一種基于DRFM和數(shù)字信道化技術(shù)的寬帶雷達(dá)目標(biāo)干擾模擬器設(shè)計(jì)

高山，翟龍軍，曲洪東，姜志森

（1.海軍航空工程學(xué)院a.科研部，b.電子信息工程系，山東煙臺264001；2.陸軍航空兵學(xué)院機(jī)載系，北京101123）

一種基于DRFM和數(shù)字信道化技術(shù)的寬帶雷達(dá)目標(biāo)干擾模擬器設(shè)計(jì)

高山1a，翟龍軍1b，曲洪東2，姜志森1b

（1.海軍航空工程學(xué)院a.科研部，b.電子信息工程系，山東煙臺264001；2.陸軍航空兵學(xué)院機(jī)載系，北京101123）

提出了一種DRFM和數(shù)字信道化技術(shù)的寬帶雷達(dá)目標(biāo)干擾模擬器設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)討論了寬帶雷達(dá)信號的數(shù)字信道化接收算法和基于DRFM的擴(kuò)展目標(biāo)/干擾生成方法。仿真分析結(jié)果表明，該方案可以實(shí)現(xiàn)1 GHz帶寬的雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)干擾信號模擬，并可推廣用于寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭干擾機(jī)和寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

數(shù)字射頻存儲；數(shù)字信道化；寬帶雷達(dá)；目標(biāo)模擬；干擾

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，為提高角分辨率，雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作頻段已經(jīng)從傳統(tǒng)的X波段、Ku波段擴(kuò)展到毫米波頻段；為提高距離分辨率和抗干擾能力，雷達(dá)的工作體制也從簡單的脈沖體制雷達(dá)發(fā)展到脈沖多普勒雷達(dá)和脈沖壓縮等具備頻率捷變能力的新體制寬帶雷達(dá)。

由于雷達(dá)導(dǎo)引頭其自身平臺的運(yùn)動特征，造成了目標(biāo)回波的復(fù)雜性，特別是隨著各種雷達(dá)電子戰(zhàn)設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代戰(zhàn)場上電磁信號環(huán)境變得更加復(fù)雜，由于傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法很難形成逼真的實(shí)戰(zhàn)信號環(huán)境，而且試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)費(fèi)用高、保密性差、易受氣候與環(huán)境等因素的影響[1]，已不能滿足新體制雷達(dá)導(dǎo)引頭的測試需求。為了滿足寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭的檢測性能要求，急需研制寬帶雷達(dá)目標(biāo)干擾模擬器用于寬帶導(dǎo)引頭裝備的研制、生產(chǎn)和技術(shù)保障。

本文提出了一種基于DRFM和數(shù)字信道化技術(shù)的寬帶雷達(dá)目標(biāo)干擾模擬器設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)X波段1GHz帶寬的雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)干擾信號模擬。在該方案中，通過高速AD采樣將下變頻的雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行數(shù)字化，利用數(shù)字信號化技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射信號瞬時(shí)頻率的分選，通過DRFM技術(shù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展目標(biāo)/干擾信號的模擬。

1 寬帶雷達(dá)目標(biāo)/干擾模擬器設(shè)計(jì)方案

X波段寬帶雷達(dá)目標(biāo)/干擾模擬器設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由收發(fā)天線、微波模塊、數(shù)字儲頻和數(shù)字信道化處理等模塊組成。收發(fā)天線用于雷達(dá)發(fā)射信號的接收和目標(biāo)/干擾模擬信號的發(fā)射。微波模塊包括下變頻和上變頻2部分：下變頻部分用于將X波段雷達(dá)發(fā)射信號變頻至帶寬為1 GHz中頻信號，上變頻部分用于將模擬產(chǎn)生的1 GHz帶寬的目標(biāo)/干擾中頻信號變頻至X波段。

