复杂 CGF空战环境中雷达探测模型研究 *
王思卿，乔勇军
(海军航空大学，山东 烟台 264001)
摘要： 针对目前计算机兵力生成(CGF)系统中实体探测模型过于简单、无法满足作战训练需求的问题，提出一种基于雷达功能的仿真方法，结合与战场态势的耦合过程，对CGF空战环境中的雷达探测模型进行了研究。为直观反映出雷达探测模型的战术指标和功能特性，将模型分解为不同功能的模块，根据作战环境数据库对数据进行预处理及信号功率的计算，构建出雷达信号的耦合模型，对复杂战场环境下雷达所受干扰区域进行了建模与仿真，并对不同干扰条件下雷达可探测区域的变化做了详细分析。仿真结果表明了所建模型的可行性与有效性，满足了作战训练的需求，并且模块化的设计结构可应用于不同作战环境与应用背景，体现出良好的互操作性与可重用性，为CGF训练系统的开发与优化提供了有力支撑。
关键词： 计算机兵力生成；雷达探测模型；探测范围；干扰；功能建模；作战训练
0 引言
模拟仿真训练是作战指挥人员进行战术演习、装备训练等大规模性仿真的重要手段[1]，以此达到减少装备损耗、增强训练安全性、提升作战能力的目的。雷达探测作为其重要的一部分，是对抗双方相互作用的传感器，是整个训练系统的空情来源，更是攻防对抗的基础。因此，对雷达特性及功能的仿真具有重要意义[2-3]。
取不同冻藏时间的冷冻面团，利用FID试验调节共振中心频率，CPMG脉冲序列测量样品的自旋弛豫时间(T2)，称取面团(3.0±0.01) g放入试管中，置于永久磁场中心位置射频线圈的中心，进行CPMG脉冲序列的扫描试验。CPMG试验参数：主频=21（MHz）,偏移频率=99315.9（MHz），采样点数TD=156492，重复扫描次数NS=64，重复时间TR=1500 ms，半回波时间τ=7 μs，温度=32 ℃。利用T2反演拟合软件对CPMG弛豫衰减曲线进行反演得到弛豫图谱和T2[10]。
根据仿真粒度的不同，分为基于信号级的高粒度仿真(信号仿真)和基于推演级的低粒度仿真(功能仿真)2种[4]。两者的区别在于模型中的分辨率高低有所不同。信号仿真可模拟出雷达实际工作时的复杂电磁环境，产生各类特殊格式的信号，它将信号处理的整个过程全部进行仿真，包括发射、传输、杂波干扰叠加、滤波、抗干扰、门限检测等。而功能仿真主要以雷达、干扰方程为基础，既不包含信号的相位信息，也不涉及幅度信息，主要由探测目标与雷达间的几何位置关系来计算信号及干扰强度。并且功能仿真将研究重点放在了分析雷达的功能特性上，对处理机中的信号和波形细节没有过多讨论，因此其真实度存在一定局限性，但所得雷达仿真模型功能完备，可反映雷达探测模型的主要战术指标，速度快、效率高[5]。现有文献中的雷达探测模型大多都对雷达作用距离进行了简要仿真，但缺乏干扰背景，并且部分模型效率高但功能单一，缺少交互性；而采用信号仿真方法的文献中，虽然加入了参数设置以提高仿真灵活性，也具备了真实的回波显示，但在进行信号解算时操作异常复杂，系统开销大，仿真运行效率低下[6]。基于以上分析，本文采用功能级仿真的方法来建模。
1 雷达功能仿真流程
在基于雷达功能的仿真方法中，雷达探测概率由信噪比或信干比决定[7-8]。图1为雷达功能仿真的流程图。由雷达距离方程及干扰方程求得信噪比，进而由检测曲线得出目标的发现概率P d(在一定虚警概率P f 下)。u 是取[0,1]区间上的一个随机变量，做均匀分布，且当u ≤P d时，判断为雷达发现目标；当u >P d时，判断为雷达没有发现目标。
图1 雷达功能仿真流程
Fig.1 Radar function simulation process
本文基于战场环境与雷达的耦合过程，将雷达作为一个整体考虑，对雷达探测模型进行研究。将战场态势作为雷达的输入，输出雷达的主要战术指标和功能特性，反映出雷达的探测性能。此建模方法既可避免对雷达各种回波信号繁琐的解算过程，又可保证对雷达探测特性及战术功能的基本展现，利用良好的可重用性与交互性以有效提高CGF空战训练水平。
2 主要功能模块
结合典型的模拟训练仿真系统的实际开发情况，从设定的实时战场态势筛选出可用参量，并对信号和功率强度进行处理和计算，最终进行信号耦合，对现有雷达仿真方法和所建立的分步映射模型进行了分析，确立如图2所示的各子模块的仿真模型。
本文主要分析雷达在CGF空战环境下的基本战术特性及在有源干扰条件下的受干扰情况。
式中：P j为干扰机发射功率；G t(θ )为雷达天线在干扰机方向上的增益；G j为干扰机天线在雷达方向上的增益；r j为雷达天线上的极化损耗；R j为雷达与干扰机间的距离，将以上参数代入经验公式(4)即可计算G t(θ )：
2.1 预处理模块
