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摘要

重点介绍：

仿真系统中的PPI。

提出了矩阵融合法，实现雷达余晖效果，通过衰减矩阵来控制位图中任一维颜色向量，相对于逐点消隐法的速度提升较大。

针对干扰模型进行研究，构造出适用于雷达的干扰模型。将干扰源的距离功率纳入变量因素，考虑天线的波瓣形状，建立天线增益模型。

详细介绍了数据产生到目标还原的仿真过程。

根据已识别的目标移动轨迹计算移动速度和移动方向，并根据此信息预测目标的移动意向。

绪论

通过3D建模技术建立的船只模型库获取回波数据。模型库中的每一条船只都是按照真实船只外形构建，然后通过仿真电磁波对每一个模型进行照射并收集回波。为了满足训练需要，每个模型均采集360度的数据。这样一来，目标波形最大限度的模拟了真实船只波形，可以满足雷达操作员的训练任务。

安全性高。实装雷达的发射频率属于军事机密，一旦被敌方窃取后果不堪设想。使用实装雷达进行执勤训练非常容易造成保密频率泄露。使用模拟训练系统进行训练则不会考虑此方面的问题。由于目标回波数据均是软件算法产生，不涉及频率相关的机密，因此安全性较高。

研究现状

国内现有航迹跟踪雷达模拟系统实现的功能包括对战场环境、雷达参数、目标及其运动轨迹的设置和更改，模拟雷达工作状态、输出目标参数，实时显示雷达扫描过程，并输出目标波形，具有平面位置显示器和A型显示器。现在国内常见的模拟系统都需要在后台处理大量数据，因此对系统的实时性要求较高，多数采用VC++作为开发环境。

采用DSP与计算机软件相结合的方式，DSP完成信号的以产生与处理，VC++结合了OpenGL、DirectDraw等技术模拟雷达显示器。

海防雷达仿真系统包含三个子系统：收发分机子系统、显示分机子系统、导调分机子系统。着重对显示分机中PPI的仿真进行研究。

显示分机子系统负责对PPI中各功能的仿真，PPI是基于电子海图的显示器，其根据海图中的地理坐标将回波数据还原至二维平面中。仿真系统的主要训练任务除了对雷达的基本操作之外，还有压目标、跟踪目标以及识别目标性质的工作，而与此有关的操作都在PPI中完成。主要涉及目标航线的仿真、目标波形的仿真、目标跟踪功能的仿真。除此之外，在抑制杂波和目标波形增强方面，需要找到一种算法，实现对实装雷达中杂波干扰和抑制的仿真。

显示分机

雷达天线接收到的电磁回波经收发分机调制后转送的显示分机，此时显示分机在绘制的屏幕上前对回波数据进行处理。处理过程主要包含调谐、增益、杂波抑制。杂波抑制分为雨雪抑制和海浪抑制，分别针对雨雪和大风大浪对观测造成的干扰通过抑制算法进行处理，使得目标在显示器上更加清晰以判别目标性质。

仿真评估

目标波形模拟分为目标仿真数据的获取和目标仿真数据还原两个步骤。数据获取采用仿真电磁照射3D模型的方法。仿真模拟技术是基于目标模型的，目标模型的质量决定了仿真结果的质量。模型毕竟不是实体本身，所以不可能做到仿真结果与实际结果完全一样。仿真结果的评判使用置信度(Confidence Interval)来评价，模拟仿真的置信度直接关系到最后研究成果的生命力。

仿真检验主要通过技术检验以及通过专家和用户的评审来进行。技术检验主要是通过对已知期望值与模拟结果进行比较的方式来进行。通常包括仿真输入、仿真输出、灵敏度分析等过程。由相关专家组成评审团，在评审会上介绍相关技术，然后经过现场演示、专家和用户实际操作体验，最后在评审会上提出相关建议。此过程涉及对模型数据产生依据、模型数据还原算法以及最终显示效果的置信度方面的技术研讨。经过这两个方式的检验，从而使得仿真更具有效性。

