1、Matlab GUI 仿 真 在 雷达 装 备 教 学中 的 应 用 朱赛 蔡 金燕 孟亚峰 都学 新 陆 军 工程 大 学石 家 庄校 区 电子 与 光学 工 程系 摘 要： 以某型相控阵雷达装备教学为例, 根据装备教学过程中存在的矛盾, 分析了仿 真需求, 探索了Matlab 图形用户界面 (graphical user interface, GUI) 在装 备教学过程中的应用环节, 并以该型雷达装备的信号发射过程为例, 进行了仿 真示教系统的实现, 为Matlab GUI 在装备教学中的应用提供了理论依据和实现 基础。 关键词 ： Matlab GUI; 装备教学; 仿真; 作 者简 介
2、： 朱赛 (1987-) , 男, 河南周口人, 工学博士, 讲师, 主要从事新型 雷达装备教学工作。 Application of Matlab GUI Simulation in Radar Equipment Teaching ZHU Sai CAI Jin-yan MENG Ya-feng DU Xue-xin Department of Electronic and Optical Engineering, Army Engineering University; Abstract ： Based on the contradiction in the process of equi
3、pment teaching, the simulation requirements is analyzed in this paper, and the application of graphical user interface (GUI) in the teaching process of equipment is explored. A simulation teaching system is realized for the radar equipments signal transmission process, which provides the theoretical
4、 basis and the realization basis for the application of Matlab GUI in equipment teaching. Keyword ： Matlab GUI; equipment teaching; simulation; 一、引言 炮兵侦察校射雷达构 造是学习炮兵侦察校射雷达基本结构、系统工作原理、 系统工作过程和操作使用的一门课程, 是从事炮兵侦察校射雷达技术保障和管 理工作的前提, 在培养 “技指合一”的新型军事指挥人才方面具有重要作用。 在教学过程中, 通过典型炮兵侦察校射雷达的学习, 培养学员科学、 严谨的思维 方式和良
5、好的机务作风, 并能运用所学知识分析和解决炮兵侦察校射雷达的实 际问题。 教学过程中分为理论教学和操作训练两大模块:理论教学以信号流程为主线, 将 各分系统有机地联系成一个整体, 各分系统以功能电路为模块, 重点讲清功能、 组成和工作过程;操作 训练通过讲解示范、过程指导、效果检验等教学环节, 以 自主训练为主, 培养学员的动手能力。 Matlab 图形用户界面 (graphical user interface, GUI) 既能嵌入已有的仿真 程序, 又能把仿真的图形化结果以人机交会的动态方式呈现给客户, 将计算流 程和易操作界面完美集成在一起1,2, 为理论教学和操作训练间的有机结合提 供
