基于FPGA雷達(dá)回波環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛川，張永順，路文龍

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院， 陜西 西安 710051)

基于FPGA雷達(dá)回波環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛川，張永順，路文龍

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院， 陜西 西安 710051)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于中頻注入的雷達(dá)回波環(huán)境模擬系統(tǒng)，能夠按照設(shè)定的參數(shù)模擬雷達(dá)目標(biāo)回波及干擾環(huán)境。對(duì)雷達(dá)回波的信號(hào)模型及空間傳播模型進(jìn)行建模，模擬回波信號(hào)的距離、角度和速度特性；提出了基于計(jì)算機(jī)+DSP+FPGA的硬件技術(shù)架構(gòu)，使回波模擬系統(tǒng)具備目標(biāo)航跡與干擾參數(shù)設(shè)置、雷達(dá)工作狀態(tài)解算、目標(biāo)及干擾回波模擬等功能；通過(guò)與實(shí)際雷達(dá)聯(lián)調(diào)聯(lián)測(cè)表明，系統(tǒng)較好地模擬了雷達(dá)回波環(huán)境，能夠有效滿(mǎn)足戰(zhàn)勤人員的操作訓(xùn)練需求。

雷達(dá)回波；干擾環(huán)境；中頻注入；DSP；FPGA；數(shù)字和-差網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)的結(jié)構(gòu)、體制越來(lái)越復(fù)雜，所面臨的電磁干擾環(huán)境也日趨嚴(yán)峻，如何在雷達(dá)的使用、維護(hù)階段，提高雷達(dá)操作人員的戰(zhàn)術(shù)水平，成為日益突出的問(wèn)題。雷達(dá)電磁干擾環(huán)境構(gòu)建方法的發(fā)展是與雷達(dá)理論和技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的[1]。一方面，雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展需要新的雷達(dá)電磁干擾環(huán)境構(gòu)建方法與之相適應(yīng)；另一方面，雷達(dá)電磁干擾環(huán)境構(gòu)建方法為雷達(dá)技術(shù)研發(fā)和驗(yàn)證提供了有力的技術(shù)支持，兩者相互平衡，共同發(fā)展[2]。

雷達(dá)回波環(huán)境構(gòu)建按其試驗(yàn)環(huán)境來(lái)分，可分為外場(chǎng)環(huán)境構(gòu)建和內(nèi)場(chǎng)環(huán)境構(gòu)建兩大類(lèi)方法。外場(chǎng)地面模擬和外場(chǎng)動(dòng)態(tài)飛行模擬是2種常見(jiàn)的外場(chǎng)仿真方法。外場(chǎng)地面模擬方法是將模擬器輻射饋源通過(guò)高架設(shè)備放置在雷達(dá)天線外部(滿(mǎn)足遠(yuǎn)區(qū)條件)，可模擬典型干擾和航路捷徑為0的目標(biāo)回波，但不能模擬角度，無(wú)法有效模擬有一定戰(zhàn)術(shù)背景的復(fù)雜回波環(huán)境；外場(chǎng)動(dòng)態(tài)飛行方法仿真的置信度高，但由于費(fèi)效比低、作戰(zhàn)任務(wù)組織協(xié)調(diào)困難等多方面的原因，通常僅對(duì)典型作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行仿真，多用于大型實(shí)兵演習(xí)，無(wú)法用于日常的作戰(zhàn)訓(xùn)練。近年來(lái)，基于現(xiàn)代仿真技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)的內(nèi)場(chǎng)環(huán)境構(gòu)建方法[3-6]因?yàn)榫哂锌芍貜?fù)性好、易擴(kuò)展、靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)已被學(xué)界廣泛關(guān)注。其中，基于中頻注入的雷達(dá)回波信號(hào)模擬器[7-8]體積小，通用性強(qiáng)，可模擬復(fù)雜空情，十分符合模擬訓(xùn)練設(shè)備與裝備的一體化的發(fā)展趨勢(shì)[9]。

1 雷達(dá)回波環(huán)境構(gòu)建方法

1.1 回波信號(hào)波形

某雷達(dá)發(fā)射信號(hào)采用線性調(diào)頻脈沖，在信號(hào)處理時(shí)進(jìn)行脈沖壓縮，可獲得遠(yuǎn)的作用距離和高的距離分辨力。線性調(diào)頻信號(hào)可以表示如下[10]：

