一種多通道調(diào)相回波信號模擬技術(shù)

王雄志， 高野軍， 黃 怡， 鄧若漢

(1.上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090； 2.上海目標(biāo)識別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心， 上海 200090； 3.北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076)

一種多通道調(diào)相回波信號模擬技術(shù)

王雄志1,2， 高野軍3， 黃 怡1,2， 鄧若漢1,2

(1.上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090； 2.上海目標(biāo)識別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心， 上海 200090； 3.北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076)

介紹了一種適用于PD引信的多通道調(diào)相回波信號模擬技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。針對引信比幅比相復(fù)合探測的特點，通過對引信載頻與DDS產(chǎn)生的帶有相位信息的多路中頻信號進(jìn)行上下變頻實現(xiàn)目標(biāo)回波的多普勒頻率和相位特性模擬。通過發(fā)射檢波同步處理方法和視頻延時實現(xiàn)目標(biāo)回波的距離延時模擬。通過四個獨立目標(biāo)回波輸出通道實現(xiàn)比幅比相的模擬，模擬系統(tǒng)用于引信目標(biāo)方位識別的功能測試。

引信； 目標(biāo)回波； 相位特性模擬； 方位識別

0 引言

PD引信(脈沖多普勒引信)是經(jīng)典的脈沖多普勒雷達(dá)探測原理應(yīng)用于導(dǎo)彈引爆系統(tǒng)的一種近程雷達(dá)[1-2]，是導(dǎo)彈的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一。新體制引信結(jié)合偽碼調(diào)相與旁瓣抑制的特性，具有良好的方位識別探測性能，其回波的相位特性是關(guān)鍵參數(shù)。因此，在采用室內(nèi)點目標(biāo)閉環(huán)模擬測試方法驗證引信目標(biāo)方位識別功能時[3]，回波模擬系統(tǒng)需要模擬多通道幅度、相位獨立可調(diào)的目標(biāo)回波信號。

針對該引信目標(biāo)回波的模擬系統(tǒng)設(shè)計的難點，本文提出一種數(shù)字化調(diào)制方法，主要解決多路目標(biāo)回波信號的幅度、延時、相位等問題。該方法通過高速數(shù)字電路控制DDS調(diào)節(jié)頻率和相位[4-5]，并與具有偽碼調(diào)相的引信載頻進(jìn)行上下變頻，模擬彈目相對速度和目標(biāo)方位。用引信發(fā)射經(jīng)視頻同步提取和動態(tài)數(shù)控延時回放的方法，模擬彈目相對距離。通過控制多路并行數(shù)控衰減器衰減量的變化, 模擬彈目交會時回波強(qiáng)度及彈目交會時間。

1 多通道調(diào)相回波信號模擬系統(tǒng)

1.1 工作原理

將目標(biāo)看作是點目標(biāo)時，引信回波信號是點目標(biāo)反射信號，包括彈目相對速度、距離等信息等。因此目標(biāo)反射信號表示為

(1)

式中：k為包括目標(biāo)雷達(dá)截面(RCS)、發(fā)射功率和雷達(dá)距離因子在內(nèi)的加權(quán)系數(shù)；τ為電磁波從引信到目標(biāo)的往返延時；Pτ0為寬度為τ0，幅度為1，重復(fù)周期為T的脈沖；δ(t)為狄拉克函數(shù)；T為脈沖重復(fù)周期；N為脈沖個數(shù)；“*”為卷積算子符號。

考慮目標(biāo)與引信的相對運動，式(1)可寫為

f(t)=kcos(ω+ωD+φ)t

(2)

式中：ωD為目標(biāo)與引信的相對運動形成的多普勒角頻率；φ為目標(biāo)與引信的相對位置形成的相位。多普勒角頻率與引信彈目相對速度有關(guān),相位與引信彈目相對距離有關(guān)。

目標(biāo)回波信號模擬系統(tǒng)是引信測試系統(tǒng)的重要組成部分，用于提供引信在彈目交會時的射頻回波激勵信號。根據(jù)式(2)，回波信號模擬與被測引信相關(guān)性較大，由于引信基于無線電比相原理來確定目標(biāo)方位角信息，因此需要模擬雙通道目標(biāo)回波用于比相回波激勵信號，每通道回波模擬不僅要進(jìn)行速度和距離模擬，還需要進(jìn)行回波相位模擬。

