Этот пример является первой частью двухсерийной серии по использованию Simulink для проектирования и тестирования радиолокационной системы с учетом набора требований. Она начинается с введения набора требований к производительности, которые должны быть удовлетворены окончательной конструкцией. Затем с помощью Simulink System Composer разрабатывается архитектура радиолокационной системы. В следующем примере показано, как связать требования к радару с архитектурой и соответствующей конструкцией. Наконец, функциональная модель радиолокационной системы создается путем предоставления конкретных реализаций компонентам архитектуры.
Во втором примере серии рассматриваются испытания разработанной модели и проверка требований. В нем показано, как использовать Simulink Test для настройки наборов тестов и выполнения моделирования Monte Carlo для проверки связанных требований. В части 2 также рассматривается сценарий пересмотра заявленных требований. В нем показано, как отслеживать изменения требований по соответствующим компонентам конструкции и вносить изменения в реализацию и испытания.
Проектирование радиолокационной системы обычно начинается с набора требований. Реальные радиолокационные системы должны удовлетворять десяткам или сотням требований. В этом примере рассматривается радиолокационная система X-диапазона, которая должна удовлетворять следующим двум требованиям к производительности:
R1: РЛС должна обнаруживать цель Swerling 1 Case с сечением РЛС 1 на дальности 6000 м с вероятностью обнаружения 0,9 и вероятностью ложной тревоги 1е-6;
R2: При обнаружении возвратов от двух целей Swerling 1 Case, разделенных в диапазоне 70 м, с одинаковым азимутом и высотой, радар должен разрешить две цели и сформировать два уникальных сообщения о цели 80 процентов времени.
В качестве первого шага мы создали виртуальный испытательный стенд для радиолокационной системы, которая будет использоваться для реализации и тестирования нашей конструкции. Мы продемонстрируем, что этот тестовый стенд полезен для отслеживания требований к производительности отдельных компонентов системы, внесения итеративных изменений в конструкцию, тестирования и проверки производительности системы. Начнем с создания общей модели архитектуры верхнего уровня с помощью Simulink System Composer. Затем мы более подробно показываем архитектуру компонента радиолокационного датчика и той части испытательного стенда, которая имитирует окружающую среду и радиолокационные цели.
Модель архитектуры определяет только концептуальные компоненты системы, их интерфейсы и связи между ними. Компоненты архитектурной модели не обязательно должны иметь конкретную реализацию. Как будет показано далее в этом примере, Simulink System Composer позволяет определять конкретное поведение Simulink для некоторых компонентов, оставляя другие компоненты, заданные только на уровне архитектуры. Такая модульная конструкция удобна и гибка, поскольку поведение отдельных компонентов может быть изменено или полностью изменено без необходимости вносить какие-либо изменения в другие части системы.
В дополнение к Radar Sensor компонент, моделирующий фактический радиолокационный датчик, в состав испытательного стенда также входят:
Power Substation - Sподает питание на радиолокационный датчик;
Control Center - Передает команды управления на датчик БРЛС через Communications Link и принимает данные РЛС обратно;
Targets and Environment - моделирует распространение сигнала РЛС через окружающую среду и взаимодействие сигнала с целями. Radar Датчик подключен к Target and Environment через набор портов, отмеченных Tx, Rx, и TargetsPos. Tx и Rx линии связи используются для прохождения сигнала РЛС в и из Targets and Environment. TargetsPos используется для передачи информации о позициях целей в Radar Sensor для моделирования передаваемого и принимаемого сигнала в направлениях целей.
Откройте архитектуру верхнего уровня.
open_system('slexRadarArchitectureExample')
Каждый компонент в архитектурной модели может быть дополнительно разложен на подкомпоненты. В качестве следующего шага мы определим архитектуру радиолокационного датчика. Когда Radar Датчик разложен, Power, Tx, Rx, CmdRx, и DataTx порты, определенные на верхнем уровне, становятся доступными в качестве внешних портов. Откройте окно Radar Компонент датчика.
open_system("slexRadarArchitectureExample/Radar Sensor");
Определяем следующие компоненты для создания архитектурной модели радиолокационного датчика:
Resource Scheduler отвечает за распределение системных ресурсов в пределах жилого помещения. Получает управляющие команды от Control Center через внешний порт CmdRx. Для индикации потока управляющих сигналов в архитектуре радиолокационного датчика, Resource Scheduler также связан с каждым компонентом внутри Radar.
