相控阵雷达空间碎片探测能力建模仿真研究

电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering电子技术Electronic Technology基于无源侦察幅度的相控阵雷达工作模式仿真蔺诚毅徐伟(西安电子工程研究所陕西省西安市710100)摘要：本文通过对相控阵雷达典型工作模式及天线扫描方式的分析，构建了一套运动场景下机载电子侦察设备对单部相控阵雷达信 号幅度的截获模型，并通过仿真得出不同工作模式下的相控阵雷达截获幅度变化规律，为雷达工作模式识别提供了一种新思路。

关键词：无源侦察；相控阵雷达；工作模式；幅度分析1引言电子战在现代信息化战争中扮演着极其主要的角色，已经成为了决定战争胜败的关键因素。

电子侦察作为电子战的重要组成部分，对战场电磁态势感知、信息融合、作战部署起着重要作用。

一方面随着赋予雷达观测任务的不断增加，另一方面也随着电子技术的不断发展，传统的的机扫雷达己经在功能和性能上很难满足当代战争需求，而相控阵雷达以其天线波束快速扫描、波形快速截变、空间功率合成、多波束形成灵活以及多目标处理等优势，在现代战争中得到了广泛应用，在未来战场的应用前景也十分广阔。

根据不同的工作任务，相控阵雷达具有不同的工作模式。

各种工作模式在时域和空域上具有不同的天线扫描方式，对侦测目标而言，其威胁等级也不同。

为了在提高在战场上的生存能力以及电磁态势感知的能力，对相控阵雷达的工作模式识别己成为电子侦察领域的亟待解决的热点问题。

相控阵雷达的工作模式识别是指通过无源侦察的手段获取雷达信号的特性，生成辐射源报告，再根据报告的信息去分辨相控阵雷达的工作样式。

无论是频域或时域中，相控阵雷达的每一种工作模式下，天线波束的扫描方式不尽相同。

对于电子侦察方而言，这种变化直接导致其侦收雷达信号幅度产生特定的变化。

雷达工作模式识别的前提是要熟悉其基本工作原理、特点、性能要求，并对其进行建模仿真。

目前，雷达工作模式的建模仿真大都是站在雷达系统本身的角度进行的，目的是为了给雷达系统的设 计提供参考，模型的设计准则更多的是考虑目标特性和应用场景的 变化，并没有站在电子侦察方的角度去考虑。

低截获概率相控阵雷达系统建模与仿真的开题报告一、选题背景及意义相控阵雷达是目前广泛应用于军事和民用的一种主流雷达系统，其在空中目标监测、空中预警、导弹防御等领域具有广泛的应用。

在相控阵雷达系统中，为了提高目标的截获概率，一项关键的任务是设计出低截获概率的信号处理算法。

因此，对于低截获概率相控阵雷达系统的建模与仿真研究具有重要的现实意义和科学价值。

二、研究目标和内容本文主要研究的是低截获概率相控阵雷达系统的建模与仿真，主要目标和内容包括：1.建立低截获概率相控阵雷达系统的信号处理模型，包括波束形成、距离确定、速度测量和方位角测量等几个部分。

2.基于建立的信号处理模型，仿真相控阵雷达系统的工作过程，包括发射信号、接收信号、数字信号处理等各个环节，并对仿真结果进行分析和评估。

3.建立低截获概率处理算法的仿真模型，包括匹配滤波、空间滤波、谱分析、目标跟踪等算法，并对模型的仿真性能进行测试和验证。

4.分析低截获概率相控阵雷达系统的实际应用场景，在不同应用场景下比较和评价不同处理算法的性能和效果。

三、研究方法和技术路线为了完成本文所述的研究目标和内容，本文采用如下研究方法和技术路线：1.资料收集：收集与相控阵雷达系统相关的文献资料，深入理解相控阵雷达系统的性能和工作原理，为后续研究奠定基础。

