（电工理论与新技术专业论文）机载雷达综合显示系统仿真实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t r a d a rs y s t e mi sah i t e c hs y s t e mw h i c hc o n c e n u a t e sm a n yk i n d so fm o d e m e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t s t h em o d e ma i r b o m em d a rs y s t e mi s ac o m p r e h e n s i v es y s t e mw h i c hc o v e r se l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o n a n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ，c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i ti sc h a r a c t e r i z e d b yh i g ha c c u r a c y , r e p e a t a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n df a c i l i t y a sc o m p a r e d “t l lf i e l dt e s t s ， t h i st e c h n o l o g ym a yw e l lr e d u c et h er e s e a r c hc o s t ，s h o r t e nd e v e l o p i n gp e r i o da n ds a v e m a n p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e s t h u st h er e s e a r c hw o r ko fa i r b o r n er a d a r s i m u l a t i o ns y s t e mp l a y sa ne s s e n t i a lr o l ei ni m p r o v i n ga i r b o r n er a d a rr e s e a r c hl e v e l a n dd e s i g n a t i o na b i l i t yi no u rc o u n t r y t h e “s y n t h e t i c a ld i s p l a ys i m u l a t i o ns y s t e mo fa i r b o r n er a d a r i nt h i sp a p e ri sa c o m p o n e n to ft h e “m o d e ma i r b o r n er a d a rs i m u l a t i o ns y s t e m ”p l a t f o r m u n d e rt h e c o n d i t i o no fs i m u l a t i o n s y s t e mp l a t f o r m ，t h e d a t a p r e t r e a t m e n ts y s t e m ，t h e m u l t i o b j e c t i v e st r a c ks y s t e ma n dt h es y n t h e t i c a ld i s p l a ys y s t e ma r ec o m b i n e dw i t l la p e r f e c tn e t w o r ks y s t e m a l lt h es u b - s y s t e m sa r es h e e rs o f t w a r es y s t e m sb a s e do n w i n d o w so so fc o m p u t e r s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sc o n d u c t e da c c o r d i n gt ot h e c r i t e r i o n sf o rs o f t w a r ep r o j e c tt oe n s u r et h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es o f t w a r e d u r i n gt h ed e v e l o pp r o c e s so ft h es i m u l a t i o no fs y n t h e t i c a ld i s p l a ys y s t e mi n a i r b o r n er a d a r , m a n yd e v e l o p m e n ti n s t r u m e n t ss u c ha sv i s u a