基于DSP的海防雷達(dá)目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓寧　龐郁　李育紅　王格芳

摘 要： 針對海防雷達(dá)部隊(duì)訓(xùn)練無目標(biāo)模擬器導(dǎo)致的訓(xùn)練效果不理想問題，提出了研制海防雷達(dá)目標(biāo)模擬器的解決方案。軟件算法部分，在分析海雜波分布特性的基礎(chǔ)上，首先利用雜波模擬技術(shù)仿真生成海浪雜波，其次基于SwerlingIV模型生成目標(biāo)回波，然后利用疊加模型生成帶雜波的海面目標(biāo)回波，完成目標(biāo)回波的模擬仿真工作。硬件上提出CPLD+DSP的解決方案，CPLD完成系統(tǒng)的時序及邏輯控制，DSP將模擬仿真信號實(shí)時生成目標(biāo)回波。相關(guān)部門實(shí)際使用結(jié)果證明了該方案的有效性。

關(guān)鍵詞： 海防雷達(dá)； 目標(biāo)模擬器； 數(shù)字信號處理； 復(fù)雜可編程邏輯器件

中圖分類號： TN957.51?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0012?03

0 引 言

海防雷達(dá)主要完成對海偵察和警戒任務(wù)，同時可為己方火炮進(jìn)行校射，是遂行海面?zhèn)刹旒白鲬?zhàn)任務(wù)的首要武器力量，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

海防雷達(dá)多配備于高山、海島等氣候惡劣、外部環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，工作時受環(huán)境雜波和外部干擾較為嚴(yán)重，為了提高實(shí)戰(zhàn)時操作手對雷達(dá)的操作判讀能力，需在平時對操作手進(jìn)行訓(xùn)練，但諸多因素的限制往往無法順利開展，故急需開展雷達(dá)目標(biāo)模擬器的研制工作，以提高訓(xùn)練效果。

1 目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)組成如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

如圖1所示，系統(tǒng)由雜波生成模塊、干擾生成模塊、無雜波回波生成模塊、帶雜波回波生成模塊、航跡模擬模塊、通信模塊及上位機(jī)組成，每個模塊的功能分述如下：

雜波生成模塊主要完成各種海雜波的生成。雷達(dá)雜波是雷達(dá)工作環(huán)境的重要組成部分，雜波的特性對雷達(dá)目標(biāo)檢測算法設(shè)計(jì)影響巨大，因此在雷達(dá)回波模擬器中，能否快速有效地模擬海雜波關(guān)系到雷達(dá)模擬器的性能參數(shù)是否可靠[1]。目前對海雜波的建模方法主要有統(tǒng)計(jì)建模，散射機(jī)理建模以及幾年來興起的混沌理論和多重分形理論建模[2]。為了便于實(shí)現(xiàn)，本文選擇統(tǒng)計(jì)建模方法，選取服從對數(shù)?正態(tài)分布的海雜波作為建模的分布函數(shù)，以此完成海雜波的仿真生成。

無雜波回波生成模塊主要完成回波的幅度調(diào)制、多普勒調(diào)制、以及單多目標(biāo)的回波疊加等工作，生成不帶雜波及干擾的純凈目標(biāo)回波。

航跡模擬模塊主要完成單、多目標(biāo)的航跡模擬功能。該航跡模擬模塊能夠模擬多種海上目標(biāo)，能產(chǎn)生參數(shù)可變的氣墊船、登陸艦艇等目標(biāo)，能夠產(chǎn)生勻速、勻加速基于帶有復(fù)雜偏航角的目標(biāo)運(yùn)動航跡，目標(biāo)可以隨時停止，可以隨時繼續(xù)開始航行。

通信模塊主要負(fù)責(zé)下位機(jī)與上位機(jī)的通信，通過上位機(jī)輸入各種參數(shù)來控制下位機(jī)的正常運(yùn)行，輸入目標(biāo)參數(shù)并負(fù)責(zé)將各目標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)化為雷達(dá)柱面坐標(biāo)體系內(nèi)的數(shù)值。

