二維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)內(nèi)嵌式目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翟剛毅，姜小祥，劉溶，朱慶彬(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

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二維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)內(nèi)嵌式目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翟剛毅，姜小祥，劉溶，朱慶彬
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:論述了二維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)回波信號(hào)的一種模擬方法。介紹了雷達(dá)回波信號(hào)模型，給出了目標(biāo)各種航路的產(chǎn)生方法，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)嵌式目標(biāo)模擬器，能夠?qū)崟r(shí)產(chǎn)生和差波束回波信號(hào)輸入到雷達(dá)處理通道中，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)在不具備實(shí)際接收前端的情況下對(duì)雷達(dá)后級(jí)的調(diào)試，為雷達(dá)系統(tǒng)的性能驗(yàn)證提供有效的手段。

關(guān)鍵詞:二維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá);回波信號(hào)模型;內(nèi)嵌式目標(biāo)模擬器;和差波束

0　引言

雷達(dá)目標(biāo)模擬器通過(guò)模擬的方法產(chǎn)生目標(biāo)回波信號(hào)，在雷達(dá)系統(tǒng)不具備實(shí)際接收前端的情況下為雷達(dá)后級(jí)提供回波信號(hào)，以便對(duì)雷達(dá)后級(jí)進(jìn)行調(diào)試。這為雷達(dá)系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證節(jié)省了大量的費(fèi)用，使得雷達(dá)系統(tǒng)的性能得到保證，成為雷達(dá)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、評(píng)估等各個(gè)方面的重要技術(shù)手段［1］。

二維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)方位上采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描和相位掃描相結(jié)合，俯仰上采用相位掃描，與四面陣相控陣?yán)走_(dá)相比既具有掃描的靈活性又具有成本的經(jīng)濟(jì)性。但是，這也帶來(lái)了模擬器運(yùn)算速度、實(shí)時(shí)性等設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

本文描述的雷達(dá)目標(biāo)模擬器是嵌入在雷達(dá)處理機(jī)柜中，與雷達(dá)的波束調(diào)度和波控緊密結(jié)合，在雷達(dá)系統(tǒng)不具備接收前端的情況下為后級(jí)算法測(cè)試驗(yàn)證提供回波信號(hào)。

1　目標(biāo)模擬原理

1.1運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)

雷達(dá)發(fā)射波形st(t)為線性調(diào)頻矩形脈沖信號(hào)，可表示為［3］

式中，B為信號(hào)帶寬，T為脈沖寬度，f0為載波頻率。則在距目標(biāo)距離為R、徑向速度為vr的點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)可表示為［3］

其中為信號(hào)幅度，G為天線增益，λ為波長(zhǎng)，γ為復(fù)反射系數(shù);τ=2R c為目標(biāo)的雙程延遲時(shí)間表示多普勒頻移，當(dāng)目標(biāo)飛向雷達(dá)站，多普勒頻率為正值。

可見(jiàn)，點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)可近似表示為發(fā)射信號(hào)的延遲，在振幅上乘以一個(gè)比例因子K，在頻率上有多普勒頻移。

1.2和差通道信號(hào)

角度測(cè)量是相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)任務(wù)［2］。相控陣的和差測(cè)角可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)向和跟蹤，其中比幅和差測(cè)角［4］應(yīng)用最為廣泛。比幅和差波束采用兩個(gè)相同且彼此部分重疊的波束，通過(guò)比較兩個(gè)波束回波的強(qiáng)弱判斷目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的方向。

圖1　波束

設(shè)天線方向性函數(shù)為F(θ)，圖1中等信號(hào)軸OA的指向?yàn)棣?，θt為目標(biāo)偏離等信號(hào)軸θ0的角度，則和差幅度比值可近似為［4］

從式(3)可以看出，差和幅度比正比于目標(biāo)偏角。工程上，在目標(biāo)測(cè)角和跟蹤時(shí)，通過(guò)查表法，由和差比值r可以得到偏角大小，從而得到目標(biāo)方向。模擬器在模擬和差通道數(shù)據(jù)時(shí)同樣根據(jù)目標(biāo)方向、偏角大小逆向查表可得到和差比r，和波束數(shù)據(jù)乘以比值r即可得到差波束數(shù)據(jù)。由于該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快，在工程上有廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，若要在硬件上實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)，必須先求得回波的參數(shù):時(shí)延τ、目標(biāo)的多普勒頻率fd、幅度系數(shù)K以及和差比r。

