基于實(shí)裝顯示器的雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
    航空兵在夜間或復(fù)雜氣象條件下實(shí)施轟炸或投布魚、水雷，在這種條件下，光學(xué)瞄準(zhǔn)具的使用有一定的局限性。而轟炸瞄準(zhǔn)雷達(dá)則可以彌補(bǔ)光學(xué)瞄準(zhǔn)具的這一局限性，它受氣象條件限制小，可以利用目標(biāo)反射的電磁波在遠(yuǎn)距離觀察、發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)實(shí)施轟炸或投射魚雷。在航行中，它可以提供必要的領(lǐng)航諸元，還可觀察山峰和雷雨云，防止飛機(jī)撞山和進(jìn)入雷雨區(qū)Ⅲ。由于轟炸瞄準(zhǔn)雷達(dá)的開關(guān)、旋鈕眾多，操作步驟復(fù)雜，因此在雷達(dá)教學(xué)和訓(xùn)練中需要較多的雷達(dá)操作實(shí)習(xí)。傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)方法是在地面或空中操作實(shí)裝雷達(dá)，其缺點(diǎn)是保障困難且會(huì)減少實(shí)裝雷達(dá)的使用壽命，另外在地面操作實(shí)裝雷達(dá)也探測不到大范圍的地物回波，無法培養(yǎng)飛行員發(fā)現(xiàn)、瞄準(zhǔn)目標(biāo)的能力。因此，研制一種能在地面進(jìn)行全功能模擬訓(xùn)練的轟炸瞄準(zhǔn)雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)是十分必要的。

1 主要功能
    模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要完成以下功能：
    (1)雷達(dá)操作程序的練習(xí)，如通電前檢查程序，雷達(dá)開、關(guān)機(jī)程序，雷達(dá)信號(hào)檢查程序，雷達(dá)影像調(diào)整程序，對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)程序等。
    (2)模擬某一區(qū)域內(nèi)的地面和海面目標(biāo)雷達(dá)影像，用于搜索地面和水面目標(biāo)及瞄準(zhǔn)訓(xùn)練。
    (3)利用雷達(dá)畫面確定飛機(jī)的領(lǐng)航要素，供領(lǐng)航員領(lǐng)航。如測量飛機(jī)地速、偏流、真高、地標(biāo)相對(duì)方位角、地標(biāo)斜距以及確定本機(jī)位置等。
    (4)教控臺(tái)同步顯示各雷達(dá)模擬器的畫面及操作，以利于教員對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行評(píng)價(jià)。
    (5)管理學(xué)員的雷達(dá)操作成績，如學(xué)員信息的錄入，學(xué)員成績的評(píng)定、檢索、打印等。

2 硬件設(shè)計(jì)
    模擬系統(tǒng)由教控臺(tái)、多部雷達(dá)模擬器組成。教控臺(tái)和雷達(dá)模擬器之間由網(wǎng)絡(luò)連接通信，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 教控臺(tái) 
    教控臺(tái)由控制臺(tái)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，用來導(dǎo)演戰(zhàn)場想定背景、模擬雷達(dá)載機(jī)的運(yùn)動(dòng)、監(jiān)控學(xué)員對(duì)雷達(dá)的操作及對(duì)訓(xùn)練操作進(jìn)行評(píng)估。它通過網(wǎng)絡(luò)與雷達(dá)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，向雷達(dá)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳送戰(zhàn)場態(tài)勢和載機(jī)參數(shù)，雷達(dá)計(jì)算機(jī)則向教控臺(tái)傳送雷達(dá)狀態(tài)和雷達(dá)顯示畫面。
2．2 雷達(dá)模擬器
    為了保證模擬器操作界面的逼真性，雷達(dá)模擬器采用半實(shí)物仿真的方式。由于雷達(dá)顯示器是最主要的顯示操作設(shè)備，且該型雷達(dá)顯示器形狀不規(guī)則難以仿真制作，因此雷達(dá)顯示器采用實(shí)裝設(shè)備。其余控制設(shè)備本著外觀一致、控制關(guān)系一致、接口一致的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。由一臺(tái)工控計(jì)算機(jī)作為仿真主機(jī)完成雷達(dá)模型建立和信號(hào)處理仿真，采集各元器件的開關(guān)量和模擬量，仿照實(shí)裝的邏輯關(guān)系，產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制面板上的各種指示燈、指示表和雷達(dá)顯示器上的視頻信號(hào)的顯示。
    模擬器組成如圖2所示，雷達(dá)仿真計(jì)算機(jī)通過信號(hào)采集卡采集各元器件的開關(guān)量和模擬量，產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制面板上的各種指示燈；根據(jù)教控臺(tái)送來的戰(zhàn)場環(huán)境和載機(jī)參數(shù)完成雷達(dá)模型建立和信號(hào)處理仿真；模擬產(chǎn)生雷達(dá)回波和雷達(dá)的狀態(tài)并通過RS 232串口傳送至雷達(dá)顯示接口板。

