【论文-笔记】海防雷达仿真系统中PPI的设计与实现

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。