（信息与通信工程专业论文）基于插件技术的雷达信号仿真软件的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 随着计算机运算能力的飞速发展，传统需要专用信号处理硬件才能实现的雷 达信号仿真，已经可以逐渐采用纯软件仿真来代替。本课题研究的首要内容便是 制作一款采用纯软件的方式产生雷达视频回波信号，并能传送给其他仿真系统使 用的雷达信号仿真软件。 在丌发该仿真软件的过程中，我们发现各种雷达信号仿真系统的内部子系统 大多具有相似的功能，对这些子系统进行重复设计和实现显然会降低工程的丌发 效率。然而，目前这类仿真软件的丌发，往往只针对特定的应用需求，很少考虑 功能扩展和升级问题，基本不具有可复用性。为了解决这个问题，制作出具有良 好通用性、扩展性和可重用性的雷达信号仿真软件，本文研究的第二个重要内容 即尝试将“平台插件”思想应用于此类系统的设计中，实现了一个适合雷达信号 仿真的通用平台，以及用于特定信号生成任务的插件，设计了一套适合“平台插 件”系统的内部通信机制、数据交换机制、项目丌发模式和软件复用策略，并在 实践中得到了验证。 本文首先介绍雷达信号仿真软件的功能需求，雷达信号仿真的基本理论和基 本方法；然后阐明了论文选择“平台插件”思想设计雷达信号仿真软件的原因， 在此基础上分别设计和实现了仿真平台和仿真插件，给出了一种基于消息驱动机 制的插件工作模式，通过联合测试，验证了该仿真软件的可用性。论文最后给出 了基于a c t i v e x 技术扩展平台的例子，验证了该仿真软件有良好软件复用能力，说 明通过“平台插件 思想设计的软件具有良好的扩展性和灵活性。 主题词：平台；插件；接口；雷达信号仿真；软件复用 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r sc a l c u l a t i n ga b i l i t y ，t h em e t h o dt o r e a l i z er a d a rs i g n a ls i m u l a t i o n ( r s s ) h a sg r a d u a l l yu s i n gp u r es o f t w a r ei n s t e a do f s p e c i f i cs i g n a lp r o c e s sl i k ed s p t h ef i r s ti m p o r t a n tc o n t e n to ft h i ss t u d yi sb u i l d i n ga r s ss o f t w a r e ，w h i c hc a np r o d u c er a d a rv i d e oe c h os i g n a lb yu s i n gp u r es o f t w a r ea n d p a s si tt oa n o t h e rs i m u l a t i o ns y s t e m i i lt h ep r o g r e s so fd e v e l o p i n gt h i ss o f t w a r e ，w ef o u n dt h a tm o s to fs u b s y s t e a n so f d i f f e r e n tr s ss o 仃w a r em a yh a v es i m i l a rf u n c t i o n s i fa l lo ft h e ma r ed e s i g n e da n d r e a l i z e dr e p e a t e d l y ，t h ee f f i c i e n c yo fp r o j e c td e v e l o p m e n tm u s tb ed e p r e s s e d h o w e v e r ， t h e s es o t t w a r ea r ed e s i g n e dw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h er e u s e a b i l i t yi nt h ep a s t ，t h e yc a l l o n l yb eu s e df o rs p e c i a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t i no r d e rt oa c c o m p l i s hu n i v e r s a l i t y ， e x t e n s i b l ea n dr e u s a b l er s ss o f t w a r e ，t h es o l u t i o nt ou s ep l a t f o r