模块的仿真模型和其实现方法)完成仿真系统软件的实现以及工程应用情况。仿真系统总体设计工程硕士学位论文仿真系统总体设计.机载火控雷达系统概述目前世界上战斗机火控雷达大多采用脉冲多普勒体制即:机载脉冲多普勒雷达简称PD(PulseDoppler)雷达是七十年代发展起来的一种先进的新体制雷达它能够测量发射频率和所接收到的从目标反射的频率之间的频移的一种雷达在战斗机火控雷达领域得到了最广泛、最充分、最有效的运用。本节将对脉冲多普勒雷达的原理和组成作简要介绍。..脉冲多普勒雷达的原理PD雷达是根据多普勒效应设计的一种新体制雷达它通过测量目标回波信号的多普勒频移来区别不同运动速度的目标从而实现在强的地物杂波背景中检测出运动目标信号。多普勒频移是发射的射频载波和来自运动目标的反射回波之间的频率上的偏移是由ChristianJohannDoppler(~)首次预言这一现象后以他的名字命名的。可以推导如果目标在观察者方向上的速度分量为v电磁波波长为旯多普勒频移为.疋则有:疋=v/A(公式.)对于雷达来说直接测速度是困难的采用距离微分方法得到的速度不够精确而测量频率变化要容易且准确的多因此多普勒雷达得到广泛应用噙。...脉冲多普勒雷达基本组成通常PD雷达包括发射机、天线、接收机、信号处理机、数据处理机和显示控制系统。典型机载PD雷达系统组成框图如图所示。图.典型机载PD雷达系统组成收发共用天线工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统工作流程简要说明如下:)雷达操作员启动电源并通过“显示与控制系统”控制数据处理机进入工作状态数据处理机启动信号处理机等其他子系统)接收机产生特定的连续、高稳定、低功率的微波信号送往发射机作为激励源发射机将激励信号放大到足够大(如数千瓦)通过天线向空间特定方向辐射)辐射的电磁波遇到目标后部分能量反射回雷达天线送入接收机在这里回波频率与激励源信号比较可以得出多普勒频移)接收机输出的信号经过模数变化送给信号处理机处理包括频谱分析(用快速傅立叶FFT算法实现)CFAR(恒虚警处理)主杂波抑制等)雷达数据处理机根据信号处理机的输出进行点迹检测、合并以及航迹建立、维护等同时对雷达全机工作状态监控。...多普勒雷达的距离模糊和频率模糊距离模糊和频率模糊是多普勒雷达不可回避的问题。奈奎斯特准则指出要正确获得信号所包含的频率成分所需要的最小取样频率应等于信号带宽的两倍对脉冲雷达而言取样频率就是PRF如果信号频率超过PRF那么得到的多普勒频移就不能正确代表目标速度误差是PRF的整数倍这就是频率模糊又称速度模糊。解决速度模糊问题的通常方法是雷达发射一组多个不同重复频率的信号或者多组多个不同重复频率的信号并且采用“中国余数定理”来解速度模糊∞。由于机载雷达通常是收发共用天线天线发射时必须关闭接收机以免强大的发射功率损坏灵敏的接收机。在每个接收机开启时间段内都可能收到之前任意发射脉冲产生的回波从而可以匹配出多个距离称为距离模糊如下图:l一▲发射脉冲N发射脉冲发射脉冲l回波信号图.距离模糊的形成仿真系统总体设计工程硕士学位论文图中回波信号可能是发射脉冲一发射脉冲N产生的回波相应的目标距离可能是RlR⋯RN只凭图示信息无法得到准确距离即距离模糊了。与消除频率模糊的方法相同也可以用多个不同的PRF交替来消除距离模糊。除了用“中国余数定理”来解决距离和速度模糊其它各种数据处理方法也不断出现晗制。...现代机载火控雷达软件的主要功能由于本文主要是探讨如何支撑机载火控雷达系统软件的开发因此需要了解现代机载火控雷达软件的主要功能这些功能可以概括为系统控制、数据处理、状态监测三大类幽。系统控制功能:包括雷达工作模式和状态切换、系统参数设置等具体包括如下主要内容:接受雷达操作员命令控制雷达进入相应的工作模式或状态常用的有空空模式(A/A)、空地模式(A/G)、空海模式(A/S)。