基于一種電子靶標(biāo)的目標(biāo)回波信號的設(shè)計與實現(xiàn)*

田 穎，魏太林

（1.解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066001；2.解放軍92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

隨著我國軍事戰(zhàn)略思想的轉(zhuǎn)變和未來戰(zhàn)爭形勢的發(fā)展，海軍的戰(zhàn)略思想也由近海防御逐步向遠(yuǎn)海防御進(jìn)一步發(fā)展，為了應(yīng)對這種新情況的變化，對海軍艦艇作戰(zhàn)能力的要求也越來越高，人員素質(zhì)要求也需要逐步提高。針對這種情況，海軍艦艇部隊在各種條件下的實彈射擊演練已日趨增加，不斷強(qiáng)化；海軍艦艇部隊進(jìn)行高強(qiáng)度、接近實戰(zhàn)的訓(xùn)練已進(jìn)入規(guī)范化、常態(tài)化。這種規(guī)范化、常態(tài)化的訓(xùn)練，可以提高艦艇的作戰(zhàn)能力、操作人員的心理素質(zhì)和操作水平，進(jìn)一步發(fā)揮艦載武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。采用一種全新的電子式靶標(biāo)系統(tǒng)為海軍某型艦空導(dǎo)彈艦載搜索雷達(dá)、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)［1］提供低空、高速、具有作戰(zhàn)環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)背景的雷達(dá)目標(biāo)回波信號，代替導(dǎo)彈發(fā)射導(dǎo)彈應(yīng)答信號［2］，使整個訓(xùn)練過程可以連續(xù)、完整地進(jìn)行，增加實際作戰(zhàn)的現(xiàn)實感、實戰(zhàn)感和緊迫感。這種靶標(biāo)可以發(fā)射多批次目標(biāo)回波信號，供部隊進(jìn)行連續(xù)抗擊和轉(zhuǎn)火射擊等戰(zhàn)術(shù)演練，能夠加快提升戰(zhàn)斗力。該電子靶標(biāo)是一套接近實戰(zhàn)、使用方便、費(fèi)效比高的目標(biāo)保障系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)意義上的訓(xùn)練思維和訓(xùn)練方式，開創(chuàng)了利用電子靶標(biāo)進(jìn)行實戰(zhàn)化訓(xùn)練的新模式，為作戰(zhàn)部隊軍事訓(xùn)練提供了新的手段，具有顯著軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

1 簡要原理

該電子靶標(biāo)主要由不同波段的雷達(dá)天線，收發(fā)設(shè)備，信號處理單元和控制系統(tǒng)等組成，通過接收艦上雷達(dá)發(fā)射的無線電脈沖信號，將接收到的高頻信號進(jìn)行下變頻，變成中頻信號。再將該中頻信號送給中頻信號處理單元進(jìn)行處理，作為模擬目標(biāo)回波的起始信號，通過信號處理單元進(jìn)行延時、相參和多普勒處理后，再經(jīng)過變頻組合進(jìn)行上變頻，產(chǎn)生與艦上雷達(dá)相應(yīng)波段、相參和多普勒處理的目標(biāo)回波信號，最終通過天線發(fā)射給艦上雷達(dá)，作為運(yùn)動的目標(biāo)回波信號，供艦上雷達(dá)對該信號進(jìn)行跟蹤。作為電子靶標(biāo)系統(tǒng)，模擬單個點目標(biāo)或者是多個點目標(biāo)，采用DRFM技術(shù)的相參雷達(dá)目標(biāo)模擬器，存儲轉(zhuǎn)發(fā)、延時與多普勒調(diào)制，模擬目標(biāo)的距離、速度參數(shù)等回波信號。為部隊武器裝備訓(xùn)練中應(yīng)用靶標(biāo)設(shè)備提供了創(chuàng)新思路。

2 數(shù)字射頻存儲單元設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)字射頻存儲（DRFM）系統(tǒng)的工作原理

數(shù)字射頻存儲單元是信號處理模塊的核心，完成基帶信號的存儲、復(fù)制、調(diào)制和重構(gòu)，提供乘法器和移位寄存器，對目標(biāo)信號進(jìn)行多普勒頻移、距離延遲和幅度的調(diào)制。

DRFM系統(tǒng)的工作原理［3］是：射頻信號經(jīng)高速ADC采集后由FPGA實現(xiàn)的控制電路存儲到QDR2存儲器陣列中，用戶可以根據(jù)需求通過用戶接口控制FPGA、DAC和存儲器陣列組成的恢復(fù)電路恢復(fù)出原射頻信號，經(jīng)上變頻調(diào)制到所需頻段。

