1 引言

雷達在現代戰爭中不可或缺。雷達系統的仿真是雷達系統分析設計、模擬訓練的一種重要手段，受到人們越來越多的重視。而雷達顯示器作為整個雷達系統顯示終端和人機交互界面，其仿真實現水平直接影響整個系統的仿真效果。

常見的平面位置顯示器PPI(Plane Position Indicator)仿真和航跡顯示多是基于Visual C++和OpenGl或VB直接開發，工作量大，結果不直觀，開發周期長。而GL Studio是以其為底層，具有豐富的外部程序接口，且支持“照片級”的紋理，在此基礎上進一步開發，可減少工作量，提高效率．所生成的代碼方便移植。

仿真實現的基本思想：在GL Studio開發環境下，對雷達顯示器上所有要顯示的圖形、符號及數字進行建模，融合頂點RGBA值模擬掃描的余輝及目標回波。在此基礎上調用API函數實時顯示航跡點、繪制航跡線，最終實現常規和偏心PPI雷達顯示器的仿真。

2 GL Studio簡介

GL Studio是DISTI公司開發的用于建立實時、三維、照片級的交互圖形顯示界面。用戶可在圖形設計窗口以所見即所得的效果完成所需界面的設計制作。通過代碼編輯器完成課題所需的邏輯仿真。其代碼生成器能將用戶完成的設計自動轉換為C++和OpenGL代碼，這些代碼既可單獨編譯，也可嵌入到其他程序中編譯，避免大量的底層程序開發。圖1為其邏輯結構。

3 雷達PPI顯示器及其仿真方法

3．1 雷達PPI顯示器

雷達顯示器用來直觀顯示雷達所截獲的目標信息和情報。常見的雷達顯示器有：A型顯示器、PPI顯示器、B型顯示器和E型顯示器。其中，A型顯示器通常用在天線不掃描的測量雷達和數據收集雷達中；PPI顯示器在距離和方位角的極坐標下示意出目標的斜距和方位角；B型顯示器通常用于空對空場合，以直角坐標形式反映搜索或監視區域；E型顯示器用于地形跟隨雷達系統中，其橫坐標表示距離，而縱坐標表示俯仰角。

雷達顯示器顯示的一次信息是雷達的原始圖像，包括掃描線和目標回波，采用徑向圓掃描；顯示的二次信息是數據處理機對一次信息進行數字處理后生成的，還包括目標的批號、航跡、速度、航向等。

這里針對使用廣泛且仿真難度較大的PPI顯示器進行了研究，其他類型顯示器均可在GL Studio平臺上進行開發，它們之間的切換是通過定義一個GL Studio的GlsPush-Button或InputDevice及其回調函數操作主界面上的按鍵來完成的。

PPI顯示器的顯示畫面主要由掃描基線、方位基線、距離基線和目標點跡組成。在其他PPI仿真實現方法中，掃描線的實時繪制需采用顯示圖形重畫或“異或” 等方法擦除原來的掃描基線，這將造成畫面抖動或畫面出現斑點等現象。而采用基于GL Studio的仿真實現距離基線、方位基線、掃描線及其余輝的顯示均可在圖形編輯界面根據雷達探測距離和預定顯示器的大小一次完成，而它們的平移、縮放、旋轉也可方便的在GL Studio中實現。設置雷達顯示器底色為黃綠色以增強真實感。

3．2 掃描線余輝及旋轉的實現

掃描線余輝是指雷達熒光屏上的熒光質的發光在電子束停止轟擊后仍能持續一定時間才消失的現象。一般將電子束停止轟擊后熒光亮度由最大值下降到其2％~5％所需的時間定義為余輝時間。由于余輝特性是隨時間非線性變化的(指數或對數曲線1，這里采用熒光亮度的一次指數衰減模型：

I=I0exp(-t／k) (1)

式中，I為余輝亮度，I0為涂層亮度，k為時間衰減常數，t為衰減時間。

對于每種熒光質，I0和k都是常數，I0越大，熒光衰減曲線越平坦，k越大則衰減時間t越長。

假設某型雷達余輝時間2 s，雷達天線轉速R(deg/s)，軟件實現直接采用RGB值表示余輝亮度，則亮度由最大值255衰減到5需要2 s．2 s中天線轉過的角度可計算：

A=Rt(deg) (2)

式中，A位余輝扇形的角度。

在GL Studio中畫出一個A°的扇形，逐個設置其n個頂點顏色的RGBA值，利用GL Studio中的顏色融合技術，得到仿真掃描線的掃描余輝。其中第i個頂點(圓點除外)的Al-pha值Al為：

Al=255exp(-i/k) (3)

式中，k=n／ln(255／5)

設置頂點透明度隨逆時針方向(正掃)和順時針方向(回掃)逐漸增大，可直觀看到模擬出的掃描線余輝效果。

GL Studio內置有一個以程序運行時間為參數的虛函數，將控制掃描線轉動的代碼放入該函數中，掃描線轉動角度為程序運行時間的函數，這樣便可實現掃描基線的動態掃描。以某一扇區內正掃為例：