其中空空模式又依照PRF的不同可分为高重复频率(HPRF)、中重复频率(肝RF)、低重复频率(LPRF)、依照工作特点分为搜索方式、跟踪方式、格斗方式等。空地模式可以分为地图测绘(RBM)对地测距(AGR)、合成孔径成像(SAR)、信标(BCN)等空海模式可分为海面目标搜索、跟踪等子模式。如下表。此外系统控制功能还要完成对目标的截获或抛弃并对每种工作模式的参数进行设置、维护。模式分类空空模式依照PRF分高重复频率(HPRF)中重复频率(MPRF)低重复频率(LPRF)依照工作特点分搜索方式跟踪方式格斗方式空地模式依照工作特点分地图测绘(RBM)对地测距(AGR)合成孔径成像(SAR)信标(BCN)空海模式依照工作特点分对海搜索对海跟踪例如BIT工作模式等其他模式工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统数据处理功能:包括目标检测、参数优选、航迹形成和维护等。目标检测是指提取信号处理机输出的数字化目标回波信号剔除干扰和杂波解算目标真实距离、速度、方位等参数形成目标点迹参数优选是指根据信号特点和目标情况选择最佳参数如重复频率、载频调制形式、门限系数等航迹形成和维护是指对有效目标点迹进行航迹起始、点迹与航迹相关、航迹滤波和预测、航迹消亡等。数据处理功能是火控雷达软件的核心功能。状态监测功能:即雷达机内自检(BIT)用于检查测试雷达系统基本功能和性能监视和记录雷达各个子系统故障情况方便系统维护。.仿真系统总体方案..工程需求根据...节论述结合有关资料啪对这套半实物仿真系统以有以下需求:)实时响应机载火控雷达的各种空空工作模式的工作命令包括:上电启动、高/中/低重复频率搜索和跟踪、目标截获/抛弃、空空/空地切换维护方式和工作方式切换等。)实时接收雷达工作参数根据当前工作模式实时模拟雷达目标回波信号信号应体现距离延时、距离衰减、多普勒频移、目标特定的起伏变化以及天线方向图调制等特征以及预设的地面杂波、特定噪声、和干扰信号)模拟载机特定的飞行航迹以及多个目标的预设飞行包线本项目与上一条目的内容可以预设并且可以完全复现)记录试验数据并对记录的数据进行回放和辅助分析具备对真实试飞数据的回放功能。)提供一个良好的人机交互环境既要方便设置载机、目标和环境参数又要直观的显示出模拟环境的态势以及雷达当前工作情况。针对上述对于机载火控雷达仿真系统的任务分析按照仿真系统设计思想将半实物仿真系统分为五个部分包括:)雷达数据处理机(实物))数据处理前端仿真软件包)场景仿真软件包)数据记录/回放/评估软件包)雷达显控台仿真软件包。本仿真系统选用C/C作为开发语言选用Borland公司(现为Inprise公仿真系统总体设计工程硕士学位论文司)CBuilder.作为开发环境数据分析选用ORGION.软件。通讯介质的选取是半实物仿真系统设计的重要环节本仿真系统选用SBS公司光纤传输的广播内存网之前该内存网已经在国内有成功的应用㈣啪。仿真系统的组成如下图:●实物部分。仿真部分图.仿真系统的组成下面详细说明本仿真系统各个关键环节。..雷达数据处理机雷达数据处理机是雷达系统软件运行的平台本仿真系统采用与真实雷达数据处理机具有相同的硬件配置和操作系统的工业档数据处理机:处理器用PowerPC操作系统为VxWorks啷。这样真实雷达数据处理软件的开发进度独立于硬件系统的开发在适当的时间节点可以将运行于仿真系统的雷达数据处理软件移植到真实雷达系统中改动工作量很小。..数据处理前端仿真软件包软件包分为:天线模拟、目标回波模拟、信号处理模拟三部分功能如下:)天线模拟:天线方向性能是雷达(特别是火控雷达)搜索、捕获、跟踪的重要特性天线性能中的方向图主瓣宽度、付瓣电平、交叉点电平、差波束零值深度等都是雷达整机工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统性能的重要指标啪。