基于COST視頻采集卡的雷達訓(xùn)練系統(tǒng)研究

摘要：針對于現(xiàn)代雷達面臨的環(huán)境越來越復(fù)雜，利用計算機和仿真手段以及建模技術(shù)很難逼真地模擬雷達探測環(huán)境，而文中介紹了COST視頻采集卡具有對實裝雷達原始視頻進行記錄和回放，可以真實的再現(xiàn)雷達探測環(huán)境，因此基于COST視頻采集卡的雷達訓(xùn)練系統(tǒng)成功的解決了對雜波環(huán)境仿真逼真度問題，對雷達職手教學和訓(xùn)練具有很高的訓(xùn)練效益。
關(guān)鍵詞：視頻采集卡；仿真；雜波環(huán)境；訓(xùn)練：雷達原始視頻

    未來的戰(zhàn)場是信息化戰(zhàn)場，復(fù)雜電磁環(huán)境是未來信息化作戰(zhàn)的主要環(huán)境特征。而錯綜復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境對電子戰(zhàn)武器裝備的作戰(zhàn)性能和生存能力都提出了嚴重挑戰(zhàn)。因此，要想在未來實戰(zhàn)中獲得主動權(quán)，必須注重平時的訓(xùn)練，加大復(fù)雜背景環(huán)境下雷達裝備訓(xùn)練的力度。為了提高訓(xùn)練實效，并達到訓(xùn)練目的，一般采用電子戰(zhàn)模擬技術(shù)及訓(xùn)練模擬系統(tǒng)來模擬實戰(zhàn)條件下的訓(xùn)練。而目前的訓(xùn)練手段和方式，以及雷達模擬訓(xùn)練系統(tǒng)還不能完全滿足復(fù)雜背景環(huán)境下雷達訓(xùn)練的實戰(zhàn)要求。為了構(gòu)建戰(zhàn)場復(fù)雜背景環(huán)境，提供逼真的雷達威脅環(huán)境，進一步提高實戰(zhàn)情況下的雷達訓(xùn)練效果。針對于艦載雷達，本文提出了一種基于COST視頻采集卡的雷達訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 雷達面臨的雜波環(huán)境特征分析
    雷達探測位于陸地或海面上以及空中的目標時，雷達接收的不僅有目標的回波，而且疊加有不需要的被照射區(qū)域的回波，這部分回波被稱為雜波，雜波的存在嚴重影響著雷達對目標的探測，尤其是對小目標的探測。
    雷達雜波就是雷達波束在物體表面形成的后向散射，主要有地物雜波和海雜波兩大類，陸地上物體比較固定，在雷達中形成的雜波變化幅度不是很大；而海雜波表現(xiàn)出更強的動態(tài)特性。海面作為雷達波的反射面，其性能十分復(fù)雜，海風、海流、海浪、潮汐和不同的水質(zhì)等都對海雜波的產(chǎn)生有著不同的影響。地物和海雜波的存在有時導(dǎo)致一些回波弱、速度快的目標淹沒在雜波中，使雷達不能對其檢測，而這些被漏掉的目標，往往有很高的威脅性，例如采用隱身技術(shù)的目標和掠海飛行的小目標。
    雖然，目前采用計算機仿真技術(shù)和數(shù)學統(tǒng)計模型能夠?qū)Φ匚镫s波和海雜波進行仿真模擬，但是當前計算機仿真技術(shù)和手段還不能完全仿真模擬地物和海雜波的實時動態(tài)性，只能模擬特定條件下的雜波形態(tài)變化。其中對海雜波的實時動態(tài)性仿真模擬是最困難的，因其涉及到的計算量很大，以目前的計算機技術(shù)還不能實時動態(tài)模擬，導(dǎo)致海雜波動態(tài)性的仿真模擬效果還達不到實際要求。