基于DRFM的輻射式雷達(dá)多目標(biāo)模擬器對硬件的處理能力提出了較高的要求。在以往的類似實施方案設(shè)計中，大都采用多DSP以及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷透咚俅鎯π酒慕Y(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)規(guī)模大，需要嚴(yán)格的時鐘控制信號和大量的接口器件來保證它們能夠正常工作，這給實際的設(shè)計和應(yīng)用造成了許多困難。近年來隨著FPGA性能的提高，使得其在完成普通邏輯功能的同時，能夠完成多片通用DSP并行處理的功能，并帶有大容量內(nèi)部存儲器和豐富的輸入輸出接口，為基于DRFM的多目標(biāo)雷達(dá)模擬器的實現(xiàn)提供了新的解決方案。

2.2 DRFM信號處理過程設(shè)計

DRFM對信號的處理過程主要包括正交下變頻、距離延遲、多普勒頻移、正交上變頻等幾個重要節(jié)點。距離延遲通過數(shù)字存儲實現(xiàn)。以下主要闡述正交下變頻、多普勒頻移、正交上變頻的處理算法，DRFM結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖1所示。

2.2.1 距離延遲相關(guān)參數(shù)算法

根據(jù)模擬目標(biāo)批數(shù)n，AD665輸出的基帶數(shù)據(jù)直接復(fù)制n份，并行存儲于n個存儲器，同時存儲器輸出基帶數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)的存儲地址循環(huán)逐步步進(jìn)，輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)地址的偏差由目標(biāo)距離計算。在設(shè)計中以4批目標(biāo)為例。具體計算過程如下：

Rmax=25 000 m為目標(biāo)距離最大值，fs=30 MHz為基帶數(shù)據(jù)采樣率，vc=3e8 m/s為光速。

距離分辨率：

存儲器深度取2冪次方，Lmemory=8 192，延遲控制接口位寬13 bits，距離分辨率5 m，可模擬最大距離值Rmax=40 955 m。存儲器位寬14 bits。

2.2.2 多普勒頻移算法

接收到的雷達(dá)射頻信號［5］：

正交下變頻后的基帶數(shù)據(jù)：

假設(shè)目標(biāo)的多普勒頻率為ωd，那么基帶信號sc（t）多普勒頻移后的信號sd（t）為：

2.2.3 正交上變頻

對sd（t）信號正交上變頻：

2.3 回波信號相參性設(shè)計與實現(xiàn)

艦載搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)為相參脈沖雷達(dá)，采用全相參體制［4］，這就要求系統(tǒng)模擬的目標(biāo)回波信號具有盡可能高的相參性，即不但在同一個重復(fù)周期內(nèi)出現(xiàn)在不同時間區(qū)間的信號之間具有相參性，而且各周期中出現(xiàn)在相同時間區(qū)間的信號之間也具有相參性。相參性能主要體現(xiàn)在輸出信號相對于輸入信號的相位噪聲惡化上。影響系統(tǒng)相參特性的一個重要因素就是模擬產(chǎn)生的目標(biāo)回波信號的相位不連續(xù)性，因此，相參性是系統(tǒng)設(shè)計中重點考量的一項重要指標(biāo)。

相參性要求系統(tǒng)發(fā)射信號的頻率與接收信號頻率一致，這就需要頻率合成器為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供上變頻和下變頻所需的高穩(wěn)定度、低相噪的本振信號和高穩(wěn)定度的時鐘。

DRFM采用全脈沖存儲，就是存儲器將輸入脈沖信號全部存儲。根據(jù)實際需要，在給定時刻讀出存儲數(shù)據(jù)，由D／A重構(gòu)信號。用這種方式工作的數(shù)字射頻存儲單元，輸出信號的頻率與輸入完全相同，因此，有極高的相參性。基于全脈沖存儲的數(shù)字射頻存儲單元輸出信號在脈沖群內(nèi)大部分時間里具有相參性，僅在因取樣時鐘的不穩(wěn)定和它與輸入信號重復(fù)周期的異步關(guān)系而引發(fā)的隨機(jī)時間里不能保證相參性能，將導(dǎo)致脈沖包絡(luò)有微小的隨機(jī)抖動，不過這是雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)的。

本振、采樣時鐘、量化誤差對系統(tǒng)相參性都有影響。由于上下變頻的本振相同，故本振頻率和初相對最終輸出目標(biāo)信號相位的影響會抵消。本振頻漂對相參性的影響主要取決于本振頻率穩(wěn)定度和數(shù)字射頻存儲單元單次轉(zhuǎn)發(fā)延時。

采樣對相參性的影響主要由采樣時間的頻漂和采樣與重構(gòu)時刻差異性造成。重構(gòu)信號的操作會將采樣時鐘的頻漂轉(zhuǎn)嫁到輸出信號上，但一般情況下基帶信號頻率總是遠(yuǎn)小于本振頻率，所以采樣時鐘的頻漂影響很小。采樣與重構(gòu)時刻差異是對相參性影響的主要原因。

