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机载火控雷达系统工作模式仿真实现.pdf

机载火控雷达系统工作模式仿真实现

gsl8864
2014-01-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《机载火控雷达系统工作模式仿真实现pdf》,可适用于IT/计算机领域

电子科技大学硕士学位论文机载火控雷达系统工作模式仿真实现姓名:葛瑜华申请学位级别:硕士专业:信息获取与探测技术指导教师:皮亦鸣摘要摘要近年来数字信号处理技术的革命性发展使得雷达仿真理论和技术有了一个新的发展阶段。因此也给了雷达模拟器的研究带来了革命性的发展。本文基于机载火控雷达系统仿真实现这个项目基础上吸收了上一代雷达仿真模拟器的成熟经验即在雷达系统设计的理论基础上对目标模块和功能模块进行大致的划分同时根据现代化计算机模拟技术的发展以及当今更新以后的雷达理论提出了更完备的设计方案。最终生成的雷达模拟器不但具有空域范围内的多种扫描方式和空战模式还创新性的设计了空对地及空对海模式。尤其完善了环境模块中的杂波仿真使雷达仿真模拟器能在逼近真实的环境下工作。本文在深入研究雷达信号处理理论的基础上构建了整个机载雷达系统共组框架仿真实现了机载雷达空对空、空对地、空对海的各种工作方式。尤其是对地对海的模式仿真中由于添加了逼近真实的杂波模块使得地面动目标显示、空对地测距、海搜索I模式和海搜索II模式具有很大的实用性。本文基于统计模型描述杂波的幅度特性和功率谱特性并通过零记忆非线性变换法和球不变随机过程法来产生符合一定统计规律的杂波数据。本文从雷达天线实际工作模式入手建立雷达天线方向图模型和地杂波回波模型并采用统计模型对符合典型幅度分布符合瑞利分布和功率谱分布符合高斯分布的地杂波序列进行了仿真模拟。讨论了网格叠加法计算地杂波的原理根据给出了杂波散射系数模型分析了杂波幅度起伏特性和频谱特性给出了单元杂波信号的叠加方法生成了直观的三维地杂波功率谱。该地杂波模型的建立可以基本实现各种雷达工作参数、载机参数和各种环境下的雷达回波并可以推广到符合各种典型分布的地/海杂波回波当中为更好的在雷达下视情况下抑带llfg/海杂波奠定了基础。本文最后研究了机载雷达系统仿真线程结构、仿真运行流程等系统框架结构实现方法。然后将雷达系统封装成动态链接库的形式以便被大型航电系统直接调用大大提高了雷达仿真模拟器的移植性。关键词:地面动目标显示空对地测距杂波仿真网格叠加法动态链接库ABSTRACTRecently,withthedevelopmentofdigitalsignalprocessingradaremluatortheoryandtechnologyhasbeenimprovedalot,SOdoestheresearchofradarsimulator.Thisdissertationbasedontheprojectofairbornefirecontrolradarsystemsimulationandrealizationabsorbedthesuccessfulexperiencesoflastgenerationradarsimulator'whichiscompartmentalizemodulesbyfunctionusingradardesigntheory,atthesametimeofferedamoreselfcontaineddesignschemewithmodemradartheoryandcomputersimulationtechnology.Finally,thedevelopedradarsimulatornotonlyhasairtoairfunctionlikesortsofSCanmodesinairspaceandairwarmodebuthasinnovativedesignaboutairtogroundairtoseafunctionespeciallyconsummatetheenvironmentalmodulelikecluttersimulation,whichmakesradarsimulatorworkingonmorerealenvironment.Thisdissertationdeeplyresearchestheradarsignalprocessingtheoryandsetsufthewholeframeofradarsystembasedonthattheory.Atlastrealizesallkindsofworkingmodesinairto一呲airtogroundairtoseafunctionofairbornefirecontrolradar.Becauseoftheground/seacluttermoduleairtogroundairtoseamodesuchasGMTIAGRSEA#SEA#becomepractical.ThisdissertationbasedonstatisticalmodedepicttheamplitudecharacteristicandpowerspectrumcharacteristicusingZMNL(ZeroMemoryNonlinearity)andSIRP(SphericallyInvariantRandomProcess)torealizetheclutterdata.TheantdirectionaldiagrammodelandclutterechomodelarepresentedandtheclutterserieswhichsubmitsRayleighdistributioninamplitudefluctuationandGaussesdistributioninpowerspectrumdistributionaresimulated.Theprincipleofgndsuperpositionforcomputationofclutterisdiscussed.Accordingtothemodelofscatteringfactorofclutter,theamplitudefluctuationandspectrumcharacteristicsofclutterareanalyzed.Thesuperpositionmethodofcluttercellsignalisprovidedandthethreedimensionalpowerspectrumisplotted.ThecluttermodelpresentsallapplicationtodifferentradarparametersCarTierparametersordifferentenvironmentalparameters.Itprovidesapowerfulbasisforrestrainingclutter.ABSTRACTFinally,thisdissertationresearchedtheframeworkofradarsystemsimulator,simulationthreads打uctllreandimplementationmethods.Inaddition,makethewholeradarsimulatorsystemaDLL(DynamicLinkLibrary)SOthatcanbeuseddirectlybylargeavionicssystem.Keywords:GMTIAGRcluttersimulationtheprincipleof酣dsuperpositionDLLIH独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:日期:砌口年f月谚日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:翩躲趁日期:w矿年月磅日第一章绪论第一章绪论.雷达仿真系统的研制意义及现状“雷达”英文Radar(RadioDetectionandRanging)是对远程目标进行无线电探测、定位、测轨和识别的电子系统也是目前为止最有效的远程电子探测设备之一。雷达对目标存在的判断是通过目标对电磁波的散射来达到目的的并因此确定目标的空间位置。雷达的分类方法有很多种类可以按照其战术用途来分类也可以按照其采用的体制和技术来分类。从战术用途上分类雷达可分为战略预警雷达、警戒引导雷达、炮瞄雷达、制导雷达、战场监视雷达、机载雷达、舰载雷达等等从体制和技术上分类雷达可分为脉冲雷达、连续波雷达、脉冲压缩雷达、脉冲多普勒雷达、单脉冲雷达、相控阵雷达等等【¨。本文主要研究是机载火控脉冲多普勒雷达。机载雷达是装载在飞机上的各种雷达的总称主要用于空中警戒、侦察、控制和制导武器保障安全飞行和准确航行。机载雷达波长一般在cm以下作用距离一般在几十千米搜索跟踪角一般为q左右测距精度几十米测角精度为十分之几度。雷达仿真系统训练模拟器作为雷达仿真技术的一个重要应用领域目前已被广泛应用于军事领域。其实机载火控雷达仿真系统模拟训练器是火控系统操作人员进行训练的必备装置。通过模拟器进行训练可达到经济安全、可控、可重复使用、无风险、不受气候和场地限制等优点既可以进行常规的操作训练又可以培训能够处理各种实际应急情况的的操作人员因此一直被各国高度重视特别是当今武器装备耗资巨大日趋复杂的情况下各国加大模拟器训练的投入是唯一安全、经济而又有效的手段【】o雷达仿真系统的模块化设计使得对工作平台、设备和真实工作环境要求不高可以适应不同的应用场所同时还可以通过软件升级的方法来更新以适应当今军事技术的快速发展。由于模块化的设计可以根据用户的不同需求定制功能模块因此机载火控雷达系统模拟训练器有非常广泛的推广和应用价值。用机载火控雷达系统模拟训练器可以使飞行员充分了解和熟悉机载雷达的特点以及工作性能同时低成本的积累雷达操作经验。不断研制个更新高端的机电子科技大学硕士学位论文载火控雷达仿真系统训练器来提升整个部队的战斗力以及快速熟练掌握现代化高性能武器。.当前世界上存在几种有代表性的雷达模拟器具体介绍如下:当今世界雷达模拟器仿真软件最具代表性的是美国Camber公司开发的用于AWG一(r.)、APG.(F/A.)