【论文-笔记】软件化雷达显控终端的研究

摘要

以往雷达的功能几乎全部由硬件来实现，导致了雷达功能的单一性和固定性，不利于雷达装备的研制、生产和维护，直接影响了雷达装备的通用化和标准化建设。软件化雷达通过界面来表示功能，并能够根据功能需求来驱动整个软件雷达系统的开发，具备良好的通用性、兼容性和可扩展性。从软件化雷达的基本软件结构出发，采用模块化分析方法分析雷达的软件模块组成，从面向流程的角度分析雷达内部处理流程，进而设计了面向流程的模块化类结构。最后通过实验验证，软件化雷达显控终端能够正确接服务器的视频信 和状态信 ，实时显示雷达扫描图像和状态信息;服务器能够正确识别显控终端的控制信 ，并进行响应。

绪论

天线系统把发射机经波导馈线送来的发射脉冲的能量聚集成细束朝一个方向发射出去，同时只接受从该方向的目标反射的回波，并再经波导馈线送入接收机;天线系统向显示器发出船首位置信 和天线偏离船首方向的角位置信 。

接收机将回波信 放大近百倍，它把高频回波信 变成中频回波信 ，继而将几个微伏的回波信 放大，然后再检波、再放大，变成显示器可显示的视频回波信 。收发开关在发射时自动关闭接收机通道，让大功率的发射脉冲只能从发射机送到天线，然后向外辐射，而不可以进入接收机，这是由于大功率发射脉冲可以瞬间损坏接收机;在发射结束时，收发开关可以自动关闭发射机通路，接通接收机通路，让微弱的回波信 顺利进入接收机，这样可以防止回波信 因进入发射机而造成本来就很微弱的信 的能量的流失。

软件化雷达的核心思想就是在满足雷达性能的前提下，尽可能地用软件来代替硬件。

随着计算机技术、图像处理技术和软件技术的发展，将通用计算机作为雷达显示与控制终端已经成为一种新的趋势。计算机能够非常灵活的在数字领域完成数据处理工作，计算机图像处理技术和强大的计算机软件为设计雷达显示与控制终端带来了极大方便。显控终端的软件化也使整个系统的兼容性和可扩充性更强，为雷达终端的发展提供了新的途径。

本课题的目标就是设计一个支持高性能的C/S结构的雷达系统，可以通过 络实现“处理”和“显示”的分离，并且支持从获取到显示在一个平台上实现的低损耗、完整的解决方案，适用于基本的笔记本电脑到多处理器系统。服务器负责雷达获取和雷达视频处理和扫描转换处理，由显控终端显示。

以往雷达功能几乎全部由硬件完成，决定了只能依靠更改系统的硬件来改变系统的参数。这给雷达装备的研制、生产、使用和维护都带来了极大的不便，直接影响了装备的通用化和标准化建设。

软件化雷达是对从显示器到采集卡的功能逐步由软件实现的过程，具有高度的灵活性、开放性和完全可编程性。

软件化雷达

动态发展的过程，功能越来越靠近天线。

• 雷达传感器：雷达传感器是为雷达服务器提供信 源的设备，主要包括雷达天线、收发开关、雷达发射机、雷达接收机等雷达前端的硬件设备。将雷达传感器看作独立的模块，是整个软件化雷达开放式系统设计最直接的体现，使得雷达软件设计不再局限于某个型 雷达前端硬件设计，实现了真正意义上的软件雷达的通用性、开放性和灵活性。
• 雷达服务器：雷达服务器是提供雷达视频信 采集，信 处理，数据处理等功能。
• 雷达显控终端：雷达显控终端是就能接收雷达视频信 ，并对接收到的信 进行显示和控制的设备。将雷达显控终端作为一个单独的模块进行设计实现了雷达“显示”和“处理”的分离，使得系统具有更强的兼容性、可扩展性，灵活性。

雷达对信 采集、处理实时性要求很高，并且需要执行大量的数学函数运算。通用硬件可以满足处理的实时性，但是难以满足数学运算的全部功能;软件实现的信 处理，容易达到算法精度要求，但是，实时性问题又不能满足〔’“]。因此，找一个能够快速、高精度实现雷达信 采集的方法是问题的关键。

现场可编程门阵列(FPGA，Field一 ProgrammableGateArray)是基于硬件的设
计，能够进行一些简单的运算，处理精度、功能完善程度优于一般的电子硬件。
FPGA在一定程度上既可以满足雷达信 采集、信 简单处理的实时性要求，又能
保证误差在一定的范围内。特别是现场可编程门阵列不但可以串行和并行工作，
提高了采样率，而且它高度集成特性，使它具有高可靠性的优点，因此，在雷达
数字信 处理领域有着非常广阔的前景。

软件化雷达的开发需要两台PC机，一台用做雷达显控终端，一台用做雷达服务器。由于雷达的视频数据量比较大，要求实时传输、实时处理，所以服务器的PC机需要较高的主频和充足的内存，以免造成数据丢失和图像失真。显控终端需要实时显示系统工作的状态参数，并进行控制，提供灵活的人机交互系统，对PC机的主频要求较高，对内存要求相对较低。