2.信号处理模型建立：结合文献资料和系统性能要求，建立低截获概率相控阵雷达系统的信号处理模型，并对信号处理模块进行仿真验证。

3.系统仿真：基于信号处理模型，搭建相控阵雷达系统的仿真平台，使用Matlab等软件对系统进行仿真和分析。

4.算法仿真：对常用的低截获概率处理算法进行仿真，分析算法的性能和优劣，并挑选最优算法进行综合仿真。

5.实验验证：在相应的实验环境下，对仿真结果进行与实验结果进行比较和验证，分析仿真结果在实际应用中的可行性和效果。

四、预期成果和意义通过本文的研究，预期可以得到如下成果：1.建立低截获概率相控阵雷达系统的信号处理模型，深入理解相控阵雷达系统的工作原理和性能要求。

一种改进的相控阵雷达信号级建模与仿真方法
王象;赵锋;闵涛;杨建华;王国玉
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2013(25)2
【摘要】传统的相控阵雷达信号级建模方法算法复杂,仿真模型计算量大、运行效率低,严重制约了信号级仿真的广泛应用,针对此问题,提出了一种改进的相控阵雷达信号级建模仿真方法,给出了改进后的信号级仿真模型,并据此构建了仿真系统,仿真验证结果表明,改进后的仿真系统计算效率明显提高,验证了建模方法和仿真模型的有效性、正确性,为相控阵雷达信号级仿真的广泛应用提供了支撑。

【总页数】5页(P241-245)
【作者】王象;赵锋;闵涛;杨建华;王国玉
【作者单位】国防科学技术大学电子科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.改进的相控阵雷达信号检测方法
2.高精度相控阵预警雷达信号建模与干扰方法研究
3.一种被动相控阵雷达全脉冲信号生成仿真技术
4.舰载相控阵雷达信号处理的建模与仿真
5.相控阵雷达相干视频信号建模与仿真方法研究
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收稿日期：2018年10月17日，修回日期：2018年11月7日作者简介：姚国国，男，硕士，高级工程师，研究方向：雷达导引技术。

∗1引言近年来，随着建模仿真技术的进步，其在军用和民用领域中的应用更是不断向深度和广度拓展，同时对于仿真系统的要求也越来越高［1~2］。

在雷达领域，数字化装备、相控阵技术的应用与普及，雷达系统复杂度不断提高。

数字化仿真手段作为雷达系统设计提供分析、研究、评判和决策的重要手段，提前预知、发现系统设计中可能存在的问题具有重要意义。

当前雷达装备系统越来越复杂，雷达数字仿真要求其仿真精细程度越来越细化和深入，在仿真某一属性的同时要兼顾到多种属性，对仿真平台和仿真工具的要求也越来越高，现有大多的仿真软件很难做到同时兼顾。

现有的支持雷达系统仿真软件有SPW （Signal Processing Work System ）软件、Simu⁃link 软件包等。

SPW 软件是基于Unix 、Linux 等系统，普及程度不高，应用范围有限。

而Simulink 软件包是Matlab 平台下的一个仿真子平台，适用于动态系统模型的建模和仿真，但它不具备雷达专业模型库，需要结合其它软件才能实现端口控制和实时控制等［3~5］。

SystemVue 是KeySight 公司开发的用于电子系统级（ESL ）设计的专用电子设计自动化（EDA ）环境，可支持系统架构师和算法开发人员在无线、航空航天、国防和通信系统的物理层上进行创新设计，为射频、DSP 和FPGA/ASIC 的设计人员提供独特的仿真平台。

SystemVue 作为ESL 设计和信号处理的专用平台，可替代通用的数字、模拟和数学环基于SystemVue 的相控阵雷达系统性能评估仿真技术∗姚国国（中国空空导弹研究院洛阳471009）摘要针对传统武器装备雷达系统数字仿真手段的不足，阐述了使用SystemVue 进行雷达系统仿真的优越性。

结合某相控阵雷达系统实例，利用SystemVue 仿真软件完成了系统接收链路的模型构建与设计，介绍了主要仿真模块，并给出了理论计算和仿真结果，验证了利用SystemVue 实现相控阵雷达系统设计和仿真的可行性，同时也体现出SystemVue 在复杂雷达系统设计与仿真方面的独特性和优越性，对相控阵雷达系统设计与数字系统仿真具有一定的参考价值。

相控阵雷达系统并行仿真技术分析摘要：相控阵雷达仿真技术是在集群环境下衍生出来的，以实现雷达的有效设计为主要基础，将整个雷达技术及相应的分析方式进行分析，突出雷达技术的合理性，进而在雷达仿真技术的基础上，将相干视频仿真、信号的幅度信息及相应的相干视频信号进行分析，使得其整个系统的运行速度不断的提升。

本文结合现有的雷达仿真技术，从相控雷达仿真技术发展背景及原理上作为理论分析的基础，进而分析了雷达系统并行结构及并行的算法分析，从而对其雷达仿真技术过程中应用到的相关公式进行有效总结，对计算结果进行分析，突出体现了相控阵雷达仿真系统的有效性。

关键词：相控阵雷达；相干仿真技术；算法；公式0引言从概念上分析，雷达仿真指的是在数字化技术应用的前提条件下，结合现有的雷达技术，形成的一套完整的雷达系统设计和分析方法。