等将近种不同体制的雷达系统模拟仿真软件RadarToolkitt和英国DERASeaSystems公司开发的NaRCoSiS海军雷达仿真平台【】。前者提供了地面环境、海面环境、气象环境、辐射模拟、目标模拟、敌我识别等模块。Camber公司于年用RadarToolkit为Raytheon公司AirborneStand.offRadar研制了雷达模拟器实现平台为PC的工作站后者可用于MESARSampsonTEMPAR等多种雷达的分析和评估也可以接上其他软件为其提供雷达检测输出。它具有模拟多种模式的天线模块、地海杂波模块并可以模拟出PPI显示和AScope显示。雷达系统的数学仿真一般分两种:一种是功能仿真一种是信号仿真【s】。功能仿真是为了仿真真实条件下雷达系统的检测功能主要需要模拟雷达发射、目标回波、杂波等信号的幅度信息。其理论基础是雷达距离方程雷达系统的信号仿真是从信号流程角度描述雷达系统仿真的数学模型不仅要考虑各种信号的幅度信息还要考虑相位信息。主要包括以下信号:雷达发射、回波、接收机噪声涉及到的信号处理有:匹配滤波Y动目标显示(MTI)、动目标检测(MTD)、恒虚警检测(CⅣ瓜)、测距、测角等涉及到的数据处理过程有:目标航迹的起始、终结、管理以及点迹航迹关联、航迹跟踪滤波、预测等。本文着重在机载火控雷达系统的各种工作模式仿真实现在现代战斗中除去飞机本身的性能外机载火控雷达的性能直接影响战斗机的作战效能。目前我国机载火控雷达系统的模拟训练器相对于一些国家还显落后主要体现在以下的三个方面:()目前的机载火控雷达系统模拟软件很多模块的实现并不完全并且大多是功能级的仿真实现因此实际训练操作中不能满足实战军事训练的需求。本文将注重在实现机载火控雷达空空、空面(空地、空海)模式上进行信号级仿真实现在雷达数据处理模块上实现单目标跟踪的信号级仿真实现使得整个机载火控雷达系统拥有相对完整的功能模式体系。()机载火控雷达仿真系统没有模块化。目前在国外尚仅有少量的系统模块化软件而在国内仅仅从上世纪年代才开始有一些单位相继研制各种雷达信号模拟器。本项目将实现整个机载火控雷达的模块化体统并最终生成完整雷达的第一章绪论动态连接库建立以太网和B两种接口方便接入各种大型的航电系统以供多种软件平台直接使用。()训练器在军事训练阶段无法接近实战状态训练装置的环境模拟比较落后。在这些方面本身存在研究的难度我国对此研究比较少同国外先进水平尚有很大差距。模拟环境与实战环境的最大差别在于对杂波和干扰的研究和实现。杂波模块是对整个雷达工作环境的模拟目前国内还没有将对杂波的信号级模拟加入整个机载火控雷达训练系统中。本项目填补了这方面的空白通过独立对各种典型情况下的杂波回波建模仿真建立一个初级的杂波数据库以便直接接入机载火控雷达的仿真系统中使得雷达的各种不同工作模式均在真实的杂波环境中完成。.本文主要内容近年来数字信号处理技术的革命性发展使得雷达仿真理论和技术有了一个新的发展阶段。因此也给了雷达模拟器的研究带来了革命性的发展。本文基于机载火控雷达系统仿真实现这个项目基础上研制了新型的机载火控雷达系统模拟器。本项目中吸收了上一代雷达模拟器的成熟经验生成新的雷达模拟器不但具有空域范围内的多种扫描方式和空战模式还创新性的设计了空对地及空对海模式。尤其完善了环境模块中的杂波仿真包括了对不同典型地形、地貌和气候环境下的下视目标检测和不同海清下的海面目标检测。可以满足相关单位对雷达操作人员的教学、训练也可以对雷达模拟理论以及地/海杂波、目标环境理论进行专题研究。本雷达模拟器可以模拟各种参数下雷达可能处于的工作环境回波逼近真实的反应了目标的运动特征、时间空间特性以及干扰特征以此来训练雷达操作人员在多目标以及不同空间环境目标下对目标的检测、监测和跟踪。本模拟器还将数据库理论、网络通信理论等计算机软件设计非常实用且高效的技术应用到模拟器的设计中以满足整个雷达系统仿真模拟器实时性需求同时使雷达模拟器实现模块化、平台化更易于扩展、更新。第一章绪论。本章主要是介绍了雷达仿真系统的现状和意义以及总体介绍本文的主要目的和大致内容。第二章机载火控雷达仿真系统框架。本章主要从理论模型角度阐述了雷达仿真的体系和框架。介绍了仿真雷达总体设计理念和模块的划分。集中阐述天线坐标转换模块天线扫描模式信号处理基本模块。这些模块是雷达系统具体功能电子科技大学硕士学位论文模块得以正常运行的总体平台。第三章杂波环境仿真分系统。这一章首先分成两大部分杂波仿真模块和杂波抑制模块。对于不同典型参数下的杂波进行分类建模、具体实现。杂波根据不同的空间状况分为地杂波和海杂波。对不同地形、地貌下的杂波模型进行归类具体实现了幅度符合瑞利分布对数正态分布功率谱符合高斯分布的杂波仿真。对海杂波根据不同的海情实现了K分布的海杂波仿真。并将不同参数下的杂波数据导入杂波数据库以便于直接接入雷达仿真系统中实时调用。对于杂波抑制模块实现了新理论下的快慢门限恒虚警检测以及循环对消法实现海杂波的抑制。第四章雷达仿真器系统工作原理及模块化实现。本章重点阐述雷达模拟器作为一个整体的系统在参数传输模块和数据库模块上的设计。介绍了将雷达系统作为一个整体生成动态链接库。