一种集成通用的雷达杂波采集模拟仿真器及模拟仿真方法

摘要

本发明涉及一种集成通用的雷达杂波采集模拟仿真器及模拟仿真方法，本发明包括工业控制计算机、采集卡、模拟仿真卡，采集卡采集雷达的杂波信号至工业控制计算机，所述工业控制计算机根据采集卡采集的杂波信号进行杂波模拟，所述工业控制计算机根据输入的杂波特征参数进行杂波仿真，工业控制计算机将模拟或仿真的结果通过模拟仿真卡输出到外部处理设备。本发明将独立的杂波采集装置、杂波模拟装置和杂波仿真装置构成一个统一的整体，具备了高速性、大容量、通用性、灵活性和可扩展性等优点。本发明还具有用采集的真实杂波数据进行仿真模拟的特点。

说明书

                        技术领域

本发明涉及雷达杂波信号的采集、模拟和仿真设备，特别是涉及一种集成通用的雷达杂波采集模拟仿真器及模拟仿真方法。

                        背景技术

在现有的雷达设备中，对于雷达杂波的采集、模拟、仿真大都采用分离、专用的研制和开发思路。一是基于微机平台由专用采集卡构成的雷达信号采集设备，该设备能够针对具体的雷达信号，以12Bit的精度双通道采集雷达数据。但其信号采集的对象是相参雷达的零中频信号，因此其采集频率只设计为5MByte/s，存储容量为1.5Mbyte，不具有高速缓存器件，因此其功能单一，且不能满足高速大容量的雷达视频信号的采集要求。

另一是由分立器件构成信号仿真器(参见文献[2]：Pekka Eskelinen，Pekka Ruuskanen，Unt0 Rasanen，Maj-Britt Kaleton.Low-CostSimulator for Basic Radar Signals.IEEE AES Systems Magazine，June1994，p7-11)。它由一个5MHz的TTL时钟输出给计数器链，产生频率和宽度可变的脉冲信号，脉冲重复频率变化范围是100Hz到10KHz，脉冲宽度变化范围是100ns到1ms。这种仿真源功能简单，结构复杂，硬件工作量大，研制周期长。而且有个突出缺点，就是灵活性差，系统都是针对具体雷达设计的，因此每次雷达功能的变化，就必须重新设计仿真源。无法适应目前迅速发展的雷达技术现状。

另一是基于微机平台研制的杂波仿真源(参见文献[3]：Fan BangKui，Mao erKe，Han YueQiu.A Real-Time Radar Video Signal Simulator.Proceedings of ICSP’96，1996，p1102-1105)，这是一种基于486微机和TMS320C25芯片的雷达视频信号仿真源。该仿真源中微机完成数据库产生和数据预处理，并通过ISA总线将数据传输给TMS320C25。TMS320C25有独立的数据存储器和程序存储器，数据和程序的加载均由微机控制。目标的幅度和相位以及每个距离单元的杂波信号都由TMS320C25实时运算出来。输出波形发生器将计算得到的目标和杂波样本数据根据雷达同步信号转换成实际的实时输出信号。但该仿真源主要仿真的是相参雷达的零中频信号，同样也不能满足高速大容量的视频信号仿真的需要。另外，其不能实现雷达杂波的采集，其仿真的杂波主要针对具体型号和体制的雷达，缺乏通用性，且杂波模拟仿真的方法单一，难以产生特殊要求的杂波。

至于雷达信号模拟设备，即根据实际采集的杂波信号，产生性质类似的新的杂波数据。目前，大都停留在计算机分析处理阶段，很少有实际的杂波模拟设备的报道。

现有的雷达杂波的采集、模拟、仿真设备的主要优点在于：针对特定雷达的设计要求，可降低研制成本和缩短研制周期。但其也不可避免存在如下缺点：

1)复杂度高，可靠性低。由于没有一体化的集成平台，对于杂波的数据采集、特性分析与建模、仿真与模拟杂波生成等环节都是分离、非实时的，从而增加了设备的复杂度、降低了系统的可靠性。

2)重复研制，重复投资。由于系统通用性非常有限，针对不同体制、型号的雷达需要开发新的采集、模拟或仿真设备。

3)灵活性差、功能升级困难。由于现有设备大都采用以硬件固化为主的设计，使得难以增加、删除或改变设备功能。

因此就需要有一种可将雷达杂波采集、模拟和仿真集成在一起的设备，该设备还应该满足不同体制、型号雷达的需求。但是并不能将现有技术中分离的采集、模拟和仿真设备简单集成，因为当进行高速的雷达视频信号采集、模拟和仿真时，需要提高设备数据的A/D、D/A的速率，以及后继的数据存储设备，它同样也会对系统提出超过现有系统更为复杂的软硬件设计、需要设计数据的高速缓存结构。

