机载相控阵雷达仿真系统研究与实现
谢 卫
(中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036)
摘 要： 通过对机载相控阵雷达原理、工作流程的研究，对其功能进行分解和融合，转化为目标检测、多目标滤波跟踪和任务资源调度管理等多个数学模型；着重分析研究了机载相控阵雷达的核心模块，其相关功能、原理和实现流程，以及仿真系统的体系结构，提出了机载雷达仿真软件系统的实现方法。对提出的方法进行仿真试验，充分验证了模型和方法的可行性和有效性。该仿真软件已成功应用到工程试验项目。
关键词： 机载雷达；相控阵；仿真建模；数据融合；目标跟踪
0 引言
由于现代空战上各种复杂环境的影响，要求利用多种传感器组网来采集目标信息并加以融合，充分利用不同目标不同频段、各个方向的反射特性，最大限度地提取信息，满足空战需要[1,2]。对于数据融合来说真实的战场目标和传感器探测数据，是检验其有效性的最好条件。然而这样的真实数据很少，而且成本也较高，在融合算法的前期研究和实验阶段，就需要我们真实的模拟不同干扰环境下传感器的探测数据。
雷达分系统是飞机综合火控系统的重要传感器之一，也是研究空战中综合信息处理技术至关重要的数据来源之一。本文研究实现机载相控阵雷达的任务调度机制和跟踪滤波等关键技术，构建了能支持任意长仿真时间和包括机载运动平台及仿真过程中切换雷达工作模式在内的动态仿真环境，同时考虑欺骗干扰环境下雷达的跟踪处理和不同环境下雷达误差的在线模拟，为研究机载雷达抗干扰技术以及多传感器数据融合处理技术提供一个灵活可控、高逼真度的数字仿真试验平台。
所谓初中物理课堂教学的有效方法，实际上就是教师要建立起高效的初中物理课堂。简单地说，就是物理教师在一定的、有限的课堂时间内，能够通过各种方式使得物理教学课程真正、高效地得到推进，使每一堂课都能得到最大限度的发挥，学生真正将知识点牢牢地记在脑海里。而要在初中物理课堂当中实施高效教学，就需要物理教师摒弃古板陈旧的教学方式，通过不断学习具备现代教学理念以及掌握各种高效教学的方式，使学生真正提起对物理的学习积极性，实现学习效率的提升。本文将结合人教版初中物理教材，浅探初中物理教学中的有效方法。
1 仿真系统模块与流程设计
仿真系统按组成结构分为战场虚拟目标及状态仿真软件和雷达动态探测仿真软件两大部分。其中，战场目标仿真软件用于制作想定，对目标进行布站，以及提供目标速度、位置、航迹、型号以及目标所搭载的辐射源信息等。雷达探测仿真软件接收目标仿真软件产生的目标原始数据，并进行相关雷达数据处理，如计算信噪比、交汇计算等，模拟雷达对目标的探测处理，产生雷达探测目标的相关数据，成为后端融合处理系统的输入，软件结构及相互关系如图1所示[3]。
图1 系统体系结构
雷达探测功能仿真是通过仿真目标回波、接收机噪声、干扰、杂波等信号的幅度信息来复现雷达的检测过程，一般采用基于Monte Carlo的方法来实现[4]。主要是根据目标与雷达的交会几何关系计算信号及干扰的功率。因此，需要对目标与雷达交会的几何关系、目标与环境、雷达检测过程、雷达测量精度等建立数学模型。
2 核心模块的分析与建模
2.1 雷达检测模块
雷达检测模块主要功能就是获取目标的点迹和检测信息，主要完成坐标系转换、交会计算、检测计算等任务。设置雷达天线的方位、俯仰范围，天线增益、波束宽度、发射功率等参数等计算雷达的探测范围，通过与目标的交会判断，目标回波功率、噪声功率、信噪比、检测及虚警概率的计算完成雷达对目标的检测功能。
⑴ 坐标系转换
据郭开云的回忆，这次调查是一次普查。工作内容，包括对前一次调查的“复查”，以及对马游之外的其他有梅葛传唱的地区（比如昙华等）的“普查”，而参与者有10多人（郭开云列出12人），耗时2个月。
由于目标和雷达平台的位置参数都是在大地坐标系下给出的，为了得到目标相对于雷达平台的位置和速度信息，需要将目在标大地坐标系下的位置和速度转换到天线阵面直角坐标系。
延迟链表中的雷达事件满足以下约束条件：①不满足执行链表的约束条件；②
为第i个事件请求的时间窗。
搜索时，利用俯仰和方位波束信息来判断；当目标已被跟踪上时，可以预测到目标的距离和速度时，就可以利用距离波门、速度波门、俯仰及方位波束信息来判断。