从功能上分析，雷达仿真技术能够根据雷达运行周期及频率，将相应的发射目标信息及相应的干扰信号进行相应幅度的信息调节，逼真的将实际的相干视频信号进行有效复现，从而实现雷达信号能够在多种硬件设备相互协调配合的基础上对雷达信号处理情况进行有效分析。

其研究结果及结论可大量应用于天气预报、石油勘探、海洋工程、航天工程等世界主要发展的几大影响力。

1 相控阵雷达仿真技术发展背景及原理1.1相控阵雷达仿真技术优势对于整个相控阵雷达仿真技术的系统化、高效化进行设计，可以将雷达技术对整个计算机仿真设计的相关内容进行分析，以期利用最短的周期实现最高效的效率，从而使雷达系统的仿真设计及相应内容分配合理，缩短相应的设计周期，降低相应的设计成本成为现阶段相控阵雷达仿真技术应用的最大优势。

使得雷达系统在使用及应用过程中效率更高、设计更加方便、进而实现对整个相控阵雷达仿真系统技术的高效率应用。

1.2点扫描法应用从扫描方式上分析，其是雷达系统工作有效运转的主要方式，也可实现相应波束的扫描。

其在运行过程中，通过计算机控制相应的相移量，进而改变各个振元的激励相位，实现整体算法的需求。

计 算 机 仿 真2014 年 8 月第 31 卷 第 8 期文章编号: 1006 － 9348( 2014) 08 － 0006 － 04相控阵雷达系统功能仿真及应用陶秋峰，谷 雨，方 韬，彭冬亮( 杭州电子科技大学信息与控制研究所，浙江 杭州 310018)摘要: 在国土防空预警网优化问题的研究中，相控阵雷达具有频率捷变等特点和多目标跟踪能力，是构成国土防空预警网的 重要组成部分。

以雷达组网、组网雷达资源管理及相关算法测试为背景，嵌入到雷达组网仿真平台中并获得实测数据，提供 了一种相控阵雷达功能仿真方法，重点讨论了波位编排、目标检测和相控阵雷达的任务调度算法等模块的实现。

最后仿真 系统对三个普通目标以及一个隐身目标在雷达扫描空域的搜索、验证、跟踪、失跟等雷达事件进行了仿真结果分析，验证了 相控阵雷达系统和相关算法的有效性。

关键词: 相控阵雷达; 搜索; 跟踪; 功能仿真; 波位; 任务调度 中图分类号: TN955文献标识码: BFunctional Simulation on Phased Array Ｒada r Sy st e m and its A pp li cat i o nTAO Qiu － f e n g ，G U Yu ，FANG T a o ，P E NG Dong － li an g( I nst i tute of I nf o rm at i o n and C o ntr o l ，H an g z h o u Dianz i U n i vers i ty ，H an g z h o u Z he ji an g 310018，C h i na)A BS T ＲA C T : Bas ed on the back ground of mu l t i － r adar network and resources management and re l ated a l g o r i thm ，i n order to embed in the radar network s i m u l at i o n p l atf o rm and o bta i n the m easured data ，th i s paper pres ents a funct i o n - al s i mu l at i o n of phased array radar ． A key d i sc uss i o n is put on the ach i evement of the beam arrangement m o de l ，tar - get detect i o n m o de l and phased array radar task sc hedu li n g a l g o r i thm m o de l ． S i mu l at i o ns are c o mp l eted for three common targets and a stea l th target in radar scann i n g a i rspac e to test the funct i o na li t i es ，s uc h as searc h i n g ，va li da - t i n g ，trac ki n g and l o s i n g ． S i mu l at i o n resu l ts verify the effect i veness of the phased array radar system and the c o rre - sp o nd i n g a l go r i thms ． KEY WO ＲDS: Phased array radar ; Searc h; T rac ki n g ; F unct i o na l s i m u l at i o n ; Beam p o s i t i o n ; Tas k sc hedu li n g相控阵雷达，文献［3］针对导弹防御系统中地基相控阵雷达 系统的仿真应用，通过对相控阵雷达系统功能级仿真及相干 视频信号级仿真方法的分析，给出了改进型功能级相控阵雷 达仿真。