雷达回波信号（Radar Echo Signal）

雷达发射机产生足够强的电磁能量，通过天线将这些能量向远处辐射，集中在很窄的一个方向上向前传播。电磁波在遇到目标物体后，目标物体对电磁波产生散射，其中一部分电磁波反射回雷达，雷达接收机通过天线接收到的反射电磁波称为回波。由于发射出的电磁波强度随着距离的增加而衰减，所以接收到的回波信号会有所减弱。因此接收机收到信号后对回波进行增强处理，然后提取出包含在回波中的信息，送到显示器中。

雷达回波主要分为气象回波和非气象回波。非气象回波主要来源于高大的山脉、建筑，或者大风天气下的海浪、雨雪以及金属物体的反射。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，从发射机发射到接收机接收到信号的时间间隔可以计算出目标距离，再结合此时天线的方位就可以获得目标的相关地理信息。

雷达测速的原理主要是依靠多普勒效应(Doppler effect)。雷达发射出的电磁波遇到运动的物体，折射返回后的电磁波频率与发射频率不同。从这两者的差值中可以获取目标的距离变化率即移动速度。

雷达在自动扫描状态下，天线按顺时针或逆时针匀速旋转，并实时向所对准的方位发射电磁波。目标的大小除了取决于船本身大小以外，还主要取决于船本身的姿态。

杂波抑制

雷达接收机在接收到目标和地物的回波中，由于天气情况的限制，其中掺杂一些杂波。杂波影响了对目标的观测，尤其是在天气较为恶劣的情况下，目标更加难以辨别。雷达系统为此添加了杂波抑制功能，分为雨雪抑制和海浪抑制。雨雪杂波与海浪杂波的波形有一定区别，因此其抑制算法也不相同。简单的抑制算法是积分和微分的算法消除雨雪和海浪杂波。通过杂波抑制以后，目标态势更加清晰，有助于对目标的跟踪。

GDI+双缓冲绘图技术

GDI+(Graphics Device Interface plus)是一组通过C++类实现的应用程序编程接口。其主要功能是处理Windows的图形输出。

在绘图过程中，若直接使用GDI+将图形绘制到屏幕中，在切换到下一帧前，需要清屏，然后再将新的内容绘制到屏幕。这个过程反复进行，会导致屏幕闪烁，图形显示不稳定。解决此问题的方法是在内存中建立一张位图，将图形绘制到位图上，再一次性将位图翻转到屏幕中，这样一来，既解决了闪烁问题，又减少了系统性能开支，提升了绘图效率。

雷达回波数据预处理

地物背景的数据源文件置于程序根目录下，文件格式定义为“．diwu”。程序在启动时，首先加载地物背景数据。地物背景文件中存储有4096个方位的回波扫描线数据，每条扫描线包含10000个回波点。原始地物回波数据在地物背景文件中读出后存储于二维数组中。

系统所需的是带有回波位置和回波亮度信息的数据，因此，每个回波源数据需要进行直角坐标换算。

目标数据预处理

雷达目标的回波获取方法有两种，现场产生和模拟仿真。现场产生受环境和目标配置情况的限制，存在很多不足，因此使用其他技术产生仿真回波成为其替代方法。

目标仿真波形采用使用电磁照射CAD目标模型的方式获得。当雷达处于凝视状态时，波束对准目标中心，产生的回波与目标本身结构有关。目标的电磁散射被认为是局部散射的合成，这些散射中心被认为是多散射点。目标自身的姿态，即目标航向影响目标回波波形。同一个位置不同的航向相对于雷达来说，扫描到的目标区域也不同，其散射回波自然也就不同。为了实现更加贴近于真实情况的仿真效果，对3D模型照射时，采集360度方位姿态下的回波数据。对凝视状态下的目标进行仿真实验。使用电磁计算软件接收电磁回波。

由于客观情况，实装雷达的回波显示是相对不稳定的，具有一定的抖动性。因此，每个姿态下的回波需要加入随机值。这个随机值不宜抖动过大，否则会使得原波形丧失其特征，影响对目标类型的辨识。