    雷達(dá)顯示接口板主要完成以下功能：
    (1)根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)產(chǎn)生重復(fù)頻率為l 250 Hz或535 Hz的各種波形驅(qū)動(dòng)顯示器進(jìn)行掃描顯示，這些波形主要包括掃描鋸齒波、消隱方波、定時(shí)脈沖等。
    (2)處理雷達(dá)仿真計(jì)算機(jī)送來的雷達(dá)回波，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換形成視頻信號(hào)后輸入到雷達(dá)顯示器。
    (3)產(chǎn)生距離刻度脈沖、測距脈沖、主瞄脈沖、預(yù)瞄脈沖等送人雷達(dá)顯示器顯示成各類標(biāo)志。其中定時(shí)脈沖、掃描鋸齒波、消隱方波、各類脈沖和雷達(dá)回波這些信號(hào)要在時(shí)序上嚴(yán)格一致。
    (4)根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)氣壓表、雷達(dá)信號(hào)檢查表、天線俯仰指示表指示相應(yīng)的位置。
    以FPGA為中心的雷達(dá)顯示接口板是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，組成如圖3所示。雷達(dá)仿真主機(jī)與FPGA之間定時(shí)通信，將主機(jī)模擬的雷達(dá)狀態(tài)及地形目標(biāo)傳遞給FPGA。FPGA根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖到掃描電路產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波加入到雷達(dá)顯示器的偏轉(zhuǎn)線圈從而產(chǎn)生掃描線。FPGA根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)控制天線同步信號(hào)電路產(chǎn)生不同速度的天線轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，天線轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)加入到顯示器的天線同步接收器中驅(qū)動(dòng)顯示器進(jìn)行圓周掃描或方型掃描。在觸發(fā)脈沖的觸發(fā)下，F(xiàn)P-GA把從雷達(dá)仿真主機(jī)接收到的當(dāng)前方位下的地物回波信號(hào)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成雷達(dá)視頻信號(hào)，再經(jīng)放大后加入到雷達(dá)顯示器的柵極，從而顯示出地面目標(biāo)回波圖像。FPGA還負(fù)責(zé)產(chǎn)生雷達(dá)顯示的其他信號(hào)，包括距離標(biāo)志、瞄準(zhǔn)標(biāo)志、噪聲、干擾等。此部分的設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)性和同步性較高，雷達(dá)顯示接口板的運(yùn)行必須在時(shí)序上，特別是外部輸入／輸出工作時(shí)序上與真實(shí)雷達(dá)工作特性相一致，以實(shí)現(xiàn)與真實(shí)雷達(dá)顯示器的數(shù)據(jù)交換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    轟炸瞄準(zhǔn)雷達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)軟件運(yùn)行于Windows 2000操作平臺(tái)下，結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)軟件通過對(duì)采集到的操作員的操作、載機(jī)的飛行參數(shù)和雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)等信息進(jìn)行處理，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)地模擬生成逼真的雷達(dá)畫面。同時(shí)將雷達(dá)視頻回波由雷達(dá)顯示接口板傳送給真實(shí)雷達(dá)顯示器進(jìn)行顯示。
    主要模塊的功能如下：
    (1)數(shù)據(jù)采集模塊：主要用來采集雷達(dá)各個(gè)開關(guān)、旋鈕的狀態(tài)。
    (2)通信模塊：負(fù)責(zé)教控臺(tái)與雷達(dá)模擬器、雷達(dá)模擬器與FPGA間交換數(shù)據(jù)。

