MATLAB与专用实验仪相结合开展雷达对抗实验教学

摘要:利用MATLAB仿真环境及其Simulink对雷达对抗实验的算法进行高级语言设计、Simulink建模,使得具体算法清晰化、处理流程明朗化、实验数据可视化、实验参数可设置,让学生获得更多的理性认识,而雷达/雷达对抗实验仪的验证功能则给予学生必要的感性认识,MATLAB与雷达/雷达对抗实验仪相结合,互为补充,开展雷达对抗实验教学,是提高雷达对抗实验教学效果的有效途径。

关键词:MATLAB;雷达/雷达对抗实验仪;实验

作者简介:蒋留兵(1973-),男,江苏泰兴人,桂林电子科技大学信息与通信学院,高级工程师,工学硕士,主要研究方向:雷达信号处理;车俐(1977-),女,广西桂林人,桂林电子科技大学信息与通信学院,工程师,主要研究方向:雷达信号处理。(广西 桂林 541004)

基金项目:本文系新世纪广西高等教育教学改革工程“十一五”立项项目(项目编号:2009B034、2008B028)、桂林电子科技大学2010年校级教育教学改革项目(项目编号:JGS201004)的研究成果。

信息对抗专业是为适应信息时代国防建设和国民经济发展的需要而设立的,近年来新技术的发展使得信息技术及其对抗技术发展很快。“雷达原理”[1]与“雷达对抗原理”课程[2]作为信息对抗技术专业的主干课程,为配合理论教学,同步开设雷达/雷达对抗实验课。雷达/雷达对抗实验仪是进行雷达/雷达对抗实验的专用仪器,[3]可以开设雷达原理、雷达对抗原理共十多项实验,通过实验及对实验现象的观察,可以帮助理解雷达和雷达对抗原理的基本概念和理论,增强对雷达或对抗系统的感性认识。MATLAB作为三大数学软件之一,是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。如何切实体现教学相长、课堂实验教学为实际应用服务,如何去不断增强该课程实践教学的有效性、实用性、前瞻性,如何确保实验教学的开展和改革适应相关技术的发展,是将MATLAB与雷达/雷达对抗实验仪相结合开展雷达/雷达对抗实验教学的目的所在。

一、雷达对抗实验教学的特点

“雷达原理”与“雷达对抗原理”是武器类课程,具有多学科渗透、专业性强、应用性强、国防特色等鲜明特点。与之相配套的雷达/雷达对抗实验也具备以上特点。首先,多学科渗透一方面要求学生在高等数学、信号处理技术、电磁场与微波技术等基础理论方面具备扎实的基础以及建模能力,另一方面还要求学生熟练掌握必要的专业知识,比如电磁干扰原理,雷达系统组成、雷达测距、测速和测角原理、雷达方程、雷达信号与波形等基本概念和原理;通过了解雷达各系统具体工作原理和工程实现来理解雷达对抗的工作原理及功能实现。其次,雷达/雷达对抗的专业性强特点使得实验仪器也具有很强的专业性,雷达对抗实验教学内容的验证性部分必须由专门实验设备完成,设计性部分甚至得依靠实际产品来实现。第三,应用性强的特点要求实验内容的设置不仅仅要满足通过实验让学生深入理解雷达/雷达对抗基本概念和理论、增强对雷达/雷达对抗系统的感性认识,更重要的是让学生能理论结合实际,利用所学进行科学研究并提升实际工作能力。最后,因为主要服务于国防建设,国防技术领域有很多先进技术、解决方案、性能指标参数在一定时期内是保密的,所以,雷达/雷达对抗实验教学的着眼点不应该是也不可能是捕捉最先进的技术、解决方案、性能指标参数,而应该是雷达/雷达对抗中最基础、最核心的一些原理和技术,合理设置雷达/雷达对抗实验教学内容的目标就是在有限的学时里让学生透彻理解这些核心原理和技术,知其然而且知其所以然;尽管现代雷达/雷达对抗技术发展迅速,但是万变不离其宗,基本原理都是相通的。打下了扎实的基础,养成了发现问题、思考问题、解决问题的思维方式,学生在今后工作中便能融会贯通、逐步深入研究,有限的课内实验就会产生无限的教学效果。

二、传统雷达/雷达对抗实验教学形式

由于目前可供选择的雷达对抗实验设备屈指可数,再加上实验经费所限,现阶段,国内高校研制的雷达/雷达对抗实验仪是雷达及其对抗实验的主要实验仪器,该实验仪能开设若干基本雷达实验和雷达对抗实验。

但是,该实验仪在现阶段仅能满足开设一些验证性实验内容的需要,学生在实验过程中可通过调节仪器面板上的一些控制按钮来达到改变某些可变参数的目的,并借助于示波器来观察不同参数下的不同输出波形和处理结果。同时,由于实验仪内部软件即工作程序对使用者是不可视的,所以实验中可操作的内容不多,学生往往感觉只要给实验仪某种输入,它就必定有某种固定的输出,现象如此,原因又是为何呢?输入到输出,有什么样的源就有什么样的结果,感性认识具备了,但从输入到输出之间经过了哪些算法和处理,学生不清楚,也就对此缺乏理性认识。

