主要内容

雷达体系结构:系统组成和需求分配(上)

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本示例是关于使用Simulink®设计和测试给定一组需求的雷达系统的两部分系列的第一部分。金宝app首先介绍一组最终设计必须满足的性能要求。然后使用Simulink system Composer™开发雷达系统架构。金宝app然后，该示例展示了如何将雷达需求与体系结构和相应的设计连接起来。最后，它展示了如何通过提供架构组件的具体实现来创建雷达系统的功能模型。

本系列中的第二个示例讨论了测试模型和验证需求。它展示了如何使用Simulink Tes金宝appt™来设置测试套件并运行蒙特卡罗模拟来验证链接的需求。第2部分还探讨了修改所述需求时的场景。它展示了如何将需求中的变化跟踪到设计的相应组件，并对实现和测试进行修改。

性能需求

雷达系统设计通常从一组需求开始。真实的雷达系统必须满足数十种或数百种需求。在这个例子中，我们考虑一个x波段雷达系统，它必须满足以下两个性能要求:

  • R1:雷达必须探测到一个雷达横截面(RCS)为1米的急转弯1格目标 2 在6000 m范围内，探测概率为0.9，虚警概率为1e-6。

  • R2:当探测到距离为70米的两个转弯1型目标返回时，具有相同的方位角和仰角，雷达必须在80%的时间内识别这两个目标并生成两个唯一的目标报告。

虚拟试验台

作为第一步，该示例展示了如何为雷达系统建立一个虚拟试验台，该试验台将用于实现和测试设计。这个测试平台对于跟踪系统各个组件的性能需求，进行迭代设计更改，以及测试和验证系统的性能非常有用。该示例首先使用System Composer创建一个通用的顶级体系结构模型。然后更详细地展示了雷达传感器组件的体系结构和模拟环境和雷达目标的试验台的一部分。

高层体系结构

体系结构模型只指定系统的概念组件、它们的接口以及它们之间的链接。体系结构模型的组件不需要有具体的实现。正如本例中进一步展示的那样，System Composer允许为某些组件定义特定的Simulink行为，而只在体系结构级别指定其他组件。金宝app这样的模块化设计非常方便和灵活，因为单个组件的行为可以修改或完全改变，而不需要对系统的其他部分进行任何更改。

除了雷达传感器模拟实际雷达传感器的组件，测试台还包括:

  • 电力变电站—为雷达传感器供电。

  • 控制中心-通过雷达传感器传递控制命令通信链路接收雷达数据。

  • 目标与环境-模拟雷达波形在环境中的传播以及波形与目标的相互作用。雷达传感器连接到目标与环境通过一组端口标记Tx，处方,TargetsPos．Tx而且处方链路用于传递雷达波形目标与环境．TargetsPos用于传递有关目标位置的信息到雷达传感器为了模拟目标方向上的发射和接收波形。

打开顶层体系结构。

open_system (“slexRadarArchitectureExample”）

雷达传感器

体系结构模型中的每个组件都可以进一步分解为子组件。下一步，定义雷达传感器的体系结构。当雷达传感器分解,权力，Tx，处方，CmdRx,DataTx在顶层定义的端口可以作为外部端口使用。打开雷达传感器组件。

open_system (“slexRadarArchitectureExample /雷达传感器”）;

定义以下组件来创建雷达传感器的架构模型:

  • 资源调度程序-负责分配一个小区内的系统资源。它接收来自的控制命令控制中心通过外部CmdRx端口。为了表明雷达传感器体系结构中控制信号的流，资源调度程序也链接到内部的每个组件雷达传感器．

  • 波形发生器-生成雷达波形样本。

  • 传输数组-将传输的波形传递给目标与环境通过外部Tx端口。

  • 接收器阵列-接收反射波形目标与环境通过外部处方端口。

  • 信号处理器—执行波束形成、匹配滤波和脉冲积分，并将检测结果传递给数据处理器．

  • 数据处理器-创建雷达报告或雷达轨迹，并将其传回控制中心．

这种雷达传感器的结构模型是非常通用的。它没有对传输波形的类型、天线阵列的形状或大小、信号和数据处理链的实现做出任何假设。相同的架构可用于实现各种不同的雷达传感器。此外，本例只实现了列出的组件的一个子集资源调度程序而且数据处理器．

目标与环境

目标与环境可分解为两个子组件:

  • 目标-输出目标位置和速度。

  • 传播-模拟平面波的传播传输数组通过环境，反射自雷达目标，并传播回接收器阵列．

开放目标与环境组件。

open_system (“slexRadarArchitectureExample/目标和环境”）

需求跟踪

Requirements Toolbox™是一个工具，它提供了一种将需求链接到负责实现相应功能的体系结构组件的方法。当需求或模型发生变化时，“需求工具箱”提供了一种方便的方法来跟踪相应测试的变化，并验证性能和需求是否始终一致。

启动需求透视应用程序应用程序选项卡。然后通过导航到需求TAB和选择要求编辑器．要为模型创建一组新的需求，请单击新要求集．对于本例，创建一个需求集，并将R1和R2添加到其中。在需求编辑器中打开这些需求。

打开(“slreqRadarArchitectureExampleRequirements.slreqx”）

需求编辑器列出了最大距离和距离分辨率需求。在左侧面板中还显示验证而且实现每个需求的状态。此时，两个需求都没有实现，也没有验证。为了改变实现需求的状态，将其链接到实现相应功能的体系结构组件。将两个需求链接到波形发生器而且信号处理器．需求透视还显示了底部窗格中R1和R2的状态。在将需求链接到组件之后，需求透视显示R1和R2的状态已经更改为实现．当在需求透视中选择需求时，它所链接到的组件会用紫色的框架突出显示。链接的组件也显示在链接各部分细节标签在右边。

另一种可视化需求和体系结构组件之间链接的方便方法是可通过单击生成的Traceability Matrix跟踪矩阵在需求需求编辑器选项卡。它清楚地显示了哪些组件负责每个需求的实现。

组件实现

为了模拟雷达系统，为架构模型的组件提供一个具体的行为。System Composer允许您指定Simulink中某些组件的行为，而不定义其他组件的行为。金宝app这为设计和仿真提供了很大的灵活性，因为您可以使用一些详细建模的组件构建一个功能良好且可测试的模型，而其他组件仅在抽象级别上定义。本例仅指定实现雷达信号的生成、传输、接收和处理所需的雷达传感器组件的具体行为。它还提供了一个具体的实现目标与环境．

为了指定模型中信号的维度，该示例假设目标位置由一个三行矩阵指定，tgtpos时，目标速度由三行矩阵指定，tgtvel，目标RCS由向量指定，tgtrcs．

系统参数

为了向雷达传感器组件提供Sim金宝appulink行为，首先确定一组能够满足所述要求的雷达设计参数。通过在雷达设计器应用程序中执行雷达距离方程分析，可以快速找到满足R1和R2的雷达系统的一组参数。该应用程序计算各种雷达性能指标，并将雷达系统的探测性能作为距离的函数可视化。我们使用度量和需求表，将最大量程的客观值和量程分辨率要求设置为R1和R2中规定的所需值。然后调整系统参数，直到信号灯图显示系统性能满足客观要求。雷达设计参数的结果集为:

  • 雷达频率- 10ghz;

  • 峰值功率- 6000 W;

  • 脉冲持续时间- 0.4 μ 年代 ；

  • 脉冲带宽- 2.5 MHz;

  • 脉冲重复频率- 20 kHz;

  • 发射脉冲数- 10;

  • 天线增益- 26 dB;

  • 噪声系数- 0分贝;

在雷达设计器应用程序中打开此设计。

radarDesigner (“RadarDesigner_RectangularWaveform.mat”）

波形发生器

Radar Designer应用程序中执行的分析假设时间-带宽乘积等于1。这意味着传输的波形是一个未调制的矩形脉冲。使用脉冲波形分析仪应用程序确认导出的波形参数产生所需的性能并满足R1和R2。

使用本例中定义的波形参数启动脉冲波形分析仪应用程序。

pulseWaveformAnalyzer (“PulseWaveformAnalyzer_RectangularWaveform.mat”）

应用程序显示，距离分辨率和无歧义距离符合要求。

在雷达模型中实现此行为波形发生器组件只需要包含一个生成矩形波形的Simulink块。金宝app连接的输出矩形波形块到外部波形连接到传输数组组件。因为这个例子没有考虑命令信号，所以linkCmd输入结束符。

设置输出信号格式属性脉冲．这意味着每一个脉冲重复间隔(PRI)1 /脉冲重复频率秒，块生成一个列向量fs /脉冲重复频率复波形样本。

传输数组

的传输数组组件包括以下Simulink块:金宝app

  • 发射机—传输波形发生器具有指定的峰值功率和发射增益。

  • 距离角计算器-计算指向目标的方向，假设雷达放置在位于原点的静态平台上。目标方向用作盎输入窄带Tx阵列．

  • 窄带Tx阵列—用于窄带信号的天线阵列建模。它输出向目标方向辐射的传输波形的副本。

雷达距离方程分析表明，发射增益应为26 dB。设置获得的属性发射机块到20 dB，并使用天线阵列获得额外的6 dB增益。可以使用Sensor array Analyzer应用程序设计具有所需属性的相控阵天线。对于本例，使用4元均匀线性阵列，阵列增益约为6 dB。