第二章机载相控阵雷达杂波建模与仿真§2.1引言众所周知，雷达体制及工作环境不同，雷达杂波的特性也不同。

机载雷达工作在下视状态，地（海）杂波是影响雷达探测性能的主要因素，因此，在研究AEW雷达CFAR检测算法之前，有必要获得对雷达杂波特性的充分认识。

鉴于机载雷达的杂波与反射地类有关且随时间变化，即不同的地类（如海洋和高山）有不同的分布特性，同一地类在不同时刻分布参数也有变化。

研究雷达杂波特性的方式有两种，一是对实际测量的杂波数据进行统计分析，二是结合AEW 雷达的实际体制与参数，对不同地类（如沙漠、农田、海洋、丘陵和高山等）用不同的杂波起伏模型进行建模与仿真。

相比较实测数据而言，仿真数据虽然不能完全真实地反映实际环境中的复杂情况，但其也有自身的优点，如参数可以灵活控制、代价小等。

长期以来，国内外雷达界同行在雷达杂波特性分析方面做了大量的工作，建立了一系列的杂波模型。

随着雷达新体制的不断涌现，对雷达杂波特性的研究也在不断的深入。

新一代AEW雷达采用相控阵和脉冲多普勒（PD）体制。

有关机载相控阵雷达杂波仿真问题，在以往的文献中已有涉及[115~117]。

其中，文献[115]对有关雷达杂波仿真的方法进行了较为全面和详细的介绍，文献[116]讨论了平面相控阵机载雷达二维杂波数据仿真的数学模型。

该模型考虑到了阵元幅相误差以及载机的姿态变化等因素，具有一定的通用性。

但该模型只假设杂波的功率谱为高斯分布，幅度上无起伏，而没有考虑非高斯过程。

文献[117]建立了比较了完整的杂波数据库，但该文也只重点讨论了二维杂波谱的特性。

由于我们的目的是进行CFAR检测方法研究，所以我们从另一个角度出发，重点讨论了杂波数据的概率密度函数，我们还给出了仿真杂波数据的幅度图和概率密度图以及一些结论。

本章主要对机载相控阵雷达在不同地类和不同起伏模型下的杂波进行建模与仿真，目的是建立起比较完整的杂波仿真平台和杂波数据库，为后续的CFAR算法研究提供支撑。

相控阵雷达天线模型及仿真邱丽原【摘要】The importance and the main difficulty of simulation of phased array antenna were given. And a modeling and simulating method was proposed. This method used array factor, directional factor and sidelobe suppression factor to re-spectively resolve the problems of beam configurations, antenna gain and the sidelobe and its change of directional dia-gram, and then synthesized. The simulation model after synthesizing was given. This simulation model ensured the theoreti-cal precision, optimized and reduced the steps and quantities of simulating calculations. Using the simulation model, a sim-ulation calculation instance of the radar antenna of AN/SPY-1D of Aegis system was given.%阐述了相控阵天线仿真的重要性，指出了相控阵天线仿真的主要困难。

提出了一种利用阵因子、方向性因子和旁瓣抑制因子分别解决仿真波束形状、天线增益、方向图旁瓣及其变化等3大问题，并进行综合建模和仿真，给出了综合后的仿真模型。

机载相控阵雷达的数据处理建模与仿真雷张华;谢敏【摘要】针对机载相控阵雷达数据处理模块化的建模与仿真问题,文章首先对仿真平台的对比、坐标变化的必要性、数据处理的特点作了简单的介绍;然后详细地阐述了坐标系定义及变换过程,数据处理模块设计方法;最后分析验证了飞机目标经过数据处理后的误差结果和航迹显示.通过对机载雷达数据处理模块化的算法研究,不仅提高了软件产品的开发效率和可靠性,而且丰富了机载相控阵雷达仿真系统的组件库.【期刊名称】《火控雷达技术》【年(卷),期】2017(046)002【总页数】5页(P95-99)【关键词】坐标变换;数据处理;模块化建模和仿真【作者】雷张华;谢敏【作者单位】西安电子工程研究所西安710100;西安电子工程研究所西安710100【正文语种】中文【中图分类】TN95Abstract: Aiming at modeling and simulation issue of airborne phased array radar data processing modularization, firstly, the comparison of simulation platform, necessity of coordinate transformation andcharacteristic of data processing is introduced briefly; then the definitionof coordinate system and process of coordinate transformation and designing method of data processing module is depicted in detail; and finally, the error result and track display of aircraft target is analyzed and verified after data processing. Efficiency and reliability of developed software product is not only improved, but also assembly library of airborne phased array radar simulation system is enriched via studying algorithm of airborne radar data processing modularization.Keywords：coordinate transformation; data processing; modularization modeling and simulation在军用领域中，利用软件平台对某型号军品的工作原理进行模拟仿真发挥着日益重要的作用。

