基于实装显示器的雷达训练系统设计
2010/3/25 15:39:00
0 引言
航空兵在夜间或复杂气象条件下实施轰炸或投布鱼、水雷，在这种条件下，光学瞄准具的使用有一定的局限性。而轰炸瞄准雷达则可以弥补光学瞄准具的这一局限性，它受气象条件限制小，可以利用目标反射的电磁波在远距离观察、发现和识别目标，并对目标实施轰炸或投射鱼雷。在航行中，它可以提供必要的领航诸元，还可观察山峰和雷雨云，防止飞机撞山和进入雷雨区。由于轰炸瞄准雷达的开关、旋钮众多，操作步骤复杂，因此在雷达教学和训练中需要较多的雷达操作实习。传统的实习方法是在地面或空中操作实装雷达，其缺点是保障困难且会减少实装雷达的使用寿命，另外在地面操作实装雷达也探测不到大范围的地物回波，无法培养飞行员发现、瞄准目标的能力。因此，研制一种能在地面进行全功能模拟训练的轰炸瞄准雷达训练系统是十分必要的。
1 主要功能
模拟训练系统主要完成以下功能：
(1)雷达操作程序的练习，如通电前检查程序，雷达开、关机程序，雷达信号检查程序，雷达影像调整程序，对目标的瞄准程序等。
(2)模拟某一区域内的地面和海面目标雷达影像，用于搜索地面和水面目标及瞄准训练。
(3)利用雷达画面确定飞机的领航要素，供领航员领航。如测量飞机地速、偏流、真高、地标相对方位角、地标斜距以及确定本机位置等。
(4)教控台同步显示各雷达模拟器的画面及操作，以利于教员对学员的操作进行评价。
(5)管理学员的雷达操作成绩，如学员信息的录入，学员成绩的评定、检索、打印等。
2 硬件设计
模拟系统由教控台、多部雷达模拟器组成。教控台和雷达模拟器之间由网络连接通信，结构如图1所示。
2.1 教控台
教控台由控制台和一台计算机组成，用来导演战场想定背景、模拟雷达载机的运动、监控学员对雷达的操作及对训练操作进行评估。它通过网络与雷达计算机进行通信，向雷达计算机实时传送战场态势和载机参数，雷达计算机则向教控台传送雷达状态和雷达显示画面。
2.2 雷达模拟器
为了保证模拟器操作界面的逼真性，雷达模拟器采用半实物仿真的方式。由于雷达显示器是最主要的显示操作设备，且该型雷达显示器形状不规则难以仿真制作，因此雷达显示器采用实装设备。其余控制设备本着外观一致、控制关系一致、接口一致的原则进行设计制作。由一台工控计算机作为仿真主机完成雷达模型建立和信号处理仿真，采集各元器件的开关量和模拟量，仿照实装的逻辑关系，产生各种控制信号，控制面板上的各种指示灯、指示表和雷达显示器上的视频信号的显示。
模拟器组成如图2所示，雷达仿真计算机通过信号采集卡采集各元器件的开关量和模拟量，产生各种控制信号，控制面板上的各种指示灯；根据教控台送来的战场环境和载机参数完成雷达模型建立和信号处理仿真；模拟产生雷达回波和雷达的状态并通过RS 232串口传送至雷达显示接口板。
雷达显示接口板主要完成以下功能：
(1)根据雷达状态产生重复频率为1 250 Hz或535 Hz的各种波形驱动显示器进行扫描显示，这些波形主要包括扫描锯齿波、消隐方波、定时脉冲等。
(2)处理雷达仿真计算机送来的雷达回波，经D／A转换形成视频信号后输入到雷达显示器。
(3)产生距离刻度脉冲、测距脉冲、主瞄脉冲、预瞄脉冲等送入雷达显示器显示成各类标志。其中定时脉冲、扫描锯齿波、消隐方波、各类脉冲和雷达回波这些信号要在时序上严格一致。
(4)根据雷达状态驱动气压表、雷达信号检查表、天线俯仰指示表指示相应的位置。
