數(shù)字陣列雷達(dá)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)

胡萬(wàn)坤，潘瑞云，沈 磊

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

雷達(dá)的發(fā)展已進(jìn)入數(shù)字化、陣列化階段。依據(jù)數(shù)字陣列雷達(dá)目標(biāo)回波的特點(diǎn)，構(gòu)建適應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試及功能驗(yàn)證需要的目標(biāo)模擬器已成為雷達(dá)系統(tǒng)工程的一項(xiàng)重要研究方向［1］。本文基于數(shù)字陣列雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用背景，利用大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)構(gòu)建了在線(xiàn)多目標(biāo)模擬器［2］。

1 多目標(biāo)模擬器實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

該模擬器的設(shè)計(jì)以大規(guī)?？删幊唐骷﨔PGA(XC6VSX315T）和嵌入式信號(hào)處理器MPC8640D為核心處理器。在系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，充分利用FPGA 芯片內(nèi)部強(qiáng)大的邏輯資源、乘法器資源、存儲(chǔ)器資源、高速串行接口資源(RocketIO、PCIE）、IO 接口資源，在FPGA中實(shí)現(xiàn)了陣列雷達(dá)多路中頻回波數(shù)據(jù)的模擬;充分利用MPC8640D 多核、低功耗、實(shí)時(shí)計(jì)算能力強(qiáng)、與FPGA及操控計(jì)算機(jī)互聯(lián)方便的特點(diǎn)，在PowerPC中實(shí)現(xiàn)對(duì)多批模擬目標(biāo)的距離、方位、多普勒、相位、幅度等參數(shù)的計(jì)算，并將這些參數(shù)通過(guò)PCIE 傳給FPGA。

該架構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得真實(shí)回波數(shù)據(jù)與模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)之間無(wú)縫鏈接，共享波控、定時(shí)信息、時(shí)鐘資源，模擬回波與真實(shí)回波數(shù)據(jù)可疊加，共同參與信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。多目標(biāo)數(shù)字中頻模擬器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 多目標(biāo)模擬器的工作流程

2.1 在線(xiàn)多目標(biāo)模擬器工作過(guò)程

圖1 多目標(biāo)數(shù)字中頻模擬器的系統(tǒng)框圖

圖2 PowerPC中的程序流程圖

顯控臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將模擬目標(biāo)的起始位置、航跡參數(shù)、目標(biāo)批次、目標(biāo)起伏特性、接收通道的幅相監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等發(fā)送給多目標(biāo)模擬器。根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)波束掃描特點(diǎn)以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，PowerPC 進(jìn)行目標(biāo)與天線(xiàn)波束的相關(guān)性判決。以伺服方位的正北脈沖為基準(zhǔn)對(duì)發(fā)射脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的雷達(dá)工作脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。對(duì)落入雷達(dá)波束內(nèi)的目標(biāo)，計(jì)算出每個(gè)雷達(dá)工作脈沖下的用于信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)據(jù);對(duì)雷達(dá)波束外的脈沖，所有信號(hào)產(chǎn)生的信息置零。以發(fā)射脈沖計(jì)數(shù)器為指針，對(duì)天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期中每個(gè)脈沖的信號(hào)產(chǎn)生的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行建表，每個(gè)天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期對(duì)應(yīng)一張映射關(guān)系表，該表也對(duì)應(yīng)著產(chǎn)生模擬目標(biāo)航跡中的一個(gè)點(diǎn)跡的所有信息資源。在每個(gè)伺服方位正北脈沖的時(shí)刻，F(xiàn)PGA 通過(guò)PCIE 向PowerPC發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)，PowerPC 響應(yīng)中斷后通過(guò)DMA方式將表格中數(shù)據(jù)傳給FPGA，F(xiàn)PGA 將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器;在DMA 執(zhí)行完之后，釋放中斷，并計(jì)算下一個(gè)天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期目標(biāo)點(diǎn)跡的所有信息。FPGA 在每個(gè)脈沖重復(fù)周期起始時(shí)刻從存儲(chǔ)器讀取信號(hào)產(chǎn)生的控制字?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)以DDS技術(shù)為基礎(chǔ)的多路中頻數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生。

2.2 PowerPC的計(jì)算流程

PowerPC的主要功能包括初始設(shè)定、航跡產(chǎn)生、相關(guān)判決和信號(hào)產(chǎn)生參數(shù)計(jì)算。PowerPC中的程序流程如圖2所示。

