雷達距離校準儀的設(shè)計與實現(xiàn)

高志永，魏曉明，臧傳江

（1.解放軍92323部隊，山東 青島266000；2.青島 4308機械廠，山東 青島266042）

雷達是電子裝備的重要門類，從問世至今70余年，以其在信息獲取、信號處理、測量評估等方面的獨特優(yōu)勢，在二戰(zhàn)及戰(zhàn)后的各次重大局部戰(zhàn)爭及國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用，雷達技術(shù)在某種程度上已成為電子科技水平的重要標志。

隨著雷達測試的要求，雷達信號的模擬仿真技術(shù)也應(yīng)運而生。雷達目標信號模擬是模擬仿真技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過模擬仿真方法產(chǎn)生包含目標信息的回波信號，對雷達系統(tǒng)進行調(diào)試、分析、標校和評價，已成為現(xiàn)代雷達系統(tǒng)設(shè)計的必要手段。

研制完成的雷達距離校準儀采用數(shù)字射頻存儲、寬帶微波IQ調(diào)制、小型化寬帶合成本振、微波開關(guān)濾波等新技術(shù)，實現(xiàn)相參雷達的目標回波信號模擬。主要用于雷達定期標校、雷達維修后的目標探測功能的檢驗及標定，以及雷達的科研生產(chǎn)測試，具有一定的通用性。

1 工作原理

雷達距離校準儀采用標準上架式臺式結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮到儀器的高可靠性、可擴展性和操作方便性，儀器可分為本振模塊、上下混頻模塊、中頻信號處理模塊、雷達目標模擬模塊、IQ混頻模塊、CPCI主控平臺等部分，其中主控平臺由控制模塊、母板、鍵盤、液晶顯示器、通信接口、系統(tǒng)電源構(gòu)成，其他部分均采用相對獨立的模塊化設(shè)計。各模塊均從儀器后面插入整機，通過母板獲取電源并完成數(shù)據(jù)交換。圖1是整機組成框圖。

本振模塊提供用于上下混頻模塊的本振信號，下混頻模塊接收來自輸入天線的射頻信號，輸出下混頻后的中頻信號。中頻處理模塊對中頻信號進行濾波放大及功率分配，目標模擬模塊實現(xiàn)雷達目標信號的距離與速度模擬。IQ混頻模塊對加入目標信息的中頻信號進行上混頻，輸出雷達目標模擬信號。所有的控制信息和設(shè)置參數(shù)由主控機通過CPCI總線發(fā)送到相應(yīng)的模塊，所測得的數(shù)據(jù)通過接口總線匯總到主控機，由主控機完成相應(yīng)的處理、顯示。

通過天線接收到的雷達信號送到雷達通用目標模擬信號發(fā)生器內(nèi)。在本裝置內(nèi)，采用“寬帶混頻接收、大容量高速數(shù)字射頻存儲”的方案，實現(xiàn)對雷達發(fā)射波形進行采集和存儲。按照先進先出順序，對存儲數(shù)據(jù)延時后回放，延時大小根據(jù)要模擬目標距離確定。目標速度模擬通過對雷達發(fā)射信號頻率進行多普勒頻移來進行，接收和輸出通道分別對雷達發(fā)射信號和產(chǎn)生目標回波信號進行幅度調(diào)理。

雷達發(fā)射信號通過面板輸入端口、程控衰減、開關(guān)濾波、低噪聲放大后與本振進行混頻產(chǎn)生中頻信號，為了保證雷達發(fā)射信號不失真，接收通道瞬時帶寬大于雷達實際帶寬?；祛l器輸出的中頻信號經(jīng)過濾波后送到數(shù)字射頻存儲模塊。包含有目標距離和速度信息的中頻信號經(jīng)過移相功分器分為兩路正交信號，與本振信號進行IQ混頻，由于上下混頻采用相同本振源，回放的雷達目標回波信號與雷達發(fā)射信號相參，控制輸出通道程控衰減器的衰減量，可改變目標回波大小，并能方便地實現(xiàn)與雷達接收機功率匹配。

2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 數(shù)字射頻存儲與信號回放技術(shù)