根据天线模型生成天线的方向图(主瓣和旁瓣)根据目标与模拟方向图的空间位置计算天线对目标的增益方向图还用于计算跟踪角误差和地杂波强度等。)回波模拟模块:该模块根据雷达数据处理机输出参数、载机和各目标即时飞行参数、反射特性、地面环境参数、噪声参数、回波强度等生成目标回波信号根据杂波模型产生杂波信号根据噪声模型产生噪声信号等最终将所有回波信号合成雷达回波信号。)信号处理模块:该模块将由回波模拟模块回波信号进行信号处理。进行多普勒滤波、模拟距离和频率的模糊同时模拟角误差通道、保护通道信号按照真实雷达数据处理机和信号处理机的接口约定形成特定的数据块。..火控雷达场景仿真软件包该软件包包括载机仿真和目标仿真:)载机仿真模块:能够产生典型的雷达载机飞行包线b¨且飞行包线可以完全复现每个时刻的载机状态数据既用于计算目标相对载机的坐标又可作为仿真惯导的数据源。载机的飞行是在虚拟地理坐标系下所谓虚拟地理坐标系就是以仿真系统运行起始时刻载机在水平面的投影点为坐标原点以载机机头方向为X轴以机方向为Y轴以垂直X.Y平面方向向上为Z轴(高度)而形成的坐标系。采用这种坐标系的好处在于可以根据系统要求和载机运动的航迹来设计相对于载机的目标运动轨迹以保证在大部分情况下雷达能够发现一定数量的目标以便验证雷达的处理能力。)目标模块能够产生典型的空中目标飞行包线(如迎头尾随、盘旋、U形逃逸)且飞行包线可以完全复现。目标的飞行也同样在虚拟地理坐标系下。目标模块还要产生起伏特性、敌我识别信息等。)人机界面软件包实现与真实火控雷达近似功能人机界面也就是要仿真火控雷达显控台具有目标显示、状态控制、参数输入等功能人机界面软件接口应该与真实雷达航空电子总线接口控制文件(ICD文件)相同或高度近似。..数据记录评估软件包在试验过程中实时记录各个模块每个时刻输入、输出数据包括:用户输入命仿真系统总体设计工程硕士学位论文令、数据处理机命令和参数、信号处理机状态和数据、雷达其它各子系统状态、其它所有内外总线数据所有数据均含有时标以便在需要时严格按照时间顺序从记录文件中读取数据并驱动各个模块完全复现该时刻的状态。这项功能对于系统调试和系统性能评估有重要意义。在本仿真系统中分为“载机原始数据”、“目标原始数据”、“惯导原始数据”、“原始点迹”、“测量点迹”、“信号处理机到数据处理机参数”、“数据处理机到信号处理机参数”、“数据处理机输出"共八类以二进制文件记录用户可以选择本次记录哪几类文件。在仿真运行时可以用文本或图形方式实时显示所记录的重要数据仿真结束后用户根据自己需求利用ORGION.O软件提供的强度而便利的功能对数据进行整理输出、制表绘图、比较统计等。..仿真系统工作流程设计在仿真系统启动时用户通过人机界面设置参数包括载机飞行包线、目标机类型和飞行包线、天线方向图、杂波参数以及其它必须参数。仿真开始后按照真实雷达的时序数据处理机(实物)发出工作方式命令和工作参数仿真系统收到后结合用户所设置的场景仿真参数、天线参数、杂波参数实时计算当前时刻载机和各目标机的位置和运动状态还要根据当前目标相对雷达波束的距离和角度、天线方向图、起伏特性等然后将各种信号叠加仿真出数字化雷达回波信号并经过数据处理前端仿真软件包模拟各通道的信息包括主通道、保护通道、方位差通道、保护通道并且仿真混合信号在时域和频域的折叠形成包含目标数据的帧信息然后送到数据处理机数据处理检测回波信号得到目标信息然后通过仿真雷达显控台显示目标信息以及其它信息。流程图如下:工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统时士tz..,垦谢罢¨.J、喇尿Ⅸ且场景仿真仿真系统数载机和目本示t动参数上参数设置用户据处时标命令理数据处理前端仿真机同油巾占信自L议’∥{I口匹’^^名b名&命令叩可火控雷显控台仿真达操作C】^二融Z,tt口七舟}二靠日怀肌迎、日怀肌她、贝雷达状态雷达状态仿真系统图.