雷达仿真系统的设计及测试分析

【摘要】随着社会科学技术的不断发展，仿真系统在科学领域越来越发挥出其自身的巨大优越性。雷达仿真系统也是在这种情况下应运而生，它是雷达技术与数字模拟技术相结合的产物，在实施方面有经济性、可重复性、无破坏性、安全性等优点。本文详细论述了雷达仿真系统设计中以及相应的测试分析，以期我国的雷达仿真技术得到更好发展。

【关键词】仿真；雷达；测试

1.引言

雷达仿真系统是现代社会科技高速发展的产物，在具体实施方面，它往往需要雷达技术与仿真技术相结合。在实际的仿真过程中，我们首先让计算机产生数字回波，为了我们方便调用回波数据，紧接着需要对回波生成模块，最后通过D/A转换成模拟视频回波，但这种直接转换过来的回波还不能被雷达接收，我们还需要将这些回波视频调制到高频，最后传递给雷达接收端口。雷达仿真系统可代替外场试验，达到雷达设备的调试和优化的目的，具有稳定性好和灵活性好两大优点。

2.雷达仿真系统

雷达仿真系统是用计算机来完成的，具体的仿真过程如图1所示。

2.1 雷达仿真系统的结构

在设计雷达系统的仿真结构时，我们要考虑多方面的因素，如经济性、准确度等，在诸多因素中，数据的传输速率、输出回波的实时性有着突出的影响，我们应当着重考虑。另外，在设计雷达仿真系统时，我们还要结合实际的技术经济条件，考虑雷达系统结构的复杂程度等。具体的雷达仿真系统结构如图2所示。

回波数据往往用数字生成的方法来获得，然后储存在相关的计算机上。在实际的试验过程中，计算机上的回波数据一般情况下是通过DMA调用方式将其输出到外部缓冲区，之后数据被传送到D/A（传送速率与仿真回波采样的速率一致），进而被D/A转换成为视频回波，接下来，我们对这些视频回波进行调制解调，将其转换为高频回波，以方便雷达设备接受。

在现代雷达仿真中，生成数字回波的方法有很多，我们要结合实际情况，选择最有效，最经济，最准确的方法。在实际的试验中，往往采用无线电技术来生成数字回波，同时，也要考虑不同雷达的运行环境等相关的实际因素。但是由于雷达仿真系统拥有相当强大的扩展性和通用性，使得在实际的操作中，面对不同的雷达环境，我们也无需改变其硬件设施，只需从软件上改变模型参数即可生成相应的回波数据即可。

2.2 仿真系统中，数字回波的生成

我们可以通过两种方法来获得数字回波，其一是通过实采，其二是通过模型生成相应的数据。通过实采的数字回波，其准确度取决于我们所使用的采波器的准确度、精度以及相关技术人员的操作是否规范。通过模型生成的数字回波，其准确度取决于选取目标模型时是否符合科学的数字选择原理，同时，在运用模型生成数字回波时，我们应当充分考虑环境的因素，而且根据我们的实际经验，每一种模型往往只适合一种情况。雷达回波的目标类型有多个参数，例如多普勒频移、目标距离、散射中心数目、幅度起伏等，我们在选择目标类型时应充分考虑各个参数的影响，例如多普勒频率的模拟主要体现在目标回波的相位变化，同时，目标距离的模拟需要根据三个条件来判断，分别是：目标运动的方向；目标运动的速度；雷达工作时间的变化。

2.3 数字回波的管理

在实际的操作过程中，我们可以重复使用实采的回波数据或者计算机生成的仿真回波。但是，在试验的过程中，回波库的文件数量会随着仿真次数的增加而增加，为了以后的研究方便，同时使回波库中的资源得到最大化的合理利用，我们一般要对回波库中的数据进行科学合理的管理。

在具体实施方面，为了方便有效的获取回波库的回拨文件，我们需要一种系统能够帮助我们提供回波的相关信息。为此，我们建立了具体可行、科学合理的回波属性表如表1所示，将把每个回波文件和相应的属性联系起来，其中属性值包括环境模型、雷达体制、时间信息、目标模型等。最后，我们将回波参数可以通过在主界面上进行属性选择来选择回波参数。

为了加强回波库的管理功能，我们根据实际情况建立回波索引库。但是在这种情况下，仍有很多不尽人意的地方，比如数据库的数据在存储时如果采用非规范格式，在这种情况下，储存的数据会过于冗长，同时由于数据量非常大，回波库里的数据在进行更新时，其速度将受到严重影响，进而导致回波库的的物理空间有一大部分都被现增加的存储表所占用，从而造成数据库的一些操作特别困难，甚至会出现数据的删除异常和修改异常。如果把原始数据那种非规范的格式在储存时转换为规范的格式，这样就可以有效的解决上述出现的问题。例如，可以消除数据的冗长性，节省数据的储存空间，而且能够增加数据的完整性。但是在这种情况下，仍有许多问题需要解决，例如，由于数据进行了规范化处理，使得回波库中表格的数量大大增多，造成表的连接运算增多，最终使得数据库的执行速度降低。为了解决这个问题，我们需要建立良好的索引系统。

2.4 回波的数据量大带来的问题

2.4.1 存储的数据量大

在雷达仿真系统中，我们所研究的对象，一般情况下是一段时间内的雷达回波信号。但这就有一个问题需要我们去解决，就是试验数据的储存问题。举例来说，我们仿真过程用的时间是10分钟，那么这10分钟内所产生数据的存储量将达到Gbyte。如果在每一次试验中，我们都对实验数据进行保留，那么我们所需要的储存设备将是很大的，为解决这一问题，我们往往对实验数据进行压缩。