雷达动态链接库以多线程来实现外部操控数据传输内部雷达正常工作的完整系统并自带以太网和B两种接口以便与外界通信。第五章雷达系统空.空工作模式。本章详细的阐述了雷达处于边扫描边测距(RwS)模式单目标跟踪(sTT)模式空战模式下的仿真实现。其中空战模式中包括几种不同的扫描模式:屏显搜索(SS)模式垂直搜索(VS)模式圆锥搜索(BS)模式。最后列出各种空空工作模式下的界面显示。第六章雷达系统空.面工作模式。本章详细阐述了雷达在空对地/空对海情况下的工作模式:地面动目标显示(GMTI)模式空对地测距(AGR)模式及其界面显示。根据不同的海情分为海模式一(SEA捍)和海模式二(SEA#)。第七章结论与展望。总结本文的工作并对该仿真系统的不足提出下一步的改进计划。总的来说本项目实现了一个具有工程实用价值和商业化价值的高性能机载火控雷达桌面训练模拟器。第二章机载火控雷达仿真系统框架第二章机载火控雷达仿真系统框架.雷达仿真系统总体设计及模块划分现代机载雷达的实际应用主要可以分为三大类【】:机载火控雷达、机载预警雷达和其他。本论文着重于研究机载火控雷达系统。机载火控雷达是机载火控系统的传感器和目标信息的主要来源之一也是现代军事战争中战斗机和轰炸机不可或缺的装备。对于现代战斗机而言除了飞机本身的性能之外机载雷达的性能直接影响战斗机的作战效能。’此外由于战斗机是军用飞机中数量最多的一个机种所以机载火控雷达也就成为所有机载雷达中数量最多的一种。脉冲多普勒(PD)体制是现代机载雷达最基本的技术和体制。脉冲多普勒雷达体制的研究就是为了解决机载(包括弹载)雷达的下视(下射)问题。由多普勒效应原理可知回波的多普勒频率大小反映了在雷达波束照射范围内的目标物体的相对径向速度。也就是说通过测量目标回波的多普勒频率可以把运动的目标从不运动的地面(海面)中提取出来。多普勒效应使得雷达排除强杂波的影响检测到目标。与普通脉冲雷达的时域检测不同脉冲多普勒雷达是在多普勒频域上检测目标因此使得机载雷达具备了下视(下射)能力。..PD雷达基本组成机载PD火控雷达与一般雷达相比特别是与一般地面雷达相比其系统相对要复杂的多而且研制的难度也比较大。一方面由于雷达的工作环境雷达载机平台一旦升空雷达便处于无人看守、无法维修的状态所以对雷达自动化和稳定性要求很高另一方面为了满足不同的战略需求以及对不同环境中的目标进行检测和识别要求雷达可以采取多种不同的技术手段。在空对空模式的下视情况以及空对地空对海下视搜索模式时采用脉冲多普勒体制以解决很强的地/海杂波干扰问题为了改善目标的检测性能以及提高抗干扰能力采用频率捷变技术为了获得较大的平均功率同时得到很好的距离分辨率采用了脉冲压缩技术。另外机载雷达的信号形式分高、中、低中不同的脉冲重复频率为了解距离模糊和速度模糊所需要的各种重复频率的信号远不止一个更加增加了雷达系统的复杂性。电子科技大学硕士学位论文下图.所示的雷达系统的组成框图是典型的PD雷达的系统框图。PD雷达与普通雷达相似的也具备了天线、馈线、发射机、接收机、信号处理器、数据处理器以及终端显示等部分。图脉冲多普勒雷达系统上图中各部分的具体功能特点如下【】:()天线分系统。实际上雷达系统对所有不同形式的天线基本指标是一样的天线的基本功能也都是相近的。即把发射机送来的大功率信号或把接收机送来的低功率信号进行放大后朝着雷达系统指定的方向辐射出去同时接受来自各个不同方向的回波信号形成和波束、方位差波束、俯仰差波束信号送到接收机。另外天线还必须接受雷达控制器的控制朝着制定的方向转动来回扫描使得完成一定的空域覆盖。()发射机分系统。发射机的设计过程是根据雷达系统的总体设计要求确定技术指标最后进行开发和设计。发射机的功能相对比较单一就是尽可能将接收机输出的低功率信号无失真的放大并且按照雷达系统要求的输出功率把已放大的高功率信号送入天线系统。()接收机分系统。接收机的功能各种雷达也基本相似主要包括产生雷达系统所需的各种工作波形提供系统需要的各种高稳定频率源把天线分系统接收到的射频信号经过下变频、放大、滤波和A/D转换处理后尽量无失真的转换成数字信号送入信号处理分系统。()信号处理分系统。信号处理分系统是雷达系统中最重要的分系统之一它的主要功能是将接收机送来的包含杂波、噪声、干扰以及目标回波信息的数字信号进行处理利用有用信号和杂波信号之间在时域、频域和统计特性上的差异通过各种技术手段如多普勒滤波等把有用的目标信息从其他背景信息中提取出第二章机载火控雷达仿真系统框架来并同时抑制杂波和噪声得出真实目标的相关信息。并且根据这些相关信息计算得出目标的距离、速度、角度等参数形成目标点迹。()数据处理分系统。数据处理分系统的主要功能是采用一些特定的算法对经过信号处理流程之后形成的目标点迹进行滤波关联成目标航迹并发送给终端显示系统。另一个重要功能是对于来自实际中控制台的人工干预进行响应以达到控制整个雷达系统正常工作的目的。并根据雷达工作方式和数据处理的需求选择合适的信号波形、波束指向及其他的相关参数。..雷达仿真系统总体设计方案本文基于项目机载火控雷达模拟训练器根据机载火控雷达的系统设计参数和载机平台、雷达目标的运动特性结合了目标散射特性以及杂波情况设计和实现了机载雷达仿真软件包达到对机载火控雷达功能进行仿真的目的。该系统组成如下图.