一種應(yīng)答式目標模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

趙一倩 屈衛(wèi)東 鄧江生

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院1，上海 200240;海軍航空儀器計量站2，上海 200436)

0 引言

雷達是采用多種高科技的產(chǎn)物。隨著計算機技術(shù)、固態(tài)技術(shù)、信號處理技術(shù)、光電子技術(shù)以及器件、材料、結(jié)構(gòu)、工藝的發(fā)展，各種類型的雷達應(yīng)運而生［1］。為了對被試雷達進行干擾試驗?zāi)M，全面評價雷達抗干擾能力，需要模擬在各種戰(zhàn)情下的目標回波信號［2］。由于雷達信號模擬器通過模擬的方法產(chǎn)生雷達回波信號［3］，因此，采用雷達仿真技術(shù)在地面模擬雷達目標的回波信號和干擾信號，準確評估雷達設(shè)備的技術(shù)指標就顯得十分必要。本文設(shè)計了一種應(yīng)答式目標模擬器。

1 目標模擬器組成和結(jié)構(gòu)

應(yīng)答式目標模擬器不但可檢測各個分系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常，而且還可以測試雷達的性能指標，如測量目標參數(shù)(距離、速度、角度等)的精度、目標參數(shù)的分辨率和整個雷達數(shù)據(jù)率，以實現(xiàn)各個系統(tǒng)軟件功能輸出、目標航跡建立和目標的跟蹤功能等。目標模擬器引入雷達發(fā)射的激勵信號進行時序同步和頻率測試，疊加延時和頻移后產(chǎn)生符合設(shè)置的模擬目標信號再反饋給雷達，以實現(xiàn)各種工作方式下的目標模擬。

目標模擬器主要由目標模擬單元、顯示單元、天線系統(tǒng)等組成，其各模塊名稱及配套設(shè)備組成分別如表1和表2所示。表1中，U1～ U4、U6屬于目標模擬單元。表2中，每根射頻電纜長度為8 m，每根測試電纜長度為1.5 m。

表1 目標模擬器組成表Tab.1 Compositions of the target simulator

表2 目標模擬器配套設(shè)備組成表Tab.2 The supporting equipments of target simulator

2 目標模擬單元的模塊化設(shè)計

目標模擬器的核心部件為目標模擬單元。目標模擬單元研制采用模塊化設(shè)計，由頻率源、微波接收、微波發(fā)射、中頻處理和控制等模塊組成。各模塊的主要功能介紹如下。

目標模擬單元的頻率源模塊進行頻率調(diào)諧，生成高穩(wěn)定頻率信號和高純度、低相噪頻譜;控制模塊建立相關(guān)運動目標數(shù)據(jù)模型，完成各模塊接口驅(qū)動和系統(tǒng)間的通信，實時處理和刷新目標各種運動數(shù)據(jù)，生成系統(tǒng)測試信號，顯示實時的目標參數(shù);接收發(fā)射模塊進行運動目標回波生成處理和變頻處理;中頻處理模塊生成目標信號的運動回波，經(jīng)上變頻后送出回波信號。

2.1 頻率源模塊設(shè)計

頻率源主要用于產(chǎn)生模擬器所需的各基準信號和本振信號，其頻率點可由軟件控制，經(jīng)上/下變頻后與雷達工作頻率點相對應(yīng)。

頻率源由微波固態(tài)器件、高精度頻率綜合器、數(shù)字微波鎖相環(huán)、高速數(shù)字器件等通用器件構(gòu)成。頻率源采用恒溫晶體源鎖相倍頻技術(shù)，產(chǎn)生微波寬帶數(shù)控頻率信號。頻率源中頻部分采用高速專用數(shù)字集成電路組合，自帶微處理器模塊;頻率源的射頻部分采用全微波固態(tài)器件。由于頻率源使用模塊化的結(jié)構(gòu)，各功能相同的模塊通用，故可靈活組成試驗系統(tǒng)，并可根據(jù)特殊要求擴展使用，以滿足實際需要［4］。

頻率源工作原理如圖1所示。

圖1 頻率源工作原理圖Fig.1 Principle of the frequency source

2.2 微波收發(fā)模塊設(shè)計

來自機載雷達的RF信號經(jīng)過接收通道兩次下變頻后變成中頻信號，通過中頻處理器后疊加目標多普勒頻率。該信號通過發(fā)射通道的兩次上變頻后形成RF發(fā)射信號并發(fā)射給雷達。微波收發(fā)模塊原理如圖2所示。

圖2 微波收發(fā)模塊框圖Fig.2 Block diagram of the microwave transceiver module

2.3 中頻處理模塊設(shè)計

中頻處理模塊框圖如圖3所示。目標信號模擬器的中頻處理部分由Fd信號發(fā)生器、距離/時鐘產(chǎn)生器、數(shù)字延時線等組成。中頻處理模塊可以完成目標參數(shù)的生成、運動速度和信號強度的控制等功能。

圖3 中頻處理模塊框圖Fig.3 Block diagram of IF processing module

Fd信號發(fā)生器原理框圖如圖4所示。

圖4 Fd信號發(fā)生器原理框圖Fig.4 Block diagram of Fd signal generator

由圖4可知，頻率、工作模式和相位控制由一個與微處理器兼容的接口來進行，可選用8位并行口或串行口來控制。頻率相位寄存器存放固定頻率所對應(yīng)的相位增量;調(diào)相增量寄存器存放相位調(diào)制增量值;相位增量和相位調(diào)制增量經(jīng)相位累加器相加，再查表得到數(shù)字調(diào)相信號，經(jīng)D/A、低通即得到中頻調(diào)相輸出信號。

