中国指挥与控制学会会刊 
军用高空气象探测雷达通常简称为气象雷达,是一种遂行野战机动式高空气象探测的电子装备,是实施作战、训练、国防科研试验等军事活动气象保障的主要装备之一[1]。按体制一般可分为一次雷达、二次雷达和无源雷达。
野战条件复杂多变,在各种影响因素的综合作用下,气象雷达的威力范围是动态可变的,造成不同条件下实施高空气象探测的保障能力是不同的。例如,因为气象雷达在野战环境下机动部署、机动探测实施气象保障,所以雷达部署的阵地在一定的范围内有可能存在遮蔽角,影响该范围的探测威力。在复杂电磁环境下,气象雷达遭受到压制干扰时,可能在被干扰方向上形成探测范围缺口和盲区。这对指挥员准确把握气象雷达在不同条件下的保障能力增加了一定难度。因此,如何根据雷达自身的特性和地理环境等条件掌握雷达对目标的有效探测范围有重要意义[2]。
针对以上问题,本文设计高空气象探测雷达威力仿真系统,将气象雷达的探测威力进行一体化的表征,以形象直观的方式展现不同作战条件下气象雷达的探测威力,为指挥员进行阵地部署、组网探测方式选择和遭受干扰后的处理等作战运用提供辅助决策[3],具有很强的现实意义。
1 系统功能及组成
1.1 系统功能
高空气象探测雷达威力仿真系统可形象直观的展示特定作战地域内的气象雷达受不同地理环境、电磁压制干扰环境、目标高度等因素影响条件下的高空气象探测威力范围。要满足这样的需求,系统应具备以下基本功能:
1)可对不同体制、不同型号气象雷达威力范围进行显示,并且针对不同的目标高度和是否考虑地形遮挡等因素,可显示出不同的视觉效果;
2)可设置不同的干扰源位置、干扰方向、干扰功率等信息。在界面上可显示气象雷达遭受干扰后威力范围的变化;
3)具备多手段协同的高空气象探测能力范围显示能力,如多体制气象雷达组网探测威力显示等。
4)通过威力仿真和显示,为指挥员进行气象雷达阵地选择和受干扰后的处置提供辅助决策;
5)系统基于地理信息系统平台,以电子地图、数字高程模型作为背景,可以快速提取关注区域或关注目标所在位置的经纬度、高程等信息;
6)具备多种型号气象雷达和压制干扰源的参数设置、分类、存储功能。
1.2 系统组成
高空气象探测雷达威力仿真系统主要由人机交互层、中心控制层和基础数据层组成,如图1 所示。
人机交互层主要为操作人员和系统之间提供人机交互界面。用户可以通过交互界面实现气象雷达和干扰源的发射功率、天线增益、信号波长等装备参数设置,可实现阵地位置、干扰进入方向、是否考虑地形遮挡等仿真条件设置,可实现电子地图的放大、缩小和漫游等显示控制等。
中心控制层是系统的主程序层,由仿真条件模块、威力计算模块、地形遮挡模块、干扰计算模块、仿真显示模块构成,主要实现气象雷达威力范围的计算机及显示。仿真条件模块根据操作人员设置的仿真条件,从基础数据层中提取本次仿真中涉及到的气象雷达参数、干扰源参数和数字高程数据等。威力计算模块根据所构建的一次、二次和无源气象雷达威力模型,通过雷达具体参数计算不同体制气象雷达的威力范围。地形遮挡模块根据是否考虑地形遮挡、雷达仰角等仿真条件,在威力计算模块计算所得的威力半径范围内,通过数字高程等数据计算地形遮蔽范围。干扰计算模块根据气象雷达和干扰源之间的距离、干扰角度等仿真条件,通过雷达干扰方程计算气象雷达的受干扰范围。仿真显示模块分别将地形遮挡范围和受干扰范围和雷达威力范围进行处理,得出最终的威力范围,并在电子地图上绘制威力范围、气象雷达标号等图层。
基础数据层为程序运行的基础模块,主要包括地理信息模块、装备参数模块和干扰参数模块。地理信息模块提供电子地图、数字高程模型等地理信息。装备参数模块和干扰模块主要用于存储不同型号装备和干扰源的各类参数。
2 系统设计
2.1 威力计算模块设计
2.1.1 一次雷达威力计算
一次体制的高空气象探测雷达是依靠目标后向散射的回波能量来探测目标的,需要和探空仪、角反射器配合使用才能实现高空气象要素探测。探测时一次雷达天线向空间定向辐射电磁波,当电磁波在空间传播时遇到角反射器就会产生散射,其中向着雷达方向散射回来的电磁波被雷达天线接收。其最大探测距离为[4]
Rmax=
式中,Rmax为一次气象雷达最大作用距离,Pt为雷达发射功率,G为雷达天线增益,λ为雷达波长,σ为角反射器散射截面积,Simin为雷达最小可检测信号功率。
2.1.2 二次雷达威力计算
二次体制的高空气象探测雷达利用探空仪上的回答器实现测距和跟踪。当回答器接收到雷达发出的特定频率的信号后,回答器发射一个回答信号,雷达接收机根据接收到的回答信号对探空仪进行辨识、跟踪和测角的。当回答器接收功率达到回答器最小可检测信号S'imin时,此时雷达最大作用距离为
Rtmax=
式中,Rtmax为雷达最大作用距离,Pt为雷达发射功率,Gt为雷达天线发射增益,G'r为回答器天线接收增益,λt为雷达波长,S'imin为回答器最小可检测信号功率。
回答器检测到气象雷达信号后发射回答信号,此时雷达处于接收状态,回答器工作时的最大作用距离为
Rrmax=