由于雷达天线发射的电磁波并不是向前无限延伸的，而是有一定的作用距离。因此其电磁强度随着距离而衰减。目标回波中增益较小的地方，优先消失。

雷达波瓣角的大小直接影响目标的成像质量。雷达发射的信号并不是唯一的一条电磁波发射出去，而是在一个角度范围内向外散射，这个角度就是波瓣角。

目标大小主要受天线波瓣角的影响。其他因素起作用较小。

系统分析与设计

本系统的使用者包括雷达教练和雷达兵。雷达教练为训练者，雷达兵为受训者。训练者负责使用导调系统制定训练方案，受训者根据训练方案进行操作，操作结果发送给导调，训练者根据导调中的训练结果给予评分。

功能划分

本系统分为三个子系统，分别是收发分机子系统，显示分机子系统和导调分机子系统。收发分机包含以下功能：收发分机操作逻辑模拟仿真、通信功能、3D显示功能。

显示分机包含以下功能：PPI示、微B显示、AR显示、数据处理(地物背景、模拟视频、积累视频)、余辉处理、航迹管理、量程切换、模拟视频、积累视频、杂波处理、p显绘制、扫描方式(自动，手控，扇扫，原地扫)、目标仿真与生成、目标测量工具实现、文件读写、通信(消息发送／接收／处理)、编批、标注、保持、雨雪抑制、海浪抑制、设置菜单输入、警戒区与报警实现、操控台输入。

导调分机包含以下功能：雷达状态设置、目标属性参数设置、目标航线设置、操作结果评判。

基本操作流程

系统开机后显示开机LOGO，同时后台在15秒内处于检测操控台状态。若获取到操控台指令，则根据指令内容启动A系统或B系统，若超时仍未检测到任何操控台信息，则进入系统选择界面，等待人工选择进入的系统。

(1). PPI基本参数

PPI又称平面位置显示器，是将回波以二维的方式显示在平面显示器中。作为仿真系统，应当实现实装雷达PPI中的所有功能。界面布局应与真实雷达一致。PPI的半径为400像素，回波显示半径为800像素，每条回波扫描线包含800个回波点，天线旋转一周共绘制4096条扫描线。其次，在实现所有雷达基本功能的基础上增加训练内容。如更换训练地物背景、设置训练目标类型和数量、可设置目标移动速度和方向。同时，PPI中的所有操作结果都传给导调分机，由其进行成绩评判。

(2)目标捕捉

PPI中显示的目标数量无上下限，抓取目标时，编批数量上限为10批。A系统的编批功能与目标没有关联。编批标注对目标的移动速度、方向进行计算，编批确定批号和第一次目标出现的位置，标注确定此目标第二次出现的位置，根据两点一线的原理，外加上两次操作问的时间间隔，就可以确定一个移动矢量。用于对目标移动的预测。

(3)扫描方式

PPI中天线扫描方式分为顺扫、逆扫、扇扫以及手控方式。顺扫时天线沿顺时针方向转动，转速受操控台转速旋钮控制，最高速度每分钟6转。逆扫时天线沿逆时针方向转动，其他参数与顺扫一致。 在确定扇扫起始与终止方位后，扇扫区域为起始方位和终止方位小于180°的夹角区。天线进入扇扫区域后自动启动扇扫模式，天线在起始方位与终止方位之间来回扫描，转速变为顺扫或逆扫时转速的2／3。此时实装雷达中由于天线惯性，在遇到起始和终止方位时会越过2°左右。作为仿真系统，实装雷达中的误差也应该列入仿真参数之一。

(4)余辉时间

余辉时间可以设置为4秒、8秒、16秒、32秒、64秒以及连续和无余辉，共7种模式。余辉时间对应PPI中的回波余辉从最亮衰减到最暗需要的时间。其中，余辉时间为“无”的时候，PPI仅显示天线方位的一条回波。