在Sensor array Analyzer应用程序中打开数组模型。

sensorArrayAnalyzer (“SensorArrayAnalyzer_ULA.mat”）

System Composer需要对输入信号的尺寸、采样时间和复杂性进行明确的说明。属性的尺寸波形输入[fs /脉冲重复频率1]，采样时间到1 /脉冲重复频率，而复杂到“复杂”．的维度TargetsPos输入设置为大小(tgtpos)，保持默认设置为对应的采样时间和复杂度。

接收器阵列

  • 窄带Rx阵列—接收天线阵列建模。属性中的相应块使用相同的属性进行配置传输数组组件。在每个阵列元素上，块组合从每个目标接收到的信号，并根据计算得到的目标方向加上适当的相移距离角计算器．的输出。窄带Rx阵列Block是一个[fs /脉冲num_array_elements]矩阵。

  • 接收机前置放大器-为接收信号增加20db增益。

的处方输入是接收到的波形样本的矩阵，列对应于大小(tgtpos, 2)目标。的维度处方必须设置为[fs/prf大小(tgtpos, 2)]，则采样时间为1 /脉冲重复频率，而复杂到“复杂”．

信号处理器

信号处理器实现一个简单的信号处理链，包括:

  • 相移波束形成器-在每个数组元素上组合接收到的信号。本例将波束形成方向设置为舷侧。

  • 匹配滤波器—通过匹配滤波提高信噪比。将匹配滤波器的系数设置为与传输波形匹配。

  • 时变增益-补偿自由空间传播损失。

  • 非相干积分-整合10个接收脉冲的幅度，进一步提高信噪比。

属性的尺寸信号输入[fs /脉冲num_array_elements]，采样时间到1 /脉冲重复频率，而复杂到“复杂”．

目标与环境

的目标组件是使用单个平台块。

的传播组成部分包括:

  • 自由空间频道—模拟雷达波形的双向传播路径。的原点位置和速度输入自由空间频道L块归零，表示雷达位于原点，雷达不移动。将目标位置和速度输入连接到目标位置和速度TargetsPos而且TargetVel港口。

  • 雷达目标-模拟RCS和目标波动效应。由于此示例考虑缓慢波动的转向1 Case目标，因此设置更新输入为false。还设置模拟停止时间为10 /脉冲重复频率表示单个模拟运行构成单个相干处理间隔(CPI)。

设置的尺寸Tx输入[fs /脉冲重复频率大小(tgtpos, 2))，采样时间到1 /脉冲重复频率，而复杂到“复杂”．

模拟输出

在Simulink中指定这些块就足以获得可以产生雷达探金宝app测的雷达系统模型。在继续测试模型和验证特定的性能需求之前，运行模拟并检查它是否产生预期的结果。考虑三个目标。

%目标职位tgtpos = [(2024.66, 0, 0), [3518.63, 0, 0], [3845.04, 0, 0]];%目标速度Tgtvel = [[0;0;0]，[0;0;0]，[0;0;0]];%目标RCSTGTRCS = [1.0 1.0 1.0];

控件的输出记录信号制造者组件，并运行模拟将得到以下范围配置文件。正如预期的那样，模拟中的三个目标对应着三个不同的窥视。

%设置模型参数helperslexRadarArchitectureParameters;%运行模拟simOut = sim(“slexRadarArchitectureExample”）;data = simOut.logsout{1}.Values.Data;%绘图结果图;情节(range_gates、数据元素个数(range_gates) + 1:结束));包含(的范围(m)）;ylabel (“权力(W)”）;标题(“信号处理器输出”）;网格在；

图中包含一个轴对象。标题为Signal Processor Output的axes对象包含一个line类型的对象。

总结

本示例是关于如何从性能需求列表开始在Simulink中设计和验证雷达系统的两部分系列的第一部分。金宝app介绍了如何使用system Composer构建雷达系统体系结构，并将其作为雷达系统设计和测试的虚拟测试平台。第1部分还展示了如何将性能需求与体系结构的组件联系起来，以及如何使用Simulink实现组件的行为，以获得一个功能良好且可测试的模型。金宝app

本示例的第2部分展示了如何设置测试套件来测试创建的雷达设计，以及如何验证所述的性能需求得到满足。