基于COST视频采集卡的雷达训练系统研究

摘要：针对于现代雷达面临的环境越来越复杂，利用计算机和仿真手段以及建模技术很难逼真地模拟雷达探测环境，而文中介绍了COST视频采集卡具有对实装雷达原始视频进行记录和回放，可以真实的再现雷达探测环境，因此基于COST视频采集卡的雷达训练系统成功的解决了对杂波环境仿真逼真度问题，对雷达职手教学和训练具有很高的训练效益。
关键词：视频采集卡；仿真；杂波环境；训练：雷达原始视频

    未来的战场是信息化战场，复杂电磁环境是未来信息化作战的主要环境特征。而错综复杂的战场电磁环境对电子战武器装备的作战性能和生存能力都提出了严重挑战。因此，要想在未来实战中获得主动权，必须注重平时的训练，加大复杂背景环境下雷达装备训练的力度。为了提高训练实效，并达到训练目的，一般采用电子战模拟技术及训练模拟系统来模拟实战条件下的训练。而目前的训练手段和方式，以及雷达模拟训练系统还不能完全满足复杂背景环境下雷达训练的实战要求。为了构建战场复杂背景环境，提供逼真的雷达威胁环境，进一步提高实战情况下的雷达训练效果。针对于舰载雷达，本文提出了一种基于COST视频采集卡的雷达训练系统。

1 雷达面临的杂波环境特征分析
    雷达探测位于陆地或海面上以及空中的目标时，雷达接收的不仅有目标的回波，而且叠加有不需要的被照射区域的回波，这部分回波被称为杂波，杂波的存在严重影响着雷达对目标的探测，尤其是对小目标的探测。
    雷达杂波就是雷达波束在物体表面形成的后向散射，主要有地物杂波和海杂波两大类，陆地上物体比较固定，在雷达中形成的杂波变化幅度不是很大；而海杂波表现出更强的动态特性。海面作为雷达波的反射面，其性能十分复杂，海风、海流、海浪、潮汐和不同的水质等都对海杂波的产生有着不同的影响。地物和海杂波的存在有时导致一些回波弱、速度快的目标淹没在杂波中，使雷达不能对其检测，而这些被漏掉的目标，往往有很高的威胁性，例如采用隐身技术的目标和掠海飞行的小目标。
    虽然，目前采用计算机仿真技术和数学统计模型能够对地物杂波和海杂波进行仿真模拟，但是当前计算机仿真技术和手段还不能完全仿真模拟地物和海杂波的实时动态性，只能模拟特定条件下的杂波形态变化。其中对海杂波的实时动态性仿真模拟是最困难的，因其涉及到的计算量很大，以目前的计算机技术还不能实时动态模拟，导致海杂波动态性的仿真模拟效果还达不到实际要求。

2 雷达视频采集设备的功能与性能优势
    雷达视频采集设备是一款基于PCI的COST设备，由于记录的是数字信号，可以在不失真地情况下，实时记录与重复回放。其次记录的雷达信号可以重新生成(含时标与方位角)的雷达视频。记录的数据保存在大容量SCSI硬盘中，可以快速方便的读写操作，同时具备DLT磁带机备份储存功能，用于数据归档作长期保留。保留在DLT磁带的数据可以随时导入Centurion，再次生成原始雷达信号(也可用于雷达信号模拟器)。
    该设备具有信号输入、坐标处理／扫描转换与显示、信号输出、存储设备(数据记录)等功能。
    信号输入：信号输入部分是一块PCI卡完成，可以输入多种类型的雷达信号(包括A显、B显与PPI扇扫显)。这块卡自身提供视频和方位角的处理能力，包括一个2D的视频放大器参量表，可补偿雷达特征和杂波。信号输入卡可同时接收三个输入通道的总脉冲信号，包括雷达回波、触发、方位、正北。如叠加一块方位角输入子卡可以适应一些特殊的方位角格式。雷达输入卡提供输入范围和方位角可编程功能，信号采集部分为50MHz，8位精度。这8位数据也可以利用峰值检测方法二次抽样产生可自定义采样频率的信号和外部时钟，如图1所示。
    信号输入卡可接收2048／360°、4096／360°和8192／360°的方位角。数字化后的采样信号以持续120MB／S的速率，DMA方式传送到PCI总线上。