数据预处理模块的主要工作是对战场环境中得出的数据进行分析，再进行筛选和预处理。具体包括确定参数使雷达能够识别并进行处理，再将其转换成下一模块中能够直接使用和计算的参数。处理流程如下：确立探测目标类型(飞机或导弹)；确定目标与雷达间距离，判断其是否在雷达可探测距离内，为了便于观察与分析，通过坐标变换将地心直角坐标变换为站点直角坐标或站点极坐标；确定探测目标的高低角、方位角等参数，判断其是否处于雷达探测角度范围内；确定目标径向速度；考虑杂波信号强度影响，判断探测目标是否处于φ 3dB(雷达高低角3 dB波束宽度)范围内[9]。
图2 雷达功能仿真模型
Fig.2 Radar function simulation model
2.2 信号功率计算模块
由前文分析中可知，功能仿真方法的关键是计算雷达信噪比(或信干比)，通过检测曲线得出发现概率(在一定虚警概率下)，进而对雷达是否发现探测目标进行判断[10-11]。
2.2.1 无干扰时计算模型
在自由空间中，雷达所处的环境接近理想化，发出和接收的信号不会受到任何干扰，由接收机内部产生的噪声和目标回波功率强度之间的比值决定雷达的可探测范围[12]。其中，目标回波功率强度为
(1)
式中：λ 为雷达工作状态时的波长；σ 为目标的雷达截面积RCS；G t为雷达发射天线增益；G r为接收天线增益；P t为发射功率；R 为雷达与目标间距离。
雷达接收机热噪声平均功率强度为
式中：B r为雷达接收机带宽；F 为接收机噪声系数；k 为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10-23J/K；T 0为接收机温度，取值为290 K。
N =kT 0B rF ，
(2)
将上述行星机构各构件的转角代入式(3),再将α等于齿圈与太阳轮齿数比代入,经推导，可求出双星行星机构的装配条件为
式中:K j为压制系数，其余参数意义与式(1),式(3)中相同。将式(4)代入式(9)，取等式即可得到雷达在有源干扰条件下的可探测范围：
在一般真实情况下，雷达所处的环境都会受到干扰，这也符合CGF系统中对雷达探测模型的基本要求。对雷达的干扰主要分为无源干扰和有源压制性干扰[13]。而在模拟训练系统中，主要考虑有源压制性干扰[14]。在雷达受到有源压制性干扰的情况下，雷达接收机的干扰功率强度为
(3)
关于借代造词或产生词的借代意义的问题,拙文《论修辞格对汉语词义的影响》曾有所涉及。[注]吴礼权、李索:《修辞研究》(第一辑),广州:暨南大学出版社,2016年,第74-87页。其中谈到汉语可以直接用借代修辞格产生汉语词义,举的例子如:
(4)
式中：θ 0.5为雷达天线的主波瓣宽度；θ 为雷达与目标连线与雷达与干扰机连线间的夹角；K 的取值范围为[0.04,0.1]。
习近平新时代全面从严治党研究——基于党内政治生态建设的视角……………………………………………………………张文龙（5）：6
2.3 信号耦合模块
在自由空间中的信噪比可由公式(1)和公式(2)可得出
(5)
由前文分析可知，在得到信噪比或信干比的基础上，发现概率P d和虚警概率P f可将雷达探测性能具体量化。发现概率P d可简化计算为
(6)
式中：D j为综合抗有源干扰综合改善因子。
在复杂电磁环境中，雷达接收机输出端的信干比可由公式(1)和(5)得出：
In Figure 1: λ is the traveling wave wavelength, mm; 2a is the contact area length, mm; hm is the thickness of the friction material layer, mm; Wz is the vertical amplitude of the traveling wave, mm. The traveling wave equation of the stator surface can be written as follows
(7)
式中：取P f=10-6；ratio 为信噪比或信干比。
2.4 受干扰区域仿真模块
在CGF空战模拟训练中，提升训练水平和效果的关键是将雷达在有无干扰情况下的探测范围及变化展现出来，增强训练人员的沉浸感，以此真实体现出雷达在复杂环境中的战术指标及探测性能[15]。因此，对于CGF空战训练中最为多见的有源压制性干扰，本文对其影响下的受干扰区域进行了仿真与建模，并对可探测范围进行了分析与研究，这种基本建模方式也适用于其他种类的干扰情况。
吸附量(qe(mg/g))和吸附去除率(φ)可以衡量炭化花生壳及活性碳纤维对水溶液中Cd2+的吸附能力，由下列公式进行计算：
图 5(c)为不同进口Mach数下燃烧室内当地Mach数分布图. 受楔板与喷流共同作用, 流场中存在复杂的波系结构, 如楔板前缘斜激波、 喷口前分离激波、 再附激波以及由于壁面和燃烧面的限制导致的在壁面和燃烧面之间的连续反射激波等, 这些因素共同造成了燃烧室内特有的复杂流动现象. 根据图 5(c), 随着Ma∞的增大， 亚声速区减小， 且燃烧室内各激波随着Ma∞的增加更加趋于“扁平”, 这表明气流在燃烧室内的停留时间减少, 这使氢气燃烧及火焰稳定变得更加困难.