Si=A·rect(t/τ)·cos(2πf0t+μt2/2+φ0)，

(1)

式中：A為脈沖幅度；rect(t/τ)為矩形脈沖信號(hào)；f0為脈沖信號(hào)的載頻。

在脈沖寬度τ內(nèi)，信號(hào)角頻率由2πf0-μτ/2變化到2πf0+μτ/2，調(diào)頻帶寬為μτ/2π。目標(biāo)的發(fā)射回波信號(hào)為

(2)

式中：K為回波幅度衰減系數(shù)；Δt為回波延遲時(shí)間。

1.2 距離、速度、角度及功率模型

目標(biāo)回波的距離和速度模擬可通過(guò)控制仿真回波相對(duì)雷達(dá)探測(cè)脈沖的時(shí)間延遲和頻率偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(1) 目標(biāo)回波距離模型

將目標(biāo)視為點(diǎn)目標(biāo)，仿真回波相對(duì)雷達(dá)探測(cè)脈沖的距離延遲tR可表示為

(3)

式中：R0為目標(biāo)與雷達(dá)的初始距離；v為目標(biāo)與雷達(dá)的徑向速度(臨近時(shí)為正，背離時(shí)為負(fù))；c為光速。

從式(3)可以看出，距離延遲tR隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而變化，當(dāng)目標(biāo)臨近制導(dǎo)雷達(dá)飛行時(shí)，v為正，tR隨時(shí)間逐漸減??；當(dāng)目標(biāo)背離制導(dǎo)雷達(dá)飛行時(shí)，v為負(fù)，tR隨時(shí)間逐漸增大。進(jìn)行目標(biāo)仿真時(shí)，通過(guò)改變仿真目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)探測(cè)脈沖的距離延遲，可達(dá)到控制仿真目標(biāo)距離變化的作用。

(2) 目標(biāo)回波速度模型

目標(biāo)回波多普勒頻率的大小和振幅，可表征目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)徑向速度的大小和方向。目標(biāo)多普勒頻率fd可表示為

fd=2v/λ，

(4)

式中：λ為雷達(dá)載波波長(zhǎng)。

(3) 目標(biāo)回波角度模型

仿真目標(biāo)通過(guò)中頻注入的方式進(jìn)行雷達(dá)接收系統(tǒng)，仿真回波信號(hào)需模擬和Σ、高低差Δ1、方位差Δ23路。對(duì)于振幅和-差單脈沖雷達(dá)來(lái)說(shuō)，目標(biāo)回波Σ通道信號(hào)的大小反映目標(biāo)回波功率的強(qiáng)弱，由回波功率模型來(lái)確定；目標(biāo)回波Δ通道信號(hào)(高低差Δ1和方位差Δ2)的大小和正負(fù)，反映目標(biāo)偏離雷達(dá)主波束中心的程度和方向。

要精確地仿真目標(biāo)回波的角誤差信號(hào)，需依據(jù)雷達(dá)陣面特性，對(duì)相控陣天線方向圖進(jìn)行仿真，本文僅針對(duì)典型角誤差信號(hào)特性曲線(“S”曲線)進(jìn)行建模，說(shuō)明角誤差信號(hào)的仿真原理。

振幅和-差單脈沖雷達(dá)接收前端工作原理如圖1所示。天線A1，A2分別接收來(lái)自目標(biāo)反射的回波信號(hào)，經(jīng)和差器處理后，分別輸出Σ通道回波信號(hào)us和Δ通道回波信號(hào)ud，如圖1所示[11]。

圖1 單脈沖雷達(dá)接收前端工作原理Fig.1 Control process of pull-off jamming

us=u1+u2=U[F(θ0-θ)+F(θ0+θ)]cosωt,

(5)

ud=u1-u2=U[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]cosωt,

(6)

式中：U為天線A1和A2輸入端信號(hào)振幅；F(θ)為天線A1和A2歸一化方向圖函數(shù)；θ0為天線Σ波束指向與Δ波束指向夾角；ω為信號(hào)圓頻率。

將Δ通道回波信號(hào)歸一化：

(7)