(5)量程

量程是指PPI中回波显示的范围，单位为海里。包含3海里、6海里、12海里、24海里、48海里、96海里。程序默认量程为24海里，不同量程下PPI示的回波范围不同。在24海里量程下，按下操控台的“量程+”按键，量程会变为48海里，PPI示范围半径增加一倍，目标会相应的变小，观测范围扩大。适合捕捉较远的目标。而当按下操控台“量程．”按键时，量程从48海里又变为24海里，再次按此键，量程变为12海里。低量程用于观测近距离的目标，此时目标回波形体相对较大，适合对目标的细节进行观察。

(6)积累视频

积累视频的效果是PPIqu的干扰杂波减少，回波变得更加清晰。雷达接收到的天线回波中，含有一定量的干扰杂波，这些干扰杂波极大地影响到了对目标的观测。因此，通过积累视频可以削弱干扰杂波的强度，提升目标信号的强度，也就是提高了信噪比。开启积累视频以后，PPI中目标变得更加清晰，轮廓收缩。而杂波极大程度的被消除。此时更利于发现目标、跟踪目标。

(7)杂波抑制

PPI中的杂波抑制分为海浪抑制和雨雪抑制。在风力较大的天气和雨雪天气时，海浪和雨雪都会对雷达观测目标造成一定的干扰。这些杂波与目标的波形有一定的区别，可以通过相应的算法对回波进行过滤，尽可能的减少干扰。

(8)干扰

在提供干扰数据方面，根据需要应保存有若干类型的噪声数据。在使用时，通过导调系统设置干扰源干扰类型，在显示分机中还原干扰的场景。

(9)开窗

开窗功能是将PPI中的选中区域放大一倍显示到微B显中，利于更清晰的观测目标。开窗角度为140，微B显尺寸为150×150像素。

(10)跟踪区域

跟踪区域是指在PPI中设定一个扇环区域，天线扫描到此区域内的目标达到三次以上会自动识别此目标，并自动进行跟踪。跟踪区数量上限为10个，且跟踪区之间不可重叠，最大角度为355。。此功能要求在绘制每帧回波的同时检测目标是否在当前跟踪区内，若存在一个或多个目标在当前扫描线所在的跟踪区内时，为这些目标的捕捉纪录加l，当捕捉记录达到3以上时，自动产生并绘制批号，并实时计算其移动速度和方向。

数据存储

数据库：目标波形数据、噪声干扰数据、杂波数据

噪声的加入是为了还原战时敌方使用干扰源进行干扰的情况，干扰波主要使用四种噪声，分别为高斯白噪声(Wbite Gaussian Noise)、脉冲噪声(Pulse Noise)，而脉冲噪声分为三种，分别为高频、中频和低频。干扰波数据是事先使用一定的算法产生，因此需要使用数据库进行存储。使用时，根据导调设置调取不同类型噪声进行使用。

系统设计

本节介绍系统的设计。系统包含三个分机，分别为显示分机、收发分机、导调分机。显示分机系统主要包括PPI、AR显、微B显三个部分。其中，PPI又包含目标仿真、航线仿真、余辉仿真、目标跟踪、干扰仿真、视频积累、量程仿真、扫描仿真等模块。

地物背景数据存储于本地的数据文件中。首先将地物源文件中的数据取出，然后对地物源数据进行坐标化转换，存储于地物回波链表中

• 地物背景数据结构
  地物背景是雷达训练的场景，基本包含96海里量程内的地貌情况。在雷达站中采集到的地物背景存储于本地的数据文件中，以二进制形式存储，逻辑上以字节为单位，每个字节代表一个回波点的亮度，其范围为0-255。地物背景原始数据在经过处理后，以双向循环链表的形式存储于内存中。

余辉处理需要一个余辉矩阵，在数据处理前必须初始化这个矩阵，然后将矩阵与绘图图层融合。

航线仿真图中，计时器保管所有航线运行状态。其存储了每条航线的指针，每运转一个周期，都对所有航线的状态指针进行移动。目标航线中，每个航线拥有若干航迹点，每个航迹点都是由目标实体、目标状态信息组成。为了保证计时器计时准确，采用CPU时钟频率来确定时间。

• 航线中目标与雷达高程的关系
  雷达站距离水平面的距离称为雷达站的高程。某型海防雷达探测距离能达到100海里，而在实际使用中，40海里以外几乎看不到任何目标。这是由于受地表为弧面的影响，雷达探测范围的大小也与其高程相关。