仿真系统流程示意图仿真系统模型分析工程硕士学位论文仿真系统模型分析模型建立是仿真系统中不可或缺的一部分模型的正确性与完备性决定了仿真的有效性。本章主要是针对机载火控雷达仿真系统建模的关键环节进行分析。.坐标系统在本仿真系统中所有位置关系和运动状态描述都离不开坐标系统根据实际情况选择合适的坐标系还有利于简化分析和减少运算量。本节将对所使用的坐标系和运动参数进行定义b钔同时给出各坐标系间的坐标转换关系。..坐标轴系定义)地理坐标系(OXgeYgeZge)坐标原点取在飞机重心Xge轴指向正北Yge轴垂直向上Zge轴指向正东即北.天.东坐标系见图.。Zge)机体坐标系(OXacYacZac)图.地理坐标系工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统坐标原点O取在飞机重心与地理坐标系一致Xac轴与飞机纵轴线一致指向机头方向为正Yac轴在飞机对称平面内垂直于飞机平面指出机背方向为正Zac轴垂直于飞机对称平面指向右侧机翼方向为正。见图.。图.机体坐标系..坐标转换)坐标平移平移是保持两个坐标系的轴一致把原坐标系的原点移到新坐标系的原点。设原来坐标系为新坐标系为A它们三轴方向相同A坐标原点在中的坐标为(XIZ。)。设有空间点P在A。中的坐标为(X。roZ。)在彳中坐标为(XIZA那么坐标平移公式可表述为:刚Ⅲ纠(公式.))坐标旋转坐标旋转是指两个坐标系的原点重合一个坐标系的坐标轴都相对另一个坐标系旋转一定的角度。先假设比较简单的情况即旋转围绕某个坐标轴也就是说三个坐标中只有两个发生变化。若围绕X轴旋转平面为OYZ逆时针旋转口角那么旋转矩阵为:仿真系统模型分析工程硕士学位论文I"如(口)=COSasina【一sin口cos口j若围绕y轴旋转平面为OXZ逆时针旋转J角cosfl一sinflR(f)=lIlsinflcosflI若围绕Z轴旋转平面为OXY逆时针旋转角Rz(y)=COSysinyO那么旋转矩阵为:那么旋转矩阵为:(公式.)(公式.)(公式.)通常的旋转是三个坐标轴都发生旋转根据上面的分析可以推导出通用的三维旋转的坐标旋转方程如果在原坐标系A。中的坐标为(X。KZo)在旋转后坐标系A中坐标为(xZzi)有:耋=Rxc口尺c∥尺zcy耋令Rxz(ct∥y)=Rx(口)尺r(f)Rz(y)一肋=障CoS口一Sln口(公式.)sinc薯厂:j(J赋.).飞机平台运动模型载机是机载火控雷达的工作平台载机处于高速剧烈的运动中其运动对于机上雷达性能的有着较大的影响本节主要分析了飞机平台的运动模型并描述其工作过程。飞行控制系统的作用是对飞机的运动参数即个姿态角(方位、俯仰、横滚)、个角速度(俯仰、滚转、偏航角速度)、个气流角(迎角和侧滑角)、个线位置(飞行高度和水平位移)和一个线速度(飞行速度)的控制∞。考虑到研究的中心是雷达数据处理而不是飞机运动特性仿真只要是受控的、连续变化的运动轨迹和姿态数据可以支持雷达数据处理机软件调试就满足需求不必拘泥于载机实际受力情况。为了使运动模型简单假设飞机只受到重力和升力(发动机推力和空气阻力的共同作●●●●●●●●●lyym∞SCy吵i宝幽C一丌iiii业矗日Ⅵ口mO∞一CO口疗吣OmCS..............。。。。.......。L●●●●●●●●J口口O讯{宝工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统用以飞机速率的变化来体现)飞机在机动时升力和飞行速率不变忽略载机在横滚角和俯仰角都不为飞行时两者之间的相互影响等等。虽然这些假设从空气动力学角度看不准确但足以支持数据处理软件的调试。设载机横滚角为cc速率为v圆周半径r重力加速度为g受力如图:抵重’/于|‘力横滚/龟√/‘一、同心力●h々、\圆周运动图.