全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器*

方 繁，周 浩，文必洋

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引言

窄波束高頻地波雷達(dá)用來探測海洋的風(fēng)場、浪場、流場、海上移動船艦以及低空飛行目標(biāo)，其分辨能力主要靠龐大的窄波速天線來決定。而寬波速高頻地波雷達(dá)，由于其天線陣列簡單，造價低，占地面積小，其對目標(biāo)的分辨主要靠算法來提高，如單極子/交叉環(huán)天線[1-3]，由于單極子/交叉環(huán)天線是一種小口徑的寬波束天線，海流與目標(biāo)的定向往往通過超分辨算法(如MUSIC算法[4])來實現(xiàn)，因此需要對雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行通道校準(zhǔn)，也需要進(jìn)一步檢驗雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。對設(shè)計制造完成的雷達(dá)，要進(jìn)行大量的對比試驗來對雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)，驗證雷達(dá)的功能，并且根據(jù)結(jié)果調(diào)節(jié)反饋參數(shù)以及改進(jìn)算法，全部采用實物對比實驗需要耗費大量的人力物力，并且調(diào)試周期較長。近年來也出現(xiàn)過雷達(dá)應(yīng)答器的研制，適用高頻雷達(dá)應(yīng)答器的研究比較少且技術(shù)還不成熟。例如高頻地波雷達(dá)應(yīng)答器[5]主要應(yīng)用于高頻地波雷達(dá)，由模擬電路實現(xiàn)，它將接收到的雷達(dá)信號解調(diào)后經(jīng)延時器芯片延時，再將延時后的信號調(diào)制還原成雷達(dá)信號，并且通過收發(fā)控制脈沖實現(xiàn)收發(fā)分時共用。它在一定程度上實現(xiàn)了接收機(jī)的通道校準(zhǔn)和模擬目標(biāo)回波的功能，但也存在自身固有的缺陷：(1)采用延時器對接收信號進(jìn)行延時后發(fā)射，使得發(fā)射信號能夠越過接收機(jī)的接收盲區(qū)，從而模擬目標(biāo)距離對回波信號的影響，不能靈活方便地控制延時時間；(2)設(shè)計中引入了與發(fā)射信號不同步的時鐘源，影響了回波信號與接收機(jī)本征信號相干性，從而引起相位擾動，導(dǎo)致相位無法校準(zhǔn)；(3)設(shè)計中沒有加入準(zhǔn)確的多普勒信息，無法模擬目標(biāo)的運動速度。又如高頻地波雷達(dá)應(yīng)答器的設(shè)計[6]，與前者的結(jié)構(gòu)類似，性能方面沒有較大的提高。

為了更好地模擬目標(biāo)回波，實現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)通道校準(zhǔn)和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備與算法的檢驗，一些文獻(xiàn)提出了基于DDS的雷達(dá)應(yīng)答器，其設(shè)計思路主要為：已知雷達(dá)信號的波形參數(shù)，當(dāng)檢測到雷達(dá)信號時，用DDS產(chǎn)生已知波形參數(shù)的雷達(dá)信號并加入延時和多普勒信息后發(fā)射出去，從而模擬目標(biāo)的距離及運動速度，實現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)的通道校準(zhǔn)和算法檢驗。基于DDS的雷達(dá)應(yīng)答器利用FPGA實現(xiàn)頻率檢測部分和系統(tǒng)控制部分，能夠靈活地設(shè)置雷達(dá)信號的延時時間和改變多普勒信息，從而更好地模擬目標(biāo)的距離及運動速度。但它需要知道雷達(dá)信號的波形參數(shù)，只能用于特定雷達(dá)，應(yīng)用范圍受到限制；并且用DDS產(chǎn)生的模擬回波信號的時鐘源和雷達(dá)發(fā)射信號的時鐘源不是同一個時鐘源，因此模擬回波信號與發(fā)射信號的不相干性會引起相位擾動而導(dǎo)致無法對接收機(jī)的相位進(jìn)行校準(zhǔn)，從而無法對雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行精確的通道校準(zhǔn)。

