基于寬帶DRFM的雷達(dá)面目標(biāo)回波模擬技術(shù)*

肖漢波,張長(zhǎng)青

(1.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽(yáng)621900; 2.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司,北京100192)

基于寬帶DRFM的雷達(dá)面目標(biāo)回波模擬技術(shù)*

肖漢波1,**,張長(zhǎng)青2

(1.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽(yáng)621900; 2.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司,北京100192)

針對(duì)跳頻雷達(dá)高度表大地面目標(biāo)回波信號(hào)的模擬,提出了一種基于寬帶數(shù)字射頻存儲(chǔ)(DRFM)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案。首先介紹了1.2 GHz帶寬、3 GHz采樣的寬帶DRFM組件硬件平臺(tái),然后重點(diǎn)敘述了基于DRFM技術(shù)的雷達(dá)高度表大地面目標(biāo)回波模擬的算法設(shè)計(jì)方案,通過(guò)采用多路并行處理、多相濾波、正交調(diào)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字下變頻、目標(biāo)回波特征調(diào)制、數(shù)字上變頻等關(guān)鍵算法,最后給出了算法仿真和硬件調(diào)試結(jié)果,驗(yàn)證了算法的正確性和有效性。該方案已成功應(yīng)用到某寬帶跳頻雷達(dá)高度表大地面目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

寬帶跳頻雷達(dá);雷達(dá)高度表;面目標(biāo);回波模擬;數(shù)字射頻存儲(chǔ);多相濾波;多路并行處理

1 引 言

數(shù)字射頻存儲(chǔ)(Digital Radio Frequency Memory,DRFM)技術(shù)通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行量化、存儲(chǔ)、調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā),可保留雷達(dá)信號(hào)的相參性,而且數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用使得DRFM模擬雷達(dá)信號(hào)特征更精確、參數(shù)設(shè)置更靈活,因此,DRFM已經(jīng)成為雷達(dá)回波模擬和電子對(duì)抗的一個(gè)重要技術(shù)手段。文獻(xiàn)[1-3]給出了采用DRFM技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電高度表和雷達(dá)目標(biāo)模擬的設(shè)計(jì)方法,但是模擬雷達(dá)信號(hào)帶寬都只有MHz級(jí)。文獻(xiàn)[4]介紹了雷達(dá)目標(biāo)回波模擬的各種仿真模型和實(shí)現(xiàn)方法,文獻(xiàn)[5-6]給出了無(wú)線電引信回波模擬技術(shù),文獻(xiàn)[7]給出了一種具有地面起伏特征的三維場(chǎng)景回波模擬方法,文獻(xiàn)[8]介紹了基于實(shí)采數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波模擬過(guò)程。隨著雷達(dá)和電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶跳頻雷達(dá)、捷變頻雷達(dá)、寬帶成像雷達(dá)的回波模擬和欺騙干擾,DRFM組件帶寬需求越來(lái)越大,采樣率越來(lái)越高,有的甚至高達(dá)GHz級(jí),此時(shí)如何對(duì)GHz級(jí)的高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜目標(biāo)特征調(diào)制就成為了寬帶跳頻雷達(dá)回波模擬的一大難點(diǎn)。

本文給出了一種采用寬帶DRFM組件實(shí)現(xiàn)跳頻雷達(dá)高度表大地面目標(biāo)回波信號(hào)模擬的設(shè)計(jì)方法,DRFM組件的帶寬為1.2 GHz,系統(tǒng)采樣率高達(dá)3 GHz,通過(guò)采用多路并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大地面目標(biāo)回波模擬算法,解決了高速ADC、高速DAC與FPGA處理速度之間的矛盾。整個(gè)算法在XILINX FPGA中得到實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)仿真和硬件調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證了地面回波模擬算法的正確性和有效性。

2 硬件概述

為實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶跳頻雷達(dá)的目標(biāo)回波模擬,本文設(shè)計(jì)的DRFM硬件平臺(tái)瞬時(shí)帶寬高達(dá)1.2 GHz以滿足捷變頻雷達(dá)跳頻帶寬1 GHz的要求,系統(tǒng)采樣率為3 GHz。圖1為1.2 GHz帶寬DRFM組件的原理框圖。