用TCP协议传输安全性要求高、信息量小的数据，另一方面，采用UDP传输信息量大，安全性要求相对较低的数据。

本课题研究的目标就是最大程度的实现雷达软件化，首先，要用软件实现显控终端的基本功能，因为显控终端是雷达功能最直接的表现，可检测的;其次，实现雷达服务器功能的软件化，也就是软件实现的功能要尽量靠近雷达天线

软件化雷达的分析与设计

距离量化从时间量化入手，时间量化即以雷达触发脉冲前沿为起点，将距离扫描全程对应的时间等分成若干时间量化单元△t。△t与距离量化单元△r相对应，二者关系为△r=C/2*△t。其中 C=3x1osm/s。一般取△ t=(0.1~1):，T为发射脉宽。方位、距离量化将雷达观测平面分割成许多“量化单元”。方位、距离量化单元越小，则“量化单元”也越小，测量精度及分辨率越高。

原始视频信 的数字化就是把雷达接收机输出的原始视频经幅度分层和时间量化而变成数字视频信 。幅度分层即幅度量化，通常用设置门限来实现。提高图像分辨率可以防止小目标的丢失，提高雷达的探测能力。

在量化处理时，每次采样数决定距离分辨率，每周的采样量决定雷达的方位分辨率。通过调整模数转换器的输入电压，调整模拟视频信 偏移量，通过调整转换后的数字视频电压，调整视频增益。

雷达信 处理

本部分的雷达信 处理既包括雷达信 的一次处理，也包含了视频数据的二次处理。也就是第二章所提的视频信 处理和数据处理[37一381。视频信 处理主要是对雷达原始数字视频进行预处理，包括 FTC(FastTimeConstant，快速时间常数，又称雨雪干扰抑制)和STC(Sensitivity，灵敏度控制，又称海浪干扰抑制)，消除大陆块回波，形成带杂波的雷达视频图，继续进行杂波抑制，形成比较清晰雷达视频信 。

一方面向雷达显控终端发送雷达视频信息，另一方面对视频信息进行二次处理，包括动态门限处理、区域消隐、量程和标绘检测处理、目标跟踪处理，输出雷达目标数据，目标录取、目标跟踪等信息，最后送送到雷达显控终端。

为了解决雷达视频信息传输的实时性，本课题采用一点对多点的，即允许一台或多台主机发送单一数据包到多个终端的TCP/IP 络技术。采用IP多播技术后，使得服务器将雷达视频数据包发送给特定的显控终端，只有加入服务器所在的多播组的显控终端才能接收此雷达视频数据。这样也实现了雷达视频数据的保密性。

采用标准的IP协议来传送雷达视频，每次回波由一个头文件和一个数据块组成。数据块由每次回波的雷达视频采样组成，它可以是可变长度的。数据模块可以是压缩的或原始的格式。回波的长度(头文件大小+数据块大小)是可变的，它可能是数千字节的长度，但是低一级的 络接口要求发送小的数据包，所以头文件和原始回波的数据块被分裂成大量的“块”，然后分发，再合并成头文件和数据块发送到 络。

图像合成与显示
雷达图像的合成与显示在显控终端实现，将接收到PPI位图与其它图层合成，然后发送给雷达显示器。采用图像合成技术是为了便于实现对雷达图像的分层控制，多图像合并成单一的显示。合成的基本方法就是对图层逻辑运算，例如，over操作允许后创建一层数据信息放在上一次创建的数据层之上。

本课题设计的雷达显控终端主要有显示和控制两部分组成，显示部分实现对雷达视频信 、目标信 和状态信息等特征参数的显示;控制部分实现对雷达扫描范围、脉冲重复频率等工作参数的设置。

• 视频增强:在距离和方位上增大目标，增强其可见性。过多的海浪、雨雪等杂波，视频增强可能减小视频的可见性，因此在此之前，应该使杂波最小化。
• 抗干扰相关性模型:用来减少其他雷达的干扰(抗干扰)和减少杂波，对最新扫描的两圈或三圈雷达视频进行相关处理。
• 增益:设置屏幕显示信 的门限，如果门限设置过高，微弱信 将不得见;如门限过低将会出现过多的背景噪音;甚至由于不能分清强回波或者背景噪音使得强目标也会不清楚，只能手动调节。
• 海浪控制(STC):又称灵敏度时间控制，用于抑制海浪干扰的强度，可以手动调整，也可以利用动态杂波抑制自动调节。
• 雨雪控制(FTC):又称快速时间常数，用于抑制雨雪干扰的强度，可以手动调整，也可以利用动态杂波抑制自动调节。
• 动态杂波抑制:系统动态调节控制雨雪、海浪等杂波抑制的门限。

显控终端的界面设计
显控终端的界面设计是在完成功能设计的基础上，对雷达终端的显示和控制功能的表示出来。用户接触雷达最先接触的就是雷达操作界面，雷达界面设计是否合理，操作是否简便，直接影响用户的满意度。本部分首先确立本课题界面设计的过程中坚持的原则，继而详细地论述本课题的人机主界面的设计。

• 增益(Gain)
  
  增益只能手动调节，如果门限设置过高，微弱信 将不得见;如门限过低将会出现过多的背景噪音。把光标放在滑动竿上，然后左击，滑动条滑到光标点击的位置，或者把光标放在滑动条上，按住左键然后拽动滑动条到新的位置，然后释放左键。