lc + + 6 0 m a t l a b6 5 a n do p e n g la r ea p p l i e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i s t i c sa n dr e q u e s to fd a t a t r a n s m i s s i o no fe a c h s u b s y s t e m s w i mt h et h o u g h to fh i e r a r c h yd e s i g n t h e c o m m u n i c a t i o no v e rd i f f e r e n ts u b - s y s t e mp l a t f o r m si sr e a l i z e db yt h ea p p l i c a t i o no f s o c k e tt e c h n o l o g y a st ot h ef u n c t i o n st h a th a v en o tb e e ni m p l e m e n t e di np r e s e n t d e v e l o p m e n t ，i n t e r f a c e sh a v eb e e nk e p tb e f o r e h a n db yp r o v i d i n gs y s t e m s e x p a n s i o n a n du p g r a d es p a c e n ed e v e l o p m e n ta n da c c o m p l i s h m e n to fa i r b o r n er a d a rs y s t e ms i m u l a t i o no f s y n t h e t i c a ld i s p l a yi m p r o v e df u n c t i o nm o d u l eg r o u po fa i r b o r n er a d a rs y s t e m s i m u l a t i o np l a t f o r m t h es y n t h e t i c a ld i s p l a ys y s t e mi se m b e d d e ds u c c e s s f u l l yi n a i r b o m er a d a rs i m u l a t i o ns y s t e mf r a m e w o r k a f t e rt e s ti np r a c t i c a lw o r ko fr a d a r s i m u l a t i o n ，t h ec o n t r o la n dd i s p l a ys y s t e mh a sp r o v e dt ob es t a b l ea n dr e l i a b l e i tc a n m e e ta l lt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ld e m a n d so fr a d a rs i m u l a t i o ns y s t e ma n dp l a y s v e r yi m p o r t a n tr o l ei nf u l l yd e v e l o p i n ga i r b o m er a d a rs y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m c a p a b i l i t y k e yw o r d ：a i r b o r n er a d a r , r a d a rs i m u l a t i o ns y s t e m ，s y n t h e t i c a ld i s p l a ys y s t e m ， r a d a rt e r m i n a ls y s t e m 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 国防现代化是我国“四个现代化”之一，国防现代化要求我们采用国内和国 际上先进的理论和技术来武装我们的军队。作为军事装备中的利器，雷达是现代 战争( 以信息战为主体的电子战) 中不可缺少的武器装备，而且在现代高技术战 争中起着举足轻重的作用，被称为武器系统的眼睛。 随着军事科技的发展，高技术武器装备在现代战争中得到了广泛的应用，越 来越多的高技术武器已经装配到部队，对部队的战法、训练和技术保障都产生了 重大的影响【l j 。由于高技术装备造价贵、品种多、数量少，所以在实装上开展操 作和维修训练都越来越困难。虚拟现实技术的发展为部队开展脱离实装的训练提 供了技术支持，而为装备建立虚拟训练系统则成为目前装备技术保障中的研究重 点【2 】。在建立雷达虚拟操作或维修训练系统时，雷达系统仿真平台的仿真效果直 接影响到整个虚拟系统的训练效果【3 】【4 。 由于作战时间和空间的限制，加之快速反应能力的要求和系统综合性的要 求，以及雷达面临的“四大威胁”( 电子侦察与干扰，超低空飞行和巡航导弹， 隐身技术，反辐射导弹) 的影响，现代机载雷达系统必须具备多功能和综合对抗 能力。