2 硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制面板負(fù)責(zé)上位機(jī)的通信工作；CPLD負(fù)責(zé)邏輯及時序控制；利用FPGA的高速處理能力完成回波幅度及相位的調(diào)制，產(chǎn)生所需目標(biāo)回波并生成各種干擾及雜波信號；DDS和PLL鎖相環(huán)負(fù)責(zé)產(chǎn)生系統(tǒng)所需時鐘，時鐘源通過電纜與雷達(dá)同步，完成時鐘的同步，避免產(chǎn)生虛假動目標(biāo)；幅度調(diào)制模塊基于Swerling Ⅳ模型完成回波的復(fù)讀調(diào)制，然后在混頻器中將回波上變頻至中頻，隨后經(jīng)過低通濾波器濾出所需信號，最后完成幅度和相位的校正，得到所需輸出信號。

為了降低系統(tǒng)開發(fā)成本，減少功耗，本系統(tǒng)采用Altera公司的大規(guī)?？删幊碳呻娐稢yclone Ⅱ系列的CPLD來完成邏輯及時序控制的功能。該邏輯控制器可以完成8個端口的邏輯時序控制，并可與多種其他型號的FPGA進(jìn)行無縫連接，以得到更加優(yōu)化的處理性能。

對于雷達(dá)目標(biāo)模擬器來說，回波生成模塊需要具備以下幾方面的特點(diǎn)。

（1） 實(shí)時性。實(shí)時數(shù)據(jù)處理，需實(shí)時將系統(tǒng)生成的回波轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，不能有系統(tǒng)無法接受的延遲產(chǎn)生；

（2） 同步和輸出精度，因需輸出雷達(dá)的寬頻帶信號，故FPGA的輸出精度應(yīng)該控制在可接受的范圍之內(nèi)，否則輸出的數(shù)據(jù)精度無法滿足系統(tǒng)要求；另外還需實(shí)時提供數(shù)據(jù)的暫停輸出等功能，所以還需要輸出數(shù)據(jù)比較可靠。

基于以上幾個方面的要求，本系統(tǒng)選擇Altera公司的MAXI系列完成系統(tǒng)所需的實(shí)時處理功能。

DDS以雷達(dá)同步時鐘作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)時鐘源，通過相位累加器對頻率控制字進(jìn)行累加，當(dāng)相位累加器溢出時，溢出頻率就是DDS的輸出頻率。不同的頻率控制字可以得到不同的累加器增量，造成累加器溢出頻率也不同。波形存儲器對不同的溢出頻率進(jìn)行尋址，便可以得到不同的輸出頻率正弦波，再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換和低通濾波器的處理后，得到所需的各種系統(tǒng)時鐘[3]。最后經(jīng)過幅度調(diào)制及控制網(wǎng)絡(luò)得到所需信號。

3 軟件構(gòu)成

如果目標(biāo)可以表示成獨(dú)立點(diǎn)散射體的集合，那么雷達(dá)回波信號可以表示成如下形式[4]：

[Sr（t）=i=1Naisin（2πft+φi）=Asin（2πft+φ）] （1）

式中：[A=iaisinφi2+iaicosφi212，φ=] [arctaniaisinφiiaicosφi]。

其中：[ai]為第[i]個點(diǎn)散射體的幅度；[φi=2πfit，][Ti]是第[i]個散射體的往返時間，而[f]為雷達(dá)頻率。系統(tǒng)依據(jù)上式生成回波。

3.1 目標(biāo)回波幅度調(diào)制仿真技術(shù)

表示目標(biāo)起伏的方法一般有四種統(tǒng)計(jì)模型，對每一種模型都有相應(yīng)的檢測概率、虛警概率和積累脈沖的函數(shù)所要求的信噪比。這四種Sweriling起伏目標(biāo)模型可用公式表示如下：

[p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2）

海雜波分布較為復(fù)雜，起伏大，一般選取第4種模型進(jìn)行回波幅度的調(diào)制。故本系統(tǒng)也選擇該模型進(jìn)行幅度調(diào)制。

3.2 目標(biāo)多普勒調(diào)制仿真技術(shù)

目標(biāo)在運(yùn)動過程中相對雷達(dá)會產(chǎn)生多普勒頻移，為了使仿真的目標(biāo)回波更加貼近真實(shí)目標(biāo)回波，需在回波仿真的過程中考慮多普勒的影響。當(dāng)目標(biāo)有多普勒調(diào)制時，其回波頻率有變化，當(dāng)有多普勒調(diào)制時，系統(tǒng)將式（1）所示目標(biāo)回波用式（3）代替：

[Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3）

式中：[fd]為目標(biāo)的多普勒頻率；[τi]為目標(biāo)散射點(diǎn)的延遲時間。當(dāng)目標(biāo)回波有多普勒速度時，就按式（3）進(jìn)行目標(biāo)回波的仿真。

3.3 目標(biāo)航跡生成技術(shù)

目標(biāo)航跡主要是需要將目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)化為雷達(dá)所需要的柱面坐標(biāo)系的參數(shù)信息，只有轉(zhuǎn)化為柱面坐標(biāo)系以后，才能生成目標(biāo)的航跡信息。轉(zhuǎn)化公式如式（4）所示[5]：

[xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4）

式中[R]為曲率半徑：

[R=a1-e2sin2α] （5）

式中：橢球長半軸[a]為6 378 137 m，第一偏心率[e]為0.081 819 2。對于多目標(biāo)數(shù)據(jù)，通常也利用式（4）進(jìn)行仿真模擬。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否能按照要求產(chǎn)生所需的目標(biāo)回波，在系統(tǒng)軟硬件調(diào)試通過之后，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置了相關(guān)參數(shù)讓其生成不同的目標(biāo)回波，并對其生成回波的頻譜進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)是否滿足系統(tǒng)要求，表1給出了試驗(yàn)所用目標(biāo)參數(shù)及雷達(dá)的設(shè)定參數(shù)值。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

[目標(biāo)個數(shù)＼&信號功率 /dB＼&雜波功率 /dB＼&調(diào)頻斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脈沖寬度 /μs＼&載頻 /GHz＼&重復(fù)頻率 /Hz＼&發(fā)射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&]

圖3～圖5給出了在不同信噪比條件下，系統(tǒng)生成的目標(biāo)信號。從圖中可以看出，系統(tǒng)生成的目標(biāo)回波與設(shè)置的參數(shù)一致，達(dá)到了系統(tǒng)所需的要求。

5 結(jié) 論

為了解決雷達(dá)目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)問題，研究了目標(biāo)回波模擬的方法，基于CPLD和FPGA的模式實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)回波的快速模擬，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

圖3 無雜波信號

圖4 SNR為5 dB時的信號

圖5 SNR為10 dB時的信號

參考文獻(xiàn)

[1] 周雪峰.船舶導(dǎo)航雷達(dá)的回波研究與模擬[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

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[8] 周建明.L波段捷變頻頻率源關(guān)鍵技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008（12）：14?17.

[9] 張煒，楊虎.基于CORDIC算法的直接數(shù)字頻率合成器實(shí)現(xiàn)方法[J].重慶郵電學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2006（5）：11?14.

[10] 王超，李毅，袁乃昌.高分辨雷達(dá)目標(biāo)回波模擬器設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2007（8）：10?13.

[p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2）

海雜波分布較為復(fù)雜，起伏大，一般選取第4種模型進(jìn)行回波幅度的調(diào)制。故本系統(tǒng)也選擇該模型進(jìn)行幅度調(diào)制。

3.2 目標(biāo)多普勒調(diào)制仿真技術(shù)

目標(biāo)在運(yùn)動過程中相對雷達(dá)會產(chǎn)生多普勒頻移，為了使仿真的目標(biāo)回波更加貼近真實(shí)目標(biāo)回波，需在回波仿真的過程中考慮多普勒的影響。當(dāng)目標(biāo)有多普勒調(diào)制時，其回波頻率有變化，當(dāng)有多普勒調(diào)制時，系統(tǒng)將式（1）所示目標(biāo)回波用式（3）代替：

[Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3）

式中：[fd]為目標(biāo)的多普勒頻率；[τi]為目標(biāo)散射點(diǎn)的延遲時間。當(dāng)目標(biāo)回波有多普勒速度時，就按式（3）進(jìn)行目標(biāo)回波的仿真。

3.3 目標(biāo)航跡生成技術(shù)

目標(biāo)航跡主要是需要將目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)化為雷達(dá)所需要的柱面坐標(biāo)系的參數(shù)信息，只有轉(zhuǎn)化為柱面坐標(biāo)系以后，才能生成目標(biāo)的航跡信息。轉(zhuǎn)化公式如式（4）所示[5]：

[xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4）

式中[R]為曲率半徑：

[R=a1-e2sin2α] （5）

式中：橢球長半軸[a]為6 378 137 m，第一偏心率[e]為0.081 819 2。對于多目標(biāo)數(shù)據(jù)，通常也利用式（4）進(jìn)行仿真模擬。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否能按照要求產(chǎn)生所需的目標(biāo)回波，在系統(tǒng)軟硬件調(diào)試通過之后，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置了相關(guān)參數(shù)讓其生成不同的目標(biāo)回波，并對其生成回波的頻譜進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)是否滿足系統(tǒng)要求，表1給出了試驗(yàn)所用目標(biāo)參數(shù)及雷達(dá)的設(shè)定參數(shù)值。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

[目標(biāo)個數(shù)＼&信號功率 /dB＼&雜波功率 /dB＼&調(diào)頻斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脈沖寬度 /μs＼&載頻 /GHz＼&重復(fù)頻率 /Hz＼&發(fā)射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&]

圖3～圖5給出了在不同信噪比條件下，系統(tǒng)生成的目標(biāo)信號。從圖中可以看出，系統(tǒng)生成的目標(biāo)回波與設(shè)置的參數(shù)一致，達(dá)到了系統(tǒng)所需的要求。

5 結(jié) 論

為了解決雷達(dá)目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)問題，研究了目標(biāo)回波模擬的方法，基于CPLD和FPGA的模式實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)回波的快速模擬，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

圖3 無雜波信號

圖4 SNR為5 dB時的信號

圖5 SNR為10 dB時的信號

參考文獻(xiàn)

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[p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2）

海雜波分布較為復(fù)雜，起伏大，一般選取第4種模型進(jìn)行回波幅度的調(diào)制。故本系統(tǒng)也選擇該模型進(jìn)行幅度調(diào)制。

3.2 目標(biāo)多普勒調(diào)制仿真技術(shù)

目標(biāo)在運(yùn)動過程中相對雷達(dá)會產(chǎn)生多普勒頻移，為了使仿真的目標(biāo)回波更加貼近真實(shí)目標(biāo)回波，需在回波仿真的過程中考慮多普勒的影響。當(dāng)目標(biāo)有多普勒調(diào)制時，其回波頻率有變化，當(dāng)有多普勒調(diào)制時，系統(tǒng)將式（1）所示目標(biāo)回波用式（3）代替：

[Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3）

式中：[fd]為目標(biāo)的多普勒頻率；[τi]為目標(biāo)散射點(diǎn)的延遲時間。當(dāng)目標(biāo)回波有多普勒速度時，就按式（3）進(jìn)行目標(biāo)回波的仿真。

3.3 目標(biāo)航跡生成技術(shù)

目標(biāo)航跡主要是需要將目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)化為雷達(dá)所需要的柱面坐標(biāo)系的參數(shù)信息，只有轉(zhuǎn)化為柱面坐標(biāo)系以后，才能生成目標(biāo)的航跡信息。轉(zhuǎn)化公式如式（4）所示[5]：

[xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4）

式中[R]為曲率半徑：

[R=a1-e2sin2α] （5）

式中：橢球長半軸[a]為6 378 137 m，第一偏心率[e]為0.081 819 2。對于多目標(biāo)數(shù)據(jù)，通常也利用式（4）進(jìn)行仿真模擬。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否能按照要求產(chǎn)生所需的目標(biāo)回波，在系統(tǒng)軟硬件調(diào)試通過之后，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置了相關(guān)參數(shù)讓其生成不同的目標(biāo)回波，并對其生成回波的頻譜進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)是否滿足系統(tǒng)要求，表1給出了試驗(yàn)所用目標(biāo)參數(shù)及雷達(dá)的設(shè)定參數(shù)值。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

[目標(biāo)個數(shù)＼&信號功率 /dB＼&雜波功率 /dB＼&調(diào)頻斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脈沖寬度 /μs＼&載頻 /GHz＼&重復(fù)頻率 /Hz＼&發(fā)射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&]

圖3～圖5給出了在不同信噪比條件下，系統(tǒng)生成的目標(biāo)信號。從圖中可以看出，系統(tǒng)生成的目標(biāo)回波與設(shè)置的參數(shù)一致，達(dá)到了系統(tǒng)所需的要求。

5 結(jié) 論

為了解決雷達(dá)目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)問題，研究了目標(biāo)回波模擬的方法，基于CPLD和FPGA的模式實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)回波的快速模擬，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

圖3 無雜波信號

圖4 SNR為5 dB時的信號

圖5 SNR為10 dB時的信號

參考文獻(xiàn)

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