量化誤差會直接影響輸出信號的相參性，對于m比特的數(shù)字射頻存儲單元，其信號相參性不會超過。經(jīng)過計算，1比特的相參性不低于30°，6比特DRFM相參性可優(yōu)于0.9°，系統(tǒng)采用14比特，故其影響可以忽略。

通過上述分析，使用穩(wěn)定性高的頻率源，減少系統(tǒng)不必要的延時是對相參性改進(jìn)的有利措施；減少時刻差異可以有效減少采樣對相參性的影響；提高系統(tǒng)量化位數(shù)可以提高相參性。

2.4 多批次目標(biāo)模擬技術(shù)

DRFM的主要功能是對基帶信號的存儲、復(fù)制、調(diào)制和重構(gòu)，提供乘法器和移位寄存器，實現(xiàn)目標(biāo)信號的多普勒頻移、距離延遲和幅度控制等。在多目標(biāo)模擬時，因每批目標(biāo)的距離、速度等特性不盡相同，需要先生成各批次目標(biāo)信號，然后對各批次目標(biāo)的信號分別處理，疊加上目標(biāo)的距離和速度等特性參數(shù)，最后合成、調(diào)制輸出。多批次目標(biāo)模擬對DRFM硬件的處理能力提出了較高的要求，DRFM不僅需要快速的處理速度，同時也需要大的存儲空間以及快速的存儲速度來保障對射頻信號的存儲、復(fù)制以及調(diào)制等處理。

為了系統(tǒng)的相參性，DRFM模塊采用全脈沖存儲，就是存儲器將輸入脈沖信號全部存儲，在多批次目標(biāo)模擬時，大大增加了存儲需要。存儲器用于多批次目標(biāo)信號的存儲，以目標(biāo)4批次為例，搜索雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)兩個基帶信號，V、Q兩路數(shù)據(jù)位寬各16 bits。抽取后基帶信號速率30 MHz。目標(biāo)最大距離25 km，需要的存儲容量為1.28 Mbits。

目標(biāo)信號的多普勒頻移通過由DDS核產(chǎn)生的多普勒頻率正弦、余弦信號與目標(biāo)信號復(fù)數(shù)相乘實現(xiàn)。4批次目標(biāo)，兩個基帶信號，需要8個DDS核。一個速度多普勒頻移需要4個乘法器，8個多普勒頻移需要32個乘法器。

多批次目標(biāo)模擬的實現(xiàn)采用并行處理，系統(tǒng)的規(guī)模與復(fù)雜度成倍數(shù)增加，需要嚴(yán)格的時鐘控制信號和大量的接口器來保證它們能夠正常工作，這給實際的設(shè)計和應(yīng)用造成了許多困難。

通過分析研究，采用Xilinx公司的XC7A100T-1CSG3241FPGA作為主處理芯片，該芯片能夠提供4.86 Mbits大容量的內(nèi)嵌RAM，擁有乘法器240個，可以滿足多目標(biāo)生成的處理要求。FPGA實現(xiàn)變頻功能具有靈活的特點，其突出的并行處理能力特別適用于多批次目標(biāo)的數(shù)字變頻。

3 結(jié)論

部隊在進(jìn)行實戰(zhàn)化訓(xùn)練中，特別是艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的訓(xùn)練，需要有空中目標(biāo)配合，才能更加貼近實戰(zhàn)，更加真實，而且整個作戰(zhàn)過程需要應(yīng)答信號進(jìn)行交互才能完成。本文通過對數(shù)字射頻存貯單元的設(shè)計和實現(xiàn)，得出以下結(jié)論：

1）使用DRFM器件，經(jīng)過距離延遲和多普勒頻移算法，實現(xiàn)了對運(yùn)動目標(biāo)回波模擬的工程難題；

2）通過對影響信號相參性因素的分析，采用全脈沖存儲和上下變頻的本振相同等措施，解決了模擬目標(biāo)回波信號具有盡可能高的相參性的難題；

3）采用超大的存儲空間以及快速的存儲速度保障對射頻信號的存儲、復(fù)制以及調(diào)制等處理，實現(xiàn)了多批次目標(biāo)回波信號的模擬。

為武器系統(tǒng)提供了空中目標(biāo)雷達(dá)和導(dǎo)彈應(yīng)答信號，驅(qū)動了實裝設(shè)備的工作，通過遙控和應(yīng)答方式，完整了整個武器系統(tǒng)的全過程訓(xùn)練，為部隊實戰(zhàn)化訓(xùn)練提供了有效的訓(xùn)練手段，取得良好訓(xùn)練效果，在訓(xùn)練中值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳懷瑾.防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)總體設(shè)計和試驗［M］.北京：中國宇航出版社，2005：99-106.

［2］彭冠一.防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：中國宇航出版社，2005：33-36.

［3］趙國慶.雷達(dá)對抗原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999：193-196.

［4］王小謨.雷達(dá)與探測［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：78-89.

［5］丁鷺飛.雷達(dá)原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：383-392.