基于MATLAB GUI的匀速目标回波模拟器设计

1. 课题的意义 雷达目标模拟器通过软、硬件结合的方法模拟代替真实目标，从而“复现”雷达信号的产生、传递、处理等动态过程，达到模拟目标回波信号的目的。雷达目标模拟器模拟的对象是雷达的目标和环境，它包括噪声信号、杂波信号、干扰和目标回波等。实现模拟的手段很多，模拟的结果是要复现蕴含在雷达目标及目标环境中的回波信号。采用雷达目标模拟技术，可以加速现代雷达的研究和开发，提高雷达操作手的技术水平。雷达目标模拟器的主要优点如下： （1）可以节约雷达系统在研究和开发中的费用、缩短它的研究和开发的时间。 （2）可以给雷达的使用提供各种情况，训练和提高雷达操作手在各种情况下的应变能力。 （3）可以有针对性地测试雷达的性能指标，发现雷达系统中可能存在的问题，提高性能指标。 （4）可以模拟在恶劣的气候条件下工作，降低风险系数。 雷达信号模拟有全模拟实现和数字模拟实现，全模拟实现可以产生很逼真的背景信息，但缺点是不灵活，参数修改困难，适应性和通用性差。数字法实现可以弥补全模拟法的不足，并且方便后级的数字信号处理。随着高速数字技术的快速发展和可编程器件的应用，数字模拟的速度和精度可以满足目标回波模拟的要求，目前雷达目标视频信号模拟大多采用数字方法来实现。 在具体的雷达目标信号模拟器设计实现中，有全硬件实现、全软件实现、软硬件混合实现这三种手段。本文主要通过全软件方式实现回波模拟器。 全软件方法实现雷达信号模拟器也即计算机仿真，该方法是在计算机上运行特定的软件生成雷达目标信号数据，然后通过计算机的接口送至待调试设备的存储器中，为设备的调试提供数据。生成数据的软件可以使用VC，VB等开发程序编写，也可以采用Matlab开发程序。此方法利用了计算机友好的人机界面、较强的数值计算能力和外部设备通信功能，可以在计算机上完成雷达目标信号的数学建模仿真，具有修改参数方便、灵活，可以适应不同体制的雷达回波信号，仿真度高、可靠等优点。 2. 国内外研究概况及发展趋势 2.1国内外研究情况 国外雷达目标模拟器研制工作中大部分以美国为主。美国现己有两百多家公司在研制模拟器，如美国Sensis公司、HP公司、Malibu Research、KOR Electronics公司等，每年投入的科研经费就有十多亿美元，因此在雷达目标模拟器的产品上美国占了绝对优势。国外研制的目标模拟器主要是基于高性能的计算机平台和雷达模拟器硬件设备，可以模拟出很逼真的目标和环境，如KOR Electronics公司开发的数字化雷达环境模拟器，它能够提供能提供数字、视频、中频、射频形式的回波信号，可以模拟出目标、噪声、各类杂波以及干扰等；Sensis公司开发的雷达环境模拟器，它能模拟出不同环境条件下的各种杂波和逼真的电子对抗信息在内的实战场景。 国内从事雷达信号模拟器的研究相对国外来说比较晚，到上世纪90年代时才有了比较成熟的各类型模拟器研究报道。南京理工大学开发的雷达回波模拟器，它用锁相源来作为信号调制解调、混频的相参本振源、利用DSP芯片完成数据处理、用衰减器完成信号幅度调制，可以模拟在不同运动形式时目标回波信号在时域、频率、幅度上变化。北京理工大学研制的目标模拟器，它采用DSP芯片完成目标数据、杂波数据调度处理、功率叠加以及回波信号的视频输出。北航和航空部601所研制脉冲多普勒雷达目标模拟器，它是采用两个高频率稳定度的信号源作为模拟目标信号的载波源，用PC机控制脉冲延时，通过改变载波源频率的变化来模拟带有多普勒信息的回波载频。 从实现技术手段、模拟器的功能特点来看，国外雷达信号模拟器大都是基于计算机平台，采用软硬件实现的方式，系统结构具有很好的灵活性、通用性在设计上采用模块化的设计思路，使系统具有很好的扩充性、兼容性硬件实现上采用计算机和数字处理器模式，可以很好的满足模拟器信号输出实时性的要求。模拟器可以模拟出包括了多目标信号、不同条件下的各类复杂杂波、噪声等信号形式的数字信号以及不同频段的模拟信号，还可以高逼真的模拟出复杂电磁对抗环境下的实战场景。国内模拟器虽然在实现的技术手段、实现方法上有了进展，模拟的回波信号能较好的复现雷达信号在空间传播延时、多普勒频移、距离因子衰减等。但与国外研制的模拟器相比，还有很大的差距。国内研制的模拟器模拟出的回波信号形式比较单一，不能很好地模拟出不同条件下的各类背景信号如杂波，在实现技术上偏于单一的硬件平台，在灵活性、通用性、兼容性等方面与国外产品相比有一定的差距。 2.2世界雷达回波模拟的发展趋势 国外对雷达信号模拟器的研究做得比较先进和全面，多采用信号处理软件和硬件相结合的模块化设计方式，使系统既有很大的灵活性，又可以满足信号实时输出的要求；采用工业标准的总线结构，并且提供功能强大的标准化接口，使系统具有良好的通用性、兼容性以及拓展性。未来雷达回波模拟器的发展将会有如下趋势: （1）体积小，性价比高。未来研制的雷达回波模拟器体积会越来越小，向着智能化、模块化的方向发展，性价比高。 （2）功能强大，可靠性高。雷达回波模拟器的精度、可靠性、稳定性会越来越高，通用性、可扩充性及兼容性会越来越强，将向着多功能、多通道方向发展。 （3）包含战术背景，真实性高。模拟雷达回波信号会包含战术背景，更加逼真地模拟复杂电磁环境下的回波信号。