一種雷達(dá)回波模擬器的研究與設(shè)計(jì)

劉亭洲　王海鋒　李樂怡

摘 要： 為了滿足各型雷達(dá)產(chǎn)品的測試要求， 對雷達(dá)回波模擬器的要求越來越高， 功能上也要求更加全面。 本文闡述了一種新型雷達(dá)回波模擬器的原理及實(shí)現(xiàn)方法， 著重介紹了目標(biāo)回波功能實(shí)現(xiàn)原理、 微波鏈路單元設(shè)計(jì)、 基帶單元設(shè)計(jì)等內(nèi)容， 并對系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了分析。 與傳統(tǒng)雷達(dá)回波模擬器相比， 增加了噪聲干擾、 假目標(biāo)等設(shè)置。 該模擬器技術(shù)先進(jìn)、 功能齊備、 工作穩(wěn)定可靠， 已運(yùn)用于實(shí)際。

關(guān)鍵詞： 目標(biāo)回波； 微波鏈路； 基帶處理單元

中圖分類號： TJ760.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-5048（2018）03-0073-05

雷達(dá)產(chǎn)品的研制過程一般分為系統(tǒng)調(diào)試、 內(nèi)場調(diào)試、 集成測試和外場測試等幾個(gè)階段， 每個(gè)階段都需要對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行性能評估和系統(tǒng)驗(yàn)證， 如果這些測試都通過真實(shí)的目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)， 不僅耗資較大， 而且條件也會非常苛刻， 所以雷達(dá)回波模擬器的研究就顯得非常重要。

1 功能及系統(tǒng)組成

雷達(dá)回波模擬器采用高速數(shù)字化采樣與處理技術(shù)， 對雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出的射頻發(fā)射信號經(jīng)下變頻后進(jìn)行數(shù)字化采樣， 對于采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與調(diào)制， 模擬目標(biāo)的距離與速度特性， 利用數(shù)字化處理可以方便地進(jìn)行多目標(biāo)模擬， 也可以進(jìn)行目標(biāo)與干擾的模擬， 以滿足雷達(dá)產(chǎn)品在復(fù)雜電磁環(huán)境下性能考核的需要。 由于目標(biāo)模擬完全在數(shù)字化采樣后的基帶進(jìn)行， 通過不同的模擬前端配置， 模擬器可以滿足不同波段回波模擬的要求。

雷達(dá)回波模擬器由3個(gè)類似的通道組成，如圖1所示。 2個(gè)目標(biāo)通道， 1個(gè)信號源通道， 從而產(chǎn)生所需的多個(gè)不同距離、 時(shí)間的目標(biāo)信號及信號源信號， 每個(gè)通道由微波鏈路單元、 基帶處理單元和顯示控制單元等組成， 組成框圖如圖2所示。

其中， 控制單元主要用于接收仿真機(jī)的控制指令， 然后傳給每個(gè)目標(biāo)通道的控制模塊， 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)可調(diào)整器件的控制， 滿足實(shí)時(shí)性要求；模型軟件單元包含目標(biāo)、 干擾模型及信號源模式軟件， 還包含了雷達(dá)發(fā)射的載頻及脈內(nèi)調(diào)制信息。

本文主要對微波鏈路單元和基帶處理單元進(jìn)行分析與研究。

2 系統(tǒng)原理及方案設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)回波功能實(shí)現(xiàn)原理

在目標(biāo)模擬功能中， 模擬器直接接收雷達(dá)發(fā)出的基準(zhǔn)射頻信號， 經(jīng)過微波鏈路單元的上下變頻