2 雷達視頻采集設(shè)備的功能與性能優(yōu)勢
    雷達視頻采集設(shè)備是一款基于PCI的COST設(shè)備，由于記錄的是數(shù)字信號，可以在不失真地情況下，實時記錄與重復(fù)回放。其次記錄的雷達信號可以重新生成(含時標與方位角)的雷達視頻。記錄的數(shù)據(jù)保存在大容量SCSI硬盤中，可以快速方便的讀寫操作，同時具備DLT磁帶機備份儲存功能，用于數(shù)據(jù)歸檔作長期保留。保留在DLT磁帶的數(shù)據(jù)可以隨時導(dǎo)入Centurion，再次生成原始雷達信號(也可用于雷達信號模擬器)。
    該設(shè)備具有信號輸入、坐標處理／掃描轉(zhuǎn)換與顯示、信號輸出、存儲設(shè)備(數(shù)據(jù)記錄)等功能。
    信號輸入：信號輸入部分是一塊PCI卡完成，可以輸入多種類型的雷達信號(包括A顯、B顯與PPI扇掃顯)。這塊卡自身提供視頻和方位角的處理能力，包括一個2D的視頻放大器參量表，可補償雷達特征和雜波。信號輸入卡可同時接收三個輸入通道的總脈沖信號，包括雷達回波、觸發(fā)、方位、正北。如疊加一塊方位角輸入子卡可以適應(yīng)一些特殊的方位角格式。雷達輸入卡提供輸入范圍和方位角可編程功能，信號采集部分為50MHz，8位精度。這8位數(shù)據(jù)也可以利用峰值檢測方法二次抽樣產(chǎn)生可自定義采樣頻率的信號和外部時鐘，如圖1所示。
    信號輸入卡可接收2048／360°、4096／360°和8192／360°的方位角。數(shù)字化后的采樣信號以持續(xù)120MB／S的速率，DMA方式傳送到PCI總線上。

    坐標處理／掃描轉(zhuǎn)換與顯示：Advantage／++掃描轉(zhuǎn)換卡是一塊獨立的雷達坐標轉(zhuǎn)換卡并支持最終顯示功能。通過PCI總線，它可以接收來自經(jīng)信號處理卡處理過的數(shù)據(jù)，如PPI格式的數(shù)據(jù)并把它們轉(zhuǎn)換為可用于直接顯示光柵格式與并同時將數(shù)據(jù)打包存儲，用于日后的回放與歸檔。三路圖形信號數(shù)字化后可與雷達信號顯示窗口多層疊加，但最終的記錄只能是選擇一路，如圖2所示。
    雷達信號輸出：Centurion的主要功能便是雷達數(shù)據(jù)的錄取與日后的回放，因此Centurion內(nèi)的雷達輸出卡是為該錄取器開發(fā)的。雷達信號輸出卡可將存儲的雷達數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，以模擬或數(shù)字格式輸出。既可以將原數(shù)據(jù)以PPI顯示形式輸出。
    存儲設(shè)備：Centurion提供硬盤存儲與磁帶備份方式。首先，數(shù)據(jù)通過SCSI接口，保留到硬盤。硬盤內(nèi)的數(shù)據(jù)既可以用于回放，也可以導(dǎo)入到磁帶機進行歸檔永久保存。磁帶機內(nèi)的數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)回硬盤，存儲設(shè)備的性能參數(shù)如表1所列。

3 基于雷達視頻采集的雷達訓(xùn)練系統(tǒng)
3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點
    該雷達訓(xùn)練模擬系統(tǒng)是以雷達視頻采集設(shè)備為基礎(chǔ)，雷達視頻數(shù)據(jù)來自于實裝雷達，采集的數(shù)據(jù)為雷達進行脈沖壓縮以后的數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)采集時，將采集設(shè)備同實裝雷達航跡機采集口相連。然后通過千兆網(wǎng)卡將采集的數(shù)據(jù)保存到計算機的硬盤中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。計算機處理模塊控制著雷達視頻采集設(shè)備對雷達原始視頻的采集和存儲，以及視頻數(shù)據(jù)與干擾信號數(shù)據(jù)、目標信號數(shù)據(jù)的匹配處理，干擾模塊和目標模塊采用計算機仿真技術(shù)，根據(jù)雷達視頻的同步信號和相關(guān)參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)字干擾信號和目標模擬信號，與雷達采集視頻數(shù)據(jù)匹配處理，形成復(fù)雜的多目標和干擾威脅環(huán)境，送顯控設(shè)備進行終端顯示。該雷達訓(xùn)練系統(tǒng)可以基本模擬實裝雷達的所有操作，尤其保留了雷達抗干擾技術(shù)，而且能夠在還原的雷達背景雜波環(huán)境中匹配干擾信號和多目標信號。這種模式具有靈活、方便、成本低、訓(xùn)練效益高的特點，對雷達仿真訓(xùn)練有較高的訓(xùn)練價值。