根據(jù)雷達(dá)的波束掃描數(shù)據(jù)，可知道獲得雷達(dá)的信號(hào)形式(工作頻點(diǎn)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期）、天線(xiàn)轉(zhuǎn)速、波束形狀等參數(shù);根據(jù)雷達(dá)操控臺(tái)設(shè)定的模擬目標(biāo)參數(shù)，可知道目標(biāo)批次、飛行軌跡、目標(biāo)起伏特性等。由PowerPC 計(jì)算出所模擬目標(biāo)的飛行軌跡，即不同天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期中各個(gè)回波點(diǎn)的距離、方位、仰角等信息。

根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)機(jī)械掃描方位角θ 及水平波束寬度(3 dB），進(jìn)行目標(biāo)飛行軌跡與天線(xiàn)波束的相關(guān)性判決。對(duì)判定落入雷達(dá)波束內(nèi)的目標(biāo)，PowerPC 根據(jù)雷達(dá)的信號(hào)形式、模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)跡參數(shù)、接收通道的幅相監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、噪聲特性、目標(biāo)起伏特性、天線(xiàn)波束形狀調(diào)制特性等數(shù)據(jù)，確定陣列中多路回波信號(hào)的時(shí)延、相位差、多普勒頻率、回波強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

2.3 FPGA中多路數(shù)字中頻回波的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在雷達(dá)工作脈沖的起始階段，通過(guò)存儲(chǔ)器讀取當(dāng)前周期產(chǎn)生多路回波所需要時(shí)間延遲信息、多普勒調(diào)制信息、多通道之間的回波相位信息和多通道之間的回波強(qiáng)度信息。

依據(jù)定時(shí)關(guān)系，在FPGA中產(chǎn)生距離計(jì)數(shù)器，對(duì)產(chǎn)生目標(biāo)的時(shí)間進(jìn)行控制。由于所產(chǎn)生的每路信號(hào)的頻率控制字、相位控制字、幅度控制字各不相同，時(shí)間關(guān)系是同步的，需要在FPGA中實(shí)現(xiàn)多個(gè)DDS信號(hào)產(chǎn)生模塊。通過(guò)DDS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)數(shù)字中頻回波模擬的原理框圖如圖3所示。

圖3 DDS信號(hào)產(chǎn)生原理框圖

3 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算及回波起伏特性分析

3.1 模擬目標(biāo)航跡規(guī)劃

模擬目標(biāo)航跡的設(shè)計(jì)應(yīng)參考真實(shí)目標(biāo)飛行情況，應(yīng)盡可能保證對(duì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)性能和在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定性的檢驗(yàn)。

本設(shè)計(jì)中的航跡模型包括:(1）民航機(jī)的等高飛行，(2）戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)飛行，(3）兩批目標(biāo)軌跡交叉的模擬，(4）海雜波背景下、低空小目標(biāo)的模擬，(5）云雨雜波背景下、目標(biāo)的模擬，(6）高速、高機(jī)動(dòng)飛行目標(biāo)的模擬(7）航路捷徑目標(biāo)的模擬，(8）400 批目標(biāo)的模擬。目標(biāo)的飛行高度、速度、RCS 等可通過(guò)操控界面選擇。

3.2 距離時(shí)延和多普勒頻率

目標(biāo)i 回波信號(hào)的時(shí)延為

其中，Ri為當(dāng)前時(shí)刻模擬目標(biāo)的斜距，c為光速。

目標(biāo)的多普勒調(diào)制為

式中，fi，d為目標(biāo)的多普勒頻率，Vi為模擬目標(biāo)徑向速度，fo為雷達(dá)工作頻率，c為光速。

3.3 陣列天線(xiàn)多接收通道之間回波相位差

第j 路接收信號(hào)的模擬相位量為

其中，?pj(θi，?i）為傳播過(guò)程中引起的第j 路接收機(jī)接收目標(biāo)i 回波信號(hào)相對(duì)于基準(zhǔn)支路的相位差，?aj(θi，?i）為天饋系統(tǒng)引起的相位誤差。一般可將接收通道的測(cè)試結(jié)果以數(shù)據(jù)庫(kù)形式存入多目標(biāo)模擬器計(jì)算機(jī)或者進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