ma n dp l u g - i n si d e at o t h ed e s i g no fr s ss o f t w a r ei sp r o p o s e d ，w h i c hi st h es e c o n di m p o r t a n tc o n t e n to f t h i s s t u d y i nt h i sp a p e r ，a l lu n i v e r s a lr s sp l a t f o r ma n ds o m er e l a t e dp l u g i n sh a sb e e n r e a l i z e d as u i to fm e c h a n i s mu s i n gb yp l a t f o r ma n dp l u g - i n ss y s t e m ，s u c ha si n n e r c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，d a t ae x c h a n g em e c h a n i s m ，p r o j e c td e v e l o p m e n tp a t t e r na n d s o f t w a r er e u s a b l ep o l i t i c ，i sa l s od e s i g n e d a l lo fa b o v eh a sb e e nv e r i f i e di np r a c t i c e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sf u n c t i o n a ld e m a n do fr s ss o f t w a r ea n dt h eb a s i c t h e s i sa n df u c t i o no fr s s s e c o n d l y ，t h er e a s o nw h yc h o s i n gp l a t f o r ma n dp l u g - i n si d e a t od e s i g nr s ss o f t w a r e i s p r o p o s e d ，t h e n t h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n dp l u g i n si s d e s i n g e da n dr e a l i z e db yt h i si d e a i nt h i sc o u r s e ，ap l u g i nw o r k i n gm o d e lb a s e do n m e s s a g e d r i v e ni sa l s oi n t r o d u c e d n i ss o f t w a r eh a sb e e np a s s e dt e s t i n g ，w h i c hp r o v e s i t sa v a i l a b i l i t y f i n a l l y ，t h i sp a p e rr e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a ta ne x a m p l eo fe x t e n s i o n p l a t f o r mb a s e da c t i v e xt e c h n o n l o g yi si n t r o d u c e d ，w h i c hp r o v e st h a t n o to n l yt h i s s o f t w a r ei se x t e n d e db yp l u g - i n s ，b u ta l s oi tc a nb ee x t e n d e db yp l a t f o r m s ot h er s s s o f t w a r ed e s i g n e dw i t hp l a t f o r ma n dp l u g i n si d e ah a sb e t t e ra b i l i t yi n e x t e n s i o na n d f l e x i b i l i t y k e yw o r d s ：p l a t f o r m ；p l u g i n ；i n t e r e f a c e ；r a d a rs i g n a ls i m u l a t i o n ；s o f t w a r e r e u s a b l e 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表3 