Waveform Generator получение образцов радиолокационного сигнала.
Transmit Array передает переданный сигнал в Target and Environment через внешний Tx порт.
Receiver Array получает обратно отраженный сигнал от Target and Environment через внешний Rx порт.
Signal Processor выполняет формирование луча, согласованную фильтрацию и интеграцию импульсов и передает обнаруженные сигналы в Data Processor.
Data Processor создает радиолокационные сообщения или радиолокационные дорожки и передает их обратно в Control Center.
Обратите внимание, что эта модель архитектуры радиолокационного датчика очень общая. Он не делает никаких предположений относительно типа передаваемого сигнала, формы или размера антенной решетки или реализации сигналов и цепочек обработки данных. Одна и та же архитектура может быть использована для реализации большого разнообразия различных радиолокационных датчиков. Далее в этом примере мы реализуем только подмножество вышеперечисленных компонентов, исключенных Resource Scheduler и Data Processor.
Targets and Environment может быть разложен на два подкомпонента:
Targets выводит положения и скорости целей.
Propagation моделирует распространение плоской волны, испускаемой Transmit Array через окружающую среду, отражение от радиолокационных целей и распространение обратно Receive Array.
Открытый Targets and Environment компонент.
open_system("slexRadarArchitectureExample/Targets and Environment");
Simulink Requirements - это инструмент, позволяющий связать требования с компонентами архитектуры, отвечающими за реализацию соответствующих функциональных возможностей. При изменении требований или модели Simulink Requirements обеспечивает удобный способ отслеживания изменений в соответствующих тестах и проверки того, что производительность модели и требования всегда согласуются.
Диспетчер требований можно запустить на вкладке Приложения. Затем можно открыть Редактор требований (Requirements Editor), перейдя на вкладку Требования (Requirements) и выбрав Редактор требований (Requirements Чтобы создать новый набор требований для модели, щелкните Новый набор требований (New Requirement Set). В этом примере создается набор требований и к нему добавляются R1 и R2. Откройте эти требования в редакторе требований.
open('slreqRadarArchitectureExampleRequirements.slreqx')
Редактор требований содержит список требований к максимальному диапазону и разрешению диапазона. На левой панели также отображается Verified и Implemented статус для каждого требования. На данный момент оба требования не выполняются и не проверяются. Для изменения Implemented состояние требования должно быть связано с компонентом архитектуры, реализующим соответствующую функцию. Мы связываем оба требования с Waveform Generator и Signal Processor. Обратите внимание, что в Диспетчере требований внизу также отображается статус R1 и R2. После связывания требований с компонентами Диспетчер требований показывает, что статус R1 и R2 изменился на Implemented. При выборе требования в Диспетчере требований компоненты, с которыми оно связано, подсвечиваются фиолетовой рамкой. Связанные компоненты также отображаются в разделах «Связи» на вкладке «Подробности» справа.
Другим удобным способом визуализации связей между требованиями и компонентами архитектуры является матрица отслеживания, которую можно создать, щелкнув Матрица отслеживания (Traceability Matrix) на вкладке Требования (Requirements) Редактора требований (Requirements Editor). В нем четко показано, какие компоненты отвечают за выполнение каждого требования.
Чтобы смоделировать радиолокационную систему, нам теперь нужно обеспечить конкретное поведение компонентов архитектурной модели. System Composer позволяет задавать поведение Simulink для некоторых компонентов, оставляя поведение других компонентов неопределенным. Это обеспечивает большую гибкость при проектировании и моделировании, поскольку мы можем построить функциональную и проверяемую модель с некоторыми компонентами, моделируемыми подробно, в то время как другие компоненты определяются только на абстрактном уровне. В этом примере мы будем указывать только конкретное поведение компонентов радиолокационного датчика, необходимых для формирования, передачи, приема и обработки радиолокационного сигнала. Мы также обеспечим конкретное осуществление Targets and Environment.
Чтобы задать размеры сигналов в модели, в примере предполагается, что позиции целей задаются трехстрочной матрицей tgtpos, скорости целей определяются трехстрочной матрицей tgtvelи целевые RCS задаются вектором tgtrcs.