被測引信具有偽碼調(diào)相特性，將偽碼調(diào)相的引信連續(xù)波載頻信號作為回波信號模擬的輸入信號，與DDS產(chǎn)生的中頻本振信號下變頻后再上變頻，變頻過程中加入固有的多普勒頻率、相位，用于相對速度和回波相位信息模擬。

原理框圖如圖1所示。引信載頻信號f0下變頻到中頻fI,1，DDS芯片產(chǎn)生中頻信號fI,2、fI,2+fD，然后通過下變頻器將fI,1、fI,2產(chǎn)生fI,1-fI,2信號。fI,1-fI,2信號與fI,2+fD再通過上變頻器產(chǎn)生fI,1+fD信號，然后進(jìn)一步上變頻至信號f0+fD，得到具有彈目多普勒頻率調(diào)制的有用信號。通過高速數(shù)字電路FPGA發(fā)送控制字給DDS，模擬彈目交會時多普勒實時變化，完成相對速度的模擬。

圖1 DDS應(yīng)用電路原理框圖

將引信發(fā)射信號檢波，得到同步的時域脈沖信號，如圖2所示，經(jīng)數(shù)控延遲機(jī)后驅(qū)動高速PIN開關(guān)對微波連續(xù)波的調(diào)制，實現(xiàn)精密延時控制和信號回放，用于距離模擬。

圖2 發(fā)射檢波同步提取電路原理框圖

針對比相測角引信的回波需求，僅僅模擬彈目相對速度和彈目相對距離信息是不夠的，還需模擬回波信號的相位信息。如圖3所示，射頻微波信號與中頻信號通過上下變頻調(diào)制多普勒頻率，由DDS產(chǎn)生兩路相位同步的信號，通過調(diào)節(jié)其中一路的初始相位，可以改變輸出的兩路微波信號的相位差，得到符合引信比相測角的雙路回波信號。

圖3 微波相位調(diào)制電路原理框圖

采用多通道DDS和多路并行延時電路的方法實現(xiàn)多通道獨立控制。以上具有所有目標(biāo)回波信息的模擬信號再經(jīng)過數(shù)控衰減得到多通道輸出信號。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

多通道調(diào)相回波信號模擬系統(tǒng)主要由射頻前端變頻模塊、DDS中頻、檢波延時模塊、高速PIN開關(guān)組合、衰減控制組合、DSP控制模塊和計算機(jī)組成，如圖4所示。

圖4 多通道調(diào)相回波信號模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

引信載頻信號與DDS進(jìn)行變頻，在此過程中，得到多路加入多普勒頻率調(diào)制信號的微波信號。引信發(fā)射信號經(jīng)檢波、延時后作為引信發(fā)射同步驅(qū)動視頻脈沖。射頻和視頻分別進(jìn)入高速PIN開關(guān)組合，調(diào)制后信號分多路輸出至衰減控制組合，得到4路目標(biāo)回波，其中兩路作為比幅測角模擬回波，另外兩路作為比相測角模擬回波。

計算機(jī)生成回波參數(shù)數(shù)據(jù)包，下傳到數(shù)字電路DSP控制系統(tǒng)實現(xiàn)對DDS產(chǎn)生的多普勒頻率、相位，檢波延時模塊的延時以及衰減組合的參數(shù)設(shè)定，完成引信回波信號模擬。

1.3 系統(tǒng)功能模塊

(1) 變頻模塊

由圖3可以看出，模擬信號主要是在引信載頻上做調(diào)制完成回波模擬，因此引信載頻連續(xù)波必須滿足兩個條件：

a) 一是具有偽碼調(diào)相特性的調(diào)制信號；

b) 二是載頻信號和引信發(fā)射機(jī)信號具有相關(guān)性。

變頻模塊需兩級變頻：第一級變頻，由載頻連續(xù)波(f0)與DDS產(chǎn)生的第一路中頻(fi)進(jìn)行下變頻，得到共用的微波連續(xù)波(f0-fi)，并將(f0-fi)信號濾波放大功分成多路(圖4中分成四路)；第二級變頻，將多路微波連續(xù)波信號再與對應(yīng)DDS中頻信號進(jìn)行上變頻，完成多普勒頻率調(diào)制。

經(jīng)混頻模塊后信號分成多路，因此需要考慮通道間的隔離度的影響。同時，需對DDS的初始相位進(jìn)行校準(zhǔn)。

(2) 高速PIN開關(guān)組合

高速PIN開關(guān)組合采用開關(guān)截取的方法，利用引信發(fā)射同步脈沖信號調(diào)制微波連續(xù)波信號，模擬引信發(fā)射的窄脈沖回波。