1.2目標(biāo)航跡仿真

根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將整個(gè)航跡分段考慮為直線機(jī)動(dòng)段、水平面內(nèi)的圓弧機(jī)動(dòng)段和垂直面內(nèi)的圓弧機(jī)動(dòng)段，再將各段端點(diǎn)進(jìn)行切線連接，形成光滑的航跡。用直線運(yùn)動(dòng)模擬目標(biāo)直線飛行，用水平圓周運(yùn)動(dòng)模擬目標(biāo)水平機(jī)動(dòng)，用垂直圓周運(yùn)動(dòng)模擬垂直機(jī)動(dòng)。模擬100批次目標(biāo)，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)見(jiàn)圖2、圖3，其中空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)20批，海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)20批，固定目標(biāo)60批。圖3中星狀目標(biāo)是固定目標(biāo)。

圖2　空目標(biāo)航跡圖

圖3　海目標(biāo)航跡圖

2　模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)計(jì)方案

目標(biāo)模擬器分為兩個(gè)部分:目標(biāo)航跡產(chǎn)生和回波數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如圖4所示。PowerPC處理器產(chǎn)生目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號(hào)產(chǎn)生。PowerPC采用vxworks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持浮點(diǎn)運(yùn)算和多任務(wù)運(yùn)行，適合目標(biāo)航跡運(yùn)算。FPGA實(shí)現(xiàn)的延時(shí)模塊可以滿(mǎn)足模擬器的距離誤差要求。FPGA根據(jù)信號(hào)類(lèi)型、脈寬、重復(fù)周期、帶寬等參數(shù)產(chǎn)生I、Q信號(hào)，利用FPGA的DDS核實(shí)現(xiàn)數(shù)字多普勒調(diào)制，形成正交雙路多普勒數(shù)據(jù)。FPGA內(nèi)部可配置BLOCK RAM可存儲(chǔ)目標(biāo)參數(shù)。FPGA具有并行處理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)地產(chǎn)生雷達(dá)多批目標(biāo)回波信號(hào)。該方案充分發(fā)揮軟件編程控制靈活和FPGA執(zhí)行硬件時(shí)序快速高效的特點(diǎn)，滿(mǎn)足了雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際工程需求。

圖4　模擬器框圖

2.2工作過(guò)程

系統(tǒng)工作時(shí)，模擬器接收雷達(dá)控制分系統(tǒng)工作方式、波束指向(方位、俯仰)等數(shù)據(jù)。模擬器首先判斷雷達(dá)工作方式，搜索方式下產(chǎn)生和波束數(shù)據(jù)，跟蹤方式下產(chǎn)生和差差數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)要求，模擬器需產(chǎn)生10個(gè)搜索波束數(shù)據(jù)以及一個(gè)跟蹤波束數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)確定工作方式后判斷天線方位，PowerPC在正北方向更新下一周期的目標(biāo)航跡參數(shù)(時(shí)延、多普勒頻率以及幅度)，并發(fā)送至FPGA的blockRAM中。FPGA直接從blockRAM中獲取目標(biāo)參數(shù)與雷達(dá)控制系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的波束指向信息(方位、俯仰)進(jìn)行匹配，并判斷是否有目標(biāo)落在該波束指向區(qū)域內(nèi);如果有，則根據(jù)該目標(biāo)距離延時(shí)、多普勒速度、回波的幅值產(chǎn)生和通道的I、Q數(shù)據(jù)。

跟蹤工作方式下，在產(chǎn)生和通道數(shù)據(jù)的同時(shí)，根據(jù)目標(biāo)方向、偏角大小查表可得到方位上和差比值rA;根據(jù)目標(biāo)仰角、偏角大小查表可得到俯仰上和差比值rE。和通道數(shù)據(jù)乘以rA和rE即可得到方位差和仰角差通道數(shù)據(jù)。

2.3目標(biāo)航跡產(chǎn)生

通過(guò)Matlab仿真模擬多個(gè)目標(biāo)的航跡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入文件。目標(biāo)模擬器開(kāi)機(jī)時(shí)，將目標(biāo)航跡信息讀入PowerPC內(nèi)存中。

系統(tǒng)上電后，PowerPC判斷伺服方位，只要天線到達(dá)正北位置，PowerPC會(huì)自動(dòng)更新下一周期的目標(biāo)航跡，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA。