三、MATLAB与雷达/雷达对抗实验仪相结合开展雷达/雷达对抗实验教学

1.MATLAB软件仿真及MATLAB多种工具在雷达/雷达对抗的使用

(1)M文件。可以用.m脚本文件编程直接实现雷达/雷达对抗中的算法及处理方法,仿真时,可通过观测不同参数输入或处理方式对处理结果的影响来选择最优设计。同时,编写M文件的过程中学生对具体算法实现有了更为透彻的理解,工程实现时,他们就能针对具体硬件平台采用不同编程语言来实现各种算法,从而完成设计要求的功能。

(2)FDA Tool工具。利用MATLAB中信号处理工具箱的FDA Tool工具设计FIR、IIR数字滤波器。设计时可随时对比设计要求和滤波器特性调整参数,直观简便,极大的减轻了工作量,有利于滤波器设计的最优化。

(3)DSP Builder。Altera DSP Builder将MATLAB和Simulink系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与VHDL综合、仿真和Altera开发工具整合在一起,实现了这些工具的集成。DSP Builder支持系统、算法和硬件设计共享一个公共开发平台。设计人员可以使用DSP Builder模块迅速生成Simulink系统建模硬件。

例如可采用DSP Builder建立模型来实现正弦波、方波、锯齿波、三角波等多种波形信号发生器,其设计简单,不需要编程,也能根据需要设计出相应的多波信号发生器。

(4)MATLAB/Simulink。MATLAB/Simulink是动态系统建模和仿真软件包,[4]可对连续系统,离散系统和混合系统进行动态系统建模和仿真。在雷达/雷达对抗实验中,可利用Simulink建立测距回路二阶滤波模型、脉冲压缩(LFM)雷达信号处理模型、调频干扰模型等,几乎涵盖雷达环境、雷达信号处理、雷达分系统和雷达系统性能分析等各方面。

2.MATLAB与雷达/雷达对抗实验仪的结合使用

MATLAB工具及其软件包的引入可以弥补单纯依靠实验仪开设雷达/雷达对抗实验的许多不足,MATLAB软件与雷达/雷达对抗实验仪的结合使用大大地丰富了雷达对抗课程的实验内容,帮助学生加深对一些比较抽象的、过于专业化的理论、概念的理解及记忆。下面列举了三个例子以说明MATLAB工具及其软件包与雷达/雷达对抗实验仪相结合开展雷达对抗的可操作性和实效性。

(1)目标距离跟踪实验。在MATLAB软件中,编写实现模拟目标产生、距离自动跟踪系统对目标的搜索/捕获/跟踪过程、目标积累门限检测、距离误差提取、α-β滤波、消模糊、波门产生等测距功能模块的M文件,具体软件处理流程如图1。其中,α-β滤波通常称为二阶回路滤波,用于预测下一重复周期内波门的中心位置,距离回路的跟踪性能很大程度上取决于α-β滤波器的性能,因此决定α-β滤波器性能好坏的α系数和β系数的取值尤为重要。可以利用MATLAB/Simulink建立α-β滤波器模型(见图2),设置α系数和β系数的不同取值组合,通过观察不同α系数和β系数取值组合下滤波器的响应函数曲线来确定最优α系数和β系数的数值。此外,利用MATLAB的绘图函数plot可将模拟目标的运动轨迹曲线和目标距离跟踪回路的跟踪曲线绘出,通过分析两曲线的拟合度判断跟踪回路的性能好坏。

雷达/雷达对抗实验仪所开设的“目标距离跟踪实验”则可以设置三种不同的捕获条件即目标检测的n/m准则,借助于示波器可以清楚地观察跟踪回路对目标的搜索、捕获、跟踪以及失捕的瞬间波门变化和各稳定状态的波形。

MATLAB软件与雷达/雷达对抗实验仪相结合,一方面学生通过MATLAB的编程、建模和仿真详细了解雷达测距分系统的工作原理、核心算法、性能调整,该部分实验注重过程教学,学生能获得较深刻的理性认识;另一方面学生通过实验仪观察目标搜索、捕获、跟踪和失捕各状态之间切换的瞬间的波门变化情况,波形的变化给予学生更多的感性认识。

(2)距离拖引干扰实验。距离波门拖引干扰是应用最多的距离欺骗干扰,[5]它的干扰原理主要是先产生一个与已截获雷达回波脉冲同步且延时相同的较强干扰信号进入雷达跟踪波门,由于其能量更强,使得雷达转而跟踪该干扰信号,然后通过改变干扰信号的时延从而使干扰脉冲与雷达正常回波脉冲逐步分离,最后,当干扰脉冲与回波脉冲彻底分离后关闭干扰,迫使雷达由于跟踪目标突然消失而重新进入搜索状态,从而达到距离拖引干扰的目的。根据以上原理,距离拖引干扰可分为停拖期、拖引期和关闭期三个阶段,如图3所示。