载机受力分析一一一~一~~一一一一一一轨迹如果令目标运动的升力在垂直方向的分量和飞机的重力相抵消那么可以根据飞机的横滚角口估计目标在水平运动方向的向心力:厶=m。·acⅣ=m。·g·ctg(a。)(公式.)上式中m。是载机的质量a。Ⅳ是向心(法向)加速度g为重力加速度。向心加速度a。Ⅳ大小为:口。Ⅳ=g‘ctg(a。)(公式.)设载机零时刻的高度为ho俯仰角速度v。载机的俯仰角和速率决定了载机的天向速度。V天向V‘sin∥(公式.)飞行时间An.T之间有下面的关系:h=hov·An·T·sinfl(公式.)可见只要控制载机的速度、俯仰角、横滚角就能使载机产生平飞、加减速、爬升俯冲、任意半径拐弯等常见空中机动或者是上述各种运动的任意组合操作十分简单。为了便于载机惯导仿真系统的运行操作减少人工干预采用先为载机设定航线、速度和飞行中姿态的变化让载机在飞行时按这些设定改变其状况的方法。这样载机运动仿真系统就分化为两个子系统一个为载机设定子系统一个是载机运仿真系统模型分析工程硕士学位论文动子系统。载机设定子系统工作流程如下图:图.载机设定子系统工作流程载机运动子系统的工作是:读取载机设定子系统中生成的载机运动数据文件(它记录了载机状态的变化以及发生变化的时刻)并根据文件中数据计算出载机某一时刻位置和姿态。其流程图如图.所示。工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统图.载机运动产生子系统工作流程载机位置和姿态产生子系统在运行时调入载机航线设定子系统产生的描述载机航迹、速度和姿态变化的数据文件根据采样间隔计算出必要的中间结果就可以进行仿真计算了。计算结果通过共享内存节点卡向外传送。.目标飞行模型对机载雷达其载机和目标都在三维空间运动目标的运动看做三自由度可以用空间的直线和圆弧以及它们的各自组合来模拟典型的目标飞行包线同时目标还具有某个速度和加速度并且还有RCS(雷达散射截面积)、敌我属性等特性。而载机除了当前位置还有当前三个姿态角:方位、俯仰、横滚它们决定了载机运动的三维加速度、进而影响速度和位置因此载机是六自由度运动在雷达数据处理中这些数据都是至关重要的仿真模型必须给出。仿真系统模型分析工程硕士学位论文对于简单运动目标轨迹如果要设定直线用户只要用鼠标点两个点即可确定目标的起始和终止点另外还要通过用户界面输入目标RCS模型敌我属性、速度、高度起伏频率、高度起伏幅度等参数。图.载机运动产生子系统工作流程已知目标当前位置的坐标(xoyo)当前运动方向速度v可以计算出其某时刻目标的位置(Xy)有(公式.)计算目标高度时需要确定目标初始高度Ho目标高度起伏幅度HA.和高度变化频率(Oh。这些量在设定目标航迹和特性时已经得到可直接用来计算。目标高度计算示意图如图.所示。彬∞图.目标高度计算目标高度计算公式为:H=HoHzsinm^t(公式.)对圆周运动目标用户先用鼠标标定圆心(X。Y。)然后拖动鼠标设定所需要的载机半径放开鼠标的点(X。Y。)作为圆周运动起点如下图:OO口秒锄丁丁锄衄矿V}‰%==Xyr●●‘●●L工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统YJI六、//【拗y)/Anr矿"力。。()‘cyD一X图.目标圆周运动飞机从(xoyo)点开始沿箭头方向以圆心在(xcy。)点半径为R的圆周运动经过△n个时间间隔后到达点(xy)各时间间隔(xy)的计算方法如下:fX"以斤·cos(nAn·丁·缈)y:只刀.s衲(秒。A力./'co)‘公式.)其中(x。Yc)为圆周运动的圆心R为半径△n为时间间隔数∞为圆周运动的角速度。为起始角度T为运行时间间隔。.雷达目标信号模型本仿真系统要实现对多个运动目标的仿真输出参数包括空间位置、三向速度、RCS敌我属性回波信号等。其中空间运动属性已经在前面描述本节主要分析目标的起伏模型并对目标雷达截面积的生成进行仿真实现。..