2.4回波數(shù)據(jù)產(chǎn)生

目標(biāo)回波產(chǎn)生由FPGA接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。FPGA接收雷達(dá)控制分系統(tǒng)發(fā)送的工作方式、波束參數(shù)以及伺服等數(shù)據(jù)，同時(shí)接收PPC發(fā)送來(lái)的目標(biāo)航跡，存入block RAM中。

根據(jù)block RAM中目標(biāo)航跡參數(shù)，結(jié)合雷達(dá)工作方式、波束指向，判斷該波束的指向信息與目標(biāo)的方位、仰角是否匹配，如一致則根據(jù)目標(biāo)的參數(shù)產(chǎn)生回波數(shù)據(jù)。

FPGA將根據(jù)目標(biāo)的距離延時(shí)、幅度、多普勒速度，結(jié)合帶寬B、脈寬T、重復(fù)周期PRT等參數(shù)產(chǎn)生I、Q數(shù)據(jù)。當(dāng)波束指向內(nèi)只有一個(gè)目標(biāo)時(shí)，則當(dāng)主觸發(fā)到來(lái)時(shí)啟動(dòng)目標(biāo)延時(shí)計(jì)數(shù)器、脈沖重復(fù)周期計(jì)數(shù)器。當(dāng)延時(shí)計(jì)數(shù)器滿(mǎn)時(shí)，啟動(dòng)DDS產(chǎn)生I、Q數(shù)據(jù)。DDS的初相由多普勒頻率和距離決定，同時(shí)啟動(dòng)脈沖寬度計(jì)數(shù)器，當(dāng)脈寬計(jì)數(shù)器滿(mǎn)的時(shí)候停止DDS，當(dāng)脈沖重復(fù)周期PRT計(jì)數(shù)器滿(mǎn)時(shí)即可產(chǎn)生一個(gè)PRT的I、Q信號(hào)。復(fù)位各個(gè)計(jì)數(shù)器，進(jìn)行下一個(gè)PRT的數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

如存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的目標(biāo)，尤其是目標(biāo)交匯的特殊情況，則需要多個(gè)數(shù)據(jù)通道。每個(gè)通道分別產(chǎn)生每個(gè)目標(biāo)的I、Q數(shù)據(jù)，再將各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。

2.5數(shù)據(jù)傳輸

FPGA接口模塊產(chǎn)生回波信號(hào)的同時(shí)還負(fù)責(zé)與其他分系統(tǒng)的通訊。FPGA接口模塊與控制分系統(tǒng)、信號(hào)處理機(jī)之間以及模擬器內(nèi)部PowerPC采用自定義的RocketIO進(jìn)行光纖通信。線速均為3.125 Gps，協(xié)議格式為SOF +數(shù)據(jù)/空閑碼+ EOF，RocketIO K碼格式如表1。

表1　RocketIO K碼格式

3　結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)以PowerPC和FPGA為核心器件，具有小型化、性能可靠、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊及設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)。本目標(biāo)模擬器實(shí)現(xiàn)了對(duì)相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)回波信號(hào)的模擬，能夠滿(mǎn)足二維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理、數(shù)

據(jù)處理以及整機(jī)工作方式等調(diào)試、測(cè)試和檢驗(yàn)需求。

參考文獻(xiàn):

［1］劉寶光.機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)模擬與系統(tǒng)仿真技術(shù)研究［D］.南京航空航天大學(xué)學(xué)位論文，2011.

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

［3］徐安林.在線注入式相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文，2009.

［4］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.3版.西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

Design and realization of an embedded target simulator for 2D rotating phased array radar

ZHAI Gang-yi，JIANG Xiao-xiang，LIU Rong，ZHU Qing-bin(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:A method of simulating radar echo signals is discussed for the 2D rotating phased array radar.The echo signal model is introduced，and the method of generating target tracks is given.An embedded target simulator designed can generate the sum and difference beams in real-time and input them in the processing channel，and that makes it possible to test the radar system with no actual receiving front-end involved，which provides an effective means for the performance evaluation of radar system.

Keywords:2D rotating phased array radar; echo signal model; embedded target simulator; sum and difference beams

作者簡(jiǎn)介:翟剛毅(1978-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信息處理;姜小祥(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信息處理;劉溶(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理;朱慶彬(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。

收稿日期:2014-12-28;修回日期:2015-01-08

文章編號(hào):1009－0401(2015)01－0039－03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):TN958.92