舰载相控阵雷达信号处理的建模与仿真赵士瑄【摘要】本文介绍了一种利用组件化建模的思想的舰载相控阵雷达信号处理的仿真建模方法.首先,按照功能对舰载相控阵雷达信号处理进行了功能组件划分,介绍了基于C++语言的舰载相控阵信号处理仿真系统的构建方法,使其具备可复用性、可重构性与可扩展性.接着对舰载相控阵雷达的信号处理进行了信号级仿真,通过对仿真的结果进行精度分析与性能评估,验证了模型的准确性.建立的舰载相控阵雷达信号处理模型为舰载相控阵雷达的仿真与应用提供了良好的基础,在工程上具有一定的参考意义.【期刊名称】《现代导航》【年(卷),期】2019(010)002【总页数】6页(P125-130)【关键词】信号处理;信号级仿真;组件化建模【作者】赵士瑄【作者单位】中国电子科技集团公司第二十研究所,西安 710068【正文语种】中文【中图分类】TN9580 引言舰载相控阵雷达是海军舰艇的千里眼，而相控阵雷达信号处理又是实现稳定目标跟踪最为关键的一环，实现在复杂的电磁环境中提取目标的功能。

随着相控阵天线与信号处理技术的发展，装备型号不断更新换代，为对雷达系统设计方案进行充分、全面的评估，通过搭建数字仿真系统、设置高拟真度的仿真试验参数，将仿真结果作为考量雷达性能的参考依据，已经成为国外普遍采用的模式[1]。

相比于传统的外场动态试验，利用计算机搭建仿真系统进行仿真实验，具备经济和灵活的特点，通过调整仿真参数进行多次试验可获得多组实验数据样本，通过分析和评估仿真实验的结果，可以对舰载相控阵雷达信号处理算法进行验证，同时考察雷达信号处理的各项指标是否满足设计要求，为指标的确定和修正提供参考依据。

组件化建模是指将独立且庞大的系统按照一定准则划分模块，每个模块都具有特定的功能，模块之间不存在耦合，使用统一的接口标准。

模块进一步划分为功能更加单一的组件，组件可以单独进行开发。

因此利用组件化建模的思想对舰载相控阵雷达的信号处理进行建模，实现了对所有信号处理模块组件输出波形的监控，协助使用者定量分析某一系统参数、某一处理环节对整体指标的影响；避免了重复开发，设计者可以利用一套模型库建立出多种体制的仿真系统，也可以对某一模块组件进行二次开发设计，即使舰载相控阵信号处理仿真系统具备可复用性、可重构性与可扩展性。