目标起伏模型雷达散射截面积对于诸如飞机、舰艇、地物等复杂的目标而言是视角和工作波长的复杂函数可近似分解成许多独立的散射体各散射单元的间隔是可以和工作波长相比的因此当观察方向改变时在接收机输入端收到的各单元散射信号间的相位也在变化使矢量和相应改变这就形成了起伏的回波信号Ⅲ。雷达目标截面积的大小对雷达检测性能有直接的关系在工程计算中常把截面积视为常量实际上处于运动状态的目标视角一直在变化截面积随之产生起伏。要正确地描述雷达截面积起伏必须知道它的概率密度函数(与目标的类型、典型的航路有关)和相关函数。概率密度函数p(o)给出目标截面积仃的数值在仃do之间的概率而相关函数则描述雷达截面积在回波脉冲序列间随时间的相关程度。l仿真系统模型分析工程硕士学位论文由于雷达需要探测的目标十分复杂而且多种多样很难准确地得到各种目标的截面积的概率分布和相关函数通常是用一个接近又合理的模型来估计目标起伏的影响并进行数学上的分析。最早提出而且目前仍然常用的起伏模型是斯威林(Swerling)模型。斯威林模型是有关目标雷达散射截面积(radarcrosssectionRCS)起伏的统计分布和相关特性的种标准模型己经被证明适用于广泛的雷达目标幅度变化的情况。通常非起伏目标被称作斯威林型该模型最初用于评价在接收机噪声中的最优检测策略。斯威林型假设接收信号的幅度是未知的并且幅度和RCS没有起伏。斯威林I型到IV型是起伏模型四种斯威林起伏模型定义如下:)斯威林I型:目标起伏(脉冲与脉冲间相关扫描与扫描间独立)。目标的回波强度(与截面积成正比)在同一次天线波瓣扫描的时间内保持不变但这次天线扫描与下次天线扫描的回波强度彼此不相关。假设不计天线波束形状对回波振幅的影响则截面积仃的概率密度函数服从以下分布:一p(o)=二exp(一兰)O≥(公式.)O仃式中O是O的平均值。)斯威林II型:目标快起伏(脉冲与脉冲间独立)RCS的概率密度函数与上式相同但起伏较快在同一次天线扫描期间每个回波脉冲的强度是变化的这称为脉冲到脉冲起伏。斯威林I型和II型起伏针对雷达检波信号为瑞利分布。)斯威林III型:目标起伏仍然是扫描到扫描起伏但概率密度函数为:p(仃):可exp(一垒)仃≥oo盯(公式.))斯威林IV型:目标快起伏RCS概率密度服从(.)。归纳起来斯威林四中情况分别是:斯威林I瑞利分布起伏斯威林II瑞利分布快起伏斯威林III式()分布快起伏:斯威林IV式()分布起伏斯威林I型和II型情况RCS的概率分布适用于复杂目标是大量近似相等独立随机起伏的散射体组成的情况虽然理论上要求独立散射体的数量很大实际上只工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统需四、五个即可。许多复杂目标的截面积诸如飞机等就属于这一类型。斯威林III型和IV型情况RCS的概率分布适用于目标由一个起决定作用的无起伏散射体和许多小的独立的散射体组成或者由一个大散射体组成而方向变化很小的场合。一般情况下对于非特定的目标进行探测和距离估计时都假定目标属于斯威林I起伏b..目标起伏的模拟复杂目标的雷达截面积(RCS)随目标的几何形状和目标取向显著地变化通过对目标起伏模型的分析我们知道飞机类目标雷达截面积概率密度函数服从指数分布。这里将介绍目标RCS随机序列的模拟生成即产生满足指数分布的随机数序列的方法。参数是兄的指数分布的概率密度函数为哺:p(x)=e一触(公式.)根据指数分布的概率密度函数和()单位均匀分布的概率密度函数可以推导出它们之间的关系为:岛=一÷ln(一“)(公式.)几“服从()单位均匀分布所以(一“)仍然服从()单元均匀分布所以(.)可以化简为:缶=一ln(“)(公式.)几厶就是服从参数为兄的指数分布其中“服从()单元均匀分布。下面讨论(O)单元均匀分布随机序列“的生成方法。