要能对地、空、海的各种目标具备搜索、截获、跟踪、识别、武器制导和 火控等功能1 5 j 。同时还应该与通信、指挥控制、电子战等构成综合体；与不同信 息源和传感器进行情报交换和数据融合，适应战术c 3 i 系统的要求。因此，现代 机载雷达系统集中了现代电子科学技术各种成就的高科技系统。 本课题是基于西北工业大学“十五”学科建设项目“现代机载雷达仿真 系统”分支项目“机载雷达综合显示终端仿真”为项目背景进行的课题研究。该 学科建设项目分为八个分支子系统，其构成分别是：雷达空情生成及天线系 统微波及高频放大系统中放和检波系统多目标跟踪与航迹管理系统 多方情报接入与航迹融合目标识别、态势评估、威胁估计及决策系统 机载雷达综合显示终端系统机载雷达主控计算机系统。对子系统“机载雷达 综合显示终端系统”的实现技术要求和功能方面考虑，从单一的雷达原始图象显 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 示到集综合显示、指挥控制、人机对话等功能于一体的机载雷达综合显示系统仿 真的实现。 显示系统是各种传感、处理及控制系统的终端，是由一些显示器件和功能部 件组成的显示设备，能够独立完成一定的显示任务。雷达终端的显示系统是用来 显示和处理雷达所获取的目标信息和情报，以提供给雷达操作人员使用。操作使 用人员对雷达系统的控制也是通过该终端系统设备来进行实施干预的。所以雷达 显示系统既是信息的输出设备，也是人机交互，彼此联系的平台。现代雷达显示 系统，配以计算机进行信息处理和控制，使得雷达实现的功能更加完善。对于一 套完整的雷达终端显示系统中，除了硬件设备外，还需要配以软件。软件的基础 部分是图形显示软件程序还包括信息交换与控制部分，完成人机交互功能。由于 雷达终端显示的硬件研制己进入相对成熟的阶段，因此，编制画面美观、可视性 佳、人机界面友好、可移植性强和可靠性高的显示软件，成为实现雷达终端显示 系统的研制人员所主要致力研究的方r 句t 6 1 。 随着防空系统和航空管制系统的要求不断提高，及数字技术在雷达系统中的 逐步广泛应用，雷达综合显示系统能够灵活地把一次信息、二次信息、地图背景 和各种表格数据综合在同一个显示器画面上进行显示。综合显示系统形象地提供 了雷达威力范围内比较全面的综合信息，包括空中态势综合图像信息，便于防空 指挥人员、航空管制人员掌握整个空域和地面全局，实施防空指挥和空中交通管 制，因此雷达综合显示系统最具有代表性【7 j 。 1 2 机载雷达综合显示仿真系统的国内外发展动态 雷达仿真技术经过了三十多年的研究和发展，已经成为雷达研制和使用中必 备的基本工具和考核设计质量的重要评估工具。随着现代雷达功能的不断增强， 雷达仿真软件的功能随之不断扩充增加。近十年来，世界各国投入大量人力和物 力来进行雷达仿真技术的专项研究，并取得飞速发展。尽管雷达仿真软件本身并 不牵扯军事机密，但是服务对象基本以军事应用为目的。因此保密性比较强，现 就所能了解到的情况作一简叙。 7 0 年代以来，随着超大规模集成电路、数字信号处理器、以及信息技术的 飞速发展，雷达显示器也发生了翻天覆地的变化。它不再是传统观念上的单一雷 达显示原始图像显示器，而是朝着集综合显示，指挥控制，人机对话等于一体的 方向发展。1 9 7 6 年美国海军综合显示系统a i d s 取得重大突破，机载电子显示器 进入第二代。9 0 年代美国f 一2 2 ，法国阵风等9 0 年代先进战斗机以及波音7 7 7 客 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 机采用彩色液晶显示器的综合显示系统使机载电子显示器跨入第三代。如在美军 电子战机e - 8 上，j s t a r s 即联合监视目标攻击雷达系统中甚至实现了w i n d o w s 风格的图形界面中的综合处理各种信息。2 0 0 1 年改装完成了的美军e 一3 预警机 采用视窗式的工作环境的平面显示器，它不仅可为机组人员与传感系统提供互动 支持，而且还可以提高操作人员对环境的警觉性。而在2 0 0 1 年4 月中美撞机事 件中，美机e p 一3 上，雷达显示系统更是达到4 、5 个之多。仔细分析一下，我 们可以发现西方国家之所以能够在短短、二十年在雷达显示系统上获得如此高 速的发展，固然有其已有技术优势的原因，但与计算机、电子通信相关软硬件的 广泛应用和飞速发展有密不可分的关系【8 。 美国罗姆空军发展中心( r a d c ) 从本世纪7 0 年代初开始致力于雷达仿真 软件的研究( r a d s i m ) 的研究，其重点是地基监控雷达的信号处理的仿真。并 在此基础上发展成为较为完善的仿真软件“交互式雷达仿真系统( i r s s ) ”。 i r s s 可作为雷达工程师设计和评估雷达的工具，通过不同的功能组合构成对各 种雷达分系统的仿真。从1 9 7 7 年开始，r a d c 还开发出一种雷达辅助设计的软 件包“参数天线分析软件包( p a a s ) ”。r a d c 将i r s s 和p a a s 结合为更为 完善的雷达仿真系统“交互式雷达环境仿真模型( i r e s m ) ”。美国军方利用 i r e s m 对若干个不同型号的地基雷达进行了性能评估，并取得了较为理想的效 果。