物流企业要有效针对不同的职能部门，发挥各部门不同的经济责任和不同的经济职能功能，就必须建立权利和责任相结合的财务风险管控机制。从物流企业整体出发，提高整体工作效率。在建立财务风险管机制的同时，尤其要以财务风险管机制为中心来优化财务管理行为。除此之外，做好加强对企业发展决策、成本控制和管控机制等多方面问题研究的工作也是必不可少的。 同时为了充分发挥企业的有效资源，提高企业的经济效益，必须加快信息的集成化速度和提高对现代化的信息技术的运用。这既是确保物流企业资金安全和资金活动效益性的有效措施，也是防止与解决财务风险的重要方法。做好，物流企业可根据本企业的经营情况，选择设立以下企业风险管控机制：
假定目标在天线阵面方位坐标系下的位置
，雷达波束中心在天线方位坐标下的坐标
，方位和俯仰的波束宽度分别为
，则交会成功的判断条件为
借助教具模型模拟遗传信息的翻译过程，学生不但理解了翻译的过程，还对这一过程中的密码子、反密码子、tRNA和翻译等概念有了较为深刻的认识。对于另外一些较难理解的内容(如伞藻嫁接、核移植实验、有丝分裂过程、减数分裂过程、基因的分离定律和自由组合定律等)，其过程都不易通过实验直接观察，都可借助模型教具模拟动态过程，引导学生深入思考。在模拟实验过程中逐步培养学生的科学思维能力，并养成运用科学思维的方法认识事物、解决实际问题的思维习惯。
⑵ 航迹关联
检测计算是在计算目标回波功率、干扰功率、噪声功率的基础上，设定合适的门限电平通过雷达检测方程得到检测概率和虚警概率。
2.2 数据处理模块
雷达数据处理模块主要是进行多目标的跟踪处理，具体包括航迹起始、航迹关联，航迹质量管理，以及航迹的滤波预测。
有些学生在平时做作业，做练习时，不喜欢动脑，就拿手机搜题找答案，应付老师的作业。慢慢的失去了思考问题的能力，到了考试时，同样也拿出手机搜题，或者用手机传递答案。这样不仅严重违反了考试规则，扰乱了正常考试竞争的公平性，还在师生中引起极恶劣的影响。
⑴ 航迹起始以及航迹管理
航迹起始方法：对于每一帧中，没有与任何航迹相关的点迹，均起始一条暂时航迹，其航迹质量为1（航迹质量共有0，1，2，3四等级，质量为0时航迹终止）。①以暂时航迹的第一点为中心P1，VmaxT（T为雷达的扫描周期）为相关门的半径，如果下一个扫描周期雷达在此区域观测到新的点迹P2，则形成暂时航迹的第二点，航迹质量升为2。②在获得P1,P2两点后，利用两点的数据，形成暂时航迹的状态估计，并对第三点进行预测，以预测点P3'为中心。新的点迹落入此关联门，航迹质量升为3，转化为可靠航迹。③如果没有点迹落入，则外推一个点再做预测，关联逻辑同上，若有观测值满足要求，则该航迹得到确认，转化为可靠航迹，否则删除该航迹[5]。
全新的欧6 D阶段排放标准旨在确保车辆在日常使用过程中的尾气排放符合标准。沃尔沃卡车为满足更为严苛的排放标准，推出了新型发动机软件，并改进了尾气后处理系统的涂层。
⑶ 检测计算
这里采用计算量少的最近邻域相关法，即比较相关门内各个回波的更新向量v(k+1)，使g(k+1)达到最小者被看作是真实目标的回波。其中
最近邻域相关法按以下四条判别准则进行关联。
执行链表中的雷达事件要满足以下两个约束条件：①
，其中，ΔT'为
中第i个事件请求的驻留长度，TEQ为执行链表中的事件驻留长度总和；②t'si的赋值满足下属公式的约束。
① 若某个航迹门内只有一个观测量，则该航迹与此观测量相关，而不考虑其他。
② 若某个观测量已落入一个航迹门内，则该观测量与此航迹相关，而不考虑其他。
③ 当某航迹门内含有多个测量时，该航迹与最近的观测量相关。
④ 当某观测量落入多个航迹的门内时，该观测量与最近的航迹相关。
⑤ 在航迹关联时，当建立滤波器之后，采用椭球形相关门进行相关。
⑶ 滤波预测
设γ为椭球跟踪门的门限大小，当回波Z(k+1)的范数满足关系式g(k+1)≤γ时，称Z(k+1)为候选回波。
考虑到目标可能会机动飞行，因此采用当前比较有效的机动目标跟踪算法交互式多模型（IMM）算法，IMM算法包含了多个滤波器（各自对应着相应的模型）、一个模型概率估计器、一个交互式作用器（在滤波器的输入端）和一个估计混合器（在滤波器的输出端），多模型通过交互作用跟踪一个目标的机动运动[6,7]。
本系统中滤波器采用三个模型，第一个为非机动（匀速运动）模型，第二个和第三个都为机动（匀加速运动）模型，状态矢量和观测值均在地心直角坐标系下表示。子滤波器采用Kalman滤波器。