1 插件集配置方案的基本配置元素3 5 表4 1 插件自描述信息的定义4 6 表4 2 任务调度插件的任务表5 3 第l v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 平台与插件的关系示意图3 图1 2 插件式雷达信号仿真软件的结构框图3 图2 1 子波束排列与子波束夹角1 1 图2 2 雷达照射地面区域距离环示意图1 4 图2 3 回波延时叠加原理1 5 图2 4 相关k 分布杂波生成框图1 8 图2 5s i r p 原理图18 图3 1 某雷达信号生成系统结构框图2 0 图3 2 雷达信号仿真软件的结构图2 l 图3 4 插件系统示意图2 4 图3 5 微内核的结构框图2 5 图3 6 仿真平台的总体结构2 7 图3 7 消息的传递路径。2 8 图3 8 矩阵型数据池的结构示意图2 9 图3 9 无类型数据池的结构示意图3 0 图3 1 0 插件管理器类设计类图3 2 图3 1 1 插件的加载和卸载流程3 3 图3 1 2 插件的接口设计3 6 图3 1 3d y n a m i c c l a s s 类的类图3 7 图3 1 4 微内核的接口定义3 7 图3 15b c g c o n t r o l b a r 的界面。3 8 图3 1 6 界面框架示意图3 9 图4 1 插件的层次结构4 4 图4 2 插件设计实例结构示意图4 5 图4 3 消息驱动工作流程示意图5 0 图4 4 任务凋度插件的结构5 2 图4 5 系统状念转移图5 3 图4 6 任务调度插件的工作流程5 4 图4 7 信号生成插件的结构5 5 图4 8 海杂波生成类c s e a c l u t t e r 的类图5 6 图4 9 海杂波参数结构体s e a c l u t t e r p a r a m 的定义5 7 图4 1 0 海杂波回波的计算流程5 8 第v 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 图4 1 1 网络通信插件的结构图5 9 图4 1 2 反射内存网的通信流程示意图6 0 图4 。1 3 参数设置插件的界面6 l 图4 1 4 参数设置插件的结构图6 1 图4 1 5 运行状态插件的结构图6 2 图4 1 6 运行状态插件的界面6 3 图5 1 测试环境示意图6 5 图5 2 回波模拟器运行时的界面6 6 图5 3 各种回波的信号波形一6 6 图5 4 导出生成的信号数据6 7 图5 5 海杂波幅度分布和功率谱曲线6 7 图5 6 目标回波的幅度分布曲线6 8 图5 7 插件在网页中运行的效果6 8 图5 8 交互式在线实验6 9 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 基王堑住擅盔煎重达焦曼笾真筮盐的遮盐复塞墨 学位论文作者签名：、旌刽 日期：矽矽7 年斗月 ，7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：缝剧 作者指导教师签名：! 至璺堕竺 日期：纱，彳年巧，月 7 日 吣：一再7 b 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 现代雷达系统的功能日益多样化和复杂化，直接在实际系统上进行实验风险 较大，周期长，危险性高。随着计算机技术的飞速发展，用计算机建立雷达信号 处理模型，复现系统的动态过程，对于仿真中出现的情况也能够通过修改模型或 参数不断的完善，无疑大大的节省了人力和物力，提高了研制的效率。雷达系统 模拟技术被广泛的应用，为系统的研究、设计和验证节省了大量的费用，使得雷 达系统的性能得到保证，成为从分析、设计到生产、训练等各个方面的重要技术 手段。 1 1 课题背景 雷达系统在军事和民用领域都有着很广泛的影响，长期以来我国的雷达制造 水平有了长足的发展，但在系统仿真领域起步较晚，而且缺乏统一的规划。随着 雷达系统的r 益复杂，进行雷达系统软件仿真的难度也越来越大，软件系统的规 模和复杂性也同益增加。 虽然不同用途的雷达所对应的信号处理方法仍存在较大的差别，但每部雷达 都有相似的原理、结构。源于雷达军事应用方面的特殊性，现有的雷达信号处理 仿真软件大多针对具体的雷达系统而研制，很少考虑功能扩展和升级等问题，软 件代码更不可能公丌，后期的维护成本较高。另外，随着雷达系统功能同益强大， 开发配套信号仿真软件的难度和工作量也增大不少，由于早期的丌发产品没有考 虑复用性问题，即使留下了部分源码资料，但每次丌发新的仿真软件仍然需要从 头开始，难以有效的利用原有的工作成果，耗费了大量的人力物力，使得丌发人 员很难从繁琐的工作中解脱出来，投入足够的精力去实现创新。 近年来，人们逐渐认识到，要改善这种状况，软件复用是一条可行的途径。 