3.4 回波信號(hào)幅度控制

模擬目標(biāo)i 落入天線(xiàn)波束，第j 路接收機(jī)接收的目標(biāo)i的回波信號(hào)強(qiáng)度為［3］

其中，Si，j為第j 路接收機(jī)接收第i個(gè)目標(biāo)回波信號(hào)功率;Pt為發(fā)射信號(hào)功率;Gt(θi）、Grj(?i）分別為天線(xiàn)發(fā)射增益和第j 路子接收機(jī)的增益;多目標(biāo)模擬器將天線(xiàn)靜態(tài)測(cè)試結(jié)果量化存儲(chǔ)獲得天線(xiàn)方向圖參數(shù)表，供使用時(shí)讀取;σi為目標(biāo)反射面積，根據(jù)事先確定的目標(biāo)RCS 平均值與目標(biāo)起伏模型(如Swerling 模型、瑞利模型等）確定，或?qū)?shí)際目標(biāo)RCS 存入計(jì)算機(jī)，根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)讀出;Lj為損耗(饋線(xiàn)損耗及大氣損耗等）;Ri為目標(biāo)i的徑向距離;λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng);f(θ，?）為天線(xiàn)增益隨波束掃描角變化的方向圖因子。

3.5 噪聲、雜波的模擬及與接收機(jī)噪聲、雜波背景的疊加

回波信號(hào)的模擬還要考慮接收機(jī)的噪聲和雜波環(huán)境的模擬。噪聲和雜波都不是確定信號(hào)，只具有統(tǒng)計(jì)特性。噪聲分布類(lèi)型較多［4］(如高斯分布、指數(shù)分布、瑞利分布等）。

雷達(dá)的雜波環(huán)境較為復(fù)雜，類(lèi)型較多，有地雜波、海雜波、云雨雜波、箔條干擾雜波等，不同的雜波類(lèi)型具有不同的雜波特性。對(duì)于地物雜波，可采用幅度概率分布為瑞利分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Weibull分布的模型來(lái)描述，功率譜為高斯譜、立方譜;海雜波可采用幅度為對(duì)數(shù)正態(tài)分布、K分布的高斯譜雜波模型來(lái)表示;氣象雜波可采用幅度分布為瑞利分布的高斯譜模型來(lái)描述。

噪聲的類(lèi)型、雜波的幅度分布及功率譜模型應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇。利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生符合概率分布和功率譜特性要求的隨機(jī)序列，控制目標(biāo)噪聲和雜波幅度的變化，即依據(jù)統(tǒng)計(jì)模型產(chǎn)生噪聲、雜波回波信號(hào)。將產(chǎn)生的噪聲、雜波數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，利用硬件控制邏輯完成數(shù)據(jù)的讀?。?］。

4 目標(biāo)模擬效果

圖4中，模擬16 批航路捷徑目標(biāo)，用于檢驗(yàn)在高仰角情況下目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性;圖5中，同時(shí)產(chǎn)生400批運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，用于檢驗(yàn)全程、全方位自動(dòng)起始的能力;圖6中，模擬目標(biāo)與噪聲、雜波環(huán)境的疊加，進(jìn)行信號(hào)處理抗雜波算法及雜波中目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤算法的驗(yàn)證。

圖4 模擬16 批航路捷徑目標(biāo)

圖5 模擬400 批運(yùn)動(dòng)目標(biāo)

圖6 模擬目標(biāo)與噪聲、雜波環(huán)境的疊加

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)陣列雷達(dá)的回波特點(diǎn)，多目標(biāo)模擬器考慮了目標(biāo)起伏、目標(biāo)噪聲、雜波環(huán)境和大氣影響等因素，使得所模擬的目標(biāo)回波比較接近真實(shí)情況。模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航跡、數(shù)量等可隨意設(shè)置。模擬器與雷達(dá)系統(tǒng)之間無(wú)縫鏈接，共享系統(tǒng)時(shí)鐘和波控信息，所模擬的目標(biāo)回波與雷達(dá)信號(hào)之間保持相參關(guān)系。多目標(biāo)模擬器在數(shù)字陣列雷達(dá)中的應(yīng)用，使得整機(jī)調(diào)試與性能驗(yàn)證變得十分便捷、高效，可降低試驗(yàn)條件與成本，對(duì)雷達(dá)操作人員的培訓(xùn)也具有積極意義。

［1］衛(wèi)健，陳定階.雷達(dá)目標(biāo)模擬器［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2000(2）.

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［3］丁鷺飛，耿福錄.雷達(dá)原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

［4］張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

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