／／正掃描和逆掃描的掃描線顯示切換控制

scanLine一>Visibility(bool b)；

／／掃描基線實時旋轉控制

scanLine一>DynamicRotate(angle，Z_AXIS)；

這樣既減少實時計算掃描線外端點坐標的工作量，又消除了畫面抖動或斑點產生，如圖2所示。

3．3 偏心PPI顯示器

在前視雷達中，雷達限制在某一扇區內掃描，以使在給定方向上達到最大限度的擴展掃描，這時需將PPI顯示器的中心偏離陰極射線管的中心。再采用GL Studio實現的常規PPI顯示器仿真畫面，通過鼠標點擊確定偏心PPI顯示器中心點，調用鼠標事件回調函數實現定位、縮放等功能，從而達到對某一假定方位扇形的擴展掃描，同時可通過將minorDi-visions顯示屬性設置為真，得到更精確的目標方位角和距離。在PPI偏心顯示時需對顯示器的刻度位置做相應調整，以便得到目標更準確的方位角和距離(圖2b)。

3．4 目標回波模擬顯示

利用顏色設置函數實時改變目標顏色的RGBA值來顯示目標回波。圖3為目標點跡顯示原理流程。

設定目標在x．y方向的運動方程分別為一同定時變函數以簡化問題。實際目標位置由飛行模塊實時傳遞的飛行參數確定，最終顯示效果為：當目標首次處于雷達波束范圍內時，目標回波以最亮的形式顯示，隨著雷達天線的轉動，目標不在雷達波束范圍后，由于余輝效應，目標回波逐漸變暗變淡；若目標再次被雷達搜索到，目標再次被點亮。如果由于目標的運動，其超出雷達的探測距離，目標回波就不能顯示。目標點跡顯示效果如圖4a，b所示。

3．5 航跡線的繪制

目標航跡仿真的步驟：先計算并保存由航跡得到的目標實時位置姿態數據，然后通過這些航跡點繪制航跡線，最終將其顯示出來。在該假設條件下，目標在系統運行時間驅動下運動。當掃描基線旋轉的角度和目標的方位角相等時，將目標的斜距、方位角坐標保存到相應數組中，由此顯示出航跡點的極坐標并動態繪制航跡線。假設雷達轉速為6 r／min，圖4為系統運行時間t在不同時刻所對應的目標回波、航跡點和航跡線。圖4中用粗黑點表示航跡點，航跡序列中最新的一個航跡點處的深灰色短線表示雷達“掃出”的目標回波。在GL Studio中，雖然可在內存棧上用new()分配內存，動態畫線卻不能回收分配的內存。可通過動態設置事先畫好的一條直線的位置、頂點個數及頂點參數來改變該直線形狀。適當調整實時得到一組航跡點數據后，將其作為函數VaSetVertices()的參數來改變事先畫好的航跡線形狀。

因為函數VaSetVertices()中的頂點位置參數均為相對于航跡線中心點位置的相對數值。因此需轉換航跡點數據。關鍵代碼為：

3．6 數據顯示

在仿真雷達顯示器中，采用固定刻度。由于顯示器上只能目測獲得目標粗略的斜距和方位角數據，因此有必要提供其他的數據顯示作為補充。在仿真顯示器右側提供一個數據窗口，以顯示航跡點的極坐標數據。在實際運用中，雷達仿真系統中數據處理機等傳遞來的二次信息中，目標的其他參數(如速度、姿態角)也可在此實時顯示。

3．7 仿真實現與結果分析

采用C語言對GL Studio進行二次開發。單獨編譯生成的源代碼，實現雷達顯示的仿真。圖4為不同仿真時間的仿真截圖，由圖4看出，掃描線掃描時有逼真的余輝效果，當波束掃到目標時，目標被“點亮”，隨后逐漸消失，直至再次被波束掃到。在動態繪制目標軌跡線過程中，當航跡點數超過航跡序列中預設數(本仿真中預設為8個) 時，序列中最早的航跡點數據自動消失，最新的航跡點數據加人到序列最前面，參見圖2a和圖4。圖2a中有7個航跡點，圖4a、4b、4c中分別有8、9、 10個航跡點，但只顯示最新的8個。結果表明：首先對所需顯示的圖符進行靜態建模。可對仿真結果有了直觀認識。基于GL Studio的顯示器仿真開發，可減少用高級語言編程實現所需的工作量，且畫面清晰，運動目標軌跡流暢。生成的代碼可封裝成一個類，應用于其他仿真系統中。

4 結束語

研究雷達顯示器仿真實現有重要意義。采用具有應用程序接口(API)的仿真軟件GL Studio實現雷達顯示器的仿真。在該軟件的基礎上二次開發減少了工作量，且畫面美觀流暢，具有較高的真實感和實時性。可將生成的代碼添加到Vega Prime或其他基于OpenGL的環境下，加入到雷達仿真系統中以實時響應其他仿真模塊傳輸來的一次、二次雷達數據。