2.3 资源管理模块
资源管理模块主要实现各种雷达事件的产生，不同的工作模式对应不同的波形和波束参数，雷达事件的调度等功能。其工作流程如图2所示。
图2 雷达资源管理仿真步骤
在保证高优先级雷达事件优先调度的条件下，使得调度间隔内的空闲时间尽可能少。采用自适应调度算法，其原理具体描述如下：
⑴ 调度器取出期望发射时间落入本调度间隔中的雷达事件，记为
，将R中的雷达事件根据优先级和期望发射时间按字典序排列，得到
⑵ 取出 r1'，令
，送入执行链表。对
的事件依次分析后分别送入执行链表、延迟链表和删除链表。
第十九条规定：“设置取水口、入河排污口或者实施可能对水功能区有影响的活动，有关单位在提交的取水许可申请（水资源论证报告）、入河排污口设置申请、河道管理范围内工程建设项目申请、防洪评价报告等行政审批申请文件中，应当按照法律法规要求论证涉水活动对水功能区水质、水量、水生态的影响，提出预防、减缓、治理、补偿等措施。预防、减缓、治理、补偿等措施应当与取水口设置、入河排污口设置或者其他活动一并实施。县级以上地方人民政府水行政主管部门或流域管理机构在审查前款所列行政审批申请文件时，应当对其是否符合水功能区保护要求进行审核，不符合水功能区保护要求的，不予批准。”
⑵ 交会判断
目前，PPP在我国发展势头良好，是电力设计企业实现转型发展的难得契机。为了准确研判电力设计企业参与PPP项目的前景，运用SWOT方法进行分析，研究结果表明：电力设计企业参与PPP项目具有独特优势，应结合国家政策、宏观经济环境和自身情况，从制度、能力、市场、资源、风险和人才六个维度出发做好充分准备，包括完善制度体系和决策机制，整合内外部资源，加强与产业链各方的合作，提升业务管理和市场开发能力，加强投资、建设和运营三个阶段的全过程管理。只有弥补了自身的不足，电力设计企业在抢抓PPP市场才能充分发挥自身优势，降低投资风险，获得合理的收益，从而弥补传统业务减少所带来的影响，实现健康可持续发展。
通过实行理事会制度、理事会领导下的执行院长负责制和监事会制度，构建起决策、执行、监督相互分工、相互制衡的权力运行机制，在重要干部任免、财务预决算、年度工作总结与计划、重大发展决策等方面行使决策权。理事会中的外部理事可参与到医院管理中，提高了科学决策水平，也促使医院的服务能更好地满足患者需求，充分保障医院的公益性。
删除链表中的雷达事件不满足执行链表和延迟链表的约束条件。
执行链表中的雷达事件将被送入任务处理模块。延迟链表中的雷达事件送入下次调度间隔进行再次分析。删除链表中的雷达事件将被丢弃。
3 仿真试验分析
为了验证雷达仿真实现的效果和关键算法模块的性能，设计了一个仿真场景，如图3所示。
图3 实验场景
载机匀速直线运动，初始位置(20000m，6000m，0m)，飞行速度200m/s；目标1匀速直线运动，与载机飞行方向夹角方位-15度，俯仰0度，初始位置(30000m，6000m，-30000m)，飞行速度340m/s；目标2匀速直线运动，与载机飞行方向夹角方位15度，俯仰0度，初始位置(15000m，6000m，30000m)，飞行速度500m/s；目标3抛物运动，与载机飞行方向夹角方位0度，俯仰30度，初始位置(40000m，5000m，20000m)，飞行速度200m/s。
选择1号目标进行分析，在默认系统误差(由目标RCS、信噪比和距离相互作用产生)下，测试雷达处理效果。从图4可以看出，在滤波器作用下，目标1的跟踪误差小于检测误差，平滑滤波效果良好。检测误差变化范围在一百米左右，跟踪误差变化范围在几十米以内。
2组患者干预前的步行功能状况比较P>0.05,干预后,2组患者的步行功能状况均得到改善,且实验组患者的步行功能状况显著优于常规组患者,P<0.05。见表1:
图4 雷达探测精度仿真分析
手动修改跟踪误差水平(测距误差100m，测速误差20m/s，俯仰测角误差0.005rad，方位测角误差0.005rad)，模拟不同环境下雷达的跟踪效果。从图4可以看出，检测误差变化范围在一千米以内，跟踪误差变化范围在几百米以内，平滑滤波效果良好。
输入欺骗干扰，距离拖引干扰(拖引速度：1000m/s，拖引时间：5s)，速度拖引干扰(拖引速度：100m/s，拖引时间：5s)。同时切换雷达的工作模式TAS/STT/MTT。