圖1 寬帶DRFM組件原理框圖Fig.1 Block diagram of wideband DRFM

整個(gè)DRFM組件主要由高速ADC、高速DAC、高性能FPGA、QDR存儲(chǔ)器等器件構(gòu)成,高速ADC和高速DAC器件的采樣率為3 GHz。高性能FPGA是DRFM組件的核心,主要實(shí)現(xiàn)串并變換、QDR存儲(chǔ)器控制、目標(biāo)回波模擬算法、并串變換等功能。

3 算法描述和實(shí)現(xiàn)

3.1 大地面目標(biāo)回波

大地面目標(biāo)回波是雷達(dá)高度表天線照射波束內(nèi)所有散射點(diǎn)回波信號(hào)的疊加,該回波信號(hào)sr(t)可表示為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)p( t)與地面響應(yīng)函數(shù)h( t)的卷積,即

式中,系統(tǒng)函數(shù)h( t)包含了天線波束照射范圍內(nèi)所有散射點(diǎn)回波的延遲、散射系數(shù)以及多普勒頻率等信息,它可表示為

式中,m、n為仿真散射點(diǎn)編號(hào),φm,n為散射點(diǎn)隨機(jī)相位,Am,n表示散射點(diǎn)回波信號(hào)幅度(根據(jù)雷達(dá)方程,它與雷達(dá)高度表發(fā)射功率Pt、天線增益、散射點(diǎn)距離以及散射點(diǎn)的散射截面積等因素有關(guān)),Rm,n為各個(gè)散射點(diǎn)到雷達(dá)的距離,τm,n是不同散射點(diǎn)回波延遲,λ為雷達(dá)載波的波長(zhǎng),C為光速。

為便于計(jì)算,可將雷達(dá)天線波束照射區(qū)劃分成多個(gè)距離波門,每個(gè)距離波門內(nèi)包含多個(gè)散射點(diǎn),同一距離波門內(nèi)散射點(diǎn)信息(包括幅度及相位等)可進(jìn)行疊加后再與雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行卷積,因此大地回波系統(tǒng)函數(shù)可表示為

式中,hi()t為處于第i個(gè)距離波門內(nèi)所有散射點(diǎn)調(diào)制信息(包括幅度及相位等)的累加,τi為第i個(gè)距離波門延遲,p、q為第i個(gè)距離波門內(nèi)散射點(diǎn)編號(hào), φp,q為散射點(diǎn)隨機(jī)相位,Ap,q表示散射點(diǎn)回波信號(hào)幅度,Rp,q為第i個(gè)距離波門內(nèi)各個(gè)散射點(diǎn)到雷達(dá)的距離,τp,q是各散射點(diǎn)回波延遲,Δτ為距離波門寬度,C為光速。

3.2 地面網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行大地面目標(biāo)回波仿真時(shí),必須先對(duì)雷達(dá)高度表天線波束照射范圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分,每個(gè)網(wǎng)格按照獨(dú)立散射點(diǎn)進(jìn)行回波信息計(jì)算,最后對(duì)不同散射點(diǎn)回波累加后得到雷達(dá)高度表回波信號(hào)。通常采用兩種方法進(jìn)行地面網(wǎng)格劃分,一種是按照等距離門和等速度門進(jìn)行劃分,一種是按照矩形網(wǎng)格進(jìn)行地面劃分,如圖2所示。

圖2 地面網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid partition of ground surface

等距線等速線網(wǎng)格劃分的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)格劃分間隔依據(jù)雷達(dá)高度表分辨率進(jìn)行,使得仿真中的計(jì)算量降低。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在一是只適于平整地面仿真,二是忽略了高度表位置的移動(dòng),適合對(duì)一個(gè)處理幀內(nèi)回波信息的計(jì)算。

地面矩形網(wǎng)格劃分方法是將地面劃分為多個(gè)面積相同的正方形網(wǎng)格。這種劃分方法的缺點(diǎn)在于計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)比較多,計(jì)算量增大。其優(yōu)點(diǎn)是可適用于地形起伏的面目標(biāo)回波仿真,同時(shí)也便于在高度表運(yùn)動(dòng)的連續(xù)仿真中使用。本文采用的距離波門劃分方法實(shí)際上就是一種矩形網(wǎng)格法,通過(guò)將處于同一距離波門的矩形網(wǎng)格散射點(diǎn)信息疊加后再和雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行卷積可以減少計(jì)算量。