c r o s ss y s t e m s 公司研制的a g p 6 3 、a p q 1 6 9 、越m 7 m 雷达仿真系统也以 广泛的应用于现代雷达的开发工作中。 此外，俄罗斯防空导弹武器系统和制导雷达研制单位如安泰，阿尔马兹等联 合体，都在型号研制过程中进行了大量的仿真实验。 国内雷达仿真起步较晚。航天科工集团二院2 3 所在“八五”期间初步建立 了一套微波段相控阵雷达仿真系统，包括目标特性模型、环境特性模型、波形产 生模型、天线馈电系统模型、雷达接收机模型、雷达信号处理模型、雷达数据处 理模型和雷达电子对抗等模型。利用该系统可以仿真相控阵雷达的动态过程，并 分析其主要性能。2 3 所在“九五”期间继续完成这套相控阵雷达仿真系统。上 海航天局8 0 4 所从1 9 9 7 年起，着手建立地面制导雷达仿真系统，该系统是实时 仿真和功能数字化仿真相结合的系统。建立该雷达仿真系统目的是进行h q 6 跟 踪雷达探测性能和性能分析，在有效建模基础上开展设计仿真，杜绝方案失误， 取得雷达探测和功能估计。 在上述国内外雷达仿真系统中，控制部分往往与雷达仿真的核心出来部分集 成在一起，并没有单独成为功能模块，而显示系统作为雷达终端，随着技术的不 断发展，现已开发出一些比较成熟的商品化的软硬件产品。 两北t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 中国南京电子技术研究所研制的y l c 4 远程警戒雷达，其p p i 显示器是一 种数字式扫描显示器，在设计中采用了可编程逻辑控制、矢量乘法累加处理、 快速视频压缩处理等技术，在5 0 h z 刷新频率下，能同时显示6 4 批目标参数、 四批微表、一副矢量地图、十五个汉字、一组键盘确认区等。国防科技大学研制 的光栅扫描雷达综合信息显示系统，以t m $ 3 4 0 2 0 图形系统处理起为核心，结合 信号处理技术、实时信息显示技术，实现了对各种雷达信号及其他传感器信号的 多种方式的显示处理，其主体集成在一块印制版上，省略了通用微机，它能对雷 达回波信息进行实时开窗放大显示，并能自动进行窗口目标跟踪以及对1 6 批目 标进行手动跟踪。 除了硬件产品，一些公司也发布了基于微机处理系统的图形开发套件，可以 用与雷达显示系统的开发。比如美国f a r p o i n t 公司开发的一套信号处理a c t i v e x 控件组，支持v i s u a lc + + 开发平台，可以实现动态或者静态的波形显示，二维、 三维科学图形的表示，并可以对所绘图形的各个属性进行各种形式的设置。s e a s t a r s 公司的v a p s 人机界面设计软件包 9 11 1 0 】 1 1 1 。能够开发动态的、交互的、实 时的人机界面的复杂应用，现已被广泛的应用于航空工业快速建模中。 1 3 课题中采用的仿真软件、工具的介绍 雷达各子系统软硬件的可靠性设计、标准化、工程造价与性能之比是否合理、 设备可维护性、可操作性和互换性考虑以及工程应用的理论研究、系统设计优化、 性能指标分析等各项工作，均要经过反复论证和多次设计和修改，方能得到一个 比较满意的设计结果【1 2 1 1 1 3 1 。如果这些工作都要通过物理实验和制作样机的方式 来完成，不仅研制周期长、试验和实验的重复性无法保证，而且随着系统功能的 越来越复杂，系统调试将越来越困难，最终造成人力和物力的巨大浪费。然而， 现代计算机技术的飞速发展为雷达系统的设计实现提供了极佳的智能化设计与 仿真试验平台。通过对物理系统的合理抽象，获得可以表征该系统的数学模型， 从而建立计算机辅助设计和系统仿真所需的模型库：再在计算机上进行“建模j 设计j 仿真j 再设计j 再仿真j ”的工作流程，直至满足设计要求【1 4 j 1 5 o 这样建立“现代机载雷达仿真系统”平台就可以不受时间、地点、气候、环 境等诸多自然因素的影响和限制，对机载雷达系统的设计进行全面的仿真。计算 机仿真系统的模拟条件宽、重复性好，既可用数学模型仿真，又可利用现有设备 录取数据进行实测和验证分析，节省了大量的时间和精力。同时，更为重要的是， 机载雷达仿真系统作为一个开放式系统，可以通过增添新的模型来扩充新的知 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 识、新的理论、新的设计思想和新的处理方法，以此适应不断发展以及更新换代 1 6 1 【1 7 1 。 在仿真系统平台初步构想之后，就要对系统仿真运行的软件环境平台进行选 择。在本课题“机载雷达综合显示系统仿真实现”基础上将使用软件工具完 成机载雷达仿真平台综合显控系统的实现。主要用到的软件开发环境主要有 v i s u a lc + + 、m a t l a b 及o p e n g l 编程工具和软件开发工具。三种工具各有特 点，下面对其进行简单介绍。 1 v i s u a lc + + 开发工具介绍 c + + 是当今功能最强大、最完善的计算机语言，m i c r o s o f tv i s u a lc + + ( 简称 v o 是微软公司提供的基于c c + + 的应用程序集成开发工具。v c 拥有丰富的功 能和大量的扩展库，使得它能有效地创建高性能的w i n d o w s 应用程序和w e b 应 用程序，是软件开发人员不可多得的开发工具。