所示。图软件各部分组成按照图.总体设计出的雷达系统具备以下功能:()生成的机载雷达系统作为一个独立的动态链接库可以被接入相关航电系统中根据输入端给定的目标信息和控制端输入的指令实现雷达空.空搜索、截获、跟踪以及空.面动目标检测等功能()能够将在雷达天线扫描范围内的空域目标的距离、速度、角度信息处理得出并能将这些信息传输给雷达火控系统()具备坐标转换功能可以实时的将大地坐标系里的目标速度、经纬度、航向信息转换为雷达及坐标系中的相关信息()能够对雷达在各种典型环境下的杂波进行仿真模拟使得雷达在接近真实的杂波环境中展开各项功能的运用。同时雷达系统中的杂波抑制模块可以有效的抑制地/海杂波使雷达在下视(下射)情况下正常工作。雷达系统仿真采用模块化的结构部分模块软件的修改和升级不影响其他模块的电子科技大学硕士学位论文正常工作。整个雷达仿真系统的模型框图如图.所示。l控制器lI发射机l一{信号源l串天线一发射方向图II电≯I申目标l匹ll干型llIj天线一接收方向图南匿检波处理:脉冲压缩、MTI、相位编码、线性调频lCFAR、积累i检测准则l数据处理l终端显示图雷达仿真系统一般模型如图所示用户可以通过控制台对雷达进行参数设置、工作模式切换及环境仿真参数设置同时可以由数传系统通过软件接口接受来自其他模块的数据。经过环境仿真软件包仿真生成的杂波数据以及目标和载机的信息一起输入到雷第二章机载火控雷达仿真系统框架达仿真软件包。雷达将会根据载机信息目标信息环境参数控制信息产生雷达回波信号经过雷达系统的信号处理过程计算得出目标的有用信息。最后通过接口软件包将经信号处理后的目标信息提供给终端显示设备。如图。所示。图软件系统结构..系统功能模块划分及之间的关系图.所示为雷达仿真系统工作流程的主题框架结构系统的各个功能都通过该结构得以正常实现。图雷达仿真系统功能模块如上图.所示回波模拟模块将混合了杂波信息和目标信息的回波信号传输到信号处理模块信号处理模块通过一系列技术手段和算法对信号进行处理将生成的目标点迹传给数据处理模块数据处理模块通过各种算法进行滤波处理航迹关联配合地面成像模块的处理后获得目标的有用信息最终输入到雷达的现实模块中。本项目着重介绍的是雷达仿真软件包和环境软件包中的杂波模块。()雷达仿真软件包。对雷达系统的仿真分硬件和软件本项目是软件仿真直接采用与真实雷达电子科技大学硕士学位论文相同或近似相同的信号/数据处理软件。发射机和接收机模块表.发射机和接收机模块函数名子程序名称标识符雷达参数初始化函数InitialO当前天线指向和天线增益函数计算函数GetAntlnf目标回波模拟函数TarRetum杂波模拟函数CluRetum天线模块表天线模块函数名子程序名称标识符天线参数初始化函数Initial天线方向获取函数GetDirection天线增益获取函数GetAntGain信号处理模块表信号处理模块函数名子程序名称标识符多普勒滤波器组函数DopplerFilters恒虚警处理函数CfarProc距离解模糊函数RangeAmbigResol多普勒解模糊函数DopplerAmbigResol第二章机载火控雷达仿真系统框架数据处理模块表数据处理模块函数名子程序名称标识符门限滤波函数GateFilter数据关联(最近邻法)函数nearPda滤波跟踪(Kalman滤波)函数kalmanFilterO卡尔曼增益计算器函数kalmanGain单步预测器函数stepPredORiccad方程解算器函数riccPred目标识别函数classTarget威胁评估函数threatAssement航迹管理函数traceManagement()环境仿真软件包。实现对雷达输入信号的仿真。输入信号包括目标信息地/海杂波信息天气状况信息。在本项目中着重完成对各种典型地形、地貌、天气参数下的杂波仿真地面动目标海面动目标和空域目标的信息以及载机在不同飞行高度、飞行姿态上的信息。杂波模块表杂波模块函数名子程序:子程序名称标识符杂波模块参数设置函数SetClutterParam相关高斯杂波序列生成函数GetGuassianClutter相关非高斯杂波序列生成函数GetNonGuassianClutter载机模块子程序名称标识符载机模块初始化函数RdTrackIntializeO载机飞行姿态设置函数SetRdAttid载机航迹生成函数RdTraekCreat电子科技大学硕士学位论文目标模块表目标模块函数名子程序名称标识符目标模块初始化函数TglnfializeO目标飞行方向设置函数SetTgDirc目标航迹生成函数TgTrackCreat.坐标系转换分系统雷达仿真系统中无时无刻存在着坐标系首先要确定仿真系统的坐标系统定义坐标轴和相关运动参数并详细描述坐标转换的规律。一个合适的坐标系也会大大简化分析和运算过程。将输入的以大地坐标系下的载机、目标信息转换为整个机载雷达系统信号处理运算中所用的坐标系中。最终生成的目标点迹和航迹反应到大地坐标系中。因此一个雷达系统任何时间都需要拥有坐标定位。本节将对机载火控雷达在整个工作流程中用到的坐标系和参数进行定义同时给出各个坐标系之间的转换关系公式。..