(3) 檢波延時模塊

檢波延時模塊將引信發(fā)射信號檢波，提取引信發(fā)射時序，經(jīng)放大整形后輸入CPLD，進(jìn)行邏輯組合處理，完成各種目標(biāo)特性的組合。然后經(jīng)過精密延時器、窄脈沖調(diào)制驅(qū)動電路后輸出給高速PIN開關(guān)，完成延時控制和窄脈沖調(diào)制功能。

(4) 衰減控制組合

衰減控制組合完成輸出通道分配以及回波信號強(qiáng)度控制功能。衰減控制組合采用大動態(tài)、低插損、高精度的溫補(bǔ)型數(shù)控PIN衰減器來實現(xiàn)。

(5) DSP控制模塊

DSP控制模塊接收目標(biāo)回波特征數(shù)據(jù)完成多普勒頻率、相位控制字、目標(biāo)特性選擇、延時控制、衰減控制等參數(shù)設(shè)定，并根據(jù)測試進(jìn)程完成特殊參數(shù)模型的模擬回放。

(6) 計算機(jī)

人機(jī)交互平臺，通過操作界面下傳回波參數(shù)數(shù)據(jù)包，完成回波模型的設(shè)置。

2 多通道調(diào)相回波信號模擬參數(shù)

2.1 回波相位編碼的相關(guān)性

由于引信與模擬系統(tǒng)間的傳播延遲以及模擬系統(tǒng)固有的傳輸延遲比模擬的最小距離延遲大得多，必然不能在同一個脈沖周期內(nèi)應(yīng)答回波[4]，采用延遲到下個周期后形成回波的方法來實施。由于確知引信發(fā)射的偽碼，引信發(fā)射偽碼序列產(chǎn)生相位超前于引信發(fā)射偽碼的偽碼信號，進(jìn)而調(diào)制引信載頻信號，再由發(fā)射同步檢波的脈沖序列延遲后可以保證回波相位編碼的一致。

2.2 通道間回波相位差

目標(biāo)回波模擬系統(tǒng)每個通道的相位受四個方面的影響：

a) 引信載頻輸入的初始相位變化；

b) 所有微波器件的固有相位變化；

c) 可調(diào)模塊的動態(tài)相位變化；

d) 外部連接電纜的相位變化。

它們對最終輸出的目標(biāo)回波信號的相位都有影響，進(jìn)而影響引信的測試。因此，必須提高系統(tǒng)相位穩(wěn)定度。針對引信載頻的初始相位、微波器件和外部連接電纜的固有初始相位，采取引信自校準(zhǔn)測試模式，即外接自校準(zhǔn)設(shè)備，對初始相位校零，將零偏相位記錄，并存儲在測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，需要測試時，可以將數(shù)據(jù)對應(yīng)寫入相位控制選項?？烧{(diào)模塊的動態(tài)相位變化控制需要進(jìn)行動態(tài)分析?？烧{(diào)部分為DDS直接相位調(diào)節(jié)和數(shù)控衰減變化引起的相位變化。

DDS芯片是調(diào)節(jié)相位的主要部分，本文選四通道同步時鐘的AD9959芯片。該芯片有四路帶10位DAC的DDS通道，最高取樣頻率為500 MSPS；大于65 dB的通道隔離度；32位頻率分辨率；14位相位失調(diào)分辨率；10位輸出幅度可縮放的分辨率；具有增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量的串行I/O口(SPI)。

AD9959內(nèi)置多器件同步功能，各通道可以獨立編程，非常適合用于多通道相位可調(diào)的多普勒產(chǎn)生器。針對DDS相位調(diào)節(jié)，采取相位模塊化相對標(biāo)校的方法控制，即由DDS產(chǎn)生一路基準(zhǔn)多普勒信號，利用內(nèi)部同步鎖相去掉初始相差，其他幾路與基準(zhǔn)路進(jìn)行相移，即得到所需的相位差。