几乎所有的世界顶级软件，从主 流的w e b 浏览器到关键任务的企业应用程序，都是使用v c 创建的。v c 的优越 性主要表现在以下4 个方面： 开发分布式应用。v c 经常用于开发需要广泛发布的应用程序，如 m i r o s o f tw o r d 和l o t u sn o t e s 。 开发的应用运行效率高、具有健壮性。在开发支持成百上千并发用户的 服务器程序方面，使用v c 开发工具具有明显优势。例如m i c r o s o f ts q l s e r v e r 和m i c r o s o f ti n t e r n e ti n f o r m a t i o ns e r v e r 等数据库管理系统都是使 用v c 开发的。 能缩短软件升级周期。c + + 类的重用特性以及它对函数库、d l l 库的支 持能使程序更好的模块化，并缩短软件维护和升级时间。 v c 能够生成多线程应用，而多线程应该对于增加并发响应应有实际意 义。 v i s u a lc + + 的应用程序框架( a p p l i c a t i o n f r a m e ) 是微软基本类库( m f c ) 。 m f c 经过多年的发展，其兼容性和稳定性非常好，理论上m f c 程序可以用任何 符号a n s i 标准的编译器编译通过，这些特性使得v i s u a lc + + 非常适合开发操作 系统底层的应用程序。v i s u a lc + + 不仅是一种可视化的编程语言，而且功能强大， 具有很强的网络编程能力，借助于微软公司的m f c 类库和应用程序能够轻易的 开发出w i n d o w s 标准界面的应用程序【1 9 】。 2 m a t l a b 开发工具介绍 m a t l a b 是一种用于科学工程计算的高效率高级语言。m a t l a b 原先作为 矩阵实验室( m a t r i xl a b o r ) ，是提供使用l i n p a c k 和e i s p a c k 矩阵软件包接 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 的。后来逐渐地发展成通用科学计算、图视交互系统和程序设计语言。 随着m a t l a b 版本的不断更新，其功能越来越强大，使它在诸如一般数值 计算、数字信号处理、系统识别、自动控制、振动理论、时序分析与建模、优化 设计、神经网络控制、化学统计学、动态仿真系统、特殊函数和图形领域表现出 一般高级语言难以比拟的优势，并可以方便地用于几乎所有的科学和工程计算的 各个方面。可以说，m a t l a b 不仅是一种编程语言，而且在广义上是一种语言 开发系统。 m a t l a b 可以被其他语言程序调用，反过来也可以调用其他语言程序。完 成这些工作主要通过m a t l a b 与其他语言程序接口来实现m a t l a b 与其他编 程语言进行混合编程和调用 2 0 l 。 3 o p e n o l 软件介绍 o p e n g l 是一个完全可移植、速度很快的3 d 图形和建模库，也是一个与图 形硬件无关的应用程序开发接口( a p i ) 。具有图形质量高、可靠性高、可移植性 好等众多优点。此外o p e n g l 还包含了近2 0 0 个图像函数，可以方便地开发商性 能图形图像，是目前比较完善的三维图形标准，被许多计算机领域中的大公司所 采用，并且当今主流操作系统w i n d o w s 也全面支持o p e n g l l 2 ”。 1 4 论文的内容简介结构安排 本文首先从西北工业大学“十五”学科建设项目“现代机载雷达仿真系 统”的大系统背景入手，从仿真系统平台的搭建到各子系统功能的划分，层层深 入，剥茧抽丝，直到本文所进行的子系统的研究内容出现，通过相关子系统及各 功能软件模块需求分析与功能实现，达到本文所研究予系统功能实现。论文将通 过计算机仿真得到系统的理论性能实现。此外，还对系统方案的具体实现方法进 行了详细的说明。特别是对系统过程中的关键流程进行了详细论述。尽管系统仿 真实现中出现了很多诸如系统联调、各软件模块工程化等方面问题，但通过努力 均得到有效解决，较完满的完成了系统仿真任务，为后续的硬件实现和设计制造 提供了良好的基础。 本文在内容上的安排是： 在第一章中，介绍本文的工作，以及项目背景。简要的介绍了雷达仿真系统 的作用和雷达仿真技术及综合显示技术的现状。同时说明了开发雷达仿真系统及 综合显示系统的意义并简要介绍了所用到各种开发工具的特点。 在第二章中，对雷达仿真平台显示系统的需求规格进行了说明，进行总体方 6 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 案论证，并根据需求分析，给出了综合显示系统仿真总体设计框架及主要模块设 计方案。 在第三章中，根据总体设计方案，对显示系统的各个子系统的设计和功能模 块的设计进行了详细的讨论和说明，并给出了系统的主要工作流程方案，完成对 机载雷达显控系统的详细细化设计。 在第四章中，本文的重点章节。在详细设计基础上给出关键流程的具体设计 方案，并根据雷达显控系统在实际仿真平台中的工作情况对系统进行了简单的性 能分析。 在第五章，论文结束语部分，给出本课题的结论，指出课题工作中存在的问 题，并展望了今后需开展的工作。 