两种坐标系在仿真过程中涉及到的大量的空间位置关系以及目标姿态等的计算都是建立在一定的参考坐标系中的而这些都是以地球为惯性参考坐标系因此地球是保持空间一致性的参考标准。参照这个标准选择合适的坐标系对于简化运算是非常重要的。()大地坐标系空间中的一点尸在大地坐标系中用大地纬度B大地经度三和大地高度日来唯一确定。其中大地纬度B是过P点的法线和赤道面的夹角以赤道向北为正向南为负大地经度三是尸点所在的大地子午面和起始大地子午面所构成的二面角向东为正向西为负大地高度日是过尸点沿法线到地球球面的距离向外为正向内为负。如图.所示。第二章机载火控雷达仿真系统框架厶图机体坐标系与大地坐标系根据上图可以确定空间大地直角坐标系O以地球质心为原点轴Z。与oXrZ地球的旋转轴一致轴Z位于起始大地子午面和赤道面的交线上在赤道面上与瓦轴正交的方向为Yo轴。空间一点尸的空间大地直角坐标系坐标用XYZ表示。将大地直角坐标系平移到载机平台上使得载机的质心与直角坐标系的原点重合得到的坐标系了一作为一个参考坐标系如下图.所示。ZldLl八卜仉E\錾二‘=乡’L髟Atd巧图.参考坐标系()机体坐标系【l机体坐标系o,x'zz固定与载机平台上原点是载机的质心纵轴】=平行于机身轴线或平行于机翼平均气动弦指向前方竖轴Z在飞行器对称平面内垂直于轴Z指向上方横轴五垂直于飞行器对称平面指向载机的右方。此坐标系代表了载机平台在空间的姿态具体见图.所示。电子科技大学硕士学位论文..坐标系转换图机体坐标系设原坐标系疋与新坐标系邑的原点保持一致空间中一点尸在疋中的坐标表示为(咒艺Zo)点P在最坐标系中的表示方式为(以E乙)分别绕zYX轴旋刚§羔孙oIk:o,二吲sin#Ic吉osO口铷弘roo【一sin,"COSE.jfcos‘p一smq第二章机载火控雷达仿真系统框架明=拳()引入旋转矩阵符号如下此旋转矩阵即为原坐标系到新坐标系的旋转矩阵。彤=毋(s)岛(矽)兄(乡)()..飞机运动参数()飞机的空中位置如图所示在大地直角坐标系下飞机质心的坐标为(乃儿zJ)()飞机的空中姿态【】·飞机方位角c:飞机纵轴qr投影到G%巧平面上投影与地轴q巧之间的夹角即为飞机方位角又称偏航角。绕轴q乙按右手法则判定正负若口Z偏离qE乙平面向左则t//为正范围(xzrl)o·俯仰角:飞机纵轴or,与水平面仍局巧之间的夹角当纵轴or,向上倾斜时为正范围(一n'/x/)。·滚转角y:飞机对称面oy,z,与轴oy,所在的铅锤面之间的夹角按右手法则绕轴or,判定正负。qZ向下倾斜即右翼下倾则y为正范围(n'/r/)。这三个角度参量是描述飞机姿态的标准它们决定了飞机在坐标系中的相对位置以及与惯性坐标系之间的相对关系。在本论文涉及到的项目的仿真中简化考虑风速等对载机飞行姿态的影响只考虑载机的纵轴即为飞机的飞行方向方位角和俯仰角是载机相对与惯性坐标系的航迹偏转角和航迹倾斜角。根据前面公式(.)已经推导的惯性坐标系与机体坐标系之间转换的旋转矩阵我们可以推导出飞机参考坐标系变换到机体坐标系的转换关系如下cosysingtsinysinBcosVeosBcosvsinysincosysin,gcosV因此飞机参考坐标系转换到机体坐标系的转换矩阵即为磁机体坐标系转换到飞机参考坐标系的转换矩阵为%=(彰)r所以大地坐标系与机体坐标系之间的转换即要通过飞机参考坐标系作为桥梁具体如下图所示。●●●●●●●jOO秒秒.口∞OSC咖y.gyny嘶触唧旷伽¨掣咱渺|§一淞"阳卵矿电子科技大学硕士学位论文.天线分系统图坐标系转换关系示意图任何一种无线电装备都拥有天线设备天线的作用是将电磁波向自由空间辐射出去并收集自由空间中的电磁波。雷达也不例外雷达天线除了完成收集和辐射电磁波的功能以外还具有定向功能。天线的定向性意味着天线是有方向的这对雷达来说很重要。这种特性决定了雷达的测量目标角度范围和雷达作用距离。在仿真系统中天线单独作为一个模块在雷达系统开启的同时贯穿工作始终能够实时的根据控制台指令选择典型的天线扫描模式是天线指向并实时的提供天线增益。本节将详细介绍天线工作原理和天线扫描方式模型并给出天线方向图模拟方法。..天线主要性能指标决定天线性能的最重要指标有天线波瓣宽度、天线增益和副瓣电平。天线的辐射波瓣为天线辐射能量分布在指定方向上单位面积的功率或单位立体角中功率的度量。当功率电平下降dB时的主瓣宽度为波瓣宽度。天线辐射方向图中主瓣以外的其他一些波瓣称为天线旁瓣。天线的波瓣宽度与天线尺寸成正比与波长成正比【】。要对天线系统进行仿真模拟首先就要找到符合的数学模型来描述天线主瓣及一系列旁瓣的功率同时使天线具有方向性增益和天线功率增益。为了直观的观察天线主瓣与旁瓣的电平对比我们用天线方向图表示天线辐射的功率与天线中心轴的角度之间的关系天线中心轴的角度包括方位角和俯仰角。一般常用的天线方向图有几种典型模型:辛克函数型、指数型、高斯型、余弦型【。在本项目的系统仿真中为了能够准确的体现出主瓣与旁瓣波束对目标或是地面杂波的贡献对主瓣和第一旁瓣采用高斯形状的数学建模【】对波束中出去第一旁瓣以外的其余旁瓣功率由于电平比较低则为简化计算设旁瓣电平最大第二章机载火控雷达仿真系统框架值为常量g:常量岛为第一旁瓣的峰值a在本次仿真中gl为Ol子波束主瓣方向图函数用高斯模型来描述G(目)=“p(鲁)⋯s“式中B为半功率夹角“为主瓣增益即等于岛的口值其值为舻眈J%n)设第一旁瓣方向图用中心位置±l“的高斯函数来描述为of)()刚)=g,exp(In鼍警)脚印“(.)