在自由空间中，雷达的探测范围由式(5)可得
(8)
式中：各参数意义与式(5)中相同。
2.2PASI评分 在进行治疗前,两组PASI分数接近,差异无统计学意义(P>0.05);在经过治疗后,两组病患的分数都有所下降,研究组比对照组的分数更低,差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。
在有源压制性干扰条件下，将式(1)和式(3)代入雷达干扰方程J /S ≥K j中即可得到雷达探测范围[16]：
(9)
2.2.2 有干扰时计算模型
(10)
式中：各参数意义与公式(4)，(9)中相同。因此，公式(8)，(10)即可描绘出雷达受干扰区域的内外边界。
3 仿真校验
在雷达检测概率一定的情况下，雷达的探测范围受雷达参数、干扰机参数、干扰机的分布方位等因素的影响。为了直观地体现CGF训练雷达探测模型的仿真效果，选取适当数据代入以上公式进行参数配置及仿真校验。表1,2为雷达和干扰机参数配置。
3.1 单部干扰机干扰下雷达探测范围仿真
设雷达位于原点处，坐标取在(0°,0 km)，当单部干扰机实施干扰时，其位置处于距离雷达250 km处，坐标取(0°,250 km)。图3中外圆线表示在没有受到任何干扰时雷达的可探测范围，内部虚线表示在单部干扰机的干扰下雷达的探测范围，图中的三角符号表示干扰机的位置。
表1 雷达主要参数配置
Table 1 Main parameters of the radar
表2 干扰机主要参数配置
Table 2 Main parameters of the jammer
图3 有、无干扰情况下的探测距离
Fig.3 Detecting distance with and without interference
由仿真结果可以得出,干扰机使雷达探测范围图形呈“心形”，其“缺口”正对干扰机，探测性能大大降低，被压制作用明显。且在“缺口”中,雷达无法发现探测目标，与实际情况相符。
改变干扰机位置，其位置坐标分别取(0°,250 km)，(0°,200 km)，(0°,150 km)，(0°,100 km)，(0°,50 km)，(0°,5 km)。如图4所示，在单部干扰机干扰的情况下,干扰机位置越接近雷达,雷达的可探测范围越小，探测“盲区”面积越大。当干扰机与雷达距离小于一定程度时,雷达将会探测到干扰机的位置。
相关研究表明，非遗保护不尽如人意的原因并非外力所为，而是保护主体错位的观念和不当的行为所致[14]。厦门市在借鉴他山之石的成功经验及对本地区非遗项目的实践探索后，总结出了一套遴选非遗代表性传承人的办法——专门组织业内专家遵循公平、公正的原则进行评审。评审结果经公示无异议后拟定入围名单报本级政府批准，政府再经过政治审核，技能筛选对符合条件的代表性传承人给予相应扶持[15]。厦门市的这种做法很值得推广，它立足“以人为本”，从传承人的德行、技能等方面综合考察，对真正的代表性传承人给予经费支持，避免了“鱼龙混杂”对社会产生的不良影响以及保证了充足的后续经费用于非遗项目开展和传承。
4)潞新一矿5244运输巷采用顶板全锚索、两帮大延伸强护表的支护方案，有效控制了大变形。监测表明，锚杆锚索受力波动较大，两帮锚杆由于煤层倾角、开挖方向与节理方向夹角的不同受力变化规律不同。
3.2 多部干扰机干扰下雷达探测范围仿真
取干扰机数量为100台，分布于(-π/6,π/6)等差角度位置，距离雷达25 km，得到相应多部干扰机干扰情况下雷达可探测区域图形，如图5所示。虚线外为“盲区”，虚线内为可探测区。
图6为100台干扰机干扰情况下的局部放大图。干扰机以一定角度分布,使得每部干扰机造成的“缺口”都紧密排列在一起，形成无法穿透的密尺，对雷达探测能力产生了压制性影响。保持干扰机与雷达之间的距离大小不变,改变干扰机的分布间隔角度,使其从小到大变化,并减少干扰机数量，从放大图中可以看出，在干扰机干扰下所形成的缺口衔接程度明显变弱。随着分布间隔角度的增大,缺口之间的缝隙越来越大，“缝隙”之中雷达探测能力不受到影响，无法被干扰。如图7所示。
图4 不同距离下的探测范围
Fig.4 Range of detection at different distances
图5 100台干扰机下的探测范围
Fig.5 Detection range under jammers
图6 紧密排列的“缺口”
Fig.6 Closely arranged “gap”
图7 不被干扰的“缝隙”
Fig.7 Undisturbed “gap”
4 结束语