以FPGA为中心的雷达显示接口板是系统设计的重点和难点之一，组成如图3所示。雷达仿真主机与FPGA之间定时通信，将主机模拟的雷达状态及地形目标传递给FPGA。FPGA根据雷达状态产生触发脉冲到扫描电路产生锯齿波，锯齿波加入到雷达显示器的偏转线圈从而产生扫描线。FPGA根据雷达状态控制天线同步信号电路产生不同速度的天线转动信号，天线转动信号加入到显示器的天线同步接收器中驱动显示器进行圆周扫描或方型扫描。在触发脉冲的触发下，FPGA把从雷达仿真主机接收到的当前方位下的地物回波信号经D／A转换电路转换成雷达视频信号，再经放大后加入到雷达显示器的栅极，从而显示出地面目标回波图像。FPGA还负责产生雷达显示的其他信号，包括距离标志、瞄准标志、噪声、干扰等。此部分的设计要求实时性和同步性较高，雷达显示接口板的运行必须在时序上，特别是外部输入／输出工作时序上与真实雷达工作特性相一致，以实现与真实雷达显示器的数据交换。
3 系统软件设计
轰炸瞄准雷达训练系统软件运行于Windows 2000操作平台下，结构如图4所示。系统软件通过对采集到的操作员的操作、载机的飞行参数和雷达系统状态等信息进行处理，利用虚拟现实技术实时地模拟生成逼真的雷达画面。同时将雷达视频回波由雷达显示接口板传送给真实雷达显示器进行显示。
主要模块的功能如下：
(1)数据采集模块：主要用来采集雷达各个开关、旋钮的状态。
(2)通信模块：负责教控台与雷达模拟器、雷达模拟器与FPGA间交换数据。
(3)载机运动仿真模块：模拟生成载机运动的航迹。根据飞行器质心运动模型模拟生成载机的飞行航线，根据飞行器的姿态角变化模型模拟生成载机的姿态。
(4)雷达系统仿真模块：用计算机建模仿真雷达的功能状态。
(5)地形数据库模块：利用MultiGen Creat建模工具建立地物场景的三维模型，如河流、山脉、树林、城镇、铁路等，之后用MultiGen的TMM工具为三维模型加表面反射和纹理，最终生成地形纹理配置文件，在地形纹理配置文件中包括了所指定的地形纹理区域的大小和散射截面积。
(6)雷达图像生成模块：根据地形数据库的地景数据，利用Vega软件的RadarWorks模块生成雷达地物回波图像。Vega的RadarWorks模块根据材质数据库、地形纹理配置文件及雷达系统参数、载机状态信息等实时的判断各个单元的有效反射面积并计算雷达反射强度，从而提供了基于真实地形的机载雷达的逼真的仿真图像。
(7)成绩管理模块：评估、管理学员模拟训练成绩。
以上模块中，载机运动仿真模块和成绩管理模块由教控台计算机运行，教控台计算机和雷达仿真计算机都安装有网络通信模块，其余模块由雷达仿真计算机运行。
系统软件工作流程如下：载机运动仿真模块根据仿真模型和教员的指令生成载机飞行航线，模拟载机按设定的航线和高度进行飞行，实时地将载机运动参数通过网络传送给雷达仿真模块。同时传送给雷达仿真模块的数据还有由数据采集模块采集到的雷达开关、旋钮状态。雷达仿真模块根据雷达当前的开关、旋钮位置确定雷达的工作状态，如距离量程、扫描方式等。雷达仿真模块根据扫描方式确定天线转速，根据载机位置、飞行高度和雷达天线俯仰角度等参数计算雷达的波束擦地角，进而确定当前雷达的距离探测范围。雷达仿真模块将计算到的波束宽度、方位扫描范围、天线俯仰角、距离分辨率、扫描线扫描的增量、扫描速度和载机飞行参数传递给图像生成模块。图像生成模块利用Vega的Radarworks模块，通过设置以上雷达参数并根据载机的当前位置调用地形数据库中的数据，生成仿真的雷达图像。最后由通信模块将雷达视频回波经雷达显示接口板传送给雷达显示器显示。
4 结语
设计的训练系统采用半实物仿真，单片机控制、虚拟现实技术模拟轰炸瞄准雷达。半实物仿真由于采用真实雷达显示器和与实装雷达一致的操作面板，因此模拟效果比虚拟仿真更真实，尤其适合针对飞行人员的操作训练。通过虚拟现实技术可逼真地模拟飞行中的雷达回波图像，使得雷达画面更加真实。系统在检测练习者的各种操作时，能将雷达画面显示在教控台显示器上，可实时、全程监控训练过程，便于整体教学。