針對上述問題，設(shè)計出了一種全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器，主要用于高頻雷達(dá)系統(tǒng)。全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器采用全數(shù)字處理與控制模式，利用基于FPGA的FFT滑窗對雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行頻率檢測，能比較準(zhǔn)確地定位雷達(dá)發(fā)射信號的到達(dá)時刻，同步觸發(fā)全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器進(jìn)行接收，從而可以準(zhǔn)確地計算應(yīng)答器的發(fā)射信號在雷達(dá)接收時間段內(nèi)的延時范圍，效率較高；利用FPGA中的RAM存儲數(shù)字化地控制延時時間，且延時時間只受接收機(jī)接收時間段限制，一個幀周期內(nèi)的延時相等，當(dāng)前幀周期內(nèi)的延時時間與前一幀周期內(nèi)的延時相差一個常量，從而在接收信號中加入多普勒信息，因此不僅可以靈活地模擬目標(biāo)的距離信息，還能模擬目標(biāo)的運動速度，能很好地檢驗雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性；全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器與雷達(dá)的同步效果很好，沒有引入其他頻率時鐘源，能較好地對接收通道進(jìn)行幅度和相位校準(zhǔn)，并且不需要知道雷達(dá)信號的波形參數(shù)，在一定程度上擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍和增加了應(yīng)用的靈活性，并且將接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行存儲主要為最大限度地保證應(yīng)答器發(fā)射信號與原信號的相干性，從而能夠?qū)邮諜C(jī)通道的相位進(jìn)行校準(zhǔn)。它采用全數(shù)字模式，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制和實現(xiàn)，體積小，易便攜，很好地實現(xiàn)了接收機(jī)通道校準(zhǔn)和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備與算法的檢驗。

1 模擬目標(biāo)距離與運動速度

高頻地波雷達(dá)一般采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波（FMICW）波形體制，線性調(diào)頻雷達(dá)發(fā)射一個具有一定重復(fù)周期T的線性調(diào)頻余弦信號，在一個發(fā)射周期內(nèi)發(fā)射信號的表達(dá)式為：

設(shè)目標(biāo)距離產(chǎn)生的回波延時為τ，目標(biāo)運動導(dǎo)致多普勒頻率是Δω，回波信號為：

回波進(jìn)入接收機(jī)后與本征信號混頻，并經(jīng)低通濾波器后，得到差頻信號：

雷達(dá)應(yīng)答器為模擬目標(biāo)回波，需要發(fā)射一個信號與Sr(t)相同，或發(fā)射的信號與雷達(dá)接收機(jī)本征信號混頻后與SΔ(t)相同。因此，雷達(dá)應(yīng)答器為模擬雷達(dá)回波的延時特性(即目標(biāo)的距離)，只需要將接收到的雷達(dá)信號延時一定時間后發(fā)射即可。

雷達(dá)應(yīng)答器模擬多普勒頻率(即目標(biāo)的運動速度)：線性調(diào)頻體制的雷達(dá)一般使用2次傅里葉變換求回波的多普勒頻譜，在每一次線性調(diào)頻掃頻周期內(nèi)對中頻信號采樣并進(jìn)行傅里葉變換，稱這一傅里葉變換為第一次傅里葉變換，目的是提取目標(biāo)的距離信息；將第一次傅里葉變換結(jié)果的幅度按同一頻率（同一距離元）按時間先后排列，得到第二次抽樣信號，對第二次抽樣信號進(jìn)行傅里葉變換，即得到該距離元上目標(biāo)的多普勒譜。進(jìn)行這一處理的前提條件是式(3)中的多普勒頻率Δω遠(yuǎn)小于單位距離元造成的頻移2ατ，這意味著在一次線性調(diào)頻掃頻周期內(nèi)，Δωt可以認(rèn)為是一個常量，每增加一個線性調(diào)頻周期，由多普勒頻移導(dǎo)致的接收信號相位增加值為Δφ=ΔωT。因此，如果能產(chǎn)生一個信號，它使混頻信號式(3)在每一線性調(diào)頻周期增加一個固定相位值 ΔωT，且Δω遠(yuǎn)小于 2ατ，雷達(dá)應(yīng)答器就實現(xiàn)了模擬回波多普勒頻移的功能[7]。

2 全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的硬件系統(tǒng)

全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器主要包括頻率檢測模塊、存儲延時模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、收發(fā)開關(guān)。頻率檢測模塊為基于FPGA的FFT滑窗頻率檢測，存儲延時模塊為基于FGPA的RAM存儲延時，接收模塊主要由帶通濾波電路與ADC采樣電路組成，發(fā)射模塊主要由DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路與功率放大電路組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器硬件系統(tǒng)