与传统雷达模型相比，本文所建立的探测模型规避了信号仿真的缺点，体现出功能仿真的优势，直观表现出雷达在不同干扰条件下的可探测范围与受干扰区域。所建模型稳定可靠、仿真度高、响应速度快，符合CGF空战训练的基本要求，有效提高了训练的沉浸感，增强了训练的水平。此外，模型中划分的子模块可通过扩展嵌入其他雷达仿真中，稍加修改即可适用于不同类型的CGF训练系统，具有很高的交互性和实用性。
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Research on Radar Detection Model in Complex CGF Air Combat Environment
WANG Si-qing,QIAO Yong-jun
(Naval Aviation University,Shandong Yantai 264001，China)
Abstract :Aiming at the problem that the entity detection model in the computer-generated forces(CGF)system is too simple to meet the needs of combat training, a radar-based simulation method is proposed by combining the coupling process with the battlefield situation to study the radar detection model in the CGF air combat environment. In order to intuitively reflect the tactical indicators and functional characteristics of the radar detection model, the model is decomposed into modules with different functions to preprocess the data and calculate signal power based on the operational environment database to build a coupling model of radar signals. It also models and simulates the radar interference area in complex battlefield environment and analyzes the changes of radar detectable area under different interference conditions. The simulation results show that the model is feasible and effective and can meet the needs of combat training, and the modular design structure can be applied to different operational environments and application backgrounds. It shows good interoperability and reusability and provides strong support for the development and optimization of the CGF training system.
Key words :computer generated forces(GF);radar detection model;acquisition raclar range；interference;functional modeling;combat training
doi: 10.3969/j.issn.1009-086x.2019.02.16
中图分类号： TN955
文献标志码： A
文章编号： 1009-086X(2019)-02-0095-06
收稿日期： 2018-05-14；修回日期：2018-08-12
基金项目： 国家自然科学基金(60874112)；教育部新世纪人才支持计划
第一作者简介：
王思卿(1994-)，女，陕西咸阳人。硕士生，主要研究方向为嵌入式系统技术。
通信地址： 264001 山东省烟台市芝罘区二马路188号 E -mail ：wangsiqing547@163.com
标签：计算机兵力生成论文; 雷达探测模型论文; 探测范围论文; 干扰论文; 功能建模论文; 作战训练论文; 海军航空大学论文;