                      发明内容

本发明的目的是为了克服现有雷达杂波采集、模拟、仿真系统的设备分离、复杂度高、可靠性低、重复研制、功能升级困难等缺点，提供一种集成通用的雷达杂波采集模拟仿真器。

为了实现上述目的，本发明包括工业控制计算机、采集卡、模拟仿真卡，采集卡采集雷达的杂波信号至所述工业控制计算机，工业控制计算机将模拟或仿真的结果通过模拟仿真卡输出到外部处理设备。

上述工业控制计算机内还包括

杂波数据采集装置：用于控制采集卡进行杂波数据的采集；

杂波模拟装置：用于从杂波数据采集装置采集的杂波数据中提取特征参数，并根据所述特征参数进行杂波模拟，最后将结果输出至外部处理和显示设备；

杂波仿真装置：用于根据外部输入的杂波特征参数进行杂波仿真，最后将结果输出至外部处理和显示设备。

上述采集卡和模拟仿真卡与工业控制计算机之间采用ISA总线或PCI总线连接。

本发明还提供了一种集成通用的雷达杂波采集模拟仿真的方法，包括工业控制计算机、采集卡、模拟仿真卡，其中工业控制计算机包括

主控方法：根据采集卡采集的杂波信号进行杂波模拟，根据输入的杂波特征参数进行杂波仿真，提供了系统的主界面，操作员可以通过菜单选择进入杂波采集、杂波模拟、杂波仿真、杂波环境仿真等不同的子方法，并且主控方法还提供了采集、仿真、模拟等各部分所需的参数设置。

上述主控方法包括

杂波数据采集：由实时采集，系统调试和波形回放三部分组成，实时采集通过开辟内存缓存区，将采集数据从高速缓存(FIFO)，通过XMS扩展内存技术，传送到XMS扩展内存，系统调试则通过调节高速采集器上的增益，电平调整电位器时，其调整后的采集结果实时地以波形的形式显示到计算机屏幕上，波形回放的功能是对实时连续采集所得的数据文件进行波形显示；

杂波模拟：通过对实际采集的杂波实时提取特征参数，分别运用球不变随机过程(SIRP)或人工神经网络(ANN)的等模拟方法，动态的生成模拟杂波数据，并调用模拟仿真卡的驱动程序控制模拟仿真卡生成符合时序要求的杂波波形，输出至信号处理机或示波器；

杂波仿真：通过设定或已知的杂波幅度分布(瑞利分布、对数-正态分布、Weibull分布、K分布)和功率谱(高斯谱、立方谱)以及相关参数，利用零记忆非线性滤波(ZMNL)方法，动态的生成仿真杂波数据，并调用模拟仿真卡的驱动控制模拟仿真卡生成符合时序要求的杂波波形，输出至信号处理机或示波器；

典型雷达环境仿真：在杂波仿真的基础上，不仅动态的生成仿真杂波数据，并且根据典型的雷达环境，产生各种目标数据(不同的运动、散射特性等)，进而调用模拟仿真卡的驱动控制模拟仿真卡生成符合时序要求的杂波波形，输出至信号处理机或示波器；

模拟仿真卡的驱动：接收设定的仿真模拟参数，开辟内存缓存区，通过XMS扩展内存方法，将模拟仿真数据从XMS扩展内存，传送到高速缓存(FIFO)，并通过设定的时序将模拟仿真数据连续回放出来。

本发明优点是：

高速性：本发明的采集器和模拟仿真器的A/D和D/A的频率高，覆盖范围广，目前采用的是50Mbyte/s的A/D和D/A的芯片，还可以方便通过更换同系列的芯片，进一步提高A/D和D/A的频率；

大容量：本发明的采集器和模拟仿真器的缓存容量大，波门宽度16K以下可选，一次采集与模拟仿真数据大小由系统内存大小确定，因此可以不断扩充。

通用性：本发明提供的雷达杂波采集、模拟、仿真适用于相参/非相参、单通道/双通道、脉冲/连续波、地基/舰载/机载/星载等不同体制的警戒雷达、火控雷达、气象雷达、成像雷达的使用，具有通用性的优点。