在标准C语言库函数中已经有产生随机数的函数rand()该函数可以产生O~RANDMAX均匀分布随机序列∞|只要用下式就可得至lJ(o)单元均匀分布随机序列“:“=(float)randO/RANDMAX(公式.)得到了“后就可产生参数为盯的指数分布随机序列{Or):or=log(一∥)(一or)(or=)下面讨论目标回波的能量。Kerr给出的收发共用天线雷达的传播方程m是:Pr一一GrGt九oFt‘Ff。P一(刀).尺(公式.)(公式.)仿真系统模型分析工程硕士学位论文这里£为天线接收功率£为天线发射功率G为天线发射增益G为天线接收增益九为波长o为目标的散射面积R为目标距离F为目标到天线的方向图传播因子F为天线到目标的方向图传播因子。可以通过(.)计算雷达接收功率P。对于相控阵雷达当波束扫描至偏离阵面法线方向时会出现波束展宽的现象当波束在法线方向的宽度为面时那么当波束扫描到偏离法线方向(p角度时波束宽度展宽近似为:巧pCOS丁(公J斗kJ.)口~厶.)·二二同时天线增益的影响也会受到波束扫描角度的影响进而对目标的回波强度造成影响。设当波束在法线方向时的天线增益为G。时那么当波束扫描到偏离法线方向Q角度时天线增益减小为啪:G。=GCOS缈(公式.)这样在计算目标回波强度时不但要考虑到目标起伏特性的影响而且要考虑到雷达天线增益变化的影响。在计算得到SNR后用户根据对雷达性能的指标要求设置虚概率屹然后可以得到目标的检测概率㈨乃:o..erfc(√:ji万一√面茨■巧了)(公式·)式中互补误差函数为:erfc(z)=一辜rPdv(公式.)√万”根据用户对雷达系统的设定可以计算出的B从而仿真目标是否被检测到。在得到目标真实测量值后要根据雷达重复频率、脉冲宽度、波形调制形式等参数模拟出回波的数字信号。例如回波的频率和距离信息会因为雷达重复频率不同产生不同的折叠脉冲宽度和发射消隐时间决定了距离盲区的大小如果发射波形受到调制那么回波要相应体现例如对线性调频的发射信号的回波要模拟出等于时间和调频斜率之积的频移。..地面杂波的模拟机载雷达由于平台的运动及下视探测面临比地面雷达更加复杂的杂波环境。与地面雷达相比机载雷达地面杂波区域面积较大杂波强度远大于目标信号强度。机载雷达相对地面运动导致主杂波中心频率产生多普勒频移同时主、副瓣杂波的频谱被展宽杂波强度通常比较大。主杂波频率是被天线主瓣照射的地面回波产生的多普勒频移中心频率/二如计算公式是:工程硕士学位论文面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统fmtc=v/丸COS牵、)模PRF主杂波宽度既c计算公式是:(公式.)瓦艮=(/力sin矽励(公式.)v为载机速度矽为速度矢量与天线波束指向之间的夹角兄为发射波长酗天线波束宽度。除了主杂波外回波中还有不可忽视的分量就是高度线杂波。雷达载机水平飞行时雷达通过旁瓣以垂直或接近垂直角度向下的辐射会引起较强的杂波这是因为垂直入射时地面反射最强而且沿飞机高度线的地面距离最近的缘故。由于载机平飞时垂直向下的方向相对于地面没有相对径向速度所以高度线杂波在零多普勒频率附近。天线主、副瓣杂波在频谱上形成如下图形::i无杂波主杂波清晰区l§一P盯。{la’P骶图.频域分布由图可见如果PRF足够高就可以保证在频谱上有足够大的清晰区检测目标如果是中PRF将没有无杂波清晰区副瓣杂波充满频谱主瓣杂波在频谱中占极小比例对典型情况不超过%如果是低PRF在雷达频谱上将被主、副瓣杂波充满。如果一个目标的回波被雷达接收它可能出现在下图A、B、C、D、E五个位置说明如下:仿真系统模型分析工程硕士学位论文高度线杂波主杂波ABCDE对于A目标对于B目标对于C目标

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面向机载火控雷达系统软件开发和评估的仿真系统设计

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