假設(shè)天線方向圖用下列函數(shù)近似：

(8)

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，取θ0.5=λ/D，D=λ/2，θ0=θ0.5/3時(shí)，將式(8)代人式(7)可獲得雷達(dá)射頻前端回波信號(hào)和差比，現(xiàn)分別對(duì)Σ信號(hào)、Δ信號(hào)、和差比特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2可看出，對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行仿真，主要是控制射頻端仿真目標(biāo)信號(hào)的和差比值，依據(jù)“和差比特性曲線”可知，角誤差為0時(shí)，和差比值為0，在主波束3 dB寬度內(nèi)，逐漸朝±1過(guò)渡。

圖2 雷達(dá)射頻前端和、差特性曲線Fig.2 Sum-difference characteristics of radar RF front-end

(4) 目標(biāo)回波功率模型

目標(biāo)回波的功率變化與很多因素有關(guān)，包括如雷達(dá)的發(fā)射功率、天線增益，波長(zhǎng)、目標(biāo)的RCS(radar cross section)大小、離雷達(dá)的距離等。在雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益、波長(zhǎng)一定的情況下，目標(biāo)回波的功率僅與目標(biāo)的RCS和距離有關(guān)。目標(biāo)回波功率Pr可用雷達(dá)方程[12]來(lái)描述：

(9)

式中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；λ為雷達(dá)輻射信號(hào)波長(zhǎng)；G為天線在目標(biāo)方向上的增益；R為目標(biāo)距離；σ為目標(biāo)RCS。

由式(9)可知，目標(biāo)回波功率Pr與天線增益G2和目標(biāo)RCS成正比，與R4成反比。

1.3 干擾仿真模型

干擾回波模擬主要包括欺騙干擾模擬、積極雜波干擾模擬、無(wú)源雜波干擾模擬等。

(1) 欺騙干擾仿真

欺騙干?；夭M其本質(zhì)與目標(biāo)回波模擬相同，主要包括假目標(biāo)干擾、距離拖引干擾、速度拖引干擾及距離-速度聯(lián)合拖引干擾等。依據(jù)不同的欺騙干擾類(lèi)型，如1.1，1.2節(jié)所示，模擬產(chǎn)生欺騙干擾回波的距離、速度、角度及功率特性。以距離拖引干擾為例加以說(shuō)明，其他維度的欺騙干擾產(chǎn)生原理與之類(lèi)似。拖引型干擾的控制過(guò)程如圖3所示，大都包括停拖(保持)、拖引和關(guān)閉3個(gè)階段，并據(jù)此為循環(huán)反復(fù)。

圖3 拖引干擾控制過(guò)程圖Fig.3 Control process of pull-off jamming

令拖引周期為T(mén)j，距離拖引干擾的假目標(biāo)距離函數(shù)可表示為

(10)

式中：R為真實(shí)目標(biāo)距離；v為拖引速度。

式(10)可作如式(11)轉(zhuǎn)化：

(11)

式中：Δtf為轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。

(2) 積極雜波干擾仿真

干擾機(jī)常使用的有源雜波干擾主要包括噪聲調(diào)幅干擾和噪聲調(diào)頻干擾2種。

常用的噪聲調(diào)幅干擾模型為

J(t)=[U0+Un(t)]cos(ωjt+φ)，

(12)

式中：U0為信號(hào)幅度；ωj為信號(hào)圓頻率；Un(t)為調(diào)制信號(hào)，通常為零均值，廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程；φ～U[0,2π]，且為與Un(t)相互獨(dú)立的隨機(jī)變量。

常用的噪聲調(diào)頻干擾模型為

(13)

(3) 無(wú)源雜波干擾仿真

無(wú)源雜波干擾模擬較為復(fù)雜，目前常用的幅度分布模型有瑞利分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布和K分布，功率譜模型有高斯譜、柯西譜和全極化譜等[13]。本文采用非遞歸濾波法構(gòu)建該模型以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)源雜波信號(hào)的仿真。

該方法將高斯白噪聲通過(guò)具有高斯響應(yīng)的FIR(finite impulse response)濾波器，則其輸出信號(hào)具有高斯型功率譜，且信號(hào)幅度具有高斯型概率密度函數(shù)，該過(guò)程如圖4所示。