雷达/雷达对抗实验仪上的“距离拖引干扰实验”,便是可以产生一个距离拖引速度可变的干扰脉冲,该脉冲运动进入距离跟踪波门,与真实目标近似重合,假目标凭借其较高的能量让雷达检测、捕获并跟踪,并且通过调整雷达接收机的增益丢失真实目标、跟踪假目标,拖引一旦成功,干扰目标关闭,造成雷达跟踪信号突然中断,雷达重新搜索。将实验仪的目标回波积累输出和距离波门信号连接到示波器上就可清楚地观察假目标对真实目标进行拖引的全过程。

利用雷达/雷达对抗实验仪易于观察距离拖引干扰的现象及过程,但是要让学生从工程实现的角度去掌握如何产生干扰脉冲、如何使积累的干扰脉冲组与信号脉冲组重合、如何设置停拖期的延时、如何控制假目标的最大速度和加速度等关键技术,则须依靠MATLAB了。以上所述算法均可利用MATLAB的仿真功能,通过一些仿真波形的反馈来调整相关参数的设置,最终达到距离拖引干扰的目的。

(3)噪声调幅干扰试验。噪声调幅干扰是噪声干扰的一种,[6]其干扰信号的载波幅度受噪声调制。噪声调幅信号的数学表达式为:

Ut(t)=[U0+Un(t)]cos(ωjt)(1)

通过分析噪声调幅信号的频谱可知:当干扰信号被雷达接收机截获后,根据干扰信号频率与雷达接收机中放的中心频率之间的关系,可以得到不同的干扰结果。

雷达/雷达对抗实验仪的“噪声调幅干扰实验”提供异步杂乱脉冲调幅干扰、同步杂乱脉冲调幅干扰、闪烁干扰三个进程,除进程三可调闪烁周期外,其他两个进程参数均为固定数值,不可调。通过目标回波积累输出在示波器上的波形可以清楚地看到解调出载波后,雷达回波完全淹没在干扰信号中。

此时,采用MATLAB/Simulink对噪声调幅干扰建模、动态仿真,可以更加详细地、分步骤地观察噪声调幅干扰对信号检测的影响。首先,分别产生雷达回波调幅信号、噪声调幅信号和回波与噪声叠加后的信号,通过Simulink中示波器模块scope,可以对上述三路信号进行对比;其次,在噪声调幅干扰的基础上,根据干扰机瞄频误差的不同,针对三种情况,通过仿真对其干扰效果进行对比。

学生可对中放输出信号仿真结果进行分析得出如下结论:当干扰频率对准雷达频率时,干扰效果最好,当干扰频率与雷达频率相差半个中放带宽以上时,起不到应有的干扰效果。

将Simulink建模引入雷达对抗的噪声调幅干扰实验中,使得对噪声信号频率的计算与分析变得十分方便和直观,具有可比性、参数易换性等优点,建模仿真后再使用雷达/雷达对抗实验仪对一些结论进行验证,大大提高了学生对噪声调幅干扰这一技术的理解及运用。图4即噪声调幅干扰Simulink模型。

四、结论及展望

在开展雷达对抗实验教学的过程中,将雷达/雷达对抗实验仪的使用和MATLAB工具及其软件包的建模、仿真、绘图等功能的运用相结合,可以取得事半功倍的效果。MATLAB为学生提供更多的理性认识,而实验仪为学生提供更多的感性认识,二者互为补充,学生更多地参与到实验内容的设计、操作上来,主动性、形象性、可操作性更强,大大启发了他们学习的兴趣,这种教学形式在当前雷达对抗实验教学中已初步取得良好效果。但是,这还仅仅只是个开始,在今后的教学中,只有更加合理、充分地利用MATLAB技术,将其强大的功能与雷达/雷达对抗实验紧密结合,并且根据学生的反馈及教学效果及时调整二者相结合的方式与内容,MATLAB工具及其软件包在雷达对抗实验中的运用才可以达到更深入广泛的应用,MATLAB与雷达/雷达对抗实验仪相结合开展雷达对抗实验教学才能取得更为显著的成果。

参考文献:

[1]丁鹭飞.雷达系统[M].西安:西安电子科技大学出版社,1984:1-76.

[2]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999:134-169.

[3]顾明超,等.雷达和雷达干扰实验仪的设计[J].仪器仪表用户,2008,(2):33-34.

[4]周宇,等.基于MATLAB_Simulink的雷达系统仿真[J].计算机仿真,2004,(11):235-238.

[5]侯民胜.雷达抗距离门拖引干扰技术研究[J].中国雷达,2006,(4):27-31.

[6]刘雅娟,等.基于Simulink技术的噪声调幅干扰仿真[J].现代电子技术,2008,(15):32-35.

(责任编辑:苏宇嵬)

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