脈沖多普勒雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)技術(shù)研究

鄧倩嵐 陸忠杰 辛 康

（1．上海精密計量測試研究所，上海201109；2．上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

1 引 言

雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器作為導(dǎo)彈半實物仿真測試系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要用途為產(chǎn)生包含雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)距離、速度等特征信息的回波信號，用于在實驗室條件下模擬雷達導(dǎo)引頭飛行工作狀態(tài)，考核驗證導(dǎo)引頭工作性能指標(biāo)［1-3］。雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器屬于型號專用測試設(shè)備，其量值準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到雷達導(dǎo)引頭地面試驗是否準(zhǔn)確和可靠。為解決某型脈沖多普勒雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)及量值溯源問題，本文提出采用軟件無線電技術(shù)［4］，使用頻譜儀、示波器及計算機組成校準(zhǔn)裝置硬件系統(tǒng)，使用LabVIEW實現(xiàn)信號的數(shù)字正交解調(diào)及參數(shù)提取算法，從而實現(xiàn)雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的峰值功率、多普勒頻率及延時等參數(shù)的校準(zhǔn)。

2 目標(biāo)回波模擬器工作原理

目標(biāo)回波模擬器主要功能是根據(jù)直波信號產(chǎn)生包含雷達目標(biāo)距離、速度等特征信息的回波信號，并能夠?qū)崟r地對回波信號的頻率、延遲時間、功率幅度進行控制，以模擬實際環(huán)境中雷達導(dǎo)引頭所接收到的目標(biāo)回波信號［5］。本文被校雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器采用脈沖多普勒體制，其直波信號形式為脈沖線性調(diào)頻信號［6］，如式（1）所示：

式中：P（t）——寬度為τ幅度為1的單個脈沖；T——脈沖重復(fù)周期；Ut——脈沖幅度；f0——載波頻率；φ0——載波信號初相；k——斜率，即載頻隨時間的變化率。

目標(biāo)回波模擬器對上述直波信號進行幅度衰減、延時及多普勒頻率偏移后形成回波信號，如式（2）所示：

式中：Ur——回波信號脈沖幅度；fd——彈目相對運動形成的多普勒頻率；τ0——距離延時。

雷達導(dǎo)引頭根據(jù)多普勒頻率fd提取彈目相對運動速度信息，由距離時延τ0提取彈目相對距離信息。式（2）所示回波信號的脈沖幅度、多普勒頻率及延時參數(shù)即為目標(biāo)回波模擬器所需校準(zhǔn)參數(shù)。

3 目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)裝置研建

為實現(xiàn)目標(biāo)回波模擬器的校準(zhǔn)，本文研建了一套脈沖多普勒雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)裝置。該裝置由FSU26頻譜儀、DPO7104示波器及計算機組成，校準(zhǔn)裝置硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)裝置硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of target echo simulator calibration device

圖1中，被校目標(biāo)回波模擬器回波信號輸出端口連接到FSU26頻譜儀的射頻輸入端口，使用頻譜儀將目標(biāo)回波模擬器輸出的回波信號下變頻到404．4MHz中頻，頻譜儀中頻輸出端連接到DPO7104示波器通道1，使用示波器對中頻信號進行采樣及A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號，將被校目標(biāo)回波模擬器輸出的同步脈沖信號連接到DPO7104示波器通道2作為觸發(fā)同步信號，計算機通過GPIB總線與示波器相連，在計算機中使用Lab-VIEW軟件實現(xiàn)對示波器中的數(shù)字中頻信號讀取、數(shù)字正交解調(diào)及參數(shù)提取算法，從而完成參數(shù)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時，為利用頻譜儀的下變頻功能，應(yīng)將頻譜儀的頻率跨度設(shè)為0Hz，中頻帶寬設(shè)置應(yīng)大于回波信號帶寬，為實現(xiàn)信號無失真的解調(diào)，根據(jù)帶通采樣定理，示波器的采樣率設(shè)置應(yīng)大于兩倍的回波信號帶寬。

4 目標(biāo)回波模擬器參數(shù)校準(zhǔn)方法

如圖1所示，被?；夭ㄐ盘柦?jīng)過頻譜儀下變頻及示波器采樣得到數(shù)字中頻信號，此數(shù)字中頻信號為脈沖線性調(diào)頻信號，為實現(xiàn)各參數(shù)校準(zhǔn)，首先應(yīng)對數(shù)字中頻信號進行解調(diào)，本文采用軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)算法，完成信號的軟件解調(diào)及參數(shù)提取。

4.1 數(shù)字正交解調(diào)算法原理及實現(xiàn)

采用軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)算法，首先是使用數(shù)字下變頻技術(shù)完成信號正交分解及低通濾波，得到基帶的復(fù)信號，然后根據(jù)不同的調(diào)制方式，對基帶信號進行相應(yīng)處理，從而解調(diào)出調(diào)制信號［7］。數(shù)字正交解調(diào)算法原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字正交解調(diào)算法原理圖Fig.2 Schematic diagram of digital quadrature demodulation algorithm