    (3)載機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模塊：模擬生成載機(jī)運(yùn)動(dòng)的航跡。根據(jù)飛行器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)模型模擬生成載機(jī)的飛行航線，根據(jù)飛行器的姿態(tài)角變化模型模擬生成載機(jī)的姿態(tài)。
    (4)雷達(dá)系統(tǒng)仿真模塊：用計(jì)算機(jī)建模仿真雷達(dá)的功能狀態(tài)。
    (5)地形數(shù)據(jù)庫模塊：利用MultiGen Creat建模工具建立地物場景的三維模型，如河流、山脈、樹林、城鎮(zhèn)、鐵路等，之后用MultiGen的TMM工具為三維模型加表面反射和紋理，最終生成地形紋理配置文件，在地形紋理配置文件中包括了所指定的地形紋理區(qū)域的大小和散射截面積。
    (6)雷達(dá)圖像生成模塊：根據(jù)地形數(shù)據(jù)庫的地景數(shù)據(jù)，利用Vega軟件的RadarWorks模塊生成雷達(dá)地物回波圖像。Vega的Radarworks模塊根據(jù)材質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地形紋理配置文件及雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)、載機(jī)狀態(tài)信息等實(shí)時(shí)的判斷各個(gè)單元的有效反射面積并計(jì)算雷達(dá)反射強(qiáng)度，從而提供了基于真實(shí)地形的機(jī)載雷達(dá)的逼真的仿真圖像。
    (7)成績管理模塊：評(píng)估、管理學(xué)員模擬訓(xùn)練成績。以上模塊中，載機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模塊和成績管理模塊由教控臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行，教控臺(tái)計(jì)算機(jī)和雷達(dá)仿真計(jì)算機(jī)都安裝有網(wǎng)絡(luò)通信模塊，其余模塊由雷達(dá)仿真計(jì)算機(jī)運(yùn)行。
    系統(tǒng)軟件工作流程如下：載機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模塊根據(jù)仿真模型和教員的指令生成載機(jī)飛行航線，模擬載機(jī)按設(shè)定的航線和高度進(jìn)行飛行，實(shí)時(shí)地將載機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給雷達(dá)仿真模塊。同時(shí)傳送給雷達(dá)仿真模塊的數(shù)據(jù)還有由數(shù)據(jù)采集模塊采集到的雷達(dá)開關(guān)、旋鈕狀態(tài)。雷達(dá)仿真模塊根據(jù)雷達(dá)當(dāng)前的開關(guān)、旋鈕位置確定雷達(dá)的工作狀態(tài)，如距離量程、掃描方式等。雷達(dá)仿真模塊根據(jù)掃描方式確定天線轉(zhuǎn)速，根據(jù)載機(jī)位置、飛行高度和雷達(dá)天線俯仰角度等參數(shù)計(jì)算雷達(dá)的波束擦地角，進(jìn)而確定當(dāng)前雷達(dá)的距離探測范圍。雷達(dá)仿真模塊將計(jì)算到的波束寬度、方位掃描范圍、天線俯仰角、距離分辨率、掃描線掃描的增量、掃描速度和載機(jī)飛行參數(shù)傳遞給圖像生成模塊。圖像生成模塊利用Vega的Ra-darWorks模塊，通過設(shè)置以上雷達(dá)參數(shù)并根據(jù)載機(jī)的當(dāng)前位置調(diào)用地形數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，生成仿真的雷達(dá)圖像。最后由通信模塊將雷達(dá)視頻回波經(jīng)雷達(dá)顯示接口板傳送給雷達(dá)顯示器顯示。

4 結(jié) 語
    設(shè)計(jì)的訓(xùn)練系統(tǒng)采用半實(shí)物仿真，單片機(jī)控制、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬轟炸瞄準(zhǔn)雷達(dá)。半實(shí)物仿真由于采用真實(shí)雷達(dá)顯示器和與實(shí)裝雷達(dá)一致的操作面板，因此模擬效果比虛擬仿真更真實(shí)，尤其適合針對(duì)飛行人員的操作訓(xùn)練。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可逼真地模擬飛行中的雷達(dá)回波圖像，使得雷達(dá)畫面更加真實(shí)。系統(tǒng)在檢測練習(xí)者的各種操作時(shí)，能將雷達(dá)畫面顯示在教控臺(tái)顯示器上，可實(shí)時(shí)、全程監(jiān)控訓(xùn)練過程，便于整體教學(xué)。