Для обеспечения поведения Simulink компонентам радиолокационного датчика необходимо сначала определить набор расчетных параметров РЛС, которые могли бы удовлетворять заявленным требованиям. Набор параметров для радиолокационной системы, которые удовлетворяли бы R1 и R2, можно быстро найти, выполнив анализ уравнения дальности радара в приложении Radar Designer. Приложение вычисляет различные показатели производительности радара и визуализирует характеристики обнаружения радиолокационной системы как функцию дальности. Мы используем Metrics and Requirements для установки целевых значений максимального диапазона и требований к разрешающей способности диапазона в соответствии с требуемыми значениями, указанными в R1 и R2. Затем мы настраиваем параметры системы до тех пор, пока диаграмма стоп-сигнала не покажет, что производительность системы удовлетворяет целевому требованию. Результирующий набор расчетных параметров РЛС:
радиолокационная частота - 10 ГГц;
пиковая мощность - 6000 Вт;
длительность импульса - 0,4 ;
полоса пропускания импульсов - 2,5 МГц;
частота повторения импульсов - 20 кГц;
количество передаваемых импульсов - 10;
коэффициент усиления антенны - 26 дБ;
показатель шума - 0 дБ;
Откройте этот дизайн в приложении Radar Designer.
radarDesigner('RadarDesigner_RectangularWaveform.mat');
Анализ, выполняемый в приложении Radar Designer, предполагает, что временной диапазон продукта равен 1. Это означает, что передаваемый сигнал представляет собой немодулированный прямоугольный импульс. Мы можем использовать приложение Pulse Waveform Analyzer для подтверждения того, что полученные параметры формы сигнала приведут к желаемой производительности и удовлетворят R1 и R2.
Запустите приложение Pulse Waveform Analyzer с параметрами формы сигнала, определенными в этом примере.
pulseWaveformAnalyzer('PulseWaveformAnalyzer_RectangularWaveform.mat');
Приложение показывает, что разрешение диапазона и однозначный диапазон хорошо соответствуют нашим требованиям.
Чтобы реализовать это поведение в модели радара, Waveform Generator компонент должен содержать только один блок Simulink, генерирующий прямоугольный сигнал. Выходные данные Rectangular Waveform блок подключен к внешнему Waveform порт, связанный с Transmit Array компонент. Поскольку в этом примере мы не моделируем сигналы команд, Cmd вход связан с терминатором.
Мы установили Output signal format свойство блока to Pulses, что означает, что каждый интервал повторения импульсов (PRI) 1/prf секунд, блок создаст вектор столбца fs/prf сложные выборки формы сигнала.
Компонент Transmit Array содержит следующие блоки Simulink:
Transmitter - передает сигнал, генерируемый Waveform Generator с заданной пиковой мощностью и усилением передачи.
Range Angle Calculator - вычисляет направления к целям при условии размещения РЛС на статической платформе, расположенной в начале координат. Целевые направления используются как Ang вход в Narrowband Tx Array.
Narrowband Tx Array - моделирует антенную решетку для передачи узкополосных сигналов. Он выдает копии передаваемого сигнала, излучаемого в направлениях целей.
Анализ уравнения радиолокационного диапазона показал, что коэффициент усиления передачи должен быть 26 дБ. Мы установили Gain имущества Transmitter блок до 20 дБ и использовать антенную решетку для получения дополнительного усиления 6 дБ. Фазированная антенная решетка с требуемыми свойствами может быть спроектирована с помощью анализатора сенсорной решетки. В этом примере используется 4-элементная однородная линейная решетка с коэффициентом усиления приблизительно 6 дБ.
Откройте модель массива в приложении Sensor Array Analyzer.
sensorArrayAnalyzer('SensorArrayAnalyzer_ULA.mat');
Simulink System Composer требует явной спецификации размеров, времени выборки и сложности входных сигналов. Мы задаем размеры Waveform вход в [fs/prf 1], время выборки для 1/prfи сложность 'complex'. Размеры TargetsPos входные данные имеют значение size(tgtpos), оставляя значение по умолчанию для соответствующего времени выборки и сложности.