如圖2所示，cosωcn及sinωcn為本地載波的同相分量及正交分量，LPF為低通濾波器。接收到的數(shù)字中頻信號分別與cosωcn及sinωcn相乘并進行低通濾波完成數(shù)字下變頻形成I、Q兩路正交基帶信號，解調(diào)算法利用兩路正交基帶信號計算出信號的幅度和頻率。設(shè)接收到的數(shù)字中頻信號為：

式中：ωc——載波頻率。

將圖2中本地載波頻率設(shè)為ωc，數(shù)字中頻信號經(jīng)混頻后可得到I、Q兩路正交信號，得到：

I（n）、Q（n）信號經(jīng)低通濾波后得到：

通過對IL（n）、QL（n）進行計算可分別得到信號的幅度及瞬時頻率。由式（2）可知，回波信號的延時信息包含在回波信號幅度即脈沖包絡(luò)中，在提取延時參數(shù)時利用式（8）可計算出回波信號的脈沖包絡(luò)：

回波信號采用脈沖線性調(diào)頻體制，IL（n）、QL（n）兩路正交基帶信號利用式（9）可計算得到回波信號的瞬時調(diào)制頻率及其與時間的對應(yīng)關(guān)系，從而可以評估回波信號脈內(nèi)線性調(diào)頻的頻率變化線性度。

本文使用LabVIEW軟件實現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)算法，算法實現(xiàn)的關(guān)鍵在于載波同步，即本地載波應(yīng)與接收信號的載波同頻同相［8］。本文利用Lab-VIEW軟件中的單音提取子vi獲取接收信號載波的頻率及相位，并利用提取的頻率及相位構(gòu)建圖2中本地載波的同相分量cosωcn及正交分量sinωcn，從而解決了數(shù)字正交解調(diào)算法中本地載波的同步問題。

4.2 延時參數(shù)校準(zhǔn)

由式（2）可知，延時參數(shù)對應(yīng)于回波信號的脈沖包絡(luò)延時，此脈沖包絡(luò)為一周期脈沖信號，根據(jù)周期脈沖信號的頻譜可知，脈沖包絡(luò)由基波和各次諧波組成，脈沖包絡(luò)的延時等于其基波的相位延時，因此可利用脈沖包絡(luò)的基波相位差計算回波信號的延時參數(shù)，計算公式如式（10）：

式中：φ0,f0——延時為0時脈沖包絡(luò)基波的相位和頻率；φτ——延時為τ時脈沖包絡(luò)的基波相位。

脈沖包絡(luò)的基波相位及基波頻率使用Lab-VIEW軟件中的單音提取子vi從由式（8）計算得到的脈沖包絡(luò)中獲取。校準(zhǔn)時，首先設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器延時為0，使用軟件獲取此時脈沖包絡(luò)的基波相位φ0及頻率f0，然后設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器延時為τ，并提取此時脈沖包絡(luò)的基波相位φτ，最后使用式（10）計算得到延時參數(shù)值。延時參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面如圖3所示。

4.3 多普勒頻率校準(zhǔn)

被校目標(biāo)回波模擬器通過對式（1）所示直波信號的載頻增加一個值為fd的頻偏實現(xiàn)彈目相對運動速度的模擬，此頻偏fd即為多普勒頻率。由式（1）、式（2）可知，多普勒頻率為回波信號和直波信號的載頻之差，因此可通過獲取加載多普勒頻率前后的信號載頻并將前后獲取的兩個載頻相減得到多普勒頻率實現(xiàn)校準(zhǔn)。本文使用LabVIEW軟件實現(xiàn)從示波器獲取的數(shù)字中頻信號的FFT變換得到信號的頻譜，并從信號頻譜中提取載頻，通過合理選擇軟件的窗函數(shù)及增加示波器采樣點數(shù)來減小FFT變換的頻譜泄漏及柵欄效應(yīng)影響，從而提高頻率測量準(zhǔn)確度。校準(zhǔn)時，首先設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器多普勒頻率為0，使用軟件獲取此時信號的載頻f0，然后設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器多普勒頻率為fd，并提取此時信號的載頻f1，最后將提取的兩個載頻相減得到多普勒頻率測量值。多普勒頻率參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面如圖4所示。

圖3 延時參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面Fig.3 Delay parameter calibration software interface

圖4 多普勒頻率參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面Fig.4 Doppler frequency parameter calibration software interface

4.4 脈沖幅度參數(shù)校準(zhǔn)