式中为第一旁瓣的峰值g:为疗=‘“±H时的第一旁瓣增益为艮“却“尸%%/M%’(o)根据上面的模型和算法公式天线主瓣增益为dB主瓣方位向和俯仰向半功率波瓣宽度为.。第一副瓣半功率波瓣宽度为l。以及上面设g.g:的值由MATLAB仿真得到三维天线方向图如图.所示。.天线扫描模式*I叩^‘Ⅸ)口&自(&图三维天线方向国仿真雷达系统的整个工作过程中天线在不停的处于扫描状态中雷达的搜索模式中将伴随天线波束的多种不同方式扫描并根据系统时钟来实时确定天电子科技大学硕士学位论文线的实时向。在本项目的仿真中雷达将采用分行扫描【的方式方位向和俯仰向的扫描方式图分别如图.图.所示。r\r浏...钐么∑一线二瑚层四线图.方位向扫描路线图.俯仰向扫描路线在具体的雷达仿真系统中雷达处于不同的工作模式之下有不同的天线扫描方式选择一种工作模式则选择了它默认的扫描方式。.信号处理分系统仿真雷达系统的重要组成部分便是雷达信号处理分系统信号处理模块中包含了对回波信息进行的典型算法处理过程。根据信号处理的常规流程整个信号处理过程可以划分为以下几个步骤:预处理、多普勒滤波、恒虚警检测和目标参数提取等部分如下图.所示。..预处理图.基本信号处理流程预处理的主要功能是将传入的数字信号进行低通滤波、脉冲压缩和MTI处理最后形成进行多普勒滤波处理的数组【】。信号处理机接收到接收机送来的数字化原始信号后首先需要进行低通滤波处理。脉冲压缩可以在频域或是时域中进行考虑到计算效率一般都是利用FFT卷积处理来取代直接的线性相关处理。如今无论是实际操作还是理论均采用这种方法来进行脉冲压缩。在现实的雷达信号处理仿真中预处理是先将外界给定的目标信息、载机信息和混合了杂波的回波信号进行坐标转换存入临时的结构体中将该结构体传第二章机载火控雷达仿真系统框架入信号处理类中送入下一步的多普勒滤波处理函数。..多普勒滤波处理多普勒滤波处理是通过一组多普勒滤波器组实现的滤波器组覆盖整个预期目标多普勒频移范围是由一组邻接的窄带滤波器组成。由于目标相对雷达的径向速度各有不同产生的多普勒频移也就不同。不同的频移落入不同的窄带滤波器此时窄带滤波器就具有了分辨速度和精确测量的作用。这也是脉冲多普勒雷达不可或缺的一部分。在采用数字技术的基础上基带滤波相对简便的多因此多普勒滤波器组一般设在基带。为了接收机工作在最佳状态滤波器组每个滤波器带宽设计要与回波信号谱线宽度相匹配。回波信号谱线带宽确定了脉冲多普勒雷达的速度分辨率和测距精度。数字信号处理中通常采用离散傅立叶变换(DFT)用N点傅立叶变换实现N个滤波器组。输入以脉冲数为行距离门为列一的信号数据上进行行和列数据交换土输出以距离门为行脉冲数为列的信号数据图一多普勒滤波的实现流程电子科技大学硕士学位论文上图.是具体多普勒滤波的实现流程在模拟方法中对同一个距离单元内的一组数据做快速傅立叶变换(FFT).得到等效滤波器组。下图.给出了目标回波经过多普勒滤波后生成的三维频谱图。该图反映了目标回波信息在距离一多普勒方向上的频谱信息。其中参数的选取为雷达参数:工作频率:GHz发射机峰值功率:Kw脉冲宽度:lus脉冲重复频率:采用重脉冲重复频率虚警概率:e,=lOx“o天线参数:天线增益:dB旁瓣增益:dB天线波束宽度:.。目标信息:目标编号:目标:位置(eee)目标飞行方向:方位角一俯仰角。:速度m/s:一Hr.●~图.多普勒滤波仿真结果r融黼㈣㈣攀第二章机载火控雷达仿真系统框架..恒虚警检测恒虚警率处理的功能是设置自适应的检测门限当背景噪声较高时检测门限上升当杂波较小或是只有热噪声时检测门限下降通过控制检测门限的高低来控制整个雷达系统在不同的杂波和噪声背景下保持虚警率的恒定。目前恒虚警实现基本采用单元平均恒虚警电路【刀原理框图如图.所示。出结果图恒虚警翠检测原理对于幅度符合瑞利分布的杂波和Swcrling起伏目标经过平方率检波器后随机变量X服从指数分布概率密度为p(x)=÷五x>()其中咒={仃:叠毒≯墨仃为杂波噪声平均功率s为平均信噪比。随机变量z的统计平均值为段E(力上xp(x),tx=允()对于设置的门限值随机变量z超过的概率即虚警概率为易=fp(功出=f妒=J()T由虚警概率求得门限因子口若令r=嗷则易=P~恒虚警率只依赖于门限因子a从而达到了恒虚警的目的。本项目仿真中采用两侧单元平均选大CFAR检测器如图.所示。电子科技大学硕士学位论文Z图.两侧单元平均选大CFAR检测器恒虚警处理流程图如图.所示图.恒虚警处理流程根据上面多普勒滤波处理的仿真参数继续进行恒虚警处理得到的仿真结果图如图.所示。下图是目标回波进行了多普勒滤波后直接进行恒虚警检测得第二章机载火控雷选仿真系统框架到了距离一多普勒方向上的三维功率谱图。图.恒虚警检删仿真结果功率谱电子科技大学硕士学位论文第三章杂波环境仿真分系统.机载PD雷达地杂波分析及分类对杂波特性的研究是一项重要的基础研究工作。