航空兵在夜间或复杂气象条件下实施轰炸或投布鱼、水雷，在这种条件下，光学瞄准具的使用有一定的局限性。而轰炸瞄准雷达则可以弥补光学瞄准具的这一局限性，它受气象条件限制小，可以利用目标反射的电磁波在远距离观察、发现和识别目标，并对目标实施轰炸或投射鱼雷。在航行中，它可以提供必要的领航诸元，还可观察山峰和雷雨云，防止飞机撞山和进入雷雨区。由于轰炸瞄准雷达的开关、旋钮众多，操作步骤复杂，因此在雷达教学和训练中需要较多的雷达操作实习。传统的实习方法是在地面或空中操作实装雷达，其缺点是保障困难且会减少实装雷达的使用寿命，另外在地面操作实装雷达也探测不到大范围的地物回波，无法培养飞行员发现、瞄准目标的能力。因此，研制一种能在地面进行全功能模拟训练的轰炸瞄准雷达训练系统是十分必要的。
1 主要功能
模拟训练系统主要完成以下功能：
(1)雷达操作程序的练习，如通电前检查程序，雷达开、关机程序，雷达信号检查程序，雷达影像调整程序，对目标的瞄准程序等。
(2)模拟某一区域内的地面和海面目标雷达影像，用于搜索地面和水面目标及瞄准训练。
(3)利用雷达画面确定飞机的领航要素，供领航员领航。如测量飞机地速、偏流、真高、地标相对方位角、地标斜距以及确定本机位置等。
(4)教控台同步显示各雷达模拟器的画面及操作，以利于教员对学员的操作进行评价。
(5)管理学员的雷达操作成绩，如学员信息的录入，学员成绩的评定、检索、打印等。
2 硬件设计
模拟系统由教控台、多部雷达模拟器组成。教控台和雷达模拟器之间由网络连接通信，结构如图1所示。
教控台由控制台和一台计算机组成，用来导演战场想定背景、模拟雷达载机的运动、监控学员对雷达的操作及对训练操作进行评估。它通过网络与雷达计算机进行通信，向雷达计算机实时传送战场态势和载机参数，雷达计算机则向教控台传送雷达状态和雷达显示画面。
2.2 雷达模拟器
为了保证模拟器操作界面的逼真性，雷达模拟器采用半实物仿真的方式。由于雷达显示器是最主要的显示操作设备，且该型雷达显示器形状不规则难以仿真制作，因此雷达显示器采用实装设备。其余控制设备本着外观一致、控制关系一致、接口一致的原则进行设计制作。由一台工控计算机作为仿真主机完成雷达模型建立和信号处理仿真，采集各元器件的开关量和模拟量，仿照实装的逻辑关系，产生各种控制信号，控制面板上的各种指示灯、指示表和雷达显示器上的视频信号的显示。
模拟器组成如图2所示，雷达仿真计算机通过信号采集卡采集各元器件的开关量和模拟量，产生各种控制信号，控制面板上的各种指示灯；根据教控台送来的战场环境和载机参数完成雷达模型建立和信号处理仿真；模拟产生雷达回波和雷达的状态并通过RS 232串口传送至雷达显示接口板。
(1)根据雷达状态产生重复频率为1 250 Hz或535 Hz的各种波形驱动显示器进行扫描显示，这些波形主要包括扫描锯齿波、消隐方波、定时脉冲等。
(2)处理雷达仿真计算机送来的雷达回波，经D／A转换形成视频信号后输入到雷达显示器。
(3)产生距离刻度脉冲、测距脉冲、主瞄脉冲、预瞄脉冲等送入雷达显示器显示成各类标志。其中定时脉冲、扫描锯齿波、消隐方波、各类脉冲和雷达回波这些信号要在时序上严格一致。
(4)根据雷达状态驱动气压表、雷达信号检查表、天线俯仰指示表指示相应的位置。