灵活性和可扩展性：本发明提供的雷达杂波模拟和仿真新方法的接口，新理论与新方法同样可以通过规范的软件接口协议被调用，方便地实现功能扩展。

                      附图说明

图1是本发明的集成通用的雷达杂波采集模拟仿真器的结构框图。

图2是本发明的高速通用采集装置的内部结构与组成的示意图。

图3是本发明的高速通用雷达杂波模拟仿真装置的内部结构框图。

图4是本发明的方法流程图。

图5是本发明的基于球不变随机过程(SIRP)实现K分布气象杂波模拟的方法流程图。

图6是本发明的基于非线性零记忆滤波(ZMNL)实现杂波仿真的方法流程图。

                     具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但下述实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种集成通用的雷达杂波采集模拟仿真器由硬件系统、软件系统两大部分组成。

本发明的硬件系统主要由工业控制计算机(工控机)、高速通用采集卡、高速通用模拟仿真卡三部分(图1)组成。

高速通用采集卡与雷达的输出接口之间有四路信号，并通过功率放大盒和50Ω同轴电缆实现互联。其中，两路分别用于帧同步信号和脉冲同步信号，由-30V电源供电驱动，另两路用于双通道雷达视频回波信号的功率放大，由+30V电源供电。功率放大盒还能够通过硬件电路产生测试波形，以辅助调试采集卡。采集卡与工控机之间通过ISA插槽或PCI插槽实现互联。高速通用采集卡由高速ADC、高速缓存、控制及时钟电路和计算机接口等四大部分组成(见图2)。高速ADC完成模拟信号的高速采样，它主要由两面片高速运放AD9617和一片双通道高速模数转换器AD9058组成。高速缓存部分由两片FIFO(先进先出)电路组成。为了满足容量和速度的要求，选用IDT7206-15，它的容量是16384×9 Bits，速度为15ns。控制及时钟电路的根据计算机接口发送过来的参数，设置相应的采样率、采样门与同步脉冲之间的延迟时间和采样门门宽，经有关逻辑电路转换，提供给ADC所需的采样脉冲。采集器的控制及时钟电路从功能上可分为方位和同步信号处理，采样门延时，采样门形成和采样时钟这四部分组成。计算机接口电路由ISA总线接口，通用可编程阵列GAL20V8，三片数据总线驱动器74F245和三片8位锁存器74F574组成。

高速通用模拟仿真卡与信号处理机(或示波器)接口之间有四路信号。其中，两路用于帧同步信号和脉冲同步信号，另两路用于双通道雷达视频回波信号，四路信号通过50Ω同轴电缆和视频插头联结。模拟仿真卡与工控机之间通过ISA插槽实现互联。高速通用模拟仿真卡由高速DAC、高速缓存、控制及时钟电路和计算机接口等四大部分组成(见图3)。高速DAC完成对计算机产生的数字信号的模拟变化，它主要由两片单通道高速数模转换器AD9708组成。高速缓存部分由两片FIFO(先进先出)电路组成。为了满足容量和速度的要求，本发明选用IDT7206-15，它的容量是16384×9 Bits，速度为15ns。控制及时钟电路的作用是根据计算机接口发送过来的参数，设置相应的方位脉冲重复频率、同步脉冲重复频率、D/A转换率、仿真波门门距同步脉冲的延迟时间和仿真门门宽，从功能上又可分为方位和同步信号产生，仿真门延时，仿真采样门形成和转换时钟形成这四部分组成。计算机接口电路由ISA总线接口，通用可编程阵列GAL20V8，三片数据总线驱动器74F245和三片8位锁存器74F574组成。

本发明的软件系统由主控软件、杂波数据采集程序、杂波模拟程序、杂波仿真程序、典型雷达环境仿真程序、模拟仿真卡驱动程序等六部分组成，各部分的调用和层次关系见图4。

系统的主控软件提供了系统的主界面，操作员可以通过菜单选择进入杂波采集、杂波模拟、杂波仿真、杂波环境仿真等不同的子流程，并且主控软件还提供了采集、仿真、模拟等各部分所需的参数设置。

杂波数据采集程序由实时采集程序，系统调试程序和波形回放程序三部分组成。实时采集程序通过开辟内存缓存区，将采集数据从高速缓存(FIFO)，通过XMS扩展内存技术，传送到XMS扩展内存，该部分程序由汇编语言实现。系统调试程序则通过调节高速采集器上的增益，电平调整电位器时，其调整后的采集结果实时地以波形的形式显示到计算机屏幕上，它是由C语言和汇编语言混合生成的。波形回放程序的功能是对实时连续采集所得的数据文件进行波形显示，它是完全由C语言生成的。