收稿日期:20071213基金项目:国家部委预研项目(020045089)作者简介:徐雷(1978—),男,博士生,E 2mail :t hunder @ ;吴嗣亮(1964—),男,教授,博士生导师.第28卷　第6期2008年6月北京理工大学学报Transactions of Beijing Institute of TechnologyVol.28　No.6J un.2008相控阵雷达仿真系统并行计算研究徐雷,　吴嗣亮,　李海(北京理工大学信息科学技术学院电子工程系,北京　100081)摘　要:针对共享存储多处理器的集群环境,研究了减少相控阵雷达仿真系统运行时间的并行计算方法.根据相控阵雷达多个波束处理过程的相对独立性和信号处理仿真中多个距离单元采样点的计算特点,提出了一种粗粒度消息传递接口(M PI )分布式内存和细粒度O penM P 共享内存混合编程的两级并行方法.实验结果表明,并行计算使系统的仿真速度有较大提高.关键词:雷达系统仿真;消息传递接口(M PI );O penM P;加速比中图分类号:T P 39119 文献标识码:A 文章编号:100120645(2008)0620517204Parallel Computing in Phased Array R adar System SimulationXU Lei ,　WU Si 2liang ,　L I Hai(Department of Electronic Engineering ,School of Information Science and Technology ,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China )Abstract :U nder a symmetric multiprocessors (SM P )cluster environment ,parallel comp uting of p hased array radar simulation system is investigated to reduce simulation time.A coarse 2grained message passing interface (M PI )distributed memory and fine 2grained OpenMP shared memory hybrid parallel comp uting met hod is presented based on t he relative independence of t he p hased array radar multibeam processing and t he distance unit sampling comp uting in t he signal processing simulation.Experimental result s showed t hat t he simulation speed is greatly enhanced by parallel comp uting.K ey w ords :radar system simulation ;message passing interface ;OpenM P ;speedup 雷达系统仿真是数字仿真技术和雷达技术结合的产物,是雷达系统设计和分析的有效方法[1].雷达系统仿真方法一般分为功能仿真和相干视频仿真.功能仿真只仿真雷达发射、目标、回波、杂波及干扰信号的幅度信息;相干视频仿真是逼真地复现既包括振幅又包括相位的相干视频信号,复现这种信号的发射、在空间传播、经散射体反射、杂波与干扰信号叠加以及在接收机内进行处理的全过程[2].在实际的雷达系统中,雷达信号的产生和处理由大量硬件并行完成,速度快,保证实时性.相干视频信号仿真的处理过程是由软件代替了真实雷达的硬件处理,多个仿真模块只能按顺序串行执行,仿真的计算量很大,导致处理速度大幅下降.作者研究利用并行计算的方法提高雷达系统相干视频仿真的运行速度.并行计算的应用已遍布天气预报、石油勘探、航空航天、核能利用、生物工程等领域,理论研究与应用普及均取得了很大进展[3].在雷达信号处理及仿真领域,并行计算也有很多应用,例如复杂目标的回波计算、多目标跟踪算法的仿真[4]、S A R 数据处理[5]、有源相控阵的设计仿真[6]等均用到了并行计算.但是在以上领域,并行计算主要解决的是大规模计算问题,对于雷达视频信号仿真而言,并不像大规模计算问题存在明显的集中耗时部分,其计算粒度(通常是一个波束指向)比较小,但由于要不断地进行多波束的空域搜索和对目标进行跟踪,循环不断运行,造成仿真时间过长.在雷达相干视频仿真中应用集群计算技术仍比较少见,是有意义的研究课题.随着计算机技术的发展,多核C PU 技术的日益成熟,利用普通的硬件就可以搭建小型集群系统,使得雷达视频信号仿真这样的小型计算问题可以利用集群计算技术加以解决.作者利用雷达自身算法特性,挖掘仿真中潜在的并行性,并通过消息传递接口M P I (message p assi n g i nterf ace )和O penM P 的并行计算方法,实现分布式内存和共享内存两级并行仿真,从而有效地提高雷达仿真的运行效率.1　雷达并行仿真系统结构流程相控阵雷达仿真系统与实际的相控阵雷达组成基本一致,实际雷达的各功能模块基本上都有相应的仿真实现模块.仿真系统主要包括资源调度、回波模拟、环境模拟、信号处理、数据处理等多个模块.雷达并行仿真系统是指根据雷达工作原理,发掘原雷达仿真系统潜在的并行性,利用并行计算的方法实现仿真.本文中所提出的雷达并行系统仿真流程如图1所示,每个进程代表一次雷达任务的运行.图1　雷达并行仿真系统流程图Fi g.1　Flow chart of parallel radar system si mulation雷达并行仿真系统在多台具有多核或多C PU 的计算机上共同运行.并行算法主要分为①基于分布式内存的多进程并行运行在多机上.②基于共享内存的多线程并行运行在多核或多C PU 的单机上.两者配合使用可以使仿真速度的提高达到最大化.2　并行算法分析211　雷达工作方式相控阵雷达在搜索过程中发现目标之后,一方面要对该目标进行跟踪;另一方面还要继续对整个监视空域进行搜索,因此,只要监视的空域中有目标存在,相控阵雷达就将按边搜索边跟踪方式进行工作[7],图2是一种典型的模板式调度工作示意图.图2　相控阵雷达搜索加跟踪工作方式示意图Fi g.2　Phased array radar search and t racking 如图2所示,雷达在多个调度间隔内对预定空域进行调度,每个调度间隔内包括多个调度任务和跟踪任务,根据这种工作方式可以估算整体的仿真时间.设一次雷达仿真包括N 个调度间隔,每个调度间隔的运行时间分别为t 1,t 2,t 3,…,t N .总的仿真运行时间为各调度间隔运行时间的总和t =t c +∑Ni =1ti=t c +∑Ni =1(ts i+t t i ).(1)式中:t 为一次仿真总的运行时间;t c 为雷达仿真参数初始化运行时间;N 为一次仿真中总的调度间隔数;t s i 为一个调度间隔内调度任务运行时间;t t i 为一个调度间隔内跟踪任务运行时间.212　分布式内存并行算法雷达仿真运行过程就是循环运行搜索和跟踪程序,一次循环的运行时间很短,不断循环运行累加造成了仿真时间过长.理想的并行算法是把循环运行的搜索和跟踪过程全部并行化.但是由于跟踪过程的存在,不同调度间隔的数据存在因果性,它们之间是不能并行化的.在每个调度间隔内的多个搜索波束是不相关的,它们可以并行执行[8].这部分的并行算法采用适用于分布式内存结构的M P I 主从模式编程实现,一个搜索间隔内的多个搜索波束分配到多台从计算机上运行.