课程概述及系统仿真概论

2020 4 19 1 1 课程概述及系统仿真概论 课程概述1 课程教学目的2 教学内容及基本要求3 考核方式系统仿真概论1 系统仿真的定义2 几个重要的概念 系统 系统模型 系统仿真3 计算机仿真 分类 步骤 应用 发展 2020 4 19 2 雷达系统仿真 概述 雷达 RADAR RAdioDetectionAndRanging 无线电探测与测距 用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置 因此雷达也称为 无线电定位 二维地面 海面 三维空间 相应地 我国的雷达分会称为中国电子学会无线电定位技术分会 网址 www cie radar org 雷达基本任务 发现目标并测量其距离 角度 方位和仰角 速度 以及从目标回波中获取更多有关目标的信息 如目标识别等 可以概括为 探测 定位 成像 识别 2020 4 19 3 雷达系统仿真 概述 雷达系统仿真 RadarSystemSimulation先修课程概率论与数理统计 数字信号处理 随机信号分析 无线电定位原理与技术后续 雷达系统导论 信号检测理论 时间序列分析 无线电测向原理与技术 雷达系统建模与仿真 雷达系统仿真实验主要参考图书 美 R L 米切尔著 陈训达译 雷达系统模拟 科学出版社 1982 7TN955M68 RichardL Mitchell RadarSignalSimulation ArtechHouse Inc 1976 经典图书B R Mahafzaetal编写 Chapman Hall CRC出版的系列图书 附程序RadarSystemsAnalysisandDesignUsingMatlab 2000 1stEd MatlabSimulationsforRadarSystemsDesign 2004 2ndEd RadarSignalAnalysisandProcessingUsingMatlab 2009王国玉等 电子系统建模仿真与评估 国防科技大学出版社 1999 2020 4 19 4 雷达系统仿真 概述 雷达系统仿真 RadarSystemSimulation主要参考图书 美 R L 米切尔著 陈训达译 雷达系统模拟 科学出版社 1982 7TN955M68 RichardL Mitchell RadarSignalSimulation ArtechHouse Inc 1976 经典图书B R Mahafzaetal编写 Chapman Hall CRC出版的系列图书 附Matlab程序RadarSystemsAnalysisandDesignUsingMatlab 2000 1stEd MatlabSimulationsforRadarSystemsDesign 2004 2ndEd RadarSignalAnalysisandProcessingUsingMatlab 2009D K Barton著 ArtechHouse出版的系列图书RadarSystemAnalysis 1976ModernRadarSystemAnalysis 1988 国内中译版 国防工业出版社 RadarSystemAnalysisandModeling 2005 附Mathcad程序 南京电子技术研究所译 雷达系统分析与建模 电子工业出版社 2007 6 王国玉等 电子系统建模仿真与评估 国防科技大学出版社 1999 2020 4 19 5 课程教学目的雷达系统仿真是电子信息工程专业的一门专业选修课 以先修课程相关知识为基础 全面地讲述各种统计特性杂波的产生 参数估计及检验方法 并从目标散射模型 雷达信号波形 雷达信号处理等方面介绍雷达系统仿真的基本概念与方法 本课程旨在培养学生扎实的系统仿真理论基础 提高综合运用专业知识水平 掌握雷达系统仿真的基本原理和方法 为从事雷达技术理论研究与工程设计打下基础 课程基本要求本课程的基本要求是培养学生具有以下的知识和技能 1 掌握系统仿真的理论知识 联系实际综合运用专业知识 培养创新意识 2 掌握雷达系统仿真基本原理和基本方法 3 掌握各种杂波 噪声以及雷达信号的仿真方法 4 掌握仿真结果分析的原理和方法 