目标仿真设计

• 目标数据获取
  航线中某一状态下的目标信息由导调设定，包括其编号、航向、航速、位置。根据编号可以在数据库中获取到目标的属性信息，然后根据雷达位置与目标位置，可以确定目标姿态角度，并根据这些信息在数据库中提取该状态下的回波波形。取出的目标回波使用二维数组进行存储，数组大小不定，与目标本身数据量有关。二维数组中每个元素为一个整型数值，代表回波点的亮度。

目标位置用直角坐标表示，但是系统中需要极坐标进行辅助运算。极坐标包含方向和距离两个参数，对于PPI中的目标来说就是方位和与雷达距离。目标方位即目标相对于雷达站的方位。按环扫一圈的4096条扫描线把以雷达站为圆心的360度划分为4096等份，每份即一个方位。

目标实体初始化时，ShipPt是一个结构体，定义如下。

struct ShipPt{
   	int X;	int Y;	double tone;);

包含回波点的坐标X、Y，同时包含回波点的亮度增益。由于目标在PPI中的形状类似月牙形，因此需要对目标进行弧形变换，即将目标回波点的坐标变换为以雷达为圆心的弧形。将这此绘制方法称为片式目标还原法。

目标跟踪是对雷达己识别目标进行标识，实时计算其移动方向和速度，并对下一时间段做出移动预测。实装雷达中目标跟踪基于目标跟踪算法实现，本系统中所有目标航行轨迹均己知。

• 自动跟踪实现

  当按下操控台中的跟踪按键时，PPI会以鼠标当前位置作为扇环起点，移动鼠标并单击左键确定扇环终点。可以同时绘制10个这样的跟踪区域。若任何一个跟踪区域中存在目标并且被扫描线扫描过三次以上，系统会自动识别此目标并进行跟踪。当已跟踪目标移动出跟踪区时，系统停止对其跟踪并取消其批号等数据。

• 跟踪过程实现

  前面介绍了编批和自动跟踪操作的实现方法，在系统运行过程中，需要对已跟踪的目标进行数据计算并在PPI中绘制跟踪标记。跟踪过程中，分别进行以下几方面的工作：跟踪列表中跟踪信息的计算及更新、PPI中目标批号及跟踪矢量的绘制、向导调系统发送跟踪信息。

跟踪信息的更新是在扫描线扫描到目标时触发。每当扫描方位检测到存在目标且该目标被标记为跟踪状态时，计算目标的移动速度、移动方向、下一单位时间的预测位置。根据目标当前位置以及编批位置可以得到两次更新跟踪信息之间目标移动的距离，编批信息中记录有更新时间，在结合系统当前时间可以得到这两次跟踪的时间间隔。使用以下公式可计算得到目标移动速度和方向。

• 视频积累仿真设计
  积累视频是对回波信号中噪声干扰抑制的一种办法。回波信号中掺杂有杂波，为了将信号提取出来，需要将信号进行放大，但是经过放大之后的信号信噪比变小了。而我们的目的是降低杂波干扰，使信噪比变大。因此，需要对原始回波信号进行积累，称非相参积累，又称视频积累。

可以利用0值来抵消杂波，称为0值抵消法。为了使得处理后的目标回波更加清晰，因此，具体方法是将待处理点的前N个点进行累加。若这N个点有任意一个为0，则叠加结果为0，否则进行亮度值的叠加。最后波形有规律的目标信号增强了，而没有规律的杂波被抵消掉了，因此，针对视频积累的仿真，采用0值抵消法可以较好的呈现其效果。

干扰仿真设计

干扰是干扰源所发射的电磁波频率与雷达发射的频率相同时，雷达无法正常接收到地物目标的回波，而将干扰波误认为是回波显示在PPI中，自然PPI中看不到任何目标回波。干扰的结果主要受雷达主瓣方向、干扰源发射功率、干扰源与雷达距离等因素的影响。