软件复用的本质，是运用现存软件系统的产品或工程知识构造新的软件系统，在 软件丌发中避免重复劳动。其出发点是应用系统的丌发不再采用一切“从零丌始” 的模式，而是以己有的工作为基础，充分利用过去应用系统丌发中积累的知识和 经验，如：需求分析结果、设计方案、源代码、测试计划及测试案例等，从而将 丌发的重点集中于应用的特有构成成分。 鉴于上述雷达信号处理仿真软件的现状，本文尝试将“平台插件”软件复用 思想和技术引入到雷达信号处理仿真软件的丌发中，力求增强此类软件的可复用 性，可以在保持平台不变的情况下，通过开发不同的信号处理插件等来适应变化 的环境和需求，使研究更集中于提高系统的性能，从而提高研发的效率。 第1 页 国防科学技术人学研究生院硕+ 学位论文 1 2 雷达信号模拟系统的发展和研究现状 雷达信号模拟系统的丌发与研制是雷达信号理论工程实现的重要途径之一。 雷达系统模拟就是通过建立雷达系统模型，利用软件和硬件的手段复现雷达系统 的动态工作过程。它模拟的对象是雷达系统，包括雷达本身( 硬件及软件) ，雷 达回波和回波环境；模拟的方式是复现蕴含雷达回波场景信息的雷达回波信号及 其传递、处理的动态过程，从时间关系上看，就是重现一个随机的时间序列。 国内外有关雷达信号模拟器的研究有很多1 2 1 【，其中有美国k o r e l e c t r o n i c s 公司制造的数字化雷达模拟器( d i g i t a lr a d a re n v i r o n m e n ti m u l a t o r ；d r e s ) ，该 系统采用了v m e 总线结构和多处理器架构，能同时产生大量高度逼真的目标、杂 波和干扰回波，能够提供数字、中频和射频形式的雷达回波信号，采用了图形化 用户界面，可以利用工具库里的目标、杂波以及天线方向图等组件方便地定义雷 达回波环境。还有美国m a l i b ur e s e a r c h 公司的雷达环境模拟器( r e s ) ，该系统 主要用于a n f i p q 3 6 和a n t p q 3 7 迫击炮火控相控阵雷达的测试和调试。美国 s e n s i s 公司生产的雷达环境模拟器，可根据预先设定的雷达回波环境为a n t p s 5 9 远距离警戒雷达实时提供包含目标、杂波和电子对抗信息在内的射频信号，以满 足雷达工程设计验证、测试和调试的需要。法国s y n o p s i s 公司生产的r t s 8 0 0 n g 雷达目标模拟器，属于通用雷达信号模拟器，提供射频信号模拟，可产生雷达的 动目标回波以及欺骗干扰信号，可用于电子战训练和雷达的测试、校准和评估。 国内从9 0 年代以来，很多单位也相继开展了雷达模拟器的研究工作。如中国科技 大学电子工程系研制的毫米波目标模拟器，可为线性调频连续波体制雷达提供相 干的毫米波模拟信号。电子科技大学研制的x 波段机载火控相控阵雷达模拟器， 可以在软件环境中设置雷达载机、目标和雷达等各项参数，模拟不同载机速度、 不同载机高度的地杂波，杂波谱能随雷达天线扫描实时变化，而且能模拟高、中、 低三种不同脉冲重复频率下的杂波。 国内在过去的l o 年里已经在雷达信号模拟的理论研究、设计实现等方面做了 大量的工作，取得了一些令人嘱目的成果。从很多成功应用的例证可以看出近年 来国内雷达信号模拟器在实现的技术手段、输出的信号形式以及模拟方法等方面 已经与国外差距不大。但从总体来看，与国际先进水平相比，在雷达信号模拟的 全面性、系统的通用性、可扩充性、兼容性以及产品化等方面还存在一定距离。 1 3 基于插件技术的雷达信号仿真软件的总体结构 早期的雷达信号仿真软件往往是一个单独的应用程序，应用越复杂，程序就 越庞大，系统丌发的难度也就越大。要解决这一问题，一个很自然的想法就是把 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 一个庞大的应用程序分成多个模块，每个模块保持一定的功能独立性，在协同工 作时，通过相互之间的接口完成实际任务。 近年来，软件工程领域的发展更为重视复用技术中软件体系结构f 陀 - 1 1 4 】的研 究。“平台插件 【1 5 】 2 1 1 是一种比较成熟的软件设计思想，它的主要内容是：把一 个复杂庞大的系统分成多个部件( 插件) ，每一个部件保证其自身的独立性，各 个部件之间通过一个公共的渠道( 平台) 进行交互，进而实现整个软件的功能。 平台和插件的关系如图1 1 所示。 一。车l 。：= j w j ：j c 了 1 2 5 1 2 s m g h z 仍= s i n 叫( o 0 6 3 2 2 c r h ) c r h = 0 0 3 1 s 2 仍= o 1 。 ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) 第1 5 页 国防科学技术火学研究生院硕+ 学位论文 k e = = o ，伊 作 2 0 1 0 9 ( f a d p , ) ，佴伊，纺仍 ( 2 - 3 6 ) 2 0 1 0 9 ( 弘, , 作) + 1 0 1 0 9 ( 缈q a ) ，( o r 妒 3 0 。