低成本多通道注入式雷達(dá)信號(hào)模擬源設(shè)計(jì)方法*

吳　宇　顧村鋒　趙學(xué)州

(1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室　上?！?01109)

(2.上海機(jī)電工程研究所　上?！?01109)(3.上海無線電設(shè)備研究所　上?！?00090)

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低成本多通道注入式雷達(dá)信號(hào)模擬源設(shè)計(jì)方法*

吳宇1顧村鋒2趙學(xué)州3

(1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室上海201109)

(2.上海機(jī)電工程研究所上海201109)(3.上海無線電設(shè)備研究所上海200090)

摘要針對(duì)傳統(tǒng)多通道注入式制導(dǎo)控制系統(tǒng)中,雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,通道可擴(kuò)展性差等特點(diǎn),基于數(shù)字技術(shù),提出了多通道數(shù)字端生成與控制并合成,最后變頻至射頻段輸出最終和差信號(hào)的方式,簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),縮小系統(tǒng)體積、提高通道擴(kuò)展能力,降低系統(tǒng)成本。

關(guān)鍵詞注入式仿真; 多通道; 低成本

Low Cost Design for Multichannel Radar Echo Source Imitator in Guidance & Control Injection Simulation System

WU Yu1GU Cunfeng2ZHAO Xuezhou3

(1. Navy Representative Office of Aerospace System in Shanghai, Shanghai201109)

(2. Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute, Shanghai201109)

(3. Shanghai Radio Equipment Institute, Shanghai200090)

AbstractFor the problems encountering in traditional multichannel radar echo source imitator of injection simulation systems, including complex structure, big size, poor extensibility and etc., a low cost design is presented in this paper. The proposed design is based on digital technology, in which multichannel echo signal is generated, controlled and combined in digital field, then upconverted to RF band for last sum-delta signal output. The proposed design shows it has simple hardware structure, small system size, better multichannel extensibility and low cost.

Key Wordsinjection simulation, multichannel, low cost

Class NumberTN955

1引言

尋的制導(dǎo)控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)作為制導(dǎo)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)手段,在型號(hào)研制中具有重要作用,當(dāng)前制導(dǎo)控制系統(tǒng)全彈道動(dòng)態(tài)仿真主要有數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真兩種方法。

數(shù)字仿真[1～2]通過建立全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,利用計(jì)算機(jī)來復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的工作過程,優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)修改方便,可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量仿真,便于制導(dǎo)控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)分析、精度統(tǒng)計(jì)和理論分析,缺點(diǎn)是仿真置信度稍差。

空饋半實(shí)物仿真[3～5]有輻射式和注入式[6～9]兩種,通過用實(shí)物取代相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,得到更準(zhǔn)確的信息,具有更高的可信度。輻射式半實(shí)物仿真系統(tǒng)需建設(shè)昂貴的暗室及轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng),試驗(yàn)過程中需耗費(fèi)大量的人力物力,通常作為靶試前的制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段,相比而言,動(dòng)態(tài)注入式仿真系統(tǒng)中射頻信號(hào)通過射頻電纜或波導(dǎo)直接注入至導(dǎo)引頭接收機(jī),無需建設(shè)暗室和飛行轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng),系統(tǒng)簡單,成本低,具有試驗(yàn)效費(fèi)比高、使用方便,可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),文獻(xiàn)[10]中給出了注入式制導(dǎo)控制仿真系統(tǒng)組成圖和單個(gè)通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)框圖,如圖1、圖2所示。

圖1　注入式制導(dǎo)控制仿真系統(tǒng)組成圖

圖2　單通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)框圖

在圖1中,注入式制導(dǎo)控制仿真系統(tǒng)中,通過雷達(dá)回波信號(hào)模擬器產(chǎn)生目標(biāo)回波模擬信號(hào)直接注入至導(dǎo)引頭接收機(jī),而在目標(biāo)回波產(chǎn)生過程中,基于比幅單脈沖原理,需要1路和,2路差總共3路信號(hào),圖2給出了單個(gè)通道雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)生成器功能框圖,將目標(biāo)回波模擬信號(hào)在射頻端直接功分為3路,分別對(duì)應(yīng)了和信號(hào)與差信號(hào),各路利用移相器和衰減器,控制信號(hào)的幅度和相位,動(dòng)態(tài)模擬目標(biāo)的理論距離和方位。該結(jié)構(gòu)在針對(duì)除包含單個(gè)目標(biāo)信號(hào)通道以外的多目標(biāo)信號(hào),以及復(fù)雜電磁環(huán)境模擬,包括干擾、雜波信號(hào)的模擬時(shí),必須擴(kuò)大系統(tǒng)通道數(shù),這從系統(tǒng)可擴(kuò)展性、成本、體積、功耗等角度均存在較大缺陷。

為此,本文在分析傳統(tǒng)多通道模擬源設(shè)計(jì)方式所存在缺陷的基礎(chǔ)上,基于數(shù)字技術(shù),提出多通道注入式雷達(dá)信號(hào)模擬源低成本設(shè)計(jì)方案,在給出系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式的同時(shí),分析該系統(tǒng)的低成本和實(shí)用化特點(diǎn),為注入式制導(dǎo)控制仿真系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

2雷達(dá)信號(hào)模擬源多通道設(shè)計(jì)

2.1傳統(tǒng)多通道模擬源設(shè)計(jì)方式

在圖2給出的單通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)框圖的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)多通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬源,其組成框圖如圖3所示,由N個(gè)單通道雷達(dá)信號(hào)模擬器組成,每個(gè)單通道雷達(dá)信號(hào)模擬器輸出和差3路信號(hào),各通道的和差信號(hào)分別由3組功率合成器合成最終3路和差路信號(hào)輸出。