3.3 算法建模

本設(shè)計(jì)綜合考慮了大地面目標(biāo)回波模擬算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和仿真逼真度兩者的折衷,將雷達(dá)天線波束照射區(qū)劃分成64個(gè)距離波門,每個(gè)距離門內(nèi)最多有16個(gè)散射點(diǎn),故最多可以仿真64×16=1024個(gè)散射點(diǎn)。大地面目標(biāo)回波可看成64個(gè)距離門信息的疊加,每個(gè)距離門具有獨(dú)立的幅度、相位和速度,再分別對(duì)輸入雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)相和多普勒調(diào)制。

基于地面網(wǎng)格劃分的多散射點(diǎn)回波模擬算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 大地面目標(biāo)回波模擬框圖Fig.3 Block diagram of echo simulation of ground surface

對(duì)于帶寬1.2 GHz的寬帶DRFM組件,由于ADC和DAC采樣率高達(dá)3 GHz,而一般FPGA處理速度最高僅為幾百M(fèi)Hz,因此,要解決高速ADC、高速DAC和FPGA之間處理速度的矛盾,必須在FPGA內(nèi)部采用多路并行處理技術(shù)。本文采用了16路并行處理,將ADC輸出的3 GHz、10 b高速數(shù)據(jù)降低為16路、187.5 MHz、10 b的并行數(shù)據(jù)。

下面對(duì)圖3中的關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行描述。

3.3.1 數(shù)字下變頻(DDC)

數(shù)字下變頻基本原理如圖4所示。

圖4 數(shù)字下變頻原理圖Fig.4 Principle of digital down conversion

頻率變換是一種常用的數(shù)字信號(hào)處理算法,對(duì)于1/4信號(hào)采樣率頻率變換,本文采用了一種免乘法器的混頻方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先,原始信號(hào)x(n)進(jìn)入FPGA后,得到16路數(shù)據(jù),分別用d0,d1,d2,d3,d4,d5,…,d15表示。然后,對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行下變頻。

由于采樣率fs=3 GHz,本振頻率fc滿足的關(guān)系,而

則混頻后輸出結(jié)果為

式中,d表示輸入的16路數(shù)據(jù)d0,d1,d2,d3,d4,d5,…,d15,混頻后由于有部分?jǐn)?shù)據(jù)為零,簡(jiǎn)化后分別得到8路I數(shù)據(jù)和8路Q數(shù)據(jù)。

3.3.2 多普勒調(diào)制

多普勒調(diào)制需要產(chǎn)生兩路正交的多普勒序列,通過(guò)調(diào)用XILINX IP CORE中的DDS模塊就能產(chǎn)生頻率可控的正、余弦信號(hào),取DDS輸出頻率為多普勒頻率。

頻率控制字fsw與輸出多普勒信號(hào)頻率fout和參考頻率fc之間的關(guān)系為

DDS的頻率分辨率為Δfout=fc/2N。本設(shè)計(jì)fc= 3 GHz,N=32,則DDS的頻率分辨率為0.7 Hz,滿足最小分辨率為1 Hz的要求。

多普勒調(diào)制就是將DDS輸出的正、余弦信號(hào)與數(shù)字下變頻后的正交數(shù)據(jù)(Iin、Qin)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算,得到兩路輸出數(shù)據(jù)(Iout、Qout),如下式所示:

將DDS產(chǎn)生的多普勒序列和輸入的8路I、Q數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)乘,就可得到疊加了多普勒的調(diào)制信號(hào),經(jīng)多普勒調(diào)制處理后輸出信號(hào)數(shù)據(jù)率不變。

3.3.3 數(shù)字上變頻(DUC)

數(shù)字上變頻主要包括內(nèi)插濾波和上混頻操作。由于整數(shù)倍內(nèi)插處理會(huì)帶來(lái)不需要的鏡像頻率,因此必須對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波。

上變頻混頻算法可以采用和下變頻類似的免乘法器的混頻方法,當(dāng)采樣率fs和本振頻率fc滿足fc的關(guān)系時(shí),混頻計(jì)算可以簡(jiǎn)化處理。