干扰模型：$A=GP/{\pi }^2{R}^2\times F(x)$ A为干扰系数，干扰强度。G为雷达天线增益，P为干扰机发射功率，R为雷达干扰机的距离，F(x)表示雷达发射频率与干扰频率的关系。

• 天线增益模型

  此处天线增益指的是天线本身姿态对干扰结果的影响程度。由于天线所发射的电磁波分为主瓣和旁瓣，天线指向的方位影响着被干扰源干扰的情况。
  $G=sin(c\times \theta )/c\times \theta$c为调整系数，$\theta$为天线与干扰源的夹角。
  $G^{\prime }=sin(2c\theta )/2c\theta$
  即将横向向y轴缩小一倍，使用G’的波峰替换G的波谷。为了使得结合处更加圆润，符合雷达波瓣形状，进而将G’的波峰与G的波谷取平均值。在主瓣方向，仍然取G的波形

• 发射频率

  当雷达发射频率与干扰源发射频率产生重叠时，干扰产生作用。在电磁对抗中，实装雷达设备有两种发射机，分为常规发射机和捷变频发射机，分别用于平时执勤和战时观测。由于常规发射机电磁管价格较捷变频发射机电磁管低廉，在平时无干扰情况下，使用常规发射机可以节省相当一部分开支。但是，在作战时，特别是敌方使用干扰机的情况下，常规发射机的单一频率工作很容易就会被敌方干扰。因此，作战时使用捷变频发射机，使得发射频率不唯一，可减小被干扰的概率。

• 噪声仿真

  此处噪声用来充当干扰，针对常见的干扰源类型，研究对高斯白噪声、脉冲噪声的模型的建立和数据产生的问题。

高斯白噪声是一种功率频谱密度为常数的随机信号，其在各频段的功率相同，类似于“白光”，因此被称为白噪声。其概率密度函数符合高斯分布，即正态分布。

脉冲噪声的概率密度函数符合梯形分布，分为高频、中频和低频三种。其由幅度较大的不规则的噪声尖峰组成。

余晖仿真设计

• 余辉仿真方法
  雷达中余辉的显示效果好坏直接影响着雷达的总体质量，仿真系统也是如此。发射机开发射后，PPI中出现回波亮点，并且亮度处于减弱的过程中。根据设置情况，减弱的幅度有所不同。

实现余晖效果：画线法、固定扇扫法、逐点消隐法等。

计算机内存中的位图都是以二维数组的形式存储的，可以看作是一个N行5列的矩阵。其中N来自于位图容量，5列分别代表(B，G，R，A，W)。分别代表蓝色、绿色、红色、透明度和保留值。每个分量的值在。受J255之间。其中W在显示中无实际意义，作为辅助计算使用。位图矩阵通过乘上一个衰减矩阵，可使得位图矩阵中的任何一个元素发生改变。

海防雷达仿真系统中PP I的实现

• 地物背景数据处理
  (1)、数据读取
  针对读取文件中的数据问题，采用文件数据流的方式进行读写操作。
  (2)、余辉处理
  余辉处理是对显示在屏幕上的回波点进行亮度衰减的过程。在权衡实现效率和效果的基础上，采用矩阵法处理位图的方式对位图进行亮度的减弱，从而达到余辉仿真的效果。
  本矩阵为一个5×5的矩阵，对应ARGBW，其中m_persisTime为一个float类
  型变量，通过其值大小来控制余辉存在时间。m_persisTime所在位置对应为图中
  每个像素的G位置，也就是绿色的亮度值。绘图画点时，从数据链表中取出每点的RGB数值与矩阵相乘，实现余辉效果。

在检测到当前扫描线压住目标后，调用绘制目标函数。为了保证实现效果更加逼真于实装雷达，一次性绘制整个目标是不合适的。因此需要将目标切分为若干列，每-列对应一个扫描线上的回波。

PPI承载了整个系统的核心功能显示，使用二维平面的方式展示回波波形。在系统前期的版本中，采用直接绘制的方式将地物回波绘制到窗体中，绘图效率极其缓慢，达不到要求的效果，并且产生了闪烁的现象。

【需要再看】

总结与展望

…

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