西北工业大学硕十学位论文 ，第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 2 1 引言 由于本课题是依托于“现代机载雷达仿真系统”的大系统背景之下进行研究 和开发的，所以对于“现代机载雷达仿真系统”的系统结构框架、工作原理、组 织模块间相关联系及系统联调都要进行充分理解和掌握，在充分理解和把握好大 系统软件工程化模块要求的前提下，具备良好的大局观，层层深入，对本课题进 行研究与开发，达到系统各项要求。 一个仿真系统的软件开发，从设计思路上入手进行分析系统的深入程度主要 是在于系统开发人员对系统本质的理解的程度，并将用户需求变换到计算机系统 平台中实现。根据软件工程的设计思想【2 2 】【2 3 1 ，本章将对雷达显控系统进行需求 模式分析，并根据需求分析的结果对系统进行总体框架设计，最后对全部仿真系 统的底层通讯模块的总体设计方案进行阐述。 2 2 现代机载雷达仿真系统简介 2 2 1 现代机载雷达仿真系统综述 现代雷达应用中，由于作战空间和时间的限制，加之快速反应能力的要求和 系统综合性的要求，以及雷达面临的“四大威胁”的影响，雷达系统必须具备多 功能和综合对抗的能力。例如，要求一部机载雷达能同时对多目标实施搜索、截 获、跟踪、识别及武器制导或火控等功能：并要求雷达能与通信、指挥控制、电 子战等功能构成综合体。为了体现这种现代雷达的新机制，本系统的设计总体框 图及各部分所使用的新理论和新技术如图2 1 所示。 ，粤恽隐制 【各种编码波形厂吾、l ， ，佩儿烈似儿旺。 i 故障诊断 i 资源管理 【人工智能 上方 电子战系统 友邻信息( 通信 机载警戒雷达 信号处理器 数据提取器 雷达数据处 理 业 目标信息融 综台显示器 匹配滤波、多维滤波、夫带宽 自适应、恒虚警 火动态范围、超高速集成电路 精确定位，飞行特征提取 外形特征提取 超高速集成电路 l 高机动目标多目标实时跟踪算法 l 对大规模、突然袭击的跟踪 i 航迹管理、成像技术 l 上方、友邻情报的融合 l 目标航迹融合 l 敌我识别 ， 1 人工智能 j 多功能显示 1 态势评估 i 告警 图2 1 现代机载雷达各主要部分及采用的先进技术 由图2 1 可以看出，现代机载雷达系统涉及的先进技术可分为如下几个基 本部分： 发射机单元：高占空比，固态，频率捷变，频率分集各种编码波形等技 术； 天线部分：大带宽，数字波束形成，空间自适应，超低旁瓣和多极化等； 信号处理部分：匹配滤波，多维滤波，大带宽，多种工作方式，自适应， 大动态范围，超高速集成电路等。 数据提取部分：精确定位，飞行特征提取，外型特征提取，超高速集成 电路。 雷达数据处理部分：高机动目标多目标实时跟踪算法，对大规模、突 然袭击的跟踪，航迹管理，成像技术。 目标系统融合：上方、友邻情报的融合，航迹融合，敌我识别。 综合显示器包括：人工智能，多功能显示，态势评估，告警等。 综上论述不难看出，一个现代化机载雷达系统涉及到大量的高科技术，具有 非常宽广的研究前景。 西北工业大学硕士学位论文 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 2 2 2 机载雷达仿真系统结构组成 机载雷达仿真系统整体结构主要分为高频系统：雷达空情模拟及天线系统； 微波及高频放大；多目标跟踪与航迹管理：s s r 、e s m 、c s m ，以及通信、火控雷 达接入系统：中放和检波系统；信息融合与目标识别；态势评估；机载显示终端 系统；及机载雷达主控计算机系统等部分组成。这些分系统的有机结合，构成了 现代机载雷达总体，并体现了综台信息生成功能。各部分主要做的工作由各部分 设计人自行制定，并反映现代雷达系统中热门研究领域和技术。同时各部分功能 设计则搞成开放形式，配合机载雷达仿真系统的连通。 2 2 3 机载显示终端子系统介绍 从国际发展趋势看，机载雷达显示终端具有如下特色： 1 从功能上讲，从单一的雷达原始图象显示朝着集综合显示、指挥控制、 人机对话等于一体的方式发展。 2 从实现技术上讲，由笨重的c r t 显示向平板显示技术( f p d ) 方向发展， 如彩色液晶( l c d ) 、等离子体( p d p ) 显示器等。西方发达国家在机载雷达上配 备了具有视窗式工作界面的彩色液晶显示器，不但可以显示目标的原始图像信 息，亦可以显示航迹及其特性，并具有危险告警标示等功能；同时，在搜索、跟 踪阶段具有不同的画面结构。例如，我国最新研制的某新一代小型枫载雷达显示 终端在技术上基本具备上述功能，并将装于某新型战斗机上。 仿真系统平台对雷达显示系统的设计与选择原则是： 保留现有机载雷达的显示设备，给入以逼真感； 以平板显示器为基础，设计最新一代机载模型显示终端，使其既具有基 本显示功能，又具有二次信息处理、显示的能力，并开设窗口显示的能力，使数 字显示和图形显示一体化。这种设计思想既体现了“仿真”，又体现了“学术研 究”，为后续的进一步的研究工作提供了便利条件。 本文所进行的研究项目为：机载雷达综合显示系统仿真实现。 所谓雷达综合显示系统就是指：既能显示雷达的原始图像信息( 一次信息) ， 又能显示来自数据处理系统的二次信息( 如目标的航迹、高度、速度、机型、批 号、敌我属性和危险程度等) ，广泛用于现代防空指挥系统和航空管制系统。雷 达综合显示系统一个重要的特点就是能显示地图背景信息和表格数据信息。