3.3.4 多相濾波

數(shù)字下變頻中的抽取濾波和數(shù)字上變頻的插值濾波均為FIR低通濾波器,因ADC輸出數(shù)字信號(hào)速率高達(dá)3 Gb/s,故必須采用多路并行處理方式,濾波器采用多相濾波結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)中,ADC采樣率為3 GHz,FPGA內(nèi)部為16路并行處理,單路數(shù)據(jù)率為187.5 Mb/s。FIR低通濾波器采用多相濾波結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 單路實(shí)現(xiàn)的多相濾波結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of poly-phased filtering of one channel

3.3.5 不同距離門目標(biāo)回波信息調(diào)制

實(shí)現(xiàn)64個(gè)不同距離門的回波信息調(diào)制,將參與64點(diǎn)操作的數(shù)據(jù)完全獨(dú)立運(yùn)算,分別在數(shù)據(jù)速率為16 b×8×1.5 GHz(I、Q各8路,每路速率為1.5 GHz)的每點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)延遲和信息調(diào)制,由于每一路的采樣率為1.5 GHz,因此每個(gè)距離門距離調(diào)節(jié)可以達(dá)到0.1 m,而且設(shè)置靈活,然后將延時(shí)后的數(shù)據(jù)經(jīng)復(fù)數(shù)乘法模塊累加,最后將累加結(jié)果輸出。實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 64個(gè)距離門目標(biāo)信息調(diào)制框圖Fig.6 Block diagram of target information modulation of 64 distance gates

4 算法仿真和實(shí)現(xiàn)結(jié)果

4.1 基于SYSTEM GENERATOR的算法建模和仿真

SYSTEM GENERATOR是XILINX公司開發(fā)的MATLAB/Simulink環(huán)境下的一個(gè)工具箱,在用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)時(shí),使用SYSTEM GENERATOR可在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的抽象算法,并在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行算法功能仿真,而且自動(dòng)生成硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)所需的硬件描述語(yǔ)言代碼,然后在XILINX的ISE軟件中進(jìn)行仿真、綜合、布局布線、生成目標(biāo)代碼,最終完成算法的硬件實(shí)現(xiàn)。

與傳統(tǒng)的手寫VHDL程序進(jìn)行FPGA開發(fā)方法相比,使用SYSTEM GENERATOR具有三個(gè)主要的優(yōu)勢(shì):第一,圖形化操作,簡(jiǎn)單易用;第二,實(shí)現(xiàn)的算法能確保與仿真結(jié)果相符;第三,無(wú)需為仿真和實(shí)現(xiàn)建立不同的模型。

本文采用SYSTEM GENERATOR軟件在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)寬帶雷達(dá)大地面目標(biāo)回波模擬算法進(jìn)行了建模和仿真,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 雷達(dá)面目標(biāo)回波模擬算法仿真圖Fig.7 Simulation graphs of radar echo signal of surface target

圖7 中,(a)、(b)分別為仿真輸入雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖,周期為12 μs,脈寬為5 μs,頻率為1000 MHz;(c)、(d)分別為仿真輸出的大地面目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖。由圖可見,相比較輸入信號(hào)波形,輸出回波信號(hào)在時(shí)域上脈沖幅度具有起伏,在頻域上信號(hào)頻譜得到了展寬,反映了大地面目標(biāo)回波的起伏和展寬特性。

4.2 硬件實(shí)現(xiàn)和調(diào)試結(jié)果

整個(gè)算法在ISE軟件中經(jīng)過(guò)綜合、布局布線、目標(biāo)代碼生成等過(guò)程,最終用XILINX高性能FPGA芯片XC6VSX475T實(shí)現(xiàn),并下載到1.2 GHz帶寬DRFM組件上的FPGA進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)如下:首先由信號(hào)源產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射脈沖,頻率為1000 MHz,脈寬為5 μs,周期為12 μs,接到DRFM組件的輸入端;然后再將DRFM的輸出信號(hào)分別接到示波器和頻譜儀,觀察輸出大地面目標(biāo)回波模擬信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形圖,如圖8所示。從圖8可以看出DRFM組件輸出回波信號(hào)時(shí)域具有起伏,頻譜有了展寬,并且和圖7仿真結(jié)果類似,反映了雷達(dá)面目標(biāo)回波的起伏和展寬特性,驗(yàn)證了大地面目標(biāo)回波模擬算法的正確性。圖8和圖7輸出波形有所差異主要是因?yàn)閳D7在仿真時(shí)考慮了載體運(yùn)動(dòng)和不平坦地貌對(duì)回波的影響(脈沖幅度起伏不同),而圖8則是在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)做了簡(jiǎn)化處理,未考慮載體運(yùn)動(dòng)且針對(duì)的是平坦地貌輸出的結(jié)果。