以FPGA为中心的雷达显示接口板是系统设计的重点和难点之一，组成如图3所示。雷达仿真主机与FPGA之间定时通信，将主机模拟的雷达状态及地形目标传递给FPGA。FPGA根据雷达状态产生触发脉冲到扫描电路产生锯齿波，锯齿波加入到雷达显示器的偏转线圈从而产生扫描线。FPGA根据雷达状态控制天线同步信号电路产生不同速度的天线转动信号，天线转动信号加入到显示器的天线同步接收器中驱动显示器进行圆周扫描或方型扫描。在触发脉冲的触发下，FPGA把从雷达仿真主机接收到的当前方位下的地物回波信号经D／A转换电路转换成雷达视频信号，再经放大后加入到雷达显示器的栅极，从而显示出地面目标回波图像。FPGA还负责产生雷达显示的其他信号，包括距离标志、瞄准标志、噪声、干扰等。此部分的设计要求实时性和同步性较高，雷达显示接口板的运行必须在时序上，特别是外部输入／输出工作时序上与真实雷达工作特性相一致，以实现与真实雷达显示器的数据交换。
3 系统软件设计
轰炸瞄准雷达训练系统软件运行于Windows 2000操作平台下，结构如图4所示。系统软件通过对采集到的操作员的操作、载机的飞行参数和雷达系统状态等信息进行处理，利用虚拟现实技术实时地模拟生成逼真的雷达画面。同时将雷达视频回波由雷达显示接口板传送给真实雷达显示器进行显示。
主要模块的功能如下：
(1)数据采集模块：主要用来采集雷达各个开关、旋钮的状态。
(2)通信模块：负责教控台与雷达模拟器、雷达模拟器与FPGA间交换数据。
(3)载机运动仿真模块：模拟生成载机运动的航迹。根据飞行器质心运动模型模拟生成载机的飞行航线，根据飞行器的姿态角变化模型模拟生成载机的姿态。
(4)雷达系统仿真模块：用计算机建模仿真雷达的功能状态。
(5)地形数据库模块：利用MultiGen Creat建模工具建立地物场景的三维模型，如河流、山脉、树林、城镇、铁路等，之后用MultiGen的TMM工具为三维模型加表面反射和纹理，最终生成地形纹理配置文件，在地形纹理配置文件中包括了所指定的地形纹理区域的大小和散射截面积。
(6)雷达图像生成模块：根据地形数据库的地景数据，利用Vega软件的RadarWorks模块生成雷达地物回波图像。Vega的RadarWorks模块根据材质数据库、地形纹理配置文件及雷达系统参数、载机状态信息等实时的判断各个单元的有效反射面积并计算雷达反射强度，从而提供了基于真实地形的机载雷达的逼真的仿真图像。
(7)成绩管理模块：评估、管理学员模拟训练成绩。
以上模块中，载机运动仿真模块和成绩管理模块由教控台计算机运行，教控台计算机和雷达仿真计算机都安装有网络通信模块，其余模块由雷达仿真计算机运行。
系统软件工作流程如下：载机运动仿真模块根据仿真模型和教员的指令生成载机飞行航线，模拟载机按设定的航线和高度进行飞行，实时地将载机运动参数通过网络传送给雷达仿真模块。同时传送给雷达仿真模块的数据还有由数据采集模块采集到的雷达开关、旋钮状态。雷达仿真模块根据雷达当前的开关、旋钮位置确定雷达的工作状态，如距离量程、扫描方式等。雷达仿真模块根据扫描方式确定天线转速，根据载机位置、飞行高度和雷达天线俯仰角度等参数计算雷达的波束擦地角，进而确定当前雷达的距离探测范围。雷达仿真模块将计算到的波束宽度、方位扫描范围、天线俯仰角、距离分辨率、扫描线扫描的增量、扫描速度和载机飞行参数传递给图像生成模块。图像生成模块利用Vega的Radarworks模块，通过设置以上雷达参数并根据载机的当前位置调用地形数据库中的数据，生成仿真的雷达图像。最后由通信模块将雷达视频回波经雷达显示接口板传送给雷达显示器显示。
4 结语
设计的训练系统采用半实物仿真，单片机控制、虚拟现实技术模拟轰炸瞄准雷达。半实物仿真由于采用真实雷达显示器和与实装雷达一致的操作面板，因此模拟效果比虚拟仿真更真实，尤其适合针对飞行人员的操作训练。通过虚拟现实技术可逼真地模拟飞行中的雷达回波图像，使得雷达画面更加真实。系统在检测练习者的各种操作时，能将雷达画面显示在教控台显示器上，可实时、全程监控训练过程，便于整体教学。
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