雷达系统仿真 概述 2020 4 19 6 雷达系统仿真 概述 课程教学内容本课程教学具体内容有 1 系统仿真概论 2学时 系统仿真定义与建模 计算机仿真步骤2 蒙特卡洛方法和重要抽样技术 2学时 蒙特卡洛基本原理 蒙特卡洛方法概率收敛性 重要抽样技术 应用实例3 各种分布白噪声 色噪声的产生 6学时 白噪声的产生 高斯色噪声的产生 非高斯色噪声的产生 非高斯相干杂波的产生 PDF PSD 复序列 4 参数与概率密度函数估计 2学时 参数估计 矩估计法 极大似然法 概率密度函数估计 点统计量估计 直方图及核估计 5 随机数检验 2学时 正态性检验 拟合性检验 独立性检验 相关性检验 2020 4 19 7 6 雷达系统模拟方法及雷达目标模型 2学时 功能模拟 相干视频信号模拟 雷达目标散射模型 目标起伏模型7 雷达信号波形和处理仿真 4学时 典型雷达信号波形 典型雷达信号波形仿真 雷达基本信号处理仿真8 空间信号 噪声模型及波束形成 4学时 远场空间信号模型 空间噪声模型 数字波束形成方法 数字波束形成仿真学时安排选修课 2 0学分 30学时 具体分配如下 课堂讲授 讨论 24学时 第8 13周周一3 4 周三1 2节 电机楼1033 上机实验 6学时 第12 13周 新技术楼326 雷达系统仿真 概述 2020 4 19 8 雷达系统仿真 概述 2012年秋季 雷达系统仿真 实验课计划 2020 4 19 9 考核方式根据学校相关规定及本课程教学方式安排 本课程考核包含两部分 1 课堂测验 2次 成绩比例10 2 大作业 1次 成绩比例20 3 上机实验及报告 2次 成绩比例70 雷达系统仿真 概述 2020 4 19 10 系统仿真的定义系统仿真就是进行模型试验 通过系统模型的试验去研究一个已经存在的或正在设计中的系统的过程 这个模型是对系统的简化提炼 能反映问题的本质或主要矛盾 这种建立在模型系统上的试验技术称之为仿真技术 现有系统 系统破坏性试验 系统改造及性能评估等新系统 新系统方案论证 新系统性能评估等系统仿真的必要性 某些试验危险且费用高 宇航系统 核反应堆控制系统等某些试验难以进行 经济 社会 政治 人口 生态等非工程系统试验等 系统仿真概论 2020 4 19 11 系统仿真概论 几个重要的概念一 系统 泛指自然界的一切现象和过程 比如一个音箱的电路 可以称之为音箱电路系统 雷达系统可以分为天线分系统 发射分系统 接收分系统 信号处理分系统等 工程系统 根据某种需要 实现某种预定功能而构成的系统 1 系统所包含的研究内容实体 组成系统的具体对象 属性 实体所具有的每一种有效特性 活动 系统对象随时间变化而发生的变化 对一个电路系统来讲 系统的实体包括各种元器件 电源激励 系统属性就是各种元器件的参数和特性 系统的活动就是电路震荡 通过系统方程来描述 2020 4 19 12 系统仿真概论 几个重要的概念2 系统特性系统是实体的集合 一个工程系统应由两个或两个以上的有效环节组成 系统的各个组成部分有机地结合在一起 例如电路就是按照一定的规律连接在一起 雷达系统由各个分系统组成 组成系统的实体是相互关联的 为了实现系统的功能 各个实体应当相互联系 相互作用 即系统的每个环节之间存在信息流动和信息反馈作用 例如 雷达系统中接收子系统要把接收到的回波数据传递给基本信号处理子系统 而基本信号处理子系统要把处理后的数据传递给信号检测子系统 根据信号处理系统计算的结果可能传递给发射机信号 提供是否改变系统参数的依据 这样在雷达系统中完成了数据的传递和反馈 2020 4 19 13 系统仿真概论 几个重要的概念3 系统按预定的目标运行设计或者综合一个系统 是为了实现预定的目的 也就是系统具有目的性 这种目的要包含两个层次 一是系统要完成特定的功能 二是完成基本功能的同时要使系统达到最优化 对于雷达首先要完成基本的目标探测功能 提供目标各个参数 二是要合理地设计系统参数 使雷达的性能达到最优 这是一项十分复杂的工作 4 系统的边界和环境抽象地说 系统的边界包围了所研究对象的所有部件 位于系统边界之外的那些部件称为环境 对于雷达系统 其环境主要是指外部电磁环境和杂波环境 2020 4 