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航空兵在夜間或復(fù)雜氣象條件下實施轟炸或投布魚、水雷，在這種條件下，光學(xué)瞄準(zhǔn)具的使用有一定的局限性。而轟炸瞄準(zhǔn)雷達則可以彌補光學(xué)瞄準(zhǔn)具的這一局限性，它受氣象條件限制小，可以利用目標(biāo)反射的電磁波在遠(yuǎn)距離觀察、發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)，并對目標(biāo)實施轟炸或投射魚雷。在航行中，它可以提供必要的領(lǐng)航諸元，還可觀察山峰和雷雨云，防止飛機撞山和進入雷雨區(qū)Ⅲ。由于轟炸瞄準(zhǔn)雷達的開關(guān)、旋鈕眾多，操作步驟復(fù)雜，因此在雷達教學(xué)和訓(xùn)練中需要較多的雷達操作實習(xí)。傳統(tǒng)的實習(xí)方法是在地面或空中操作實裝雷達，其缺點是保障困難且會減少實裝雷達的使用壽命，另外在地面操作實裝雷達也探測不到大范圍的地物回波，無法培養(yǎng)飛行員發(fā)現(xiàn)、瞄準(zhǔn)目標(biāo)的能力。因此，研制一種能在地面進行全功能模擬訓(xùn)練的轟炸瞄準(zhǔn)雷達訓(xùn)練系統(tǒng)是十分必要的。 1 主要功能 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要完成以下功能： (1)雷達操作程序的練習(xí)，如通電前檢查程序，雷達開、關(guān)機程序，雷達信號檢查程序，雷達影像調(diào)整程序，對目標(biāo)的瞄準(zhǔn)程序等。 (2)模擬某一區(qū)域內(nèi)的地面和海面目標(biāo)雷達影像，用于搜索地面和水面目標(biāo)及瞄準(zhǔn)訓(xùn)練。 (3)利用雷達畫面確定飛機的領(lǐng)航要素，供領(lǐng)航員領(lǐng)航。如測量飛機地速、偏流、真高、地標(biāo)相對方位角、地標(biāo)斜距以及確定本機位置等。 (4)教控臺同步顯示各雷達模擬器的畫面及操作，以利于教員對學(xué)員的操作進行*價。 (5)管理學(xué)員的雷達操作成績，如學(xué)員信息的錄入，學(xué)員成績的*定、檢索、打印等。 2 硬件設(shè)計 模擬系統(tǒng)由教控臺、多部雷達模擬器組成。教控臺和雷達模擬器之間由網(wǎng)絡(luò)連接通信，結(jié)構(gòu)如圖1所示。 2．1 教控臺 教控臺由控制臺和一臺計算機組成，用來導(dǎo)演戰(zhàn)場想定背景、模擬雷達載機的運動、監(jiān)控學(xué)員對雷達的操作及對訓(xùn)練操作進行*估。它通過網(wǎng)絡(luò)與雷達計算機進行通信，向雷達計算機實時傳送戰(zhàn)場態(tài)勢和載機參數(shù)，雷達計算機則向教控臺傳送雷達狀態(tài)和雷達顯示畫面。 2．2 雷達模擬器 為了保證模擬器操作界面的逼真性，雷達模擬器采用半實物仿真的方式。由于雷達顯示器是最主要的顯示操作設(shè)備，且該型雷達顯示器形狀不規(guī)則難以仿真制作，因此雷達顯示器采用實裝設(shè)備。其余控制設(shè)備本著外觀一致、控制關(guān)系一致、接口一致的原則進行設(shè)計制作。由一臺工控計算機作為仿真主機完成雷達模型建立和信號處理仿真，采集各元器件的開關(guān)量和模擬量，仿照實裝的邏輯關(guān)系，產(chǎn)生各種控制信號，控制面板上的各種指示燈、指示表和雷達顯示器上的視頻信號的顯示。 模擬器組成如圖2所示，雷達仿真計算機通過信號采集卡采集各元器件的開關(guān)量和模擬量，產(chǎn)生各種控制信號，控制面板上的各種指示燈；根據(jù)教控臺送來的戰(zhàn)場環(huán)境和載機參數(shù)完成雷達模型建立和信號處理仿真；模擬產(chǎn)生雷達回波和雷達的狀態(tài)并通過RS 232串口傳送至雷達顯示接口板。 雷達顯示接口板主要完成以下功能： (1)根據(jù)雷達狀態(tài)產(chǎn)生重復(fù)頻率為l 250 Hz或535 Hz的各種波形驅(qū)動顯示器進行掃描顯示，這些波形主要包括掃描鋸齒波、消隱方波、定時脈沖等。 (2)處理雷達仿真計算機送來的雷達回波，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換形成視頻信號后輸入到雷達顯示器。 (3)產(chǎn)生距離刻度脈沖、測距脈沖、主瞄脈沖、預(yù)瞄脈沖等送人雷達顯示器顯示成各類標(biāo)志。其中定時脈沖、掃描鋸齒波、消隱方波、各類脈沖和雷達回波這些信號要在時序上嚴(yán)格一致。 (4)根據(jù)雷達狀態(tài)驅(qū)動氣壓表、雷達信號檢查表、天線俯仰指示表指示相應(yīng)的位置。 以FPGA為中心的雷達顯示接口板是系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點之一，組成如圖3所示。雷達仿真主機與FPGA之間定時通信，將主機模擬的雷達狀態(tài)及地形目標(biāo)傳遞給FPGA。FPGA根據(jù)雷達狀態(tài)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖到掃描電路產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波加入到雷達顯示器的偏轉(zhuǎn)線圈從而產(chǎn)生掃描線。