2.4.2 传输的数据量大

在雷达仿真系统中，还有一个问题，即在数据传输过程中需要很大的数据缓存。在回波产生过程中，仿真数据先从计算机里调出，被临时存放于一个缓冲区，然后再以与回波采样相同的速率传送到D/A，最终，数据由D/A向外界转换输出。在整个数据的传入、传出过程中，都必须要有很高的速度，例如，在实际试验中，回波采样的速率可达几十兆HZ。除却速度之外，还要求有一个容量非常大的外部缓存。但是，如果缓冲区的容量过大，则会大大降低雷达仿真系统的通用性，同时，这样的缓存生产条件要求非常高，需要大量的资金消耗，一般情况下，我们不采用过分增大缓存的方式，而是采用双FIFO交替工作的方式。

3.雷达仿真系统实例

3.1 本次的任务

设计一个通用的雷达仿真系统，其具体要求为：带宽为25MHz；回波信号采样率为60MHz；中心频率为5GHz。

3.2 仿真计算机

根据实验要求，仿真计算机需至少实现下面三大功能：拥有构建软件系统的平台；能够生成科学合理的回波数据；能够对回波库进行科学合理的管理。

3.3 生成数字回波

仿真系统中的回波有两种形式，分别是仿真回波和实采回波，在储存方面，两种回波的压缩方式相似，这是因为这两种回波有着相同的格式。在实际试验中，我们提取的只是回波的有效部分，为了减少回波数据的压缩量，在实验过程中，我们保留的时间信息只有两个，分别是有回波的那一段数据的时间信息以及同步脉冲和回波之间的时间信息。

在建立回波索引库时，我们可以采用多种的数据管理工具，比如SQLServer、Access等。这样，每个回波模型与其相对应的雷达体制、时间信息、杂波模型、目标模型等属性之间都建立了规范合理的联系。采用这种方法的好处是能够消除数据冗长，保持数据的完整度，同时可以避免删除异常、修改异常等问题。原始的函数依赖关系为tA->B，B->CDEC1……CnD1……DmE1……Ek，A->CDECI……CnD1……DmE1……Ek，B->A，C->C1……Cn，D->D1……Dm，E->E1……Ek}，按照3NF分解最终得到： tA->B，A->C，A->D，A->E，C->C1……Cn，D->D1……Dm，E->E1……Ek}。

由上述的关系模式，分成新的7个关系：AB，AC，AD，AE，，DD……Dm，EE-Ek。回波表包含三项内容，分别是：回波持续的时间长度：回波序号：回拨储存地址。

3.4 用户平台

为了方便用户操作雷达仿真系统，在设计过程中，我们必须要求仿真计算拥有较高的数据处理速度，同时能偶方便的实现仿真计算机个部分功能的实现和选择。为此，我们选用Access作为计算机的后台处理工具。而在三维地图的重建和显示方面，我们选用目前用的较多的Matlab软件。

3.5 回波生成模块

在实验过程中，根据实际的操作和理论的相关推导，我们将回波生成模块分为两个部分：具体如图3所示。

3.5.1 视频回波生成

将回波数据输入D/A，在这里生生视频模拟回波。在数据的传输过程中，我们一般情况下选择高速总线PCI接口卡，并在计算机的协助下完成。

3.5.2 视频回波调制

在实验过程中，我们为了顺利完成对雷达载波频率，需要准确的扫描雷达的发射脉冲。根据扫频的结果，生成相应的载波信号。然后对载波信号进行调制（利用视频信号）。

3.5.3 结果

根据最后的实验结果，我们计算出数据的压缩率为224/1200=18.7%。为了详细说明，我们以一个波形较为复杂，且其中间起伏较多的回波为例进行具体说明，可看出回波无失真，保留完整。波形压缩图如图4所示。

4.基于元数据的雷达构件测试体系

对雷达仿真系统的测试，只需要调用雷达仿真系统接口就能完成，这是因为，雷达仿真系统的构件功能几乎全部是由仿真系统接口完成的。根据这个原理，我们可以建造一个适用范围相对较广的测试体系。为此，我们建立了基于元数据的雷达仿真构件分层测试体系。

雷达仿真系统的测试结构主要包括三个部分，分别是；配置；编译；执行。

其详细情况如下：

配置：配置单元主要用来提供待测构件的基本信息。例如配置测试仿真构件的相关文件，描述雷达仿真软件元数据的XML等。

编译：编译单元主要是对仿真构件测试平台的编译（将仿真构件集成到测试平台，进而生成相应测试程序），同时也进行测试类代码生成器等进行编译。

执行：执行单元主要是运行测试平台以及测试类代码生成器，并生成测试报告。

5.雷达仿真系统的自动化测试

根据笔者的研究，在雷达的仿真测试中有着重复工作，而且工作量相当大。为了节省系统的工作效率，同时，为了使测试系统更加智能化，我们可以通过编写软件，让计算机来完成这部分工作。这样做的优势是，计算机的运行速度快，而且准确度高。在本文中，由于篇幅有限，本文只提出了自动化的一些基本思想，例如，通过计算机软件将仿真解析的元数据进行对应的测试用例。然后再将测试文件或与测试相关的文件输入自动化平台，让其自动进行测试。

6.结语

雷达仿真系统日益成为人们关注的热点，鉴于此种情况，本文详细论述了雷达仿真系统的设计，并对其中的技术难题也作了相应的分析，最后本文又给出了雷达仿真系统的测试分析，以期我国雷达仿真系统得到快速发展。

参考文献

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作者简介：

乔峰，烟台大学光电信息科学技术学院在读研究生，主要研究方向：微波器件与测试技术。

范文强，烟台大学光电信息科学技术学院教授，硕士生导师。