數(shù)字信道化處理模塊在對1GHz帶寬中頻信號進(jìn)行高速AD采樣后，完成接收信號的寬帶數(shù)字信道化處理和信號分選。

數(shù)字儲頻模塊在經(jīng)過數(shù)字信道化處理和信號分選后的雷達(dá)信號采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用DRFM技術(shù)模擬產(chǎn)生目標(biāo)回波和噪聲干擾信號，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換，在模擬域合成后產(chǎn)生1 GHz帶寬的目標(biāo)/干擾中頻信號。數(shù)字儲頻及信道化處理的信號處理流程見圖2。

為滿足1 GHz的中頻帶寬需求，ADC器件采用采樣率為2.5GSPS的12bit高速AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號采樣。數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行DDC、濾波、2倍抽取處理，變換到基帶的采樣率下降為1.25GSPS，除了完成DRFM目標(biāo)生成之外還需要在多個(gè)信道化處理卡上完成寬帶信道化處理，分離出50個(gè)20 MHz帶寬的信號，在系統(tǒng)內(nèi)部需要對著50個(gè)信道化之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分選，得到雷達(dá)發(fā)射信號的頻率信息，然后產(chǎn)生壓制式干擾，最終通過2個(gè)獨(dú)立的ADC通道輸出到射頻，完成目標(biāo)/干擾模擬產(chǎn)生過程。

2 寬帶雷達(dá)信號的數(shù)字信道化接收

數(shù)字信道化接收是利用寬帶數(shù)字接收機(jī)和數(shù)字信號處理技術(shù)測量和分析輸入信號頻率及其他相關(guān)參數(shù)的技術(shù)。射頻信號經(jīng)過采樣和量化后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化處理[2-3]。數(shù)字化信道接收機(jī)根據(jù)各個(gè)信號的頻率分離各輸入信號。數(shù)字信道化可看作是一個(gè)數(shù)字濾波器組，根據(jù)頻率不同，輸出信號將會通過某個(gè)輸出端輸出，通過測量濾波器組的輸出，可以確定輸出信號的頻率[3-5]。基本的數(shù)字信道化測頻技術(shù)主要通過加窗短時(shí)傅立葉算法實(shí)現(xiàn)（STFT）：

式（1）中：{s(n)=I(n)+jQ(n)}為輸入信號的正交采樣序列；N為窗口寬度，加窗后不會改變Δf，但會提高交點(diǎn)電平和信道的3dB帶寬。其中，一般根據(jù)系統(tǒng)要求的頻率分辨率Δf來設(shè)置N，即

式（2）中，T為采樣周期。

但是，F(xiàn)PGA器件能夠直接支持的STFT算法有限，為此工程中常使用一種抽樣降速并行濾波的算法。

可得

在這種體制下，將要進(jìn)行N點(diǎn)STFT的N點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行m路抽取，對每一路進(jìn)行P點(diǎn)的加窗STFT濾波，即N=mp。也就是說對于采樣所得到的數(shù)據(jù)按照整數(shù)倍進(jìn)行抽取為多路數(shù)據(jù)，這樣后續(xù)FPGA所處理的數(shù)據(jù)速率變?yōu)樵瓉淼?/m，然后對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行了降維FFT，得到多維有頻譜混疊的濾波器輸出，再經(jīng)過去混疊濾波之后就可以得到所需要的輸出。

STFT濾波之后就形成了N個(gè)信道的濾波輸出，在對每個(gè)信道的輸出信號功率進(jìn)行門限檢測，以判斷此時(shí)該信道是否存在信號，并在判為有效信號存在的情況下，估計(jì)信號頻率：

式（4）中，Vk為信道k的檢測門限，可以根據(jù)裝備進(jìn)入陣地之后，對所在環(huán)境中各個(gè)頻段內(nèi)外噪聲的情況進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，也可以在對當(dāng)前實(shí)際信號環(huán)境統(tǒng)計(jì)分析后實(shí)時(shí)標(biāo)定。