圖8 大地面目標(biāo)回波信號(hào)時(shí)域和頻域波形圖Fig.8 Time domain and frequency domain waveforms of echo signal of ground surface

此外,為了進(jìn)一步評(píng)估大地回波模擬算法的有效性,本文還將硬件調(diào)試結(jié)果和某次外場(chǎng)試驗(yàn)中采集的脈沖體制雷達(dá)高度表在平坦地貌下的真實(shí)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì),兩者在時(shí)域和頻域波形上都是比較吻合的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了如何利用寬帶DRFM實(shí)現(xiàn)跳頻雷達(dá)高度表大地面目標(biāo)回波信號(hào)模擬的數(shù)字處理方法,通過(guò)采用多路并行處理、多相濾波、DDS、正交調(diào)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字下變頻、目標(biāo)特征調(diào)制、數(shù)字上變頻等算法,解決了高速ADC、高速DAC與FPGA處理速度之間的矛盾。設(shè)計(jì)中采用SYSTEM GENERATOR軟件完成了大地面目標(biāo)回波模擬算法的建模和仿真,最終用XILINX高性能FPGA芯片XC6VSX475T實(shí)現(xiàn),并給出了算法仿真和硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果。該算法已成功應(yīng)用于某帶寬跳頻雷達(dá)高度表大地面目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,解決了雷達(dá)面目標(biāo)回波信號(hào)的數(shù)字模擬問(wèn)題。

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XIAO Hanbo was born in Ji′an,Jiangxi Province,in 1975.He received the M.S.degree in 2000.He is now an associate researcher.His research concerns radar echo simulation and radar signal processing.

Email:xiaohanbo@tom.com

張長(zhǎng)青(1986—),男,河北滄州人,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

ZHANG Changqing was born in Cangzhou,Hebei Province, in 1986.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns radar signal processing.

Radar Surface Target Echo Simulation Technology Based on Wideband DRFM

XIAO Hanbo,ZHANG Changqing
(1.Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China; 2.Beijing Jingwei HiRain Technologies Co.,Ltd.,Beijing 100192,China)

For the simulation of frequency hopping(FH)radar altimeter′s echo signal of ground surface,an implemented solution based on wideband Digital Radio Frequency Memory(DRFM)is presented.First,the DRFM hardware platform with the bandwidth of 1.2 GHz and the sampling rate of 3 GHz is briefly introduced.Second,the design of algorithm for the simulation of radar altimeter′s echo signal of ground surface based on DRFM is focused on,and digital down conversion,modulation for the echo signal′s characteristics,digital up conversion are implemented by multi-channel parallel processing,poly-phased filtering and orthogonal modulation.Finally,the algorithmic simulation and the results of hardware debugging are shown,which verifies the correctness and validity of the algorithm.This solution has been utilized in the design of the system of wideband FH radar altimeter′s echo signal of ground surface.

wideband frequency hopping radar;radar altimeter;surface target;echo simulation;digital radio frequency memory;poly-phased filtering;multi-channel parallel processing

date:2015-04-20;Revised date:2015-07-10

**通訊作者:xiaohanbo@tom.com Corresponding author:xiaohanbo@tom.com

TN955

A

1001-893X(2015)12-1378-06

肖漢波(1975—),男,江西吉安人,2000年獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為副研究員,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)回波模擬、雷達(dá)信號(hào)處理等;

10.3969/j.issn.1001-893x.2015.12.012

肖漢波,張長(zhǎng)青.基于寬帶DRFM的雷達(dá)面目標(biāo)回波模擬技術(shù)[J].電訊技術(shù),2015,55(12):1378-1383.[XIAO Hanbo,ZHANG Changqing.Radar Surface Target Echo Simulation Technology Based on Wideband DRFM[J].Telecommunication Engineering,2015,55(12):1378-1383.]

2015-04-20;

2015-07-10