能够 灵活地把一次信息、二次信息、各种表格数据和地图背景信息例如河流，跑道， 西北工业大学硕十学位论文 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 桥梁及建筑物等综合在同一个显示器画面上进行显示，形象地提供雷达威力范围 比较全面的综合信息，便于航空管制人员掌握整个空域和地面全局，实施空中交 通管制。如图2 - 2 所示。 图2 2 综合显示器的画面 “现代机载雷达仿真系统”是实验室内基于高性能计算机网络型雷达全系统 功能仿真平台。在大项目系统仿真平台背景下，与“机载雷达综合显示仿真系统” 有数据交互关联的系统有：多传感器数据预处理系统( 简称数据预处理系统) ， 多传感器多目标跟踪系统( 简称多目标跟踪系统) 。由于仿真中需要处理的数据 量和传输量都很大，数据处理算法比较复杂，为提高仿真速度，而将雷达的不同 功能模块交由不同的计算机来完成，通过计算机组建网络互联合理利用计算机资 源，从而确保较快的仿真速度。负责综合显示控制处理计算机，与数据预处理运 算，以及目标跟踪运算的计算机通过集线器( h u b ) 、网卡、网络线组网搭建而成 一个网络平台系统。并设置网内各计算机的机器地址及通讯入口地址进行通讯。 将各部分处理后的综合显示数据信息能实时传送到终端综合显示系统上。 2 3 机载雷达综合显示系统仿真模块需求分析 2 3 1 人机交互需求 在雷达仿真系统中，终端显示系统除了担负雷达显示的任务之外，还承担着 对各子系统的控制任务，也被称为雷达显控系统。在综合显示系统中，雷达一、 1 1 西北工业大学硕士学位论文 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 二次显示和态势显示需要进行人机交互式操作。使用交互式处理完成雷达信息与 数据的显示，地图背景的放大、缩小、平移、旋转，目标航迹的绘制，以及告警 等诸多功能的实现，同时还能通过交互操作改变显示模式，主要包括显示内容的 转和手动自动状态的切换等等。 终端显示控制系统的人机交互性主要体现在仿真系统的参数设计上。雷达系 统进行仿真时所需要的各种工作参数都要由操作人员通过显示控制系统进行输 入，而且由于这些参数信息之间相互之间有制约关系，还要确保在仿真开始时刻 数据的正确性，防止不合法的数据进入系统造成系统崩溃。此外，在仿真过程中 操作人员还要监控各个子系统的工作状态或改变系统工作参数，所有这些工作都 要通过人机交互界面来完成。综合信息和态势显示系统里的人机交互主要是控制 人员的需要，随时切换以显示不同的内容。 2 3 2 数据传输控制需求 这里的数据传输主要指由雷达仿真各子系统到综合显示系统之间的双向数 据交换控制及传输。各子系统和显示系统之间的数据属于点对点双向高速数据传 输。由于雷达信号处理器，数据融合器及图形数据库送来的数据经预处理后，实 时地送入显示缓存器。并按需要进行必要的显示；对某些特殊的数据，可通过面 板操作，获得更全面、更详尽的字符显示以及必要的图形显示和危险提示。这就 要求数据传输控制部分具有高速、双向、可选的信息处理能力；并可通过操作人 员进行控制操作。 由于雷达仿真系统的各个子系统分别处在不同的计算机上，而系统仿真又有 大量的数据需要在各个子系统间传递，所以数据传输速度需求十分迫切。从物理 网络的拓扑结构来看，仿真平台各个子系统所在计算机通过1 0 0 兆的交换机实现 点对点高速数据传输。而从数据流向来看，仿真系统实际上构成了一交互式结构： 雷达显控系统得到由数据预处理系统发送过来得到的数据，而且将系统控制参数 传递到数据预处理系统；同样，多目标跟踪系统也将进行了目标跟踪后的数据传 送给机载雷达的显控系统，由显控系统得到中央控制参数。除此之外，还有一些 状态、查询等标志在各子系统和中央控制台之间传递。所以，如何在各子系统之 间建立可靠稳定的数据传输是系统设计时必须考虑的。 机载雷达接收、存储过来的数据是从前端计算机传输过来的点迹数据，必须 进行预处理及关联滤波，形成单站目标航迹，在送至信息融合。雷达数据在预处 理阶段的传输流程通过图2 3 示图来表示： 西北工业大学硕士学位论文 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 雷达数据预处理运行时，首先需要设置接口地址，使数据预处理仿真系统能 够通过所设置的口地址与显控系统部分进行连接，使真实点迹航迹能够传输到 显示控制子系统中去。 图2 3 预处理系统流程图 信息融合系统同样用机器地址进行连接，系统采用多线程编程技术，将数据 接收、存储与数据预处理分属于不同的线程，数据接收、存储工作在主线程进行 处理，只要数据到达，程序首先接收数据，防止点迹数据丢失；数据处理及传输 采用工作着线程进行处理，可以设定不同的优先级，同时有利于人工干预的实现。 系统采用固定接收数据缓冲区长度，接收数据后，采用先入先出的方式存储、 读取数据，如缓冲区数据已满，则新来的数据将缓冲区内最早的数据压出，数据 存储结构和数据模拟中的数据传输结构一样。 机载雷达信息融合处理是接收、存储从各个雷达传输来的航迹数据，进行关 联、滤波，形成融合中心目标航迹。其流程如下： 图2 4 雷达信息融合处理流程图 西北工业大学硕士学位论文 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 数据信息融合系统在运行时，首先需要设置机器接口地址，使数据处理计算 机能够通过设置的口地址与信息融合进行连接，使航迹数据能够传送到信息融合 系统。 