3 全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的信號處理

頻率檢測模塊與存儲延時模塊為全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的核心。頻率檢測模塊為基于FPGA的1 024點FFT滑窗頻率檢測，窗的大小為512點，其功能類似于頻譜監(jiān)測。由于高頻地波雷達(dá)一般采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波（FMICW）波形體制，其發(fā)射期與接收期由開關(guān)控制脈沖控制，且為不同的時間段。因此雷達(dá)應(yīng)答器需要準(zhǔn)確地判斷雷達(dá)信號的到達(dá)時刻，從而將接收信號延時后發(fā)射的信號能在雷達(dá)接收機(jī)的接收期內(nèi)，頻率檢測模塊能比較準(zhǔn)確地定位雷達(dá)發(fā)射信號的到達(dá)時刻，同步觸發(fā)全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器進(jìn)行接收，從而可以準(zhǔn)確地計算應(yīng)答器的發(fā)射信號在雷達(dá)接收時間段內(nèi)的延時范圍，效率較高。

圖2 系統(tǒng)工作時序圖

系統(tǒng)工作時的時序如圖2所示，工作于接收和發(fā)射兩個狀態(tài)，初始狀態(tài)為接收。在接收時，發(fā)射控制脈沖TP為低電平，控制收發(fā)開關(guān)使天線與接收模塊接通而與發(fā)射模塊斷開，接收模塊開始對來自天線的接收信號進(jìn)行帶通濾波和采樣。此時從16位ADC采樣電路輸出的數(shù)字信號進(jìn)入頻率檢測模塊，頻率檢測模塊中的RAM1對接收信號進(jìn)行存儲，頻率檢測模塊中的RAM1為 1 536×16 bit，信號的采樣頻率為 40.96 MHz，RAM1 的存儲時鐘也為40.96 MHz。將采樣輸出的信號由低地址（起始地址）到高地址（結(jié)束地址）循環(huán)存入RAM1，最多存入1 024+512點的16 bit數(shù)據(jù)，RAM1存滿后存儲地址回到起始地址，新的數(shù)據(jù)從起始地址開始存入RAM1并覆蓋之前存入的數(shù)據(jù)，第一次存入1 024個的數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生一個脈沖信號fft_trigger，表示觸發(fā)1 024點FFT處理，隨后每存入512個數(shù)據(jù)都會產(chǎn)生一個脈沖信號fft_trigger，表示將前一時刻512個數(shù)據(jù)與當(dāng)前時刻新的512個數(shù)據(jù)組成新的1 024個數(shù)據(jù)，觸發(fā)1 024點FFT處理。FFT輸入時鐘為327.68 MHz，進(jìn)行 1 024點FFT時需要1 024×3個FFT時鐘周期，當(dāng)存儲點數(shù)達(dá)到1 024個時，開始將數(shù)據(jù)由低地址到高地址輸入FFT模塊，由于FFT模塊的處理速度為數(shù)據(jù)采樣速度的8倍，因此從數(shù)據(jù)開始進(jìn)入FFT模塊到FFT變換輸出全部結(jié)果只需要384個采樣周期，也為384個RAM1存儲周期。此時只存入了1 024+384個點的數(shù)據(jù)，因此1 024點的FFT能在RAM存滿前完成，達(dá)到了實時處理的效果，便于對FFT處理后的信號頻譜進(jìn)行分析以決定是否進(jìn)入存儲延時模塊：如果接收的信號頻譜中特定頻率（雷達(dá)發(fā)射信號頻率）信號的幅度大于門限值，則進(jìn)入存儲延時模塊；如果接收的信號頻譜中特定頻率信號的幅度小于門限值，則等待fft_trigger信號并在fft_trigger的上升沿將RAM1中從第512個地址開始將數(shù)據(jù)送入FFT模塊。繼續(xù)對新的1 024點FFT處理后的信號頻譜進(jìn)行分析，以決定是否進(jìn)入存儲延時模塊，如此進(jìn)行512點滑窗直到信號頻譜中特定頻率信號的幅度大于門限值。此時產(chǎn)生一個脈沖信號above_thr，在above_thr上升沿產(chǎn)生一個脈沖信號r_trigger，表明接收到了雷達(dá)的發(fā)射信號，進(jìn)入存儲延時模塊開始存儲數(shù)據(jù)。存儲延時模塊中的RAM2的寫地址遞增記為Ain，當(dāng)頻率檢測模塊檢測到的特定頻率信號幅度小于門限值時產(chǎn)生一個脈沖信號below_thr，表明結(jié)束存儲。此時發(fā)射控制脈沖TP為高電平，控制收發(fā)開關(guān)使天線與發(fā)射模塊接通而與接收模塊斷開，準(zhǔn)備發(fā)射。

