基于COST視頻采集卡的雷達訓練系統(tǒng)研究

摘要：針對于現(xiàn)代雷達面臨的環(huán)境越來越復雜，利用計算機和仿真手段以及建模技術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練具有很高的訓練效益。
關鍵詞：視頻采集卡；仿真；雜波環(huán)境；訓練：雷達原始視頻

    未來的戰(zhàn)場是信息化戰(zhàn)場，復雜電磁環(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，必須注重平時的訓練，加大復雜背景環(huán)境下雷達裝備訓練的力度。為了提高訓練實效，并達到訓練目的，一般采用電子戰(zhàn)模擬技術及訓練模擬系統(tǒng)來模擬實戰(zhàn)條件下的訓練。而目前的訓練手段和方式，以及雷達模擬訓練系統(tǒng)還不能完全滿足復雜背景環(huán)境下雷達訓練的實戰(zhàn)要求。為了構建戰(zhàn)場復雜背景環(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，其性能十分復雜，海風、海流、海浪、潮汐和不同的水質等都對海雜波的產(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和數(shù)學統(tǒng)計模型能夠對地物雜波和海雜波進行仿真模擬，但是當前計算機仿真技術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還不能實時動態(tài)模擬，導致海雜波動態(tài)性的仿真模擬效果還達不到實際要求。

2 雷達視頻采集設備的功能與性能優(yōu)勢
    雷達視頻采集設備是一款基于PCI的COST設備，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)。
    該設備具有信號輸入、坐標處理／掃描轉換與顯示、信號輸出、存儲設備(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／掃描轉換與顯示：Advantage／++掃描轉換卡是一塊獨立的雷達坐標轉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，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)也可以導回硬盤，存儲設備的性能參數(shù)如表1所列。

3 基于雷達視頻采集的雷達訓練系統(tǒng)
3．1 系統(tǒng)結構及特點
    該雷達訓練模擬系統(tǒng)是以雷達視頻采集設備為基礎，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)結構如圖3所示。計算機處理模塊控制著雷達視頻采集設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，根據(jù)雷達視頻的同步信號和相關參數(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，形成復雜的多目標和干擾威脅環(huán)境，送顯控設備進行終端顯示。該雷達訓練系統(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，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、訓練效益高的特點，對雷達仿真訓練有較高的訓練價值。

3．2 系統(tǒng)工作模式
    雷達訓練系統(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，不失真地情況下保存。在這種訓練模式下，雷達訓練系統(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。在訓練過程中，可以對雷達訓練系統(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備，事后將采集數(shù)據(jù)導入雷達訓練系統(tǒng)存儲設備進行回放。在回放模式下，雷達訓練系統(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，供終端顯控設備顯示。在這種訓練模式下，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)回放和重復訓練，大大提高了訓練效益。
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，在雷達訓練系統(tǒng)中，采用比較成熟的計算機仿真技術和數(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)融合形成復雜的雷達原始視頻，構建復雜的雷達威脅環(huán)境。在訓練過程中，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訓練。
    雷達訓練系統(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)進行相關參數(shù)設置，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)為基礎的雷達訓練系統(tǒng)更能夠逼真地再現(xiàn)雷達在復雜電磁環(huán)境下所探測的環(huán)境。

4 結束語
    這種訓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)才能支持雷達訓練系統(tǒng)的運轉。該雷達訓練系統(tǒng)具有雷達視頻還原效果逼真、可操作性強、投入低、訓練價值高的優(yōu)點，具有較高的應用效益，比較適合初級雷達職手訓練和院校雷達教學使用。