    坐标处理／扫描转换与显示：Advantage／++扫描转换卡是一块独立的雷达坐标转换卡并支持最终显示功能。通过PCI总线，它可以接收来自经信号处理卡处理过的数据，如PPI格式的数据并把它们转换为可用于直接显示光栅格式与并同时将数据打包存储，用于日后的回放与归档。三路图形信号数字化后可与雷达信号显示窗口多层叠加，但最终的记录只能是选择一路，如图2所示。
    雷达信号输出：Centurion的主要功能便是雷达数据的录取与日后的回放，因此Centurion内的雷达输出卡是为该录取器开发的。雷达信号输出卡可将存储的雷达数据进行重构，以模拟或数字格式输出。既可以将原数据以PPI显示形式输出。
    存储设备：Centurion提供硬盘存储与磁带备份方式。首先，数据通过SCSI接口，保留到硬盘。硬盘内的数据既可以用于回放，也可以导入到磁带机进行归档永久保存。磁带机内的数据也可以导回硬盘，存储设备的性能参数如表1所列。

3 基于雷达视频采集的雷达训练系统
3．1 系统结构及特点
    该雷达训练模拟系统是以雷达视频采集设备为基础，雷达视频数据来自于实装雷达，采集的数据为雷达进行脉冲压缩以后的数据，在进行数据采集时，将采集设备同实装雷达航迹机采集口相连。然后通过千兆网卡将采集的数据保存到计算机的硬盘中。系统结构如图3所示。计算机处理模块控制着雷达视频采集设备对雷达原始视频的采集和存储，以及视频数据与干扰信号数据、目标信号数据的匹配处理，干扰模块和目标模块采用计算机仿真技术，根据雷达视频的同步信号和相关参数，产生数字干扰信号和目标模拟信号，与雷达采集视频数据匹配处理，形成复杂的多目标和干扰威胁环境，送显控设备进行终端显示。该雷达训练系统可以基本模拟实装雷达的所有操作，尤其保留了雷达抗干扰技术，而且能够在还原的雷达背景杂波环境中匹配干扰信号和多目标信号。这种模式具有灵活、方便、成本低、训练效益高的特点，对雷达仿真训练有较高的训练价值。

3．2 系统工作模式
    雷达训练系统工作模式可以分为记录模式和回放模式。
    (1)记录模式  在记录模式下，雷达训练系统与实装雷达对接，将采集到的雷达视频数据送给计算机处理模块处理后供终端显控设备显示外，还可以实时地把视频数据存储到硬盘。在存储过程中数据通过RACE4：1压缩技术，不失真地情况下保存。在这种训练模式下，雷达训练系统能够从实装雷达实时采集到雷达原始视频数据，并能与实装雷达保持一致的背景杂波环境。在训练过程中，可以对雷达训练系统进行任何的操作。
    (2)回放模式  由于雷达视频采集设备体积小、拆卸方便、便于携带，可以单独跟随实装雷达进行全航程录取，将采集的视频数据存入磁盘阵列或者其它的存储设备，事后将采集数据导入雷达训练系统存储设备进行回放。在回放模式下，雷达训练系统不再实时采集雷达视频信号，而是计算机处理模块直接从硬盘里读取雷达视频数据，经解压和匹配处理后，供终端显控设备显示。在这种训练模式下，雷达视频数据经过处理，还原后的雷达背景杂波环境按照事先录取好的航路进行回放显示，最终的显示效果能够与实装雷达保持一致，并且能够循环回放和重复训练，大大提高了训练效益。
3．3 雷达视频数据还原显示效果
    在和平时期，采集到的雷达视频信号一般是以雷达背景杂波信号为主，很难采集到含有复杂干扰信号和多目标威胁信号的雷达原始视频。因此，在雷达训练系统中，采用比较成熟的计算机仿真技术和数学模型对于扰信号和多目标信号进行仿真模拟，与采集的雷达视频数据融合形成复杂的雷达原始视频，构建复杂的雷达威胁环境。在训练过程中，两种工作模式都能够加入干扰信号和多目标信号，以便在复杂的背景杂波环境下进行威胁目标检测和雷达抗干扰技术训练。
    雷达训练系统的终端显示软件与实装雷达有相同的操作界面，通过操作终端软件可以对记录或者事后回放的雷达视频数据进行相关参数设置，这些操作包括：改变量程、录取、开窗等，此外还能进行恒虚警，积累、MTI等设置。如图4、5所示，采用真实雷达数据还原的雷达视频显示效果同实际装备几乎没有差别，而采用杂波模型产生的背景杂波过于理想化，与真实环境下的背景杂波差异较大。

    通过图4和5的比较，可见以雷达原始视频数据为基础的雷达训练系统更能够逼真地再现雷达在复杂电磁环境下所探测的环境。

4 结束语
    这种训练模式是以采集雷达原始视频数据为前提，并且以大量的视频数据才能支持雷达训练系统的运转。该雷达训练系统具有雷达视频还原效果逼真、可操作性强、投入低、训练价值高的优点，具有较高的应用效益，比较适合初级雷达职手训练和院校雷达教学使用。