望着眼前三层楼高、盘旋而下的传送带，我们禁不住发出了惊叹，暗自想象夜里机器轰鸣声响起，传送带快速转动，一叠叠报纸从眼前掠过的场景，那将是多么壮观。翻阅广州日报报业集团这家地方报业大佬的发展史，你会看到中国报业发展史上的一段流传甚广的佳话。1997年香港回归之日，广州日报以创纪录的当日刊出“97版”报纸一炮而红，奠定了其在中国报业中的“江湖”地位，从此摆脱了“地方小报”的命运。
图5 XYZ维度上目标跟踪误差
雷达在TAS模式下运行，在400s时对1号目标进行STT变换(拖引欺骗干扰效果从图5(a)可知)，拖引期结束后仍按照TAS模式工作，雷达仍然能稳定跟踪1号目标；550s之后，由于对2号目标进行单目标跟踪(拖引欺骗干扰效果从图5(b)可知)，所以1号目标在这段时间内没有检测和跟踪点迹；650s之后，由于角度原因，目标2未能交会和检测。此后雷达传感器转入MTT工作模式，对1号目标进行搜索。
TAS工作模式下，采样时间间隔为0.05s，MTT采样时间间隔为8s，对单个目标TAS的跟踪效果好于MTT模式。通过分析可知，建立的模型符合机载相控阵雷达的工作原理和性能要求。
4 结论
本文阐述了机载相控阵雷达动态探测目标的主要处理过程，对雷达数据处理的关键环节和相关模型给出了分析，并进行了仿真试验。在仿真系统中，对目标回波、接收机噪声、干扰、杂波等信号进行了模拟仿真，提出了机载相控阵雷达系统仿真的详细流程，同时提供了系统在线实时修改雷达性能参数和不同工作模式的切换，使得可以方便的模拟不同场景和质量的探测数据。仿真结果说明了系统通用模型的可行性和有效性，其软件系统已成功应用于某大型空战仿真系统，为空战系统的仿真研究提供了支撑平台和分析评估依据。目前，针对通用模型进行功能、流程仿真研究，对其不同型号的相控阵雷达模型有待作进一步差异性分析，研究其参数特征进行调优试验。
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Research and realization of airborne phased array radar simulation system
Xie Wei
（CETC No.10th Research Institute,Chengdu,Sichuan 610036,China）
Abstract： By analyzing airborne phased array radar's function and its decomposition and synchronization,the mathematic models such as target indication by radar,multi-target tracking and resource management are built.Focus on the function,the theory and the realization process of the core model,a realization method of the simulation software system for airborne phased array radar is presented.The result of the simulation has validated the model and the method,the simulation software system has been successfully applied to the test project.
Key words： airborne radar；phased array；simulation modeling；data fusion；target tracking
中图分类号： TN955
文献标志码： A
文章编号： 1006-8228(2019)06-26-05
DOI： 10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2019.06.008
收稿日期： 2019-02-01
作者简介： 谢卫（1984-），男，四川南充人，硕士，主要研究方向：情报处理，数据融合。
标签：机载雷达论文; 相控阵论文; 仿真建模论文; 数据融合论文; 目标跟踪论文; 中国电子科技集团公司第十研究所论文;