一个搜索间隔内搜索任务执行完毕后,所有从计算机上的结果数据都传回到主计算机上进行数据处理,然后在主计算机上进行跟踪波束的运行并按同样的方法并行计算下一个搜815北京理工大学学报第28卷索间隔.雷达仿真参数初始化后,一个搜索间隔内的搜索波束数目就确定了,并行仿真运行总时间为t =t c +∑Ni =1t ′i =t c +∑Ni =1(t s i /M +t t i ),　(2)即一个搜索间隔内,共有M 个搜索波束并行化.在此并行算法中,多台并行的计算机处理的都是相似的搜索波束,负载平衡比较容易满足.多机之间只是在每一个搜索间隔结束后有一个数据收集的通信开销,数据量不是很大,所以单纯看一个搜索间隔内的并行效率应该很高.但是,由于多个搜索间隔之间只能串行执行,致使可并行执行的计算机数目最多等于一个间隔内搜索波束的个数,这大大限制了仿真程序速度的进一步提高.当计算机硬件资源充足时,可以对此算法进行改进.雷达仿真刚开始运行,是搜索目标的阶段,此阶段还未发现目标,不发射跟踪波束,多个搜索间隔之间没有因果关系,只要有空余的计算机资源,预定搜索空域的所有搜索波束都可以并行化.这种并行化可以持续到发现第一个目标时结束,然后程序转为一个搜索间隔内多个搜索波束的并行化.该方法可以大大缩短雷达仿真程序发现目标的时间,从而减少了整个仿真程序的运行时间.213　共享内存并行算法在雷达仿真程序的一次波束处理过程中,程序依次调用回波模拟、信号处理、数据处理等模块,其中信号处理模块中,多个处理函数对于一个脉组多个距离单元采样点的计算是最耗时的部分,包括M T I/M T D 、求模、恒虚警检测(C FA R ),只要减少这些处理函数的运行时间,就可以进一步提高整体的仿真速度.在M P I 的环境下,对多个采样点可以采用共享内存的O penM P 进行并行计算,实现M P I 和O penM P 的混合编程.O penM P 是用在多处理器上的共享内存并行开发标准,采用多线程的方法充分利用多个处理器实现效率的提高.由于O penM P 中生成多线程和最后线程的等待及合成都是并行计算产生的额外计算量,一次信号处理模块的运行时间相对较少,必须保证额外计算量消耗的时间要比并行计算减少的时间还要少,这样O penM P 的并行才能有效.为了达到这个目的,应该尽量减少多线程的生成次数.214　并行算法与硬件系统从上面分析可以看出,分布式内存和共享内存并行算法都可以提高仿真速度.当硬件为集群系统,每台计算机只有一个C PU 时,适合单独采用分布式内存并行算法,系统中可并行的计算机最大为一个雷达搜索间隔内的搜索波束数目,此时使用该并行算法所能提高的速度达到极限值.当集群中的每台计算机有多个C PU 时,构成共享内存的集群系统,即S M P 集群系统,适合应用共享内存和分布式内存结合的并行算法,多个计算机之间用分布式内存并行算法,一个计算机的多C PU 之间用共享内存并行算法,这样可以最大限度地提高雷达仿真速度.3　仿真实验结果仿真实验中,设相控阵雷达共有20个搜索间隔,每个搜索间隔内有5个搜索波束.所使用的仿真平台为5台双核计算机组成的集群系统(共10个C PU ),操作系统采用W i ndow s.仿真设计及实现并行程序的目的是希望并行代码比相应的串行代码运行得更快.为了评估并行计算对仿真效率的提高,通常用加速比[9](s peed u p )作为衡量标准.加速比=串行程序执行时间/并行程序执行时间在实验中,测试了两种典型情况:①单纯M P I 并行,每个C PU 一个M P I 进程,最多为10个M P I 进程.②M P I 和O penM P 混合并行,每台计算机运行一个M P I 进程和两个O penM P 线程.仿真结果如表1所示,串行仿真时间为51.31s.其中M P I +O penM P 混合编程中,每个M P I 进程包含2个O penM P 线程.表1　集群计算机并行计算仿真时间T ab.1　Simulation time of SMP clusterCPU 个数t /sMPI 并行MPI +OpenMP 混合并行22814141.37342317719.9423.91561616016.6020.16781616016.6017.289101616016.6013.98 注:由于MPI +OpenMp 混合并行基于双核计算机测试运行,因此只能在偶数个CPU 上有测试值从表1可以看出,无论采用哪种并行算法,都可以提高仿真速度.但采用M PI 并行方法,当进程数915第6期徐雷等:相控阵雷达仿真系统并行计算研究超过搜索波束的个数后,仿真速度便不再提高.这时,使用M PI 和OpenM P 的混合编程,仿真时间可进一步减少.由图3可以看出,在处理器数目比较少时,单纯MPI 的并行加速比大于M PI +OpenM P 混合编程加速比,随着处理器数目逐渐增大,两者加速比逐渐接近.本次仿真中,当处理器数目为10个时,混合加速比已经大于单纯M PI 的加速比.图3　MPI 和MPI +OpenMP 加速比Fig.3　Speedup of MPI and MPI +OpenMP4　结　论 通过对相控阵雷达系统特点分析,研究了在SM P 集群环境下,利用M PI 和OpenM P 对雷达系统进行两级并行仿真的方法,仿真实验结果表明,该方法可以较大地提高系统仿真速度,也可以为类似系统的并行化设计提供参考.参考文献:[1]R L 米切尔.雷达系统模拟[M ].陈训达,译.北京:科学出版社,1982.Mitchell R L.Radar signal simulation[M ].Chen Xun 2da ,transl.Beijing :Science Press ,1982.(in Chinese )[2]王国玉,肖顺平,汪连栋.电子系统建模仿真与评估[M ].长沙:国防科技大学出版社,1999.Wang Guoyu ,Xiao Shunping ,Wang Liandong.Elec 2tronic system simulation and evaluation[M ].Changsha :National University of Defence Technology Press ,1999.(in Chinese )[3]格兰马.并行计算导论[M ].2版.张武,译.北京:机械工业出版社,2005.Grama A.Introduction to parallel computing [M ].2nd ed.Zhang Wu ,transl.Beijing :China Machine Press ,2005.(in Chinese )[4]Popp R L ,Pattipati K R ,Bar 2Shalom Y.Multitargettracking algorithm parallelization for distributed 2memory computing systems[C]∥Proceedings of 5th IEEE Inter 2national Symposium on High Performance Distributed Computing.[S.l.]:IEEE ,1996:412421.[5]G oller A ,Parallel processing strategies for large SARimage data sets in a distributed environment [J ].Com 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一种面向应用的快速雷达仿真建模方法【摘要】随着电子计算机技术的高速发展，仿真技术已经成为系统设计、系统模拟必不可缺的一种手段。