式中,Rrmax为探空仪回答器最大作用距离,P't为回答器发射功率,G't为回答器天线发射增益,Gr为雷达天线接收增益,λr为回答器波长,Simin为雷达最小可检测信号功率。
二次体制的高空气象探测雷达的最大探测距离为Rmax=min(Rrmax,Rtmax)。
2.1.3 无源雷达威力计算
无源体制高空气象探测雷达在气象领域称为无线电经纬仪。它完全依靠被动接收探空仪发射的电磁波实现定位和跟踪的,所以其最大探测距离与公式(3)相同。
2.2 干扰计算模块设计
干扰计算模块从仿真条件模块中读取参与仿真的气象雷达和干扰源数组。首先在气象雷达数组中按顺序读取一部雷达的阵地坐标和各种参数,然后历遍干扰源数组,计算在各干扰源作用下此部雷达的威力范围。历遍干扰源循环的内部流程如图2 所示。
首先根据气象雷达和干扰源的坐标计算二者之间的距离,然后根据干扰源干扰方向判断是否对准的是此部雷达。如果干扰源没有对准此部雷达,则计算雷达到干扰源连线方向与干扰源主瓣方向的夹角,然后根据雷达天线方向图函数[5]计算出干扰源在雷达方向上的副瓣增益,最后进入角度有限元循环。如果干扰源正对准此部雷达,直接进入角度有限元循环。在循环中,方位角从0°开始递增模仿雷达方位扫描,增量设为α,循环n次后的方位角为nα。如果nα小于360°,计算雷达到干扰源连线方向与此时的雷达主瓣方向的夹角,然后分别根据雷达天线方向图函数和雷达干扰方程[6]依次计算雷达天线在干扰源方向上的增益和在nα方向上的最大探测距离,根据此最大探测距离计算出nα方向上雷达探测的最远点坐标,并更新威力范围坐标矩阵,当nα大于或等于360°则跳出循环,继续历遍干扰源数组。
通过嵌套历遍气象雷达数组和干扰源数组,计算得出此次仿真中所有雷达在干扰条件下的威力范围坐标矩阵。
2.3 地形遮蔽模块设计
系统调用地形遮蔽模块对仿真条件中的某一部气象雷达进行威力范围计算。流程如图3 所示。
地形遮蔽模块初始化雷达的经纬度、高程和仰角等数据后,模块从0°开始递增模仿雷达方位扫描,增量设为α,循环n次后的方位角为nα。如果nα小于360°,则以雷达坐标为起点,在nα方向上以r为增量进行距离递增,循环m次后的距离为mr。如果mr小于或等于雷达威力范围Rmax,则计算雷达nα方向上距离为mr点的经纬度坐标并提取该点高程,然后将该点大地坐标转换为气象雷达站心直角坐标系的坐标。在站心坐标系内计算该点与站心原点连线的仰角βnm,如果βnm大于或等于雷达仰角βi,则存在地形遮挡,将该点坐标在威力范围坐标矩阵中进行更新,然后方位递增α继续循环。βnm小于雷达仰角βi,则不存在遮挡,在nα方向上距离增加r后继续循环。如果递增后的mr大于雷达威力范围Rmax,则方位递增α继续循环。如果nα或等于360°则跳出循环,结束模块。
2.4 仿真显示模块设计
仿真显示模块为了显示气象雷达威力范围,首先分别将威力计算模块、地形遮挡模块、干扰计算模块计算得到的威力范围坐标矩阵转换为屏幕坐标矩阵。如果仿真条件中没有考虑地形遮挡或干扰,那么地形遮挡模块和干扰计算模块输出的坐标矩阵与威力计算模块输出的矩阵相同。然后利用WinAPI中CRgn类的CreatePolygonRgn函数分别将地形遮挡模块和干扰计算模块的坐标矩阵转换为屏幕多边形区域,利用CreateEllipticRgn函数将威力计算模块的坐标矩阵转换为屏幕圆形区域。最后利用CombineRgn函数对两个多边形区域和一个圆形区域进行与运算,得到的三个区域的重叠部分,也就是最终的可用于屏幕显示的气象雷达威力范围。
因为地形遮挡模块和干扰计算模块输出的显示区域的边缘是采用多边形折线来近似圆弧,所以为了满足仿真显示要求,地形遮挡模块和干扰计算模块中的方位角有限元增量α的取值要相等,并且要足够小。
2.5 系统仿真流程设计
3 系统实现
系统运行在Windows操作系统下,采用Visual studio作为开发平台。利用MGIS提供的接口和C++类库实现了数字地图的显示以及放大、缩小和漫游等操作;利用Access数据库实现了气象雷达、干扰源参数的添加、删除、修改、读取、存储等功能;利用GDAL栅格空间数据转换库实现了NASA和NIMA联合测量的SRTM3数字高程模型[7]的读取;利用WinAPI中的CreateSolidBrush函数实现了威力范围颜色设置,利用SetPolyFillMode函数实现了显示区域闭合类型设置,利用FillRgn函数实现了威力范围绘制;利用ActiveX组件库实现了雷达标号显示功能;利用C++语言实现了中心控制层的各种数据计算和逻辑运算的开发。
4 结束语
威力范围是衡量气象雷达性能和优化阵地部署的重要指标之一,直接反应了气象雷达高空气象探测能力。本文对高空气象探测雷达威力仿真系统的功能进行了分析,在此基础上按照人机交互层、中心控制层和基础数据层的总体架构对系统进行了总体设计和实现。系统能够直观显示气象雷达在不同地理环境、压制干扰和目标高度条件下的威力范围,具有较强的军事应用价值。