對于衰減器動態(tài)衰減引起的相位變化，采用衰減與相位線性擬合關(guān)聯(lián)的方法控制。衰減器采用大動態(tài)、低插損、高精度的溫補(bǔ)型數(shù)控PIN衰減器，由12位二進(jìn)制碼進(jìn)行控制，動態(tài)范圍0～60 dB，精度為±1.0 dB，分辨率優(yōu)于0.1 dB。對于衰減的控制采用分段數(shù)組線性曲線擬合的方法。即將衰減分為若干區(qū)段，區(qū)段內(nèi)用兩點直線擬合。用該方法同樣可以將相位變化隨著衰減的變化進(jìn)行線性曲線擬合，由DSP同時控制，這樣使相位隨衰減的誤差變化減到最小。

2.3 回波延時及發(fā)射時序

回波延時采用視頻延時方法，發(fā)射時序則采用檢波后邏輯組合的方法實現(xiàn)。兩者結(jié)合適用于脈沖體制、脈沖多普勒體制、偽隨機(jī)碼脈沖多普勒體制等無線電引信，應(yīng)用于無線電引信綜合測試。視頻延時電路，相對微波延時電路簡單，容易實現(xiàn)，可以實現(xiàn)延時隨時間變化，即可模擬彈目交會時導(dǎo)彈由遠(yuǎn)到近快速接近目標(biāo)的距離動態(tài)變化過程。引信發(fā)射微波脈沖檢波經(jīng)組合邏輯電路后，經(jīng)過可控延時后調(diào)制引信載頻，將微波延遲轉(zhuǎn)化為視頻脈沖延時，大大簡化了電路設(shè)計。

在高速和超高速數(shù)字電路中，DTL、TTL、HTL和CMOS等集成電路都難以滿足應(yīng)用要求，而ECL電路提供了解決問題的途徑。ECL電路具有速度快、邏輯性強(qiáng)、扇出能力高、噪聲低、引線串?dāng)_小和自帶基準(zhǔn)源等優(yōu)點，因此能提供納秒開關(guān)時間的實用電路?；贓CL電路原理，目前廣泛應(yīng)用于高性能數(shù)字電路和系統(tǒng)中的可編程精密延遲器件有DS1023系列，可以配置為數(shù)控延時線或脈沖寬度調(diào)制器。采用多片DS1023級聯(lián)使用，分別對每片進(jìn)行獨立配置，用于完成精密回波延遲與回波脈寬的參數(shù)控制。

3 結(jié)論

本文介紹了一種應(yīng)用于引信方位識別測試的多通道調(diào)相回波模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，分析了回波模擬原理，設(shè)計了整個模擬系統(tǒng)框架，提供了在引信方位識別功能測試中針對比相測角的一種數(shù)字回波相位差調(diào)節(jié)控制方案和相位校準(zhǔn)方法，并對引信目標(biāo)信號模擬過程中遇到的發(fā)射相干載波提取、偽碼相關(guān)性、高精度回波延時等技術(shù)問題的解決方法做了簡要介紹。

[1] 雷達(dá)系統(tǒng)編寫組.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社， 1980：28-35.

[2] M. M. 柯甘(著)，華恭，興華(譯).雷達(dá)引信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社, 1980：90-96.

[3] 梁棠文. 防空導(dǎo)彈引信設(shè)計及仿真技術(shù)[M]. 北京: 宇航出版社, 2000：75-78.

[4] 王濤. 偽碼調(diào)相PD引信體目標(biāo)模擬系統(tǒng)設(shè)計[J]. 制導(dǎo)與引信， 2003, 24(2)： 13-17.

[5] 楊俊嶺, 李綱. DDS 芯片及其在雷達(dá)回波生成系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá), 2003, 25(8): 47-50.

The Echo Signal Simulation Technology of the Multi-channel Phase Modulation

WANGXiong-zhi1,2，GAOYe-jun3，HUANGYi1,2，DENGRuo-han1,2

(1.Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China; 2.Shanghai Target Identification and Environment Perception Engineering Technology Research Center, Shanghai 200090, China;3.Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China)

Introduces a kind of echo signal simulation technology by multi-channel phase modulation for PD fuze and application system. When fuze has compound detection by comparing amplitude and phase, achieves the Doppler frequency and phase characteristics of target echo simulation through up and down converter by converting DDS with phase information of multiple intermediate frequency signal to fuse carrier frequency, realizes range characteristis of target echo simulation by transmitting the detection synchronous processing method and video delay, simulates the target echo amplitude and phase comparing by four independent output channels for functional test for fuze target position recognition.

fuze; target echo; phase characteristic simulation; position recognition

1671-0576(2016)04-0017-05

TJ430.6

A

2016-07-20

王雄志(1982-)，男，工程師，主要從事仿真與自動化測試技術(shù)研究。