目前主要存在两种仿真方法：雷达功能级仿真和雷达信号级仿真。

雷达功能级仿真是基于雷达方程的简单仿真方法，无法满足多功能相控阵雷达仿真的需求；雷达信号级仿真是基于信号收发处理的仿真方法，可以满足高逼真度的雷达模拟。

本文给出一种基于快速应用的雷达建模思路，以满足现有的仿真需求。

【关键词】雷达模拟；建模；仿真0 引言雷达仿真技术应用作为一条非常有效的途径，在雷达装备的发展论证、设备试验鉴定与评估、作战训练及战法研究等多个方面[1] 。

在实际工程应用中，雷达信号级仿真建模通常应用在雷达系统设计，雷达系统验证与评估等方面，其开发周期以及费用较高，推广的范围较窄；雷达功能级仿真依赖于雷达方程，对于相控阵雷达的模拟存在局限性，通常应用在一些跟踪算法的理论验证、雷达威力范围的确定等应用中。

介于这两种分辨率建模方法之间，仍然存在大量的仿真模拟需求，所以需要根据建模的需求，合理地进行模型的定位与设计。

1雷达仿真模型分析1.1雷达功能仿真雷达功能仿真基本仿真思路[2] ：从信号功率的角度，运用雷达方程、干扰方程、干扰/抗干扰原理以及运动学方程等建立仿真计算综合输出（检测）信噪比模型，进而确定雷达检测时的发现概率与虚警概率。

1.2雷达信号仿真雷达信号仿真利用高速的数字仿真手段，逼真地复现雷达系统中信号的动态处理过程，包括信号发射、目标散射、信号接收及信号处理、结果输出等，可以逼真地复现包含振幅与相位的相干视频信号在接收机内进行处理的全过程。

1.3面向应用的快速建模为了实现面向应用的快速仿真，可以结合上述两种模型的特点，根据需求进行混合建模。

根据实际工程应用，提取出两种模型可选择因子，如表1 所示。

表1 模型因子分解根据工程应用需求进行分解与功能因子选择，选择的前提是模型最小化。

具体应用时，可以从雷达仿真需求的外部因素入手，逐步深入，形成整个系统的仿真模型因子集合。