6、了工具。 二、仿真需求分析 根据教学实际, 首先分析了教学过程中遇到的问题, 结合问题分析了 仿真需求。 1. 教 学问 题总结 。 该课程教学目标是使学员熟悉炮兵侦察校射雷达各分系统的工作原理、组成结 构、工作过程和信号的流程与变换;熟悉整体结构和各分系统主要部件及大型元 器件的作用;掌握整机和各分系统的操作使用、检查调整、维护保养和常见故障 判定与排除的技能; 培养严谨的机务作风, 提高综合素质, 为成为具有较强实践 能力和创新精神的高素质新型炮兵侦察校射雷达军事人才奠定基础。 该型雷达为有源相控阵雷达, 主要对多种火炮、火箭进行侦察定位和校射:侦察 敌火炮、火箭发射阵地;对己方火炮、火箭
7、校正射击。 教学过程中, 在保证学员熟悉操作的前提下, 更要联系理论, 使学员能够融会 贯通, 掌握炮兵侦察校射雷达的结构、 原理。 在 教学过程中, 主要存在以下问题: (1) 学生人数较多与装备数量有限的矛盾。 专业学生较多, 而该型雷达装备数目 有限, 仅配备一部, 大大限制了学生的上机操作时间, 也限制了学生的观摩学 习。 (2) 高频发射信号不易观测。该雷达装备中, 发射信号频率较高, 发射功 率较大, 直接观测不易。 对于相控阵天线辐射电磁波, 无法观测其空间辐射情况, 不便于学生的理解。 (3) 理论与装备教学场地分离的矛 盾。 理论学习过程中, 存 在大量的公式推算、流程分析,
8、 需要各种板书、幻灯片进行辅助教学;装备教学 需要紧贴装备, 通过装备的具体演示、 操作提高学员的动手能力。 同时, 由于该 装备尺寸较大, 无法放在教室, 使得理论教学与装备教学无法处于同一场景, 减弱了理论与装备教学间的联系。 2. 仿 真需 求。 为了解决教学中存在的问题, 需要进行以下仿真: (1) 装备展示功能仿真。 为了 提高学生对装备的直观认识, 仿真示教系统中需要具有装备展示功能。 对装备的 整体、 各分系统外观、 位置进行直接展示, 通过装备直接展示的介绍, 提高学生 对装备的认识。 (2) 装备分析功能仿真。在装备展示的基础上, 对装备组成、 信号流等进行分析, 提高学生对
9、装备的理论认识。 (3) 理论分析功能仿真。为 了提高学生对理论知识的掌握, 在装备展示、 分析的基础上, 结合装备具体模块 原理, 进行理论分析仿真, 通过直观的仿真结果深化学生对装备、理论的学习。 三、Matlab GUI 仿 真应用环节 为了解决装备教学过程中的问题, 提高学生对装备的直接认识和深层次理解, 可根据Matlab GUI 的特点, 在装备展示、装备分析、信号仿真等环节进行仿真 应用, 如图 1 所示。 图1 仿真应用环节 下载原图 1. 装 备展 示环节 。 展示模块环节主要进行装备的直接展示, 根据装备系统组成, 分别进行装备展 示、 分系统展示和系统内各模块展示。 通过
10、装备整体、 分系统、 模块等从整体到 局部的层次展示方式, 提高学生对装备的直观认识, 为学生上机操作提供基础。 2. 装 备分 析环节 。 装备分析环节在装备展示的基础上, 对装备的系统框图、 信号流图、 模块信号等 进行分析, 提高学生对装备结构、组成及信号关系的深层认识。 (1) 系统框图 主 要展示装备系统框图, 分析各分系统的组成关系。 (2) 信号流程, 主要分析分系统间的信号传递关系。 (3) 模块信号主要分析分系统内各模块输入/输出信 号波形、模块间的系统传递关系。 3. 信 号仿 真环节 。 仿真模块根据该装备理论基础, 进行波形产生、 波束控制、 回波接收 及信号处理 的仿
11、真。 (1) 波形产生仿真:雷达由频率源产生中频相参本振信号, 经频率合成 生成一本振、二本振信号及线性调频型号;线性调频信号经二本振、一本振信号 的上变频, 生成射频发射信号。 波形产生仿真主要对线性调频信号、 一本振信号、 二本振信号及 射频发射信号的产生进行模拟仿真。 (2) 波束控制仿真:相控阵就 是通过控制阵列各单元的相位以达到波束自动扫描的阵列3,4。相控阵天线是 由多个辐射元组成的阵列, 阵列中每个辐射元的信号相位可控, 通过控制每个 辐射元的相位, 进而控制整个相控阵天线的波束方向。 波束控制仿真主要进行信 号发射过程中波束控制单元和二维有源固态阵列天线的理论仿真。 通过仿真的