3．2 系統(tǒng)工作模式
    雷達訓(xùn)練系統(tǒng)工作模式可以分為記錄模式和回放模式。
    (1)記錄模式  在記錄模式下，雷達訓(xùn)練系統(tǒng)與實裝雷達對接，將采集到的雷達視頻數(shù)據(jù)送給計算機處理模塊處理后供終端顯控設(shè)備顯示外，還可以實時地把視頻數(shù)據(jù)存儲到硬盤。在存儲過程中數(shù)據(jù)通過RACE4：1壓縮技術(shù)，不失真地情況下保存。在這種訓(xùn)練模式下，雷達訓(xùn)練系統(tǒng)能夠從實裝雷達實時采集到雷達原始視頻數(shù)據(jù)，并能與實裝雷達保持一致的背景雜波環(huán)境。在訓(xùn)練過程中，可以對雷達訓(xùn)練系統(tǒng)進行任何的操作。
    (2)回放模式  由于雷達視頻采集設(shè)備體積小、拆卸方便、便于攜帶，可以單獨跟隨實裝雷達進行全航程錄取，將采集的視頻數(shù)據(jù)存入磁盤陣列或者其它的存儲設(shè)備，事后將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入雷達訓(xùn)練系統(tǒng)存儲設(shè)備進行回放。在回放模式下，雷達訓(xùn)練系統(tǒng)不再實時采集雷達視頻信號，而是計算機處理模塊直接從硬盤里讀取雷達視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)解壓和匹配處理后，供終端顯控設(shè)備顯示。在這種訓(xùn)練模式下，雷達視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，還原后的雷達背景雜波環(huán)境按照事先錄取好的航路進行回放顯示，最終的顯示效果能夠與實裝雷達保持一致，并且能夠循環(huán)回放和重復(fù)訓(xùn)練，大大提高了訓(xùn)練效益。
3．3 雷達視頻數(shù)據(jù)還原顯示效果
    在和平時期，采集到的雷達視頻信號一般是以雷達背景雜波信號為主，很難采集到含有復(fù)雜干擾信號和多目標威脅信號的雷達原始視頻。因此，在雷達訓(xùn)練系統(tǒng)中，采用比較成熟的計算機仿真技術(shù)和數(shù)學模型對于擾信號和多目標信號進行仿真模擬，與采集的雷達視頻數(shù)據(jù)融合形成復(fù)雜的雷達原始視頻，構(gòu)建復(fù)雜的雷達威脅環(huán)境。在訓(xùn)練過程中，兩種工作模式都能夠加入干擾信號和多目標信號，以便在復(fù)雜的背景雜波環(huán)境下進行威脅目標檢測和雷達抗干擾技術(shù)訓(xùn)練。
    雷達訓(xùn)練系統(tǒng)的終端顯示軟件與實裝雷達有相同的操作界面，通過操作終端軟件可以對記錄或者事后回放的雷達視頻數(shù)據(jù)進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，這些操作包括：改變量程、錄取、開窗等，此外還能進行恒虛警，積累、MTI等設(shè)置。如圖4、5所示，采用真實雷達數(shù)據(jù)還原的雷達視頻顯示效果同實際裝備幾乎沒有差別，而采用雜波模型產(chǎn)生的背景雜波過于理想化，與真實環(huán)境下的背景雜波差異較大。

    通過圖4和5的比較，可見以雷達原始視頻數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的雷達訓(xùn)練系統(tǒng)更能夠逼真地再現(xiàn)雷達在復(fù)雜電磁環(huán)境下所探測的環(huán)境。

4 結(jié)束語
    這種訓(xùn)練模式是以采集雷達原始視頻數(shù)據(jù)為前提，并且以大量的視頻數(shù)據(jù)才能支持雷達訓(xùn)練系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。該雷達訓(xùn)練系統(tǒng)具有雷達視頻還原效果逼真、可操作性強、投入低、訓(xùn)練價值高的優(yōu)點，具有較高的應(yīng)用效益，比較適合初級雷達職手訓(xùn)練和院校雷達教學使用。