圖4 無(wú)源雜波形成原理Fig.4 Form principle of passive clutter jamming

設(shè)期望得到的雜波歸一化功率譜為

(14)

對(duì)于N階FIR濾波器，其FIR濾波器的期望響應(yīng)可表示為

(15)

式中：Ci為傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)；Ts為采樣周期。

(16)

由式(15)可知，hi與Ci間有如下關(guān)系：

(17)

當(dāng)給定σf和Ts值時(shí)，可求出得FIR濾波器的權(quán)系數(shù)，結(jié)合被測(cè)雷達(dá)特點(diǎn)，本文采用N= 12的FIR濾波器實(shí)現(xiàn)相關(guān)高斯雜波模型。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

(1) 信號(hào)波形

和-差單脈沖線形調(diào)頻波形。

(2) 信號(hào)頻率

中心頻率100 MHz，帶寬2 MHz。

(3) 信號(hào)模擬能力

目標(biāo)：4批/波位；

欺騙干擾：2批/波位；

雜波干擾：2批積極雜波干擾/波位，含無(wú)源雜波干擾；

掃描扇區(qū)內(nèi)目標(biāo)/干擾：100批。

(4) 信號(hào)動(dòng)態(tài)

數(shù)字通道48 dB，模擬通道80 dB。

2.2 設(shè)計(jì)方案

回波環(huán)境模擬系統(tǒng)工作原理如圖5所示，由目標(biāo)及干擾特性模型、時(shí)/頻控制模塊、數(shù)字信號(hào)合成模塊、數(shù)字濾波及混頻模塊、DAC(digital to analog converter)等部分組成。其中目標(biāo)及干擾特性模型包括：目標(biāo)特性模型、無(wú)源雜波模型、有源干擾模型等，主要用于形成仿真回波基帶數(shù)據(jù)及干擾數(shù)據(jù)，為減少計(jì)算規(guī)模，無(wú)源雜波模擬采用RAM(random access memory)緩存雜波數(shù)據(jù)，回放式仿真方式實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)及干擾控制數(shù)據(jù)與各時(shí)頻/控制模塊組成多個(gè)DDS

圖5 系統(tǒng)功能框圖Fig.5 Functional structure diagram of system

(direct digital synthesizer)單元，通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)各模擬仿真通道的距離、速度和角度模擬[14]。數(shù)字信號(hào)合成模塊將各DDS單元送來(lái)的基帶數(shù)據(jù)分別按和、差通道進(jìn)行合成，經(jīng)插值濾波和上變頻后，由DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。為加大目標(biāo)仿真的動(dòng)態(tài)范圍，以有效對(duì)積極干擾進(jìn)行模擬，目標(biāo)通道4采用模擬和-差網(wǎng)絡(luò)對(duì)角度進(jìn)行仿真，使目標(biāo)信號(hào)輸出動(dòng)態(tài)由48 dB增大至80 dB，并通過(guò)輸出端的3個(gè)加法器與其他通道模擬信號(hào)混合后注入雷達(dá)系統(tǒng)。其他通道角度模擬經(jīng)FPGA(field programmable gate array)通過(guò)數(shù)字和-差網(wǎng)絡(luò)形成。

和-差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由衰減器、0/π變換器及相位和增益微調(diào)部分組成。系統(tǒng)分別采用數(shù)字和模擬2種方式構(gòu)建，數(shù)字和-差網(wǎng)絡(luò)信號(hào)動(dòng)態(tài)由DAC位數(shù)、底噪決定；模擬和-差網(wǎng)絡(luò)信號(hào)動(dòng)態(tài)主要受通道隔離度限制。系統(tǒng)依照1.2，1.3節(jié)模型對(duì)模擬回波信號(hào)增益和相位進(jìn)行控制。

圖6 數(shù)字和-差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of digita Σ-Δ network