，够仍 k = 5 ( s 一5 )( 2 - 3 7 ) 吃，= o 0 8 s 2( 2 3 8 ) 巧= ( 2 + 1 7 l o g ( 0 1 兄) ) ( c o s 矽一1 ) ( 2 3 9 ) 0 垂直极化 1 7 1 n ( h o ，+ o 0 1 5 ) 一3 8 1 n ( 2 ) 一2 5 l n ( 6 p 5 7 3 + 0 0 0 0 1 ) 一2 2 2 ， f 3 g h z ，水平极化 1 1 l n ( h o + o 0 1 5 ) 一1 1 i n ( 2 ) 一1 3 1 n ( 缈5 7 3 + o 0 0 0 1 ) 一9 7 ， ( 2 - 4 0 ) 3 g h z 厂 i o g h z ，水平极化 式中，旯是雷达波长( m ) ，矽是视线与风向的夹角( 度) ，缈是擦地角( 度) ， s 是海情级数。 2 4 3 海杂波幅度分布的确定 雷达背景噪声和杂波的统计分布模型主要有瑞利( r a y l e i g h ，r l ) 分布、对数 正态( l o g - n o r m a l ，l n ) 分佰、韦布尔( w e i b u l l ，w b ) 分布和k 分布等，各种 分布分别描述了雷达在不同工作条件下的环境背景情况。 近年来k 分布已经广泛应用于地海杂波建模，不仅在很宽的条件范围内与杂 波幅度分布很好地匹配，而且还可以f 确地模拟杂波回波脉冲间的相关特性。不 同于以往的概率模型，k 分稚在杂波散射机理上可以得到很好的解释。用k 分布 的复合形式表示海杂波是基于如下假设：在每个给定距离一角度单元中的海杂波 幅度服从复高斯分布( 称为s p e c k l e ，散斑) ，其方差在时间上和空间上服从g a m m a 分布。这相当于用g a m m a 分确i 的随机变量在时问上和空间上调制散斑功率。因此， 相参k 分布杂波可以看作是功率受服从g a m m a 分布的随机过程调制的复高斯过 程。由于k 分布模型在幅度分析j 上能很好地表现低擦地角、高分辨率雷达杂波的 长拖尾特性，同时，r l 、l n 和w b 分布都是k 分行的一种特例，因此k 分布模 型在海杂波统计建模领域中受到越来越多的关注。 2 4 4 海杂波功率谱的确定 海杂波起伏速度很慢，在脉冲与脉冲问是强相关的，海杂波的相关性用功率 第1 6 页 国防科学技术大学硼f 究生院硕十学位论文 谱来表述。典型的雷达杂波功率谱特性一般为高斯谱和1 1 次方谱。下面将给出用 两个半功率点之间的频谱宽度来定义的高斯谱模型和n 次方谱模型。 】高斯谱模型 高斯谱的形式为： s ( 介= s oe x p 一盘( ( 厂一f o ) a 曲) 2 】 ( 2 4 1 ) 式中，厶是频谱最大点的位置。 在实际模拟中，为简便起见，假设f o = 0 ，则式( 2 4 1 ) 简化为： s ( 厂) = s oe x p 一a ( f f 3 柑) 2 】 ( 2 - 4 2 ) 其中，8 是一个常数，它的取值应当使s ( 五招2 ) = 0 5 。因此口= 2 l n 2 = 1 6 6 5 。 品表示零频时的功率谱密度，石拈为半功率点宽度，其大小由海浪平均速度及雷 达波长确定，厶拈= 2 口q o c = 2 0 v a ，吼为海浪的平均速度，五为雷达波长。 除极高分辨力雷达外，仃。只与海况有关。 2 n 次方谱模型 n 次方谱模型的形式为： s ( 力= 1 1 + ( ( 厂一五) f 1 ) ” ( 2 - 4 3 ) 式( 2 4 3 ) 中，n 在2 5 的范围内取值，五是频谱最大点的位置，在实际模拟中， 为简便起见，假设f o = 0 ，则式( 2 4 3 ) 简化为： s ( 厂) = 1 1 + ( f z ) ”】 ( 2 - 4 4 ) 式中，z 是杂波的特征频率，其值由下式决定z = d e x p f l v 】，d ，1 ，是表征 杂波的参量。 2 4 5 海杂波信号的仿真方法 如前所述，杂波不仅具有一定的幅度分布特性，还具有一定的时间和空间相 关性。因此，对杂波的模拟需要同时满足功率谱分布( 或相关特性) 和幅度分布。 我们可以先通过计算机产生服从某种指定振幅分和的随机白噪声序列，然后将该 序列进行相关性处理，使之具有符合要求的功率谱特性，从而实现海杂波的模拟。 目前有两种具有代表性的方法：零记忆非线性变换法( z e r om e m o r yn o n l i n e a r i t y ) 和球不变随机过程法( s p h e r i c a l l yi n v a r i a n tr a n d o mp r o c e s s e s ) 。下面就分别介绍 这两种方法。 