MatlabGUI仿真在雷达装备教学中的应用

朱赛+蔡金燕+孟亚峰+都学新

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

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）03-0083-03

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，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。

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。波束控制仿真主要進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。endprint

四、应用实例

1.某型雷达发射系统组成。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。

五、结语

在总结装备教学中存在矛盾的基础上，分析了仿真示教系统需求，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臺[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.endprint