系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。由主控計(jì)算機(jī)，DSP(digital signal processor)，F(xiàn)PGA，DAC及其相關(guān)外圍電路組成。主控計(jì)算機(jī)用于目標(biāo)航跡編輯、管理和干擾參數(shù)設(shè)置。DSP形成目標(biāo)及干擾的點(diǎn)跡參數(shù)及控制數(shù)據(jù)，并在雷達(dá)同步信號(hào)作用下，控制整個(gè)硬件系統(tǒng)按雷達(dá)時(shí)序工作。FPGA完成全部的回波基帶數(shù)據(jù)計(jì)算、中頻數(shù)據(jù)產(chǎn)生及接口管理等工作，主要包括距離、速度調(diào)制；構(gòu)成各通道數(shù)字和-差網(wǎng)絡(luò)；進(jìn)行角度模擬等。回波基帶數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字插值濾波和上變頻后，送DAC合成目標(biāo)Σ，Δ中頻信號(hào)。其中，無(wú)源雜波干擾仿真數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量龐大，由主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算后緩存至FPGA外掛的RAM中，按照雷達(dá)工作時(shí)序以DDS方式合成[15-16]。

圖7 系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.7 Topology structure diagram of hardware system

3 測(cè)試試驗(yàn)

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，通過(guò)示波器測(cè)試了仿真系統(tǒng)輸出的中頻信號(hào)，與雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，其中仿真系統(tǒng)輸出中頻信號(hào)波形如圖8所示，雷達(dá)系統(tǒng)零中頻采樣后波形如圖9所示。

圖8 中頻模擬信號(hào)Fig.8 Intermediate-frequency signal

圖8顯示系統(tǒng)在測(cè)試狀態(tài)下，產(chǎn)生4批同波位距離可分辨目標(biāo)+2批雜波干擾信號(hào)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖9 幅相檢波信號(hào)Fig.9 Orthogonal detection signal

圖9為在雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)波形，是經(jīng)過(guò)雷達(dá)幅相檢波后輸出的零中頻目標(biāo)信號(hào)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，目標(biāo)模擬效果達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA的雷達(dá)回波環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)，具體結(jié)論如下：

(1) 采用主控計(jì)算機(jī)+DSP+FPGA的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)干擾環(huán)境仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠靈活設(shè)置干擾環(huán)境參數(shù)，產(chǎn)生逼真的空情環(huán)境，并且滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，在雷達(dá)操作人員進(jìn)行搜索跟蹤目標(biāo)的訓(xùn)練中發(fā)揮了重要作用，具有小型化、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

(2) 采用數(shù)字和-差網(wǎng)絡(luò)與模擬和-差網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行模擬，具有硬件規(guī)模小、目標(biāo)通道數(shù)多、目標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

(3) 采用中頻注入方式進(jìn)行目標(biāo)模擬，可模擬目標(biāo)和干擾角度，仿真置信度高。

系經(jīng)過(guò)測(cè)試以及與受測(cè)雷達(dá)聯(lián)調(diào)，證明了方案的可行性，對(duì)其他類(lèi)型模擬器的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

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Design and Implementation of Radar Echo Environment Simulation System Based on FPGA

SHENG Chuan, ZHANG Yong-shun, LU Wen-long

(AFEU, Air and Missile Defense College, Shaanxi Xi’an 710051, China)

A radar echo environment simulation system is designed based on intermediate frequency injection. It generates radar echo and jamming environment according to specified parameters. Firstly the signal model and propagation model of radar echo is established to simulate the distance, velocity, and angle of target. Then, the hardware technology architecture of computer, digital signal processor (DSP) and field programmable gate array (FPGA) is proposed, which makes the system realize the functions of target track, jamming parameters setting, radar working state calculation, target and jamming echo simulation, etc. Finally, the implemented system is connected to actual radar for experiments. The results prove that the system can simulate the radar echo of target and jamming environment, which effectively meets the needs of operator's training.

radar echo; jamming evironment; intermediate frequency injection; digital signal processor(DSP); field programmable gate array(FPGA); digital Σ-Δ network

2016-05-23；

2016-06-23 作者簡(jiǎn)介：盛川(1979-)，男，湖南益陽(yáng)人。副教授，博士生，主要從事雷達(dá)干擾環(huán)境仿真及抗干擾性能評(píng)估方向的研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.01.030

TN955； TP391.9

A

1009-086X(2017)-01-0181-07

通信地址：710051 西安市灞橋區(qū)長(zhǎng)樂(lè)東路甲字1號(hào) E-mail：hidaicy@126.com