在發(fā)射時，將存儲的信號進(jìn)行一定延時后發(fā)射，利用存儲延時模塊的RAM2存入和讀出接收信號時本身是對信號進(jìn)行確定時間的延時，也可根據(jù)實際需要再加入額外的延時，一個幀周期內(nèi)的延時相等，當(dāng)前幀周期內(nèi)的延時時間與前一幀周期內(nèi)的延時相差一個常量從而加入多普勒信息。延時完成后會產(chǎn)生一個脈沖信號t_trigger，表示觸發(fā)發(fā)射并開始從RAM2中讀出數(shù)據(jù)依次發(fā)射出去，信號通過發(fā)射模塊的DAC模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路經(jīng)天線發(fā)射，發(fā)射時，存儲延時模塊中的RAM2的讀地址遞增記為 Aout，當(dāng)Aout=Ain-512時，TP變?yōu)榈碗娖?，控制收發(fā)開關(guān)使天線與接收模塊接通而與發(fā)射模塊斷開，進(jìn)入接收狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)。

4 全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計的流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后開始初始化，此時TP為低電平，系統(tǒng)工作在接收狀態(tài)，接收模塊開始工作并將ADC采樣輸出的數(shù)據(jù)存入頻率檢測模塊中的RAM1，此時只需檢測fft_trigger信號的上升沿：如果沒有檢測到fft_trigger信號的上升沿則繼續(xù)等待，如果檢測到fft_trigger信號的上升沿則開始進(jìn)行FFT變換。對FFT結(jié)果進(jìn)行分析，如果特定頻率信號幅度小于門限值則繼續(xù)進(jìn)行1 024點滑窗FFT變換，如果特定頻率信號幅度大于門限值則存儲延時模塊開始工作，存儲延時模塊中的RAM2開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。存儲過程中如果檢測到特定頻率信號幅度小于門限值則存儲結(jié)束進(jìn)入延時階段，此時TP變?yōu)楦唠娖綔?zhǔn)備發(fā)射，延時完成后開始發(fā)射，發(fā)射完成后系統(tǒng)重新進(jìn)入接收狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)程序設(shè)計的流程圖

5 實測結(jié)果

全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器在現(xiàn)場實驗中取得了較好的效果，能很好地模擬目標(biāo)的距離和運動速度，進(jìn)而實現(xiàn)了接收機(jī)通道校準(zhǔn)和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備與算法的檢驗?，F(xiàn)場實驗中，由于雷達(dá)應(yīng)答器的方位角與距離已知，雷達(dá)接收機(jī)接收到雷達(dá)應(yīng)答器發(fā)射的信號后經(jīng)信號處理得出應(yīng)答器模擬目標(biāo)的測試方位角，將測試方位角與實際方位角對比即可對雷達(dá)接收機(jī)通道在該方向進(jìn)行校準(zhǔn)。為了校準(zhǔn)接收機(jī)的所有測試方向，需要將雷達(dá)應(yīng)答器在雷達(dá)360°的方位上移動。同樣應(yīng)答器模擬的目標(biāo)距離和速度信息已知，雷達(dá)接收機(jī)接收到雷達(dá)應(yīng)答器發(fā)射的信號后經(jīng)信號處理得出應(yīng)答器模擬目標(biāo)的測試距離與測試速度，將其與實際的模擬目標(biāo)的距離和速度對比即可檢驗雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。圖4為現(xiàn)場實驗得到的二維距離多普勒譜圖，圖5為現(xiàn)場實驗得到的多普勒譜圖。由圖4和圖5可見，在第8個距離元(即 20 km)處出現(xiàn)目標(biāo)信號，此信號為雷達(dá)應(yīng)答器所模擬的目標(biāo)回波信號，信號的信噪比約為15 dB，經(jīng)信號處理后可以得到此模擬目標(biāo)的方位角、距離和運動速度，將其與實際設(shè)定的方位角、距離和運動速度對比即可對雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行通道校準(zhǔn)，也可以進(jìn)一步檢驗雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。

圖4 二維距離多普勒譜圖

圖5 多普勒譜圖

6 結(jié)論

全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器采用基于FPGA的全數(shù)字處理與控制模式，不僅可以靈活地模擬目標(biāo)的距離信息，還能模擬目標(biāo)的運動速度，能很好地檢驗雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。它與雷達(dá)的同步效果很好，沒有引入其他頻率時鐘源，能較好地對接收通道進(jìn)行幅度和相位校準(zhǔn)，并且不需要知道雷達(dá)信號的波形參數(shù)，在一定程度上擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，增加了應(yīng)用的靈活性，并且將接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行存儲主要為最大限度地保證應(yīng)答器發(fā)射信號與原信號的相干性，從而能夠?qū)邮諜C(jī)通道的相位進(jìn)行校準(zhǔn)。

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