j a m e sm a r i e r 在文献 3 0 】中给出了一个相关k 分御杂波生成的z m n l 法。具体 生成方法如图2 5 所示： 第1 7 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 卜一口，弓 卜一- | ，弓 图2 4 相关k 分布朵波生成框图 图中移= 2 ( y + 1 ) ；q p ，：，为相互独立、不相关、同分布的随机变量，服从 n ( o ，a 2 ) 分布；w i 。，w o 。为相互独立，具有相关系数，服从( 0 ，口2 ) 分柿的随机 变量；圳，w e w 为相互独立，具有相关系数g f ，服从n ( o ，1 ) 分布的随机变量；弓 为服从均值2 口r ( 竿) r ( 三) r ( 争，方差4 a 2 - - 0 2 - - 1 - 2 t 0 + 1 ) r 2 ( 三) r 2 ( 争】的k 分布相 关杂波序列，其相关系数为。与勺、q u 具有如下关系： a 2 ：互( 一丢，一昙；v + 1 ；芎) ：互( 一昙，一i i ；l ；2 ) 一1 1 勺2 l 鬲j r j l 一( 2 - 4 5 ) 式中，人r ( v + 3 2 ) f ( 3 2 ) f ( v + 1 ) ：删：c ；护揣薹等等竽为高斯超 几何分布函数。给定和v ，白和q u 在( 2 4 5 ) 式中有无穷多解，由于最终目的是要 得到指定的妇，也就是说理论上只要和q 扩符合( 2 - 4 5 ) 式，就能满足设计要求，因 此仿真中一般选取= g f ，以便来求解( 2 4 5 ) 式中勺和q ，的一组解。 虽然z m n l 法可以生成相关k 分布杂波，但是由此方法生成的杂波其实部和 虚部是不相关的，且其相关系数只能是实的，这种限制往往不能满足许多实际雷 达应用。c o n t e 在文f f t _ 失 3 1 中给出了s i r p 法，弥补了z m n l 法的不足，其具体实 现框图如图2 6 所示： 复高斯序列 y 1 矿卜h 1 ， 、。 z i 实高蜥序步： h 2 一 zmnlp 卜 h 2 - 一 ：一 一f 幽2 5s i r p 原理图 图中w , p 为相互独立的白高斯序列，其中w 是复序列，p 是实序列，z 为生成 第1 8 页 ，一 p ! 牌， 力 一 一 日 一 一 一一o = 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 的相关k 分布序列。若指定k 分白序列的相关系数为兀，则使用兀来设计滤波器 q ，使输出序列y 相关系数有0 = r k 。h 2 被设计为一个截止频率尽可能低的低通 滤波器，使输出序列石具有很高的相关性，即其相关系数r 1 。这样设计的目的 是让x 经过z m n l 变换后得到的输出序列s 也同样具有较高的相关性，也即l ， 又由于y 与s 相互独立，因此在理想情况下，y 与s 相乘得到的输出z 具有的相关 性就由y 的相关性确定，即有： = 0 。0 = 乓 ( 2 - 4 6 ) x 与s 之间的非线性关系由下式给出： g ( v ，c 2 e ( y 2 如2 万) = l q ( 石) ( 2 - 4 7 ) 式中，g ( j j z ，6 ) 2 爿【_ r e 吖广叫出为不完全g a m m a 函数；y 为滤波器q 的输出， v 是k 分布形状参数，c 为k 分布尺度参数：q ( x ) 2 去f e 坨d t 。s i i 冲的基本 思想就是让一个具有指定复相关系数的复高斯序列y ，乘上实的相关系数近似为1 的c h i 分布序列j ，最终生成具有指定复相关系数的k 分布杂波序列。 2 5 本章小结 本章首先就雷达信号仿真的方法做了简要介绍，然后从雷达方程出发，讨论 了目标回波信号和海杂波回波信号的模拟方法，为后面信号生成插件的编写提供 了理论依据。 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第三章雷达信号仿真平台的设计与实现 雷达信号仿真软件由两部分构成：仿真平台和仿真插件。其中仿真平台是仿 真软件的基础，它为仿真插件提供了运行的环境和资源。 本章结合雷达信号仿真的特点，提出了雷达信号仿真平台的功能需求，在改 进“平台插件”软件体系结构的基础上，建立了仿真平台的基本框架，并对仿真 平台的各个功能单元的设计思路逐一进行了介绍。 3 1 仿真平台的需求分析 3 1 1 仿真平台设计需求的提出 在雷达研制和生产的各个阶段，都离不丌对雷达性能和指标的测试。如果全 部采用外场测试，将耗费大量的人力、物力、财力，且易受试验场环境的影响， 组织实施困难。而利用现代仿真技术和数字电路技术的雷达信号模拟器，以其经 济、灵活和可重复等优点，已成为雷达设计、开发和测试中不可缺少的重要组成 部分。 传统的信号模拟平台通常采用高速实时信号处理器( d s p ) 构建，可以实现实 时的仿真需求，但其研制的成本较高，仅仅一块高性能的d s p 芯片就需要上力元， 制版调试等的费用则更为昂贵。