采用數(shù)字信道化處理時(shí)，由于噪聲是寬帶信號，而目標(biāo)信號的瞬時(shí)帶寬一般遠(yuǎn)小于捷變帶寬，若捷變帶寬為1 GHz，信道化處理后每個(gè)信道帶寬為20 MHz，則采用信道化之后的信噪比可以改善10×lg10(1000/20)≈17dB，仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果上可直觀地看出，原始輸入的數(shù)據(jù)已經(jīng)完全淹沒在噪聲下，進(jìn)行信道化之后噪聲信號得到很大程度上的抑制，可以很清楚地看到信號的波形。

3 基于DRFM的擴(kuò)展目標(biāo)/干擾生成

系統(tǒng)上電工作后，信道化處理單元對信號進(jìn)行頻率分選。若某個(gè)信道發(fā)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射信號，數(shù)字儲頻單元轉(zhuǎn)入目標(biāo)/干擾生成狀態(tài)，除了進(jìn)行噪聲干擾的模擬之外，還會從信道化處理結(jié)果中分選出有用的數(shù)據(jù)疊加上多普勒信息、距離信息以及目標(biāo)的體特征信息，生成與雷達(dá)完全相參的擴(kuò)展目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)和干擾場景的模擬。

隨著雷達(dá)信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，其分辨率也越來越高，單純的點(diǎn)目標(biāo)模擬已經(jīng)不能滿足要求[7-11]，因此最佳的方式就是采用擴(kuò)展目標(biāo)模擬[12-14]。采用這種方式雷達(dá)回波會出現(xiàn)多個(gè)散射點(diǎn)，與真實(shí)目標(biāo)的回波特性基本一致。

雷達(dá)目標(biāo)回波是雷達(dá)天線照射波束內(nèi)所有散射點(diǎn)目標(biāo)回波信號的疊加[7，15-16]，該回波信號sr(t)可以表示為雷達(dá)發(fā)射信號p(t)與目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)h(t)的卷積，即sr(t)=p(t)?h(t)，其中，目標(biāo)響應(yīng)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)以及多普勒頻移等信息，可以表示為：

式（5）中：m為散射點(diǎn)編號；Am為散射點(diǎn)回波信號幅度；Rm為各散射點(diǎn)到雷達(dá)的距離；τm=2Rm/c為回波延遲。

FPGA實(shí)現(xiàn)方案框圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于DRFM和數(shù)字信道化技術(shù)的寬帶雷達(dá)目標(biāo)干擾模擬器設(shè)計(jì)方案，通過高速AD采樣將下變頻的雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行數(shù)字化，利用數(shù)字信號化技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射信號瞬時(shí)頻率的分選，通過DRFM技術(shù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展目標(biāo)/干擾信號的模擬。仿真分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)X波段1 GHz帶寬的雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)干擾信號模擬。該方案也可應(yīng)用于寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭干擾機(jī)和寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)采集。

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Design of A Wideband Radar Target Jamming Simulator Based on DRFM and Digital Channelized Technology

GAO Shan1a,ZHAI Longjun1b,QU Hongdong2,JIANG Zhisen1b
（1.Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Scientific Research; b.Department of Electronic and Information Engineering,Yantai Shandong 264001,China; 2.Department of Airbore Weapon,Army Aviation Institue,Beijing 101123,China）

A new architecture of wideband radar target and jamming simulator based on DRFM and digital channelized technology was proposed.Digital channelized algorithm of wideband radar signal and method of range extended target and jamming simulation based on DRFM were discussed in detail.Simulation result showed that wideband radar target and jamming simulation could be realized in 1 GHz band with this architecture.And this architecture could be used in the de?sign of wideband radar seeker jammer and wideband data acquisition system.

digital radio frequency memory;digital channelized;wideband radar;target simulator;jamming

TN955

A

1673-1522（2017）02-0205-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.02.005

2017-02-20；

2017-03-03

高山（1978-），男，助理研究員，碩士。