FPGA根據(jù)雷達狀態(tài)控制天線同步信號電路產(chǎn)生不同速度的天線轉(zhuǎn)動信號，天線轉(zhuǎn)動信號加入到顯示器的天線同步接收器中驅(qū)動顯示器進行圓周掃描或方型掃描。在觸發(fā)脈沖的觸發(fā)下，F(xiàn)P-GA把從雷達仿真主機接收到的當(dāng)前方位下的地物回波信號經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成雷達視頻信號，再經(jīng)放大后加入到雷達顯示器的柵極，從而顯示出地面目標(biāo)回波圖像。FPGA還負(fù)責(zé)產(chǎn)生雷達顯示的其他信號，包括距離標(biāo)志、瞄準(zhǔn)標(biāo)志、噪聲、干擾等。此部分的設(shè)計要求實時性和同步性較高，雷達顯示接口板的運行必須在時序上，特別是外部輸入／輸出工作時序上與真實雷達工作特性相一致，以實現(xiàn)與真實雷達顯示器的數(shù)據(jù)交換。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 轟炸瞄準(zhǔn)雷達訓(xùn)練系統(tǒng)軟件運行于Windows 2000操作平臺下，結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)軟件通過對采集到的操作員的操作、載機的飛行參數(shù)和雷達系統(tǒng)狀態(tài)等信息進行處理，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時地模擬生成逼真的雷達畫面。同時將雷達視頻回波由雷達顯示接口板傳送給真實雷達顯示器進行顯示。 主要模塊的功能如下： (1)數(shù)據(jù)采集模塊：主要用來采集雷達各個開關(guān)、旋鈕的狀態(tài)。 (2)通信模塊：負(fù)責(zé)教控臺與雷達模擬器、雷達模擬器與FPGA間交換數(shù)據(jù)。 (3)載機運動仿真模塊：模擬生成載機運動的航跡。根據(jù)飛行器質(zhì)心運動模型模擬生成載機的飛行航線，根據(jù)飛行器的姿態(tài)角變化模型模擬生成載機的姿態(tài)。 (4)雷達系統(tǒng)仿真模塊：用計算機建模仿真雷達的功能狀態(tài)。 (5)地形數(shù)據(jù)庫模塊：利用MultiGen Creat建模工具建立地物場景的三維模型，如河流、山脈、樹林、城鎮(zhèn)、鐵路等，之后用MultiGen的TMM工具為三維模型加表面反射和紋理，最終生成地形紋理配置文件，在地形紋理配置文件中包括了所指定的地形紋理區(qū)域的大小和散射截面積。 (6)雷達圖像生成模塊：根據(jù)地形數(shù)據(jù)庫的地景數(shù)據(jù)，利用Vega軟件的RadarWorks模塊生成雷達地物回波圖像。Vega的Radarworks模塊根據(jù)材質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地形紋理配置文件及雷達系統(tǒng)參數(shù)、載機狀態(tài)信息等實時的判斷各個單元的有效反射面積并計算雷達反射強度，從而提供了基于真實地形的機載雷達的逼真的仿真圖像。 (7)成績管理模塊：*估、管理學(xué)員模擬訓(xùn)練成績。以上模塊中，載機運動仿真模塊和成績管理模塊由教控臺計算機運行，教控臺計算機和雷達仿真計算機都安裝有網(wǎng)絡(luò)通信模塊，其余模塊由雷達仿真計算機運行。 系統(tǒng)軟件工作流程如下：載機運動仿真模塊根據(jù)仿真模型和教員的指令生成載機飛行航線，模擬載機按設(shè)定的航線和高度進行飛行，實時地將載機運動參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給雷達仿真模塊。同時傳送給雷達仿真模塊的數(shù)據(jù)還有由數(shù)據(jù)采集模塊采集到的雷達開關(guān)、旋鈕狀態(tài)。雷達仿真模塊根據(jù)雷達當(dāng)前的開關(guān)、旋鈕位置確定雷達的工作狀態(tài)，如距離量程、掃描方式等。雷達仿真模塊根據(jù)掃描方式確定天線轉(zhuǎn)速，根據(jù)載機位置、飛行高度和雷達天線俯仰角度等參數(shù)計算雷達的波束擦地角，進而確定當(dāng)前雷達的距離探測范圍。雷達仿真模塊將計算到的波束寬度、方位掃描范圍、天線俯仰角、距離分辨率、掃描線掃描的增量、掃描速度和載機飛行參數(shù)傳遞給圖像生成模塊。圖像生成模塊利用Vega的Ra-darWorks模塊，通過設(shè)置以上雷達參數(shù)并根據(jù)載機的當(dāng)前位置調(diào)用地形數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，生成仿真的雷達圖像。最后由通信模塊將雷達視頻回波經(jīng)雷達顯示接口板傳送給雷達顯示器顯示。 4 結(jié) 語 設(shè)計的訓(xùn)練系統(tǒng)采用半實物仿真，單片機控制、虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬轟炸瞄準(zhǔn)雷達。半實物仿真由于采用真實雷達顯示器和與實裝雷達一致的操作面板，因此模擬效果比虛擬仿真更真實，尤其適合針對飛行人員的操作訓(xùn)練。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可逼真地模擬飛行中的雷達回波圖像，使得雷達畫面更加真實。系統(tǒng)在檢測練習(xí)者的各種操作時，能將雷達畫面顯示在教控臺顯示器上，可實時、全程監(jiān)控訓(xùn)練過程，便于整體教學(xué)。 |