要逼真地模拟战场雷达信号环境，首先需要在频段上接近未来真实电子战环境。上表反映了雷达各波段的分布比例关系。从分布比例可以看出，雷达的工作波段主要分布在L～Ku波段，X波段比例最高。所以，未来的雷达回波模拟器在包含战术背景的前提下，在频率上要更加接近雷达工作波段。 （4）应用范围广。雷达回波模拟器会逐步推广应用在基层部队火控雷达的性能检测方面。同时，雷达回波模拟器在民用方面也会大力发展，使其功能更加完善地应用在航空、铁路、公路、海事等领域。 3.研究内容及方案 3.1研究内容 本文主要对雷达目标模拟系统进行设计与仿真，具体包括： 1、综述目标模拟器的发展概况。 2、对匀速运动目标回波进行数学建模，推导几种典型探测信号（CW、LFM等）的匀速运动目标回波，并分析其特点。 3、使用MATLAB软件对匀速运动目标回波进行仿真。 4、使用MATLAB GUI设计一个匀速运动目标回波模拟器。 3.2 实验方案 3.2.1 实验工具—— MATLAB MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。MATLAB提供了灵活而强大的接口技术，使我们可以在MATLAB代码中调用其它语言编写的功能，也可以在其它编程环境中调用MATLAB的数值计算和图形功能。 本文主要利用MATLAB的信号处理功能对信号的波形及其回波波形进行仿真验证。 3.2.2 利用GUI实现人机交互界面 图形用户界面（GUI）是一种人与计算机通信的界面显示格式，允许用户使用鼠标等输入设备操纵屏幕上的图标或菜单选项，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其它一些日常任务。与通过键盘输入文本或字符命令来完成例行任务的字符界面相比，图形用户界面有许多优点。图形用户界面由窗口、下拉菜单、对话框及其相应的控制机制构成，在各种新式应用程序中都是标准化的，即相同的操作总是以同样的方式来完成，在图形用户界面，用户看到和操作的都是图形对象，应用的是计算机图形学的技术。GUI即人机交互图形化用户界面设计。纵观国际相关产业在图形化用户界面设计方面的发展现状，许多国际知名公司早已意识到GUI在产品方面产生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部门专门从事GUI的研究与设计，同业间也成立了若干机构，以互相交流GUI设计理论与经验为目的。随着中国IT产业，移动通讯产业，家电产业的迅猛发展，在产品的人机交互界面设计水平发展上日显滞后，这对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞争能力等等方面无疑起了制约的作用。GUI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用。人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求:轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。本文使用GUIDE建立GUI界面。 3.2.3 设计方案 首先是对各种信号的匀速运动目标回波进行数学建模，其次是回波模拟器的设计，分为界面设计和程序设计两部分，最后，按所给要求进行调参，输入不同参数进行模拟仿真。 3.2.4 实验目标 利用MATLAB GUI建立起一个匀速运动目标回波模拟器，该模拟器能够模拟出单/多目标、不同探测信号、不同背景噪声下、不同距离、不同运动速度的目标的回波，用户操作界面上的所有参数可调。 4. 阶段进度计划 （1）搜集目标回波模拟器有关文献资料，撰写开题报告； 12.25－1.10  2周 （2）相关外文文献资料的阅读与外文翻译；     1.11－3.11（含寒假） 2周 （3）仿真实现各种信号的运动目标回波；                3.12－3.23  2周 （4）设计匀速运动目标回波模拟器的用户操作界面；      3.26－4.20  4周 （5）编程实现匀速运动目标回波模拟器的用户操作界面；  4.23－5.25  5周 （6）撰写毕业论文及答辩。                            5.28－6.18  3周 5. 参考文献 [1]  李兴广，李洋，陈磊，崔炜，陈殿仁. 现代雷达目标模拟系统[M]. 国防工业出版社, 2016. [2]  严湘南. 雷达目标与环境回波信号仿真系统设计与开发[D]. 西安电子科技大学, 2013. [3]  郁彦利. 声纳目标模拟系统设计及工程实现[D]. 西北工业大学, 2007. [4]  罗华飞. MATLAB GUI设计学习手记.第3版[M]. 北京航空航天大学出版社, 2014. [5]  张平. MATLAB基础与应用简明教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005                                                                                                            可以续页