杂波模拟程序通过对实际采集的杂波实时提取特征参数，分别运用球不变随机过程(SIRP)或人工神经网络(ANN)的等模拟方法，动态的生成模拟杂波数据，并调用模拟仿真卡的驱动程序控制模拟仿真卡生成符合时序要求的杂波波形，输出至信号处理机或示波器，该部分程序由C语言实现。

杂波仿真程序通过设定或已知的杂波幅度分布(瑞利分布、对数-正态分布、Weibull分布、K分布)和功率谱(高斯谱、立方谱)以及相关参数，利用零记忆非线性滤波(ZMNL)方法，动态的生成仿真杂波数据，并调用模拟仿真卡的驱动程序控制模拟仿真卡生成符合时序要求的杂波波形，输出至信号处理机或示波器，该部分程序由C语言实现。

典型雷达环境仿真程序在杂波仿真程序的基础上，不仅动态的生成仿真杂波数据，并且根据典型的雷达环境，产生各种目标数据(不同的运动、散射特性等)，进而调用模拟仿真卡的驱动程序控制模拟仿真卡生成符合时序要求的杂波波形，输出至信号处理机或示波器，该部分程序由C语言实现。

模拟仿真卡的驱动程序接收设定的仿真模拟参数，开辟内存缓存区，通过XMS扩展内存技术，将模拟仿真数据从XMS扩展内存，传送到高速缓存(FIFO)，并通过设定的时序将模拟仿真数据连续回放出来，该部分程序由汇编语言实现。

本发明的杂波模拟仿真理论的研究主要包括SIRP、ZMNL、ANN等三方面。目前对雷达杂波主要以平稳随机过程模型进行建模，而平稳随机过程又是从其一阶的统计特性(幅度分布概率密度函数)和二阶统计特性(相关函数和功率谱)两个方面的拟合进行的。而目前能够综合考虑杂波一、二阶统计特性的杂波模拟方法主要有两种，即广义维纳过程的零记忆非线性变换(ZMNL)和球不变随机过程(SIRP)。本发明分别利用二者实现了雷达杂波的模拟和仿真。

SIRP法模拟雷达杂波的基本思想是，根据实际采集的雷达杂波数据设计一FIR滤波器，白噪声通过滤波器产生一个相关的高斯随机过程，然后用具有所要求的单点概率密度函数的随机变量S进行调制。本发明利用SIRP实现K分布的云雨杂波的实现流程见图5，产生的序列经幅度分布检验和功率谱检验表明：本发明的方法对实际采集的气象杂波进行建模是准确的，并且运用一个基于球不变随机过程的模型获取的模拟杂波很好地保持了实际杂波的概率密度和功率谱特性。

SIRP方法受所求的序列的阶数及自相关函数的限制，并不是所有的杂波幅度统计特性模型都能找到相应的调制变量S，同时这种方法的计算量非常大，不易形成快速算法。而广义维纳过程的ZMNL则弥补了SIRP方法的不足，可以实现各种常用统计模型的信号仿真。本发明利用ZMNL实现了相关瑞利分布、相关对数正态分布、相关K分布等不同分布和功率谱杂波的仿真(流程附图6)，产生的序列经幅度分布检验和功率谱检验表明，本发明的方法进行杂波仿真是准确有效的。

对于严重非平稳的杂波环境(如海杂波等)，采用平稳随机过程模型对雷达杂波序列进行建模并不完全符合实际情况。混沌理论为复杂现象建模提供了一种新的有效手段。混沌理论的研究表明：混沌并非无序；混沌可以由简单确定性系统产生；混沌中存在有吸引子，吸引子具有吸引性和小扰动的稳定性，它作为一个整体是运动不变量，具有内在的精细结构，呈现一定的变化规律，这些说明了貌似随机的现象具有可预测性。本发明基于混沌模型，应用人工神经网络(ANN)对雷达杂波信号进行预测和模拟，模拟的具体流程见附图6。本发明研究结果不仅表明海杂波具有混沌特性，而且证明了通过ANN实现混沌时间序列的局部预测和模拟是完全可能的。

本发明中的杂波模拟是指根据实际采集的杂波数据，提取特性参数，实时或非实时地产生新的杂波数据，其评估准则是模拟波形与实际波形的相似性和逼近度；杂波仿真是指直接根据已知或设定的杂波特性要求(如幅度分布、协方差矩阵、功率谱)，产生仿真的杂波数据，其评估准则是仿真波形与特性指标之间的符合程度。杂波模拟针对实际采集的杂波数据，而杂波仿真可脱离具体雷达和实际的杂波数据，但两者的一些性能判别的指标是一致的。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。