Narrowband Rx Array - моделирует приемную антенную решетку. Он конфигурируется с использованием тех же свойств, что и соответствующий блок в Transmit Array компонент. В каждом элементе матрицы блок объединяет сигналы, принятые от каждой цели, добавляя соответствующие фазовые сдвиги, заданные целевыми направлениями, вычисленными посредством Range Angle Calculator. Выходной сигнал узкополосного блока Rx Array представляет собой [fs/prf num_array_elements] матрица.
Receiver Preamp - добавляет коэффициент усиления 20 дБ к принятому сигналу.
Rx вход является матрицей принятых отсчетов формы сигнала со столбцами, соответствующими size(tgtpos,2) цели. Размеры Rx необходимо установить значение [fs/prf size(tgtpos,2)], время выборки для 1/prfи сложность 'complex'.
Signal Processor реализует простую цепочку обработки сигналов, состоящую из:
Phase Shift Beamformer - объединяет принятые сигналы на каждом элементе матрицы. В этом примере направление формирования луча устанавливается на ширину.
Matched Filter - выполняет согласованную фильтрацию для улучшения SNR. Коэффициенты согласованного фильтра устанавливаются так, чтобы соответствовать передаваемой форме сигнала.
Time Varying Gain - компенсирует потери на распространение свободного пространства.
Noncoherent Integrator - интегрирует величины 10 принятых импульсов для дальнейшего улучшения SNR.
Размеры Signal вход должен быть настроен на [fs/prf num_array_elements], время выборки для 1/prf, и сложность должна быть установлена в 'complex'
Targets компонент реализован с использованием одного Platform блок.
Propagation компонент состоит из:
Free Space Channel - моделирует двусторонний путь распространения радиолокационного сигнала. Исходное положение и скорость входов Free Space Channe1 блоки устанавливаются в нуль для указания того, что радар находится в начале координат и что он не движется. Входы положения места назначения и скорости соединены с позициями и скоростями целей через TargetsPos и TargetVel порты.
Radar Target - моделирует RCS и эффекты флуктуации цели. Поскольку в этом примере мы рассматриваем медленные колебания целей Swerling 1 Case, Update вход имеет значение false. Мы также задаем время остановки моделирования равным 10/prf указание на то, что один прогон моделирования составляет один интервал когерентной обработки (ИПЦ).
Размеры Tx вход должен иметь значение [fs/prf size(tgtpos,2)], время выборки для 1/prfи сложность для 'complex'.
Указания поведения Simulink для вышеуказанных блоков достаточно для получения модели радиолокационной системы, которая может производить радиолокационные обнаружения. Прежде чем приступить к тестированию модели и проверке конкретных требований к производительности, необходимо выполнить моделирование и проверить, генерируются ли результаты в соответствии с ожиданиями. Рассмотрим три цели со следующими параметрами:
% Target positions tgtpos = [[2024.66;0;0],[3518.63;0;0],[3845.04;0;0]]; % Target velocities tgtvel = [[0;0;0],[0;0;0],[0;0;0]]; % Target RCS tgtrcs = [1.0 1.0 1.0];
Добавление инспектора данных моделирования для регистрации выходных данных Signal Processer и выполнение моделирования приводит к приведенному ниже профилю диапазона. Как и ожидалось, мы получаем три различных взгляда, соответствующих трем целям в моделировании.
% Set the model parameters helperslexRadarArchitectureParameters; % Run the simulation simOut = sim('slexRadarArchitectureExample'); data = simOut.logsout{1}.Values.Data; % Plot results figure; plot(range_gates, data(numel(range_gates)+1:end)); xlabel('Range (m)'); ylabel('Power (W)'); title('Signal Processor Output'); grid on;
Этот пример является первой частью двухсерийной серии, посвященной проектированию и проверке радиолокационной системы в Simulink, начиная со списка требований к производительности. Он показывает, как построить архитектуру радиолокационной системы с использованием Simulink System Composer, которая может быть использована в качестве виртуального испытательного стенда для проектирования и тестирования радиолокационной системы. Часть 1 также демонстрирует, как связать требования к производительности с компонентами архитектуры и как реализовать поведение компонентов с помощью Simulink для получения функционирующей и проверяемой модели.
В части 2 этого примера показано, как настроить испытательные комплекты для тестирования созданной конструкции РЛС и как убедиться в том, что заявленные эксплуатационные требования выполнены.