大范圍、高精度的目標信號模擬是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。其具體實現(xiàn)框圖如圖2所示，主要包括A/D轉(zhuǎn)換、降速控制、雙端口RAM及管理、升速控制、D/A轉(zhuǎn)換和延遲控制邏輯電路。

對采樣頻率和存儲深度進行計算和優(yōu)化，以滿足瞬時帶寬和量化噪聲要求。升速電路通過利用FPGA搭建合適的高速數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)。延遲控制電路進行存儲器寫地址和讀地址之間的數(shù)學運算，實現(xiàn)目標回波距離的模擬。

2.2 多普勒頻率源及目標速度模擬技術(shù)

雷達目標速度的檢測是通過對目標信號的多普勒頻移測試來實現(xiàn)的，本項目中采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)來產(chǎn)生多普勒頻率，原理框圖如圖3所示。

為了提高整機的集成度，采用兩片電路實現(xiàn)雙通道DDS，滿足本設(shè)計要求的速度范圍和速度分辨率要求，可實現(xiàn)頻率范圍從直流到500 kHz、頻率分辨率優(yōu)于0.01 Hz、相位噪聲優(yōu)于-130 dBc/Hz@10 kHz和近端雜散小于-70 dB的高性能多普勒頻率輸出，完全能夠滿足整機性能要求。

為了實現(xiàn)目標速度的模擬，將多普勒源輸出頻率信號與數(shù)字射頻存儲模塊輸出的中頻信號進行混頻，本設(shè)計中采用了正交IQ調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)載波與無用邊帶信號的抑制，如圖3中虛線框所示。

通過調(diào)整相位偏移寄存器的值，提高邊帶抑制指標。校準后中頻輸出信號的載波抑制及鏡像抑制指標典型值為-50 dB，達到了比較滿意的效果。

2.3 寬帶微波IQ調(diào)制與校準技術(shù)

本設(shè)計中要實現(xiàn)頻率范圍1～18 GHz寬頻帶IQ混頻，具體為采用1 GHz～4 GHz射頻 IQ混頻和 4 GHz～18 GHz微波IQ混頻，能夠改善載波泄漏指標。調(diào)節(jié)IQ調(diào)制器的IQ輸入差模電壓，能夠改善鏡像抑制指標。本儀器具有1～18 GHz寬帶矢量調(diào)制功能，具有較大的靈活性。微波IQ調(diào)制器的頻率范圍可達3～20 GHz，IQ調(diào)制器校準電路原理框圖如圖4所示。

數(shù)控移相器原理框圖如圖5所示。每一級電路由兩只單刀雙擲開關(guān)、延時線構(gòu)成，通過控制，可以選擇不延時或者延時。對于60 MHz中頻，第一級的移相為1°，第二級的移相為2°，第三級的移相為4°，第四級的移相為8°。故四階數(shù)控移相器可實現(xiàn)的移相范圍為 0～15°，移相分辨率為 1°。

加入中頻移相器并進行IQ幅度補償后，儀器輸出信號的載波泄漏及鏡像抑制指標改善10～20dB，典型指標達-40dB，滿足了儀器的測試需求。

2.4 小型化低相噪寬帶合成本振技術(shù)

小型化寬帶本振源是本項目的關(guān)鍵模塊件之一，其性能指標直接影響到整機的技術(shù)指標。主要包括參考板、本振板、倍頻分頻板，提供用于上下變頻的本振信號，要求頻率范圍 1GHz～18GHz，采用鎖相頻率合成加開關(guān)倍頻分頻濾波技術(shù)。

參考模塊提供本振板需要的 10MHz、1GHz低相噪?yún)⒖夹盘枴Ｔ诒緝x器中使用了表面聲波壓控振蕩器及常規(guī)鎖相電路形式，實現(xiàn)了1GHz低相噪?yún)⒖夹盘栞敵觯湎嘣霝?130dBc/Hz@10kHz。

為了降低電路的復雜度，實現(xiàn)本振頻率合成的小型化，本振電路采用了體積與重量都較小的微波寬帶VCO進行設(shè)計。本振板原理框圖如圖6所示。本振板輸出的5～10 GHz信號經(jīng)倍頻、分頻、濾波、放大、穩(wěn)幅后輸出1～20 GHz本振信號，其典型輸出功率大于16 dBm。