19 14 系统仿真概论 几个重要的概念5 系统类型系统的分类方法很多 可以从不同的角度来划分系统类型 1 静态系统和动态系统静态系统认为是相对不变的系统 与其相对应 系统的状态可改变时则称之为动态系统 雷达显然是一个动态系统 动态系统可以进一步分成两类 一个系统的每个状态 若其连续的状态是唯一确定的 这个系统就是确定系统 随机系统是在既定的条件和活动下 系统从随机的一个状态转换到另一个状态 就是说相同的输入经过系统转换以后就会有不同的输出结果 2 连续系统和离散系统 2020 4 19 15 系统仿真概论 几个重要的概念二 系统模型 是系统某种特定性能的一种抽象形式 系统模型实质是一个由研究目的所确定的 关于系统某一方面本质属性的抽象和简化 并以某种形式来描述 模型可以描述系统的本质和内在的关系 通过对模型的分析研究 达到对原型系统的了解 系统模型的建立是系统仿真的基础 1 系统建模的基础 相似性原理对于自然界任意的系统 存在另一个系统 它们在某种意义上可以建立相似的数学描述或有相似的物理属性 系统模型是以系统之间的相似性原理为基础 一个系统可以用模型在某种意义上近似 这就是整个系统仿真的理论基础 2020 4 19 16 系统仿真概论 几个重要的概念2 系统模型的分类1 物理模型物理模型与实际系统具有相似的物理性质 这些模型可以是按比例缩小的实物外形 如风洞试验的飞机外形和船体外形 天线系统中缩比试验等 还有一种物理模型适于原系统性能完全一样的样机模型 如生产过程中的样机模型 原理样机 预研项目 工程样机 装备研制项目 初样 正样 2 数学模型用抽象的数学方程描述系统内部物理变量之间的关系而建立起来的模型 称为该系统的数学模型 通过系统的数学模型的研究可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能 2020 4 19 17 系统仿真概论 几个重要的概念无论哪种模型都是从真实系统中抽象出来的 例如雷达运动模型可简化成近似匀速直线运动那么R t R Vt 这就一个非常简单的数学模型 但掌握了这个模型 就可以根据需要模拟出加速运动 变加速运动 非直线运动等一系列的数学模型 数学模型的分类 2020 4 19 18 系统仿真概论 几个重要的概念应用数学模型来解决实际问题时 必然涉及模型求解的技术 完成这个过程就可以获得系统属性的实际值 对于简单的数学模型可以用解析解 复杂的数学模型则采用数值解 例如非线性规划问题中最优解的表达式一般不能用数学表达式来明确的表示出来 只能给出数值解 对这些问题的解决又涉及到最优化计算问题 最终归结为求数学解的问题 2020 4 19 19 系统仿真概论 几个重要的概念数学模型的建模方法 1 演绎法 通过定理 定律 公理以及已经验证了的理论推导数学模型 这是最早的建模方法 这种方法适用于内部结构和特性很明确的系统 可以利用已知的定律 如力 能量等平衡关系来确定系统的内部的运动关系 大多数工程系统属于这一类 电路系统 动力学系统以及飞机的运动方程都可以采用演绎法来建立数学模型 比如 仿真雷达数据处理时的输入数据 就是根据运动方程建立目标的运动点迹模型 2020 4 19 20 系统仿真概论 几个重要的概念数学模型的建模方法 2 归纳法 通过大量的试验数据 分析总结归纳出数学模型 对那些内部结构不十分明确的系统 可以根据对系统输入 输出的测试数据来建立系统的数学模型 例如 海杂波的模拟和仿真 最初的研究者是通过大量的试验数据进行统计分析得出 对于高频雷达来讲 海杂波的幅度服从高斯分布的结论 3 混合法 就是将上述二者互相结合的一种建模方法 通常采用先验知识确定系统模型的结构形式 然后再用归纳法确定具体参数 一般来讲这种方法是比较有效的 2020 4 19 21 系统仿真概论 几个重要的概念数学模型的建模原则 1 真实性所建立的模型能确切反映和符合实际系统的本质属性和关系 2 实用性在真实性的基础上 要求所建模型既简单明了 又能反映问题的本质 这样可节省建模的时间和求解的时间 而且便于分析问题 3 适应性当实际系统由于某些具体条件发生变化时 要求模型具有一定的适应能力和使用范围 比如 雷达系统零部件失效分析 