该系统同样采用多线程编程技术，将数据接收、存储与数据融合分属不同的 线程。系统接收与存储方式与雷达数据预处理系统一样。 该系统为综合显示控制系统提供地图信息显示和航迹信息显示依据。 2 3 3 表格化、图形化显示需求 综合显示的图形化可以给操作人员提供清晰、醒目的战场全域图。在该显示 系统中，既可以是经检测器输出的一次信息( 点迹) 以及航迹和相关的字符，也 可以是危险、特殊图标的闪烁、加亮的图形和标志；还要配上随飞行器运动而进 行移动的电子地图。在屏幕上，对特殊目标或者地域，可以通过人工圈点而调出 更详细的数据信息或飞行轨迹。在自动工作状态下，即使没有人工干预的情况下， 显控系统可自动跟踪平台运动情况，并对空中目标进行自动跟踪和显示和航迹管 理以及危险提示及告警等。 雷达综合显示及目标态势都需要进行计算机的图形显示。 在计算机图形学中，为了通过显示设备来考察几何物体的特性，应用了一系 列用于显示、输出的坐标系统1 2 4 j 。 世界坐标系( w o r l dc o o r d i n a t es y s t e m ) 该坐标系主要用于计算机图形场 景中的所有图形对象的空间定位和定义，包括观察者位置、视线等。计算机图形 系统中涉及的其他坐标系统都是参考它进行定义的。 屏幕坐标系统也成为设备坐标系统，它主要用于某种特殊的计算机图形显 示设备( 如光栅显示器) 的表面点的定义。多数情况下，对于每一个具体的显示 设备，都有一个单独的坐标系统，在定义了成像窗口的情况下，可进一步在屏幕 坐标系统中定义名为视图区( v i e wp o r t ) 的有界区域，在视图区中成像即为实 际所能观察到的。 总之，创建并显示一个几何物体，必须首先建立世界坐标系。然后，需要指 定视点方位、视线和成像面的方位。为了观察到物体的成像，还必须在各坐标之 间实现变换后，进行投影变换，才能的到物体的成像。 计算机图形显示中有“视见变换”关系，世界坐标系中要显示的区域称为窗 口。窗口映射到显示器上的区域成为视口。窗口定义了显示内容，而视口定义了 在什么位置显示。由于窗口的坐标系不同，为了窗口图形正确的显示在视口中， 西北工业大学硕士学位论文 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 必须进行的变化称为视见变换。调整缩放比例s x ，s y 可以控制动态二维地图缩 放，满足地图背景的缩放功能。 雷达综合计算机仿真显示系统画面上，既要显示雷达的原始图像( 一次信 息) ，又要显示经过数据处理设备( 中心计算机) 处理过的目标数据( 二次信息 显示，如飞机目标运动轨迹的高度、速度、机型、批号、敌我属性等) 。这些都 需要运算速度高，性能好的计算机来实现功能仿真2 5 1 。 此外通过人工干预，显示系统可以进行显示模式转换，实现a 型、b 型和p 型显示器显示切换功能，使得显示系统满足不同显示需求。 雷达显示器的种类很多，a 型显示器是最简单的一种雷达显示器，提供目标 和信号强度( r c s ) 信息。a 型显示器用于天线通常不扫描的测量雷达和数据收 集雷达中。b 型显示器用直角坐标表达雷达的搜索区或监视区，而不用极坐标表 示，b 型显示器通常应用于空对空的场合。在确定某一特定目标的距离和方位的 火控应用方面，b 型显示器特别有用。p 型显示器( p p i ) 是在二维显示器当中应 用最多的，在雷达的视界范围内，p p i 显示器从中心算起的距离表示各类目标的 斜距，而显示器界面的方位角则表示各种目标的方位坐标，这就构成极坐标的平 面位置显示。图2 - - 5 所示，三种常见的雷达显示器示意图。 a ) a 型显示器 距 离 户 二孓方 公7 气立 刀趴 b ) b 型显示器c ) p 型显示器 图2 5 三种常见的雷达显示器 2 4 机载雷达综合显示系统仿真平台建立 “现代机载雷达仿真系统”总体结构如图2 - 1 所示。从图中我们可以看出， 该仿真平台是一个开放式的体系结构。除整体框架之外，详细部分的硬件图和软 件流程未进行规定，以利于各种功能模块根据实际要求的变化和技术的发展不断 升级，同时也有利于对某一模块的技术水平不断完善和提高，以及当系统参数变 化时便于适应和修改。 1 5 j 些王业大学硕士学位论文 第二章总体方案论证与仿真系统平台建立概述 ! = i _ 自= = ! = = ! = = 目自= = ! ! = ! = j t e = ! ! = ! = _ - e 一1 2 4 1 主控台建立 主控台是操作人员控制雷达系统仿真的关键核心部分，其主要功能模块划分 如图2 - 6 所示 图2 - 6 显控系统仿真主控台功能模块图 ( 1 ) 通讯模块：系统的底层模块，用户并不可见，主要负责传输系统接i z l 参数及一些状态查询指令，以及以及点对点双向高速数据传输及控制。而仿真的 主界面是系统正常工作时面向操作人员的主界面，属于可见的部分。 ( 2 ) 数据整理：主要是对接收到的整批数据进行分类提取，并赋值生成绘 图所需的各种变量。 ( 3 ) 数据传递：本仿真系统主要是将m a t l a b 工作空问的矩阵变量传递到 v i s u a lc + + 程序中【2 6 j ，最后v i s u a lc + + 根据数据进行绘图或者计算机图