图3 1 是常见的雷达信号生成系统的结构框图，该 系统主要采用硬件实现。 i 一一i 图3 1 某雷达信号生成系统结构框图 随着计算机技术的发展，高性能个人电脑的运算能力有了长足的进步，在某 些条件下已基本可以实现准实时的信号生成和处理。因此，使用纯软件进行雷达 系统仿真业已成为一种趋势。 第2 0 页 一llj， 一 一 一 信峙台墟m 砣 一 一r1lhf_，-。-j 一一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在丌发雷达信号仿真软件的过程中，我们参考了现有的同类软件系统，发现 这些软件系统有着大体相似的结构框架。如图3 2 所示，包括控制模块、通信模块、 目标、干扰及杂波生成模块、回波合成模块、用户交互模块等。 图3 2 雷达信号仿真软件的结构图 对比图3 1 和图3 2 ，我们发现，尽管它们实现手段不同，但其结构大体相同， 特别是图3 1 中的信号生成系统采用了四块目标信号板、两块杂波信号板和一个信 号合成单元组成，如果今后需要扩展功能，只需更换这些信号板即可。而按照图 3 2 所构成的系统，则扩展起来就没有那么容易。那么能否将这种在硬件设计中广 泛采用的插板技术，移植到软件系统中呢? 进一步，能否设计一种类似硬件背板 的仿真平台，提供了一个基本的系统框架，只要将各种功能插件加载到这个平台 上，就可以实现各种信号仿真功能呢? 借助插件技术，我们就可以实现这种设想。 为此，首要的问题是定义平台和插件各自需要实现的功能。 3 1 2 仿真平台的功能描述 雷达信号仿真平台的设计目标是：平台只承担较少部分的功能，尽量多的功 能由插件部分来完成。因此，系统设计主要包括两个部分：平台部分( 固定部分) 和插件部分( 变化和扩展部分) 。平台为插件提供加载和通信等服务，其目标是 为多个插件彼此协同工作提供支持。 仿真平台的功能主要包括： 1 启动系统的基础部分。系统启动时平台把软件界面框架进行加载，即 使没有加载任何插件，也应提供一个基本界面； 2 自动搜索、加载插件和检验插件实现的合法性。系统启动时，平台应 自动搜索所有的插件，并将符合插件定义的合法插件加载到系统中来， 最后初始化这些插件，将插件的实例保存到插件管理器中； 3 接口定义，信息约定。为了规范插件的丌发，平台需要定义各种插件 第2 l 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 必须实现的接口，使插件正常工作所必须的信息交互舰则，及插件的 一般结构等； 提供插件访问平台各种资源的接口，为插件之间彼此协同工作提供渠 道，平台提供了公共的数据访问方法和消息交互功能，插件依赖这些 方法完成插件与平台、插件之间的协同工作，实现插件与平台的无缝 集成； 丌发工具库( s d k ) 。对于一个良好的软件系统，仅有一个良好的软 件架构是不够的，还需要足够多的底层代码支持。因此，代码复用是 系统设计过程必须要考虑的。平台部分需要提供可以复用，并可逐渐 丰富的代码库，通过可复用代码的积累，有助于降低丌发新插件的复 杂度。 3 2 仿真平台的关键技术 3 2 1 平台插件软件体系结构概述 软件体系结构是一个软件系统中的核心元素，是最稳定的部分，也是构建其 他部分所依赖的基础。在软件工程实践中，人们越来越深刻的认识到，随着软件 系统规模和复杂程度的增长，系统总体结构设计的重要性已远远超过特定算法和 数据结构的选择，良好的体系结构对保证系统的成功至关重型2 。 按照现代软件工程的观点，开发一个软件系统的核心问题是怎样把一个大的 系统划分为若干结构合理的子系统，换言之即划分若干子模块，并研究这些模块 之间相互作用和系统的整体属性，这样软件就有了体系结构。软件体系结构的出 现是人们为了更好的理解软件系统，更方便地丌发更大、更复杂的软件系统的需 要。 “平台插件”软件体系结构【4 0 】【4 i 】是近年来在软件丌发中逐渐丌始流行的一种 面向构件的软件丌发方法。在计算机软件发展的初期，一个应用系统往往就是一 个单独的应用程序。应用越复杂，程序就越庞大，系统丌发的难度也就越大。在 这个时候，人们也总是习惯于个人独立的进行软件丌发，每个人都使用自己独 有的j x l 格进行程序设计。随着软件规模的扩大，软件的复杂度越来越高，软件丌 发的时f 刚要求越来越紧。一个项目的完成，往往需要几个人，十几个人，甚至是 上百个人协作进行软件的丌发与设计，这时一个比较棘手的问题就是如何将若干 人所编写的程序代码进行无缝的集成。 除此之外，如何应对需求的不断变化是软件丌发永恒的主题。己经丌发的软 件往往总是满足不了客户的需求。虽然软件丌发人员在进行软件设计和实现的时 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 候，殚精竭虑的为客户着想，希望能够满足客户的所有需求，但结果总是事与愿 违。