大型相控阵单元损失 2020 4 19 22 系统仿真概论 几个重要的概念三 系统仿真 用模型代替实际系统进行试验 是不破坏真实系统环境的情况下 为了研究系统特性而构造并运行这种真实系统模型的方法 1 物理仿真 实物仿真 以几何相似或物理相似为基础的仿真 2 数学仿真 以数学模型相似为基础的仿真 用数学模型代替实际系统进行试验 模拟系统实际情况的变化 用定量化的方法分析系统变化的全过程 3 数学 物理仿真 半实物仿真 把数学模型 物理模型联合一起仿真 随着计算机的发展 计算机求解复杂系统数学模型的功能越来越强 因此人们对计算机用于系统的数学仿真越来越重视 2020 4 19 23 系统仿真概论 计算机仿真由于数学仿真的主要工具是计算机 因此许多仿真工作俗称为计算机仿真 一 计算机仿真的分类1 模拟计算机仿真 早期的数学仿真 当时采用模拟计算机 上世纪五十年代后期 由于数字计算机迅速发展 数字仿真成为主流 2 数字计算机仿真数字计算机只能对数码进行基本运算 因此任何动态系统在数字机上仿真都必须将原系统变换成能在计算机进行数值计算的离散时间模型 数字仿真需要研究各种仿真算法 常常我们需要把代表系统模型的数学模型的表达式 变换成语言代码 进行编译 变成计算机能够执行的机器代码 2020 4 19 24 系统仿真概论 计算机仿真3 混合计算机仿真是由模拟计算机和数字计算机通过接口 A D D A 组成的数字 模拟混合计算系统 该系统具有模拟运算的快速性和数字计算机的高精度和灵活性的优点 数字仿真的特点 1 数值计算的延迟 2 仿真模型的数字化 3 计算精度高 4 实时仿真比模拟仿真困难 尤其对于复杂快速动态系统 5 利用计算机进行实物或半实物仿真需要A D D A变换器件 2020 4 19 25 系统仿真概论 计算机仿真二 计算机仿真的步骤计算机仿真技术实质就是建立计算机仿真模型和进行仿真试验的技术 它是通过试验来分析求解问题的技术 通过仿真试验 可以了解系统内在联系和系统状态变化过程 1 模型建立阶段 根据研究目的 系统原理和数据建立系统模型 关键技术是建模方法学 1 系统分析与描述首先给出系统的详细定义 明确系统的组成 边界 环境和约束 其次根据问题确定系统的目标 以及目标能否达到的衡量标准 同时对解决问题的途径进行分析 2020 4 19 26 系统仿真概论 计算机仿真 2 建立系统的数学模型根据系统分析的结果 确定系统中的变量 依据变量间的相互关系以及约束条件 将他们的数学的形式描述出来 并确定其中的参数 即构成系统的数学模型 所建立的数学模型必须是对系统的那些与研究目的有关的基本特性的抽象 即利用数学模型所描述的变量及作用关系接近真实系统 同时根据模型建立的原则 在复杂性和真实性之间权衡 2 模型转换阶段 根据模型形式 计算机的类型及仿真目的将模型转换成适合计算机处理的形式 关键技术是仿真算法 1 数据收集包括收集与系统输入和输出有关的数据以及反映系统各部分之间关系的数据 2020 4 19 27 系统仿真概论 计算机仿真 2 建立系统的仿真模型根据系统的数学模型 确定仿真模型的模块结构 确定各个模块的输入输出接口 确定模型和数据的存储方式 选择编制模型的程序设计语言 该模型能够在计算机上实现并运行 专用仿真语言的优点 使用方便 建模仿真 调试功能强缺点 模型格式确定 缺乏灵活性 3 模型验证系统模型是否准确地由仿真模型或计算机程序表示出来 程序调试 4 模型确认确定模型是否精确地代表实际系统 是把模型与现实系统及其特性进行比较的全过程 模型校正 改进 2020 4 19 28 系统仿真概论 计算机仿真3 模型试验阶段 设计好仿真试验方案 将模型装载到计算机运行 输入数据观察模型中参量的变化 对输出结果进行整理分析形成报告 关键技术是仿真软件技术 1 试验设计确定需要进行的仿真试验方案 2 仿真运行研究将仿真模型放在计算机上执行计算 通过观察试验数据 从而预测系统的实际运行规律 3 仿真结果分析对仿真结果进行分析并写成报告 对试验结果和数据进行评价 2020 4 19 29 系统仿真概论 计算机仿真三 计算机仿真的应用由于计算机仿真比较经济 并且安全可靠 试验周期短 因此计算机仿真技术