机载雷达在下视工作状态下强烈的地/海杂波由于多普勒频谱宽可能在覆盖整个目标检测的所有距离成为不能忽视的背景另外机载雷达随着飞机飞行地域的广阔、地形地貌的多种多样仅仅仿真一种固定单一的杂波已经不能满足雷达仿真系统的实时需求【l引。所以机载雷达杂波的研究和仿真已经成为一个极为关键的课题。应当指出的是杂波不同于一般意义上的噪声因为他们有完全不同的物理特性和机制其实杂波的自由度远小于随机噪声的自由度尽管杂波表现出非常“随机"的特性其实他们大多数情况下是相关和非高斯的因此给杂波的模拟带来了难度也对提高雷达信号处理性能带来了难度。为了能更为准确和逼真的仿真杂波必须弄清楚地/海杂波的特性其中包括建立杂波模型生成主瓣杂波和旁瓣杂波同时生成接收机内部噪声关键技术在于产生符合一定幅度统计特性和功率谱统计特性的杂波数据。对于不同的地形地貌杂波数据之间的差别是比较明显的。经过大量文献资料的查找和分析本章将重点阐述集中典型地形地貌下的杂波建模仿真。只有弄清楚了杂波的分布特性和参数才能使用合适的杂波抑制技术才能适当的设置杂波抑制器的频率响应特性和恒虚警门限因此才能够在杂波背景下检测到目标。..杂波理论模型从开始对杂波进行研究人们相继提出了很多杂波模型归纳起来大致分为两种:确定模型(或称为理论模型)和统计模型。应用物理学和地理学的方法将地形地貌的特征数字化建立地貌模型然后研究电磁波的后向散射特性包括一定条件下求解回波的场强从而得到该地区的地形杂波特征的数学表达式。从概念上讲杂波的后向散射系数可以理解为面积归一化的给定的地面反射率和后向方向性系数的乘积。后向散射系数随着频率、入射余角和极化方式的不同而有变化。此外后向散射系数还是时间和空间的平均值f】。后向散射系数有第三章杂波环境仿真分系统两种表示方法:"o和y他们分别的定义如下吼=O”()Oo=sin伊()其中以地杂波的等效反射面积(m)雷达波束照射范围内地面/海面的面积(n)缈擦地角(rad)仿真中建立的杂波模型不应该过于复杂这样会大大降低雷达仿真的实时性所以对数据的精度要求为限制。由于地杂波的复杂性和多样性为了方便计算美国佐治亚理工学院研究所的的地杂波后向散射系数为仃o=彳(汐C)口expD/(.‘/元)】()其中o地表面积准方差(crn)BCD地杂波后向散射系数模型公式的常数根据不同的雷达电磁波工作频段和不同的地形特征有不同的取值。根据雷达方程我们可以得到地面杂波单元的雷达散射截面积可以得到在距离尺处的一个距离门f内的总的主瓣杂波功率为以舻鬻()在距离尺处的一个距离门f内的总的旁瓣杂波功率为脚)=鬻()在距离R处的一个距离门f内的总的高度杂波功率为以舻甓警()其中oo口exp(.一H/RH)ysm缈()‘、●雷达的高度线杂波虽然强度很大但是由于雷达探测的擦地角比较小所以高度线杂波作用不是很大仅当雷达探测擦地角大的时候才考虑高度线杂波。一般情况下当机载雷达探测擦地角大于。时实际雷达已经探测不到目标了因电子科技大学硕士学位论文此在擦地角小于时忽略高度线杂波的影响此时影响雷达探测性能的就只有主瓣杂波和旁瓣杂波了。此时背景地杂波总功率£(R)=气(R)£妇(R)()..杂波统计模型在研究各种地面特征和不同的单元散射体特性的基础上最多的是运用数学统计方法和概率论来研究杂波的统计特性得出数学表达式。杂波的统计模型是在上世纪年代后才开始被人们广泛承认。而事实上即便是雷达的理论模型也是相对近似的杂波的统计模型却拥有更准确和简便的方法来描述杂波数据【。杂波模型的提出就是为了找到合适的算法来产生一些特定的随机数这些随机数不仅要在幅度上满足一定的模型要求还要在功率谱上符合一定的要求。下面介绍几种在研究机载雷达杂波时最典型的几种杂波统计模型一下统一用X表示杂波随机变量。()正态分布(高斯分布)运用中心极限定理对于雷达照射区域内均匀地面分布着N个均匀的散射体没有哪一个目标散射体有特别突出的影响。每一个散射体对雷达发射的电磁波反射的振幅和相位都是随机的并且相互不影响。如此合成的雷达杂波回波近似符合正态分布并且相位是均匀分布的。雷达杂波的信号表示为c(o=X(t)sin(COot∥)=∑五Sin(‰H%)=五sin(coot)五cos(cOot)(.)振幅和相位都是随机函数其中X为振幅y为相位%为角频率五=∑五cos%五=∑X,sing·此时当地面散射点N∞时有p(耻去exp一譬】(咱≤x≤佃)()p缈)=亡(一II)第三章杂波环境仿真分系统式中盯为振幅随机变量石的标准差a是X的均值可以为。()瑞利分布高斯分布的杂波经过平方率检波后杂波包络的幅度服从瑞利分布表示为p(x)砉eXp(一扫(舱o)()瑞利分布的杂波幅度模型是最为常见的一种杂波幅度统计模型它适用于描述气象杂波、箔条杂波等。对于低分辨率的机载雷达当高仰角和平稳环境时这种杂波幅度统计模型较为精确但是当有明显突出的目标及相互不独立的目标时这种模型有很大的局限性。()对数.正态分布由于上述当地面不是均匀分布这散射体或是当机载雷达分辨率较高时杂波的幅度概率密度偏离了瑞利分布而事实上实际的

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机载火控雷达系统工作模式仿真实现

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