12、图 形化结果, 向学生形象展示相控阵天线波束方向控制。 (3) 回波接收仿真:雷达 装备接收到 的目标回波信号, 通过一本振信号、 二本振信号的下变频, 将射频回 波信号转为中频信号, 以供处理。 回波接收仿真进行回波信号的模拟和接收后变 频的仿真。 (4) 信号处理仿真:对于中频回波信号, 通过脉冲压缩、 动目标显示 (Moving Target Indicator, MTI) 、动目标检测 (Moving Target Display, MTD) 、杂波图等处理, 从而检测出目标的距离、方位、速度等参数。信号处理 仿真主要根据中频回波信号进行各种信号处理仿真。 四、应用实例 1. 某 型雷
13、 达发射 系统组 成。 该型 雷达发射过程框图如图 2 所示, 其中二维有源固态阵列为雷达相控阵天线, 有多个T/R 组件二维排列而成, 通过控制每个T/R 组件的发射波形相位, 从而控 制整个天线发射波束指向, 实现波束的电扫描。 图2 雷达发射过程框图 下载原图 图2 所示发射框图中, 雷达接口接收雷达计算机发出的控制指令, 并将控制指 令重新编排后分配到波束控制单元和频率源波形产生器;波束控制单元根据计算 机控制指令, 在发射和接收期间分别控制天线中 T/R 组件移相器相位, 实现波 束按一 定的规律在指定空间搜索、跟踪空中目标;频率源根据计算机控制指令产 生一本振频率、 二本振频率及相
14、参本振等雷达基准频率信号, 波形产生器接收计 算机指令控制, 并根据基准频率信号射频激励信号;发射机前级将波形发生器送 来的低功率射频激励信号进行功率放大, 并通过中间推动级放大后送到每个 T/R 组件。 2. 仿 真系 统实现 。 根据3 节应用环节, 对图2 所示雷达发射信号过程基于 Matlab GUI 进行仿真实 现, 所实现系统主界面如图 3 (a) 所示。通过 “装备展示”、“信号分析 ”、 “ 理论仿真 ”等按键分别进行对应环节的仿真分析 。 装备展示模块界面如图 3 (b) 所示, 由分系统选择、模块选择及展示画面组成。 通过分系统选择和模块选择, 确定待展示的模块, 进而选择
15、素材库中对应的模 块图片进行显示, 实现装备的展示功能。 理论仿真包括信号模拟和波束控制两部分, 其界面分别如图3 (c) 、图 3 (d) 所 示。在图3 (c) 所示的信号模拟模块中, 主要有参数设置、时域信号显示和频 域信号显示三部分组成, 分别进行Chirp 信号、 二本振调制信号和一本振调制信 号的模拟显示。图 3 (d) 所示波束控制模块中, 由阵列参数设置、行相增量调 节、 列 相增量调节和方向图显示几部分组成。 通过连续调节行相增量、 列相增量, 可观察方向图指向的不断变化, 实现波束控制。 图3 系统仿真界面 下载原图 五、结语 在总结装备教学中存在矛盾的基础上, 分析了仿真
16、示教系统需求, 设计实现了 某型雷达装备发射系统的仿真示教系统, 为装备教学提供了有力保障。 应用仿真系统形象、 直观地分析了雷达系统的工作原理和信号特性, 对于学生熟 悉和掌握雷达原理和雷达信号处理流程提供了真实有效的可靠手段, 对于雷达 数字信号的处理技 术和流程有了全面的认识, 提高了技术人员分析问题和解决 问题的能力及开展雷达设备技术研究的能力。 参考文献 1 温淑焕, 佟永正, 刘福才, 等.基于Matlab GUI 的计算机控制技术教学演示 系统设计J.高教研究与实践, 2016, 35 (4) :55-59. 2 贾云飞.自控原理综 合教学平台J.教育教学论坛, 2016, (14) :81-82. 3 丁鹭飞, 耿富录, 陈建春.雷达原理M. 第5 版.电子工业出版社, 2014:21-23. 4 封吉平, 曾瑞, 梁 玉英.微波工程基础M. 第1 版.电子工业出版社, 2002:202-207.