那么，能否有一种方式让客户自己实现自己的需求( 当然客户最好有一定的 编程基础) 。如果每一个客户都可以实现自己需求的话，那么软件的功能就可以 是无限的，这不正是软件开发的最高理想吗? 基于以上原因的考虑，从软件模型的角度出发，一个很自然的想法就是把一 个复杂庞大的系统分成多个部件，每一个部件保证其自身的独立性，各个部件之 间通过一个公共的渠道、使用相互之间的接口完成交互，进而实现整个软件的功 能；我们把这个公共的渠道称为平台，每一个部件称为一个插件；这些插件可以单 独丌发，单独编译，甚至单独调试和测试。当所有的插件丌发完成之后，把它们 集成在一起就得到了完整的应用系统。当系统的某些功能需要修改时，只需要对 受影响的插件进行修改，然后重新组合就可以得到新的软件。“平台插件”的系 统体系结构如图3 3 所示。 ， 匝一 ，。( = 三一二 l 、厂茹r j 一 图3 3 “平台插件 系统体系结构 “平台插件 的软件体系结构，要求我们对整个系统的功能进行划分。对于 复杂的应用，要把应用分成一些独立的模块，而这种切分还要尽可能符合系统应 用逻辑和业务的要求，这是一门新的模块化程序设计的艺术。它不同于传统的结 构化程序设计艺术，也不同于现在被广泛采用的面向对象程序设计技术。可以这 么说，“平台插件”的系统设计位于这二者之上，它更注重于应用系统的全局， 要求从应用系统的全方位来进行考察。当然，在具体到某个插件的设计时，我们 仍然需要结构化程序设计和面向对象设计技术作为基础。 为了更好的理解这种软件体系结构，我们还可以换个角度将“平台插件”结 构类比i i 雯件设备中的总线和插件板。它们的关系如图3 4 所示。 第2 3 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 l 一i l ( 总线系统( 宿主程序) ) 一l ! j _ l 一： i 一一二 一一y ；捅! 捅!捅! 捅l；插 ；件； 件 件 ! 件；一一一- ；件； i23 4 n jjj j 幽3 4 插什系统示意图 插件通过预定的接口连接到总线( 宿主程序) 上，总线负责插件之间的通信 和功能调用，接口是统一的通信规范，如同硬件上的p c i 插槽，只有复合特定接 口的插件才能插入系统工作。 应用插件软件体系的一个相当大的难点在于设计插件和平台间的接口。接口 的优劣程度直接影响到插件系统的扩展性和可维护性。通常需要提取出大量相似 的功能的调用规律，才能抽象出精炼的接口，从而充分发挥接口的功能。事实上， 一个经过充分设计的接口几乎可以全部利用插件来实现软件的所有功能，包括菜 单、图标、对话框、功能模块等等。 3 2 2 平台 番件软件结构的改进 “平台插件 软件体系结构软件在灵活性、可裁剪性、可维护性等方面有着 很多的优点。然而雷达信号仿真软件是一种计算密集型的应用软件，如信号生成、 各种分布的随机数生成、高速网络通信等模块中都含有大量的、复杂的数据处理， 并且模块之间常常需要传递大量的计算数据。如果仅由插件来管理这些数据，不 仅会带来实际编程上的困难，而且还容易造成系统资源的浪费。因此，有必要对 普通的“平台插件”软件体系结构进行改进。 微内核结构【4 5 】是新型操作系统的一种体系结构，其基本的思想是内核仅提供 系统最基本的功能和服务，通常包括进程线程管理、存储管理、进程问通信、与 硬件相关的管理等，而其他的系统扩展功能都以系统服务进程的方式提供，服务 进程问通过微内核以消息方式进行通信。w i n d o w s 系统的内核就是这样的一种结 构，充分保障了系统的灵活性、可扩展性、可裁剪性、可移植性、健壮性和可维 护性。 我们尝试将操作系统中微内核结构的思想，移植于应用软件体系结构的设计 中，并与“平台插件”软件体系结构相结合，在平台中置入一个功能强大的微内 核，其基本结构如图3 5 所示。 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ，_ 。1 。一一一一。一 微内核 一。一、一 核心控制h 插件管 单兀。理单元 l 一丁rl _ 一l | 螫竺爹? 元 图3 5 微内核的结构框图 微内核是平台的核心，其功能面向非具体应用，主要负责组织和管理各种插 件，并为插件提供公共的数据服务和通信服务，使它们协同执行各种复杂的任务。 因此，微内核的结构应尽量保持简单精炼。如图3 5 所示，微内核可由四个部分组 成：核心控制单元、插件管理单元、内部服务单元及外部服务单元。各部分的功 能分别是： 核心控制单元：是微内核的中心部件，提供插件通信、内核数据管理、内 部单元管理等功能； 内部服务单元：是提供附加功能的独立部件，只能由微内核的核心控制单 元进行访问； 插件管理单元：是微内核与插件的中介，提供插件的加载、卸载和实例化 等功能； 外部服务单元：将微内核的功能进行封装，暴露一些功能接口，如发送消 息、存