基于自主創(chuàng)新的電路拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的1～20 GHz寬帶本振在不使用YIG振蕩器的情況下，已經(jīng)達到了常規(guī)用YIG振蕩器及取樣環(huán)技術(shù)所能達到的相噪指標，頻率分辨率3.725 Hz，省掉了常規(guī)實現(xiàn)方法的小數(shù)分頻板和YIG驅(qū)動板，體積、重量均大幅降低，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3 國內(nèi)外同類產(chǎn)品對比分析

國外雷達目標模擬信號發(fā)生器及相關(guān)技術(shù)較為成熟，其技術(shù)方案從最初延遲線、光纖延遲到現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字射頻存儲技術(shù)等不同階段，其典型產(chǎn)品有美國郝爾利(Herley)公司研制的變色龍II雷達目標模擬器。

變色龍II雷達目標模擬器采用雙數(shù)字射頻存儲通道，每個通道都具有10位幅度分辨率的信號采集與復制功能,射頻通道接收載頻1～18 GHz雷達發(fā)射信號,通過下變頻將載頻頻率搬移到中低頻上送數(shù)字射頻存儲通道,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行存儲,主控系統(tǒng)根據(jù)要設(shè)置的目標距離信息和速度信息控制數(shù)字射頻存儲模塊產(chǎn)生距離延時,控制多普勒源產(chǎn)生多普勒頻率。并通過上變頻將含有目標距離和目標速度信息的基帶信號上混頻到射頻頻段回饋給雷達。由于接收下混頻和回放上混頻均采用同一本振源，使得回放含有模擬距離和速度信息的雷達目標回波信號與雷達發(fā)射信號相干。該雷達目標模擬器由兩個標準機柜組成，體積與重量龐大，最大模擬目標距離300 km。

國內(nèi)雷達目標信號發(fā)生器仍以專用為主，技術(shù)路線也主要基于從中頻上進行模擬，并盡量利用雷達中現(xiàn)有的技術(shù)。從中頻頻率和數(shù)字信號進行目標距離模擬已成為雷達自檢自測試功能，從雷達發(fā)射頻率實現(xiàn)目標模擬仍以延遲線（包括光纖）方式為主，即通過對雷達發(fā)射信號進行不同延遲后，回饋給雷達接收端口來實現(xiàn)目標距離模擬。這種類型模擬器的主要不足是模擬距離不能任意設(shè)置，體積比較龐大，難以模擬長距離的目標。

本項目研制的雷達距離校準儀根據(jù)具體要求，采用適合現(xiàn)場使用緊湊型一體化結(jié)構(gòu)，頻率覆蓋范圍寬，一臺儀器幾乎覆蓋了多種型號雷達的工作頻率范圍。

從與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能對比中，可知本產(chǎn)品已達到較高水平，跟國外產(chǎn)品的性能指標相當，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。與國外產(chǎn)品相比，在可擴展性、體積重量方面具有很大優(yōu)勢。

在雷達距離校準儀的設(shè)計中，采用數(shù)字射頻存儲、寬帶微波IQ調(diào)制、小型化寬帶合成本振、微波開關(guān)濾波等新技術(shù)，實現(xiàn)對相參雷達的目標回波信號模擬。主要用于雷達定期標校、雷達維修后的目標探測功能的檢驗及標定等?？梢援a(chǎn)生和模擬固定距離靜目標、產(chǎn)生和模擬勻速運動動目標、接收端口增益可程控、目標回波信號大小可程控、采用橫軸為距離縱軸為幅度笛卡爾坐標圖顯示方式，實現(xiàn)目標距離動態(tài)刷新；產(chǎn)生和模擬雷達目標輸出信號與接收雷達發(fā)射信號相參，可接收和回放出脈沖體制和連續(xù)波體制雷達目標信號，包括脈內(nèi)調(diào)制特征為二相碼、四相碼、線性調(diào)頻的雷達目標信號，適應(yīng)脈沖體制和連續(xù)波體制雷達的目標距離和速度探測性能測試。

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