圖3　傳統(tǒng)N通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)多通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)問題在于除控制計(jì)算機(jī)外,各通道均是獨(dú)立實(shí)現(xiàn),沒有復(fù)用模塊,隨著系統(tǒng)通道數(shù)的增加,包括回波信號(hào)生成器、功分器、移相器和衰減器在內(nèi)的各個(gè)組件均是N-1倍增加,由于各個(gè)組件均為微波元件,體積龐大的同時(shí),硬件成本也是隨著通道數(shù)的增加,成倍增加。

同時(shí),隨著通道數(shù)增加,末端總的3路功率合成器單元也會(huì)變得體積龐大,結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。若以使用2合1的功率合成器為例,2個(gè)回波通道合成一個(gè)和路信號(hào)只要1個(gè)功率功率合成器,3個(gè)回波通道就需要2個(gè),以此類推N個(gè)通道單單輸出1和路信號(hào)就需要N-1功率合成器,再加上2個(gè)差路信號(hào),總共需要3*(N-1)個(gè)功率合成器。

2.2多通道模擬源低成本設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)多通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)隨著通道數(shù)增加,系統(tǒng)體積不斷龐大,成本成倍增加的特點(diǎn),圖4首先給出了單通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)低成本設(shè)計(jì)框圖,如圖中所示,區(qū)別于圖2中給出的在射頻端將回波信號(hào)分成和差3路的方案,提出將回波信號(hào)模擬的基帶數(shù)字信號(hào)直接功分,并在數(shù)字域完成相位和幅度的控制,達(dá)到目標(biāo)角度模擬的目的,3路和差數(shù)字信號(hào)由輸出單元轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后,各路通過上變頻器轉(zhuǎn)換至射頻段,最后由幅相控制單元,完成相位和幅度的末端調(diào)整,最后輸出3路雷達(dá)目標(biāo)模擬信號(hào)。通道的基帶信號(hào)模擬器均在數(shù)字域完成3通道的模擬。

而針對(duì)N通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),圖5在圖4單通道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,給出了低成本設(shè)計(jì)方案框圖。如圖中所示,N個(gè)通道和差總共3*N路信號(hào)的模擬均在數(shù)字域完成,并在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)N路信號(hào)的合成,合成后的3路和差數(shù)字信號(hào)由輸出單元轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后,各路通過上變頻器轉(zhuǎn)換至射頻段,最后由幅相控制單元,完成相位和幅度的末端調(diào)整,最后輸出3路雷達(dá)目標(biāo)模擬信號(hào)。由于多通道的模擬實(shí)現(xiàn)在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn),可充分利用目前較流行的比如FPGA等數(shù)字平臺(tái)的資源,在硬件結(jié)構(gòu)不變的情況下,實(shí)現(xiàn)多通道目標(biāo)回波信號(hào)的模擬。

圖4　單通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)低成本設(shè)計(jì)框圖

圖5　N通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)低成本設(shè)計(jì)框圖

比較圖5與圖4,N通道雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)模擬與單通道相比硬件結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化,系統(tǒng)體積和硬件成本并沒有隨著通道數(shù)的增加而增加,唯一的區(qū)別在于數(shù)字平臺(tái)的軟件實(shí)現(xiàn)方式上的區(qū)別,系統(tǒng)通道數(shù)將不再受限于體積與硬件成本等因素,大大增加了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

3系統(tǒng)特性分析

表1　單通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬器硬件耗費(fèi)比較

為了進(jìn)一步說明文中所提出的多通道注入式雷達(dá)信號(hào)模擬源設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn),表1和表2分別給出了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和低成本設(shè)計(jì)兩種方案在單通道和N通道兩種情況下硬件耗費(fèi)情況進(jìn)行了分析對(duì)比。如表1所示,在單通道情況下,兩種實(shí)現(xiàn)方式,在硬件耗費(fèi)上沒有明顯差異,而在N通道的情況下,如表2所示,文中提出的設(shè)計(jì)方法,并沒有增加硬件開銷,而傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式在主要的部件上均增加了N-1。

表2　N通道雷達(dá)回波信號(hào)模擬器硬件耗費(fèi)比較

由此可見,從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的體積、硬件成本,以及后續(xù)通道的可擴(kuò)展性等幾個(gè)方面,文中所提出的多通道注入式雷達(dá)信號(hào)模擬源設(shè)計(jì)方案均存在較大優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)語

文中針對(duì)傳統(tǒng)多通道注入式制導(dǎo)控制系統(tǒng)中,雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,通道可擴(kuò)展性差等特點(diǎn),基于數(shù)字技術(shù),提出了多通道數(shù)字端生成、控制與合成,最后變頻至射頻段輸出最終和差信號(hào)的方式,簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),縮小系統(tǒng)體

積、提高通道擴(kuò)展能力,降低系統(tǒng)成本。文中給出的設(shè)計(jì)方案在給出系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式的同時(shí),分析該系統(tǒng)的低成本和實(shí)用化特點(diǎn),可為注入式制導(dǎo)控制仿真系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TN955

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.017

作者簡介:吳宇,男,博士,工程師,研究方向:精確制導(dǎo)與控制,計(jì)算機(jī)仿真。顧村鋒,男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:高分辨雷達(dá)探測(cè)、微波制導(dǎo)和無線通信技術(shù)。趙學(xué)州,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。

*收稿日期:2015年8月8日,修回日期:2015年9月28日