中頻處理的技術(shù)指標是決定整機性能的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)采用先進的直接數(shù)字合成技術(shù)(direct digital synthesis，DDS)和數(shù)字射頻存儲技術(shù)(digital RF memory，DRFM)形成中頻數(shù)字延時單元，使應(yīng)答系統(tǒng)采用數(shù)字方式生成目標信號。這樣既與雷達信號保持相參特性，又為計算機控制目標的運動參數(shù)創(chuàng)造了有利條件。同時，也使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，整機質(zhì)量更輕，滿足內(nèi)、外場使用時簡便靈活的要求［5－7］。

在數(shù)字延時線中，除使用高速A/D、D/A集成器件和雙口存儲器件外，還采用了模/數(shù)混合電路，以確保生成低雜散的相參模擬動目標信號。該模擬信號也同時滿足雷達數(shù)據(jù)處理機解算距離模糊和速度模糊的需求。

數(shù)字延時線由混頻器、A/D變換器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、D/A變換器、控制器和時鐘電路組成。數(shù)字延時線框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字延時線框圖Fig.5 Block diagram of digital delay line

根據(jù)數(shù)字延時線的特性，其適用于雷達系統(tǒng)性能測試。雷達的發(fā)射信號由雷達激勵源的信號提供，或通過空間輻射，由喇叭耦合獲得。RF信號通過下變頻器變成參考頻率，與一本振信號混頻后變成適合于A/D變換的低中頻信號;經(jīng)A/D變換后的低中頻信號存儲在存儲器中，經(jīng)距離延時和D/A變換后恢復(fù)成模擬信號;然后再與一本振混頻后恢復(fù)成中頻信號。這樣就完成了對雷達發(fā)射信號的存儲、延時控制。

3 控制模塊設(shè)計

控制模塊采用高速差分傳輸、高速雙口RAM、大規(guī)模集成控制電路、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換、高速數(shù)據(jù)傳輸與儲存等技術(shù)，具有控制靈活、響應(yīng)快速、轉(zhuǎn)換精度高等特點。

控制模塊由目標控制單元、多普勒頻移控制器、距離產(chǎn)生器、幅度控制器及頻綜控制器等部分組成?？刂颇K工作框圖如圖6所示。

圖6 控制模塊框圖Fig.6 Block diagram of control module

3.1 目標控制單元

目標控制單元對雙口RAM送來的數(shù)據(jù)與指令進行譯碼、格式轉(zhuǎn)換、存儲、計算等實時處理，并將實現(xiàn)模擬器各項功能所需的各項指令和參數(shù)實時送往相應(yīng)的控制器。目標控制單元采用大規(guī)模集成電路和實時全譯碼方式，大大提高了系統(tǒng)的可維護性和靈活性。

3.2 多普勒頻移控制器

多普勒頻移控制器根據(jù)目標控制單元送來的指令，對Fd信號發(fā)生器進行實時控制，使DDS產(chǎn)生的多普勒頻移能在0～±1 MHz范圍內(nèi)使用，其分辨率能達到1 Hz。

3.3 距離產(chǎn)生器

距離產(chǎn)生器根據(jù)目標控制單元送來的指令，對數(shù)字延時線進行實時控制。距離產(chǎn)生器使用CPLD大規(guī)模集成電路，根據(jù)指令值對延時數(shù)據(jù)進行實時計算與實時傳送。由于采用了20 MHz的時鐘頻率，使得延時線刷新時間小于10 ms，距離分辨率小于7.5 m。

3.4 頻綜控制器

頻綜控制器根據(jù)目標控制單元送來的指令，對頻率綜合器進行實時控制，使本機頻綜調(diào)諧在與雷達載頻頻率相應(yīng)的工作頻率上。

4 模擬器天線系統(tǒng)設(shè)計

輻射天線系統(tǒng)是目標模擬器信號傳輸以及角度信息模擬的關(guān)鍵組成部分，其功能是在雷達系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，接收雷達發(fā)射機發(fā)射出的RF信號，并傳送給目標模擬器。目標模擬器處理后通過空間輻射回傳給雷達天線。

目標模擬器可移動式天線支架用于波源輻射器，將天線按所要求的高度固定在可移動的支架上。在使用中，主要是彌補旋轉(zhuǎn)天線角度范圍的局限性。

喇叭天線指標有:頻段X波段;增益20 dB;極化方式，即圓極化、垂直極化;輸出同軸接頭SMA(陰)。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)集成后，對整個雷達目標模擬器進行了功能聯(lián)合測試，測試結(jié)果良好。在經(jīng)過近50臺(套)雷達的實際測試使用后確認，該模擬器能精確完成脈沖體制多批次目標的徑向速度、距離的精確模擬。

本文完成了輻射式多目標雷達模擬器發(fā)射機系統(tǒng)的設(shè)計和集成，發(fā)射機采用模塊插件形式，實現(xiàn)了X波段的射頻信號發(fā)射功能。目標模擬器工作性能穩(wěn)定、信號控制動態(tài)范圍大、諧波抑制和抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)緊湊，具備較好的功能擴展性。

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