脈沖幅度參數(shù)即式（2）所示回波信號的脈沖峰值功率。脈沖峰值功率測量可使用峰值功率計實現(xiàn)，但是由于峰值功率計受寬帶噪聲影響導(dǎo)致其測量的動態(tài)范圍較小，不能滿足被校目標(biāo)回波模擬器的指標(biāo)要求，因此本文使用頻譜儀實現(xiàn)被校目標(biāo)回波模擬器的脈沖峰值功率校準(zhǔn)。脈沖峰值功率定義為脈沖調(diào)制信號峰值處的電平值，因此按照定義可以對被測信號進行峰值檢波并在檢波包絡(luò)上進行采樣得到峰值功率測量結(jié)果。由頻譜儀的構(gòu)成原理可知，其視頻輸出功能能夠?qū)崿F(xiàn)對被測信號的檢波［9］，因而可以使用頻譜儀直接測量脈沖調(diào)制信號的峰值功率。測量時頻譜儀中心頻率設(shè)為載波頻率，掃頻寬度設(shè)為0，檢波器設(shè)為峰值檢波，此時頻譜儀顯示的是幅度為脈沖包絡(luò)的時域信號，選擇視頻觸發(fā)功能并設(shè)置合適的觸發(fā)電平使信號穩(wěn)定的顯示在頻譜儀上，為避免信號失真頻譜儀的分辨率帶寬應(yīng)足夠大以使信號的大部分頻率分量通過，掃描時間的設(shè)置應(yīng)大于脈沖重復(fù)周期以使至少一個周期的脈沖信號顯示在頻譜儀上，使用峰值標(biāo)記功能直接讀取脈沖峰值功率測量結(jié)果。如圖5所示，使用頻譜儀測量脈寬為100μs、周期為1ms、載頻為1GHz的脈沖調(diào)制信號的峰值功率測量結(jié)果。由于測量時頻譜儀分辨率帶寬可調(diào)，能有效抑制頻譜儀的底部噪聲，增加其測量的動態(tài)范圍，因而可滿足被校目標(biāo)回波模擬器的指標(biāo)要求。

圖5 脈沖峰值功率測量結(jié)果Fig.5 Pulse peak power measurement results

5 校準(zhǔn)裝置驗證

為了對校準(zhǔn)裝置進行驗證，本文使用81101A脈沖源和E8257D微波源組成信號發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖線性調(diào)頻信號作為被測信號，驗證框圖如圖6所示。

圖6 校準(zhǔn)裝置驗證框圖Fig.6 Calibration device verification block diagram

如圖6所示，設(shè)置E8257D微波源產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，同時設(shè)置E8257D微波源為外脈沖調(diào)制，使用81101A脈沖源輸出的脈沖信號對E8257D微波源產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號進行脈沖調(diào)制從而產(chǎn)生被測脈沖線性調(diào)頻信號。被測信號的延時參數(shù)通過調(diào)節(jié)81101A脈沖源延時設(shè)置進行模擬，多普勒頻率及脈沖幅度通過調(diào)節(jié)E8257D微波源頻率及電平進行設(shè)置。

校準(zhǔn)裝置延時參數(shù)驗證使用標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜實現(xiàn)，首先使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜的延時進行標(biāo)定，然后將標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜連接到圖6所示微波源輸出端及頻譜儀輸入端之間，使用校準(zhǔn)裝置測量標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜的延時量，將校準(zhǔn)裝置測量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)定值進行比對完成延時參數(shù)驗證。多普勒頻率參數(shù)驗證使用矢量信號分析儀實現(xiàn)，使用矢量信號分析儀測量E8257D微波源頻率變化前后被測信號頻譜的偏移量，將測量得到的偏移量與校準(zhǔn)裝置測量結(jié)果進行比對完成多普勒頻率參數(shù)驗證。脈沖幅度參數(shù)驗證使用測量接收機實現(xiàn)，由脈沖峰值功率定義可知峰值功率與未調(diào)制時的載波功率相同，因此驗證時設(shè)置E8257D微波源輸出連續(xù)波信號作為被測，分別使用測量接收機及校準(zhǔn)裝置測量連續(xù)波信號的功率，并將測量結(jié)果進行比對完成校準(zhǔn)裝置脈沖幅度參數(shù)驗證。通過上述驗證試驗表明本文研建的校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)滿足某型脈沖多普勒雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的校準(zhǔn)需求。

6 結(jié)束語

本文提出采用軟件無線電技術(shù)建立校準(zhǔn)裝置實現(xiàn)某型脈沖多普勒雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)裝置由頻譜儀、示波器等校準(zhǔn)儀器與計算機組成，使用GPIB總線實現(xiàn)校準(zhǔn)儀器與計算機之間的通信，使用LabVIEW軟件平臺開發(fā)校準(zhǔn)軟件完成校準(zhǔn)儀器的自動控制及測量，減少手動操作引入的測量誤差。利用頻譜儀和示波器實現(xiàn)被校信號射頻到中頻的轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換，使用軟件實現(xiàn)復(fù)雜調(diào)制信號的參數(shù)提取和校準(zhǔn)，實現(xiàn)了對脈沖多普勒雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的便捷、快速、準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，進一步保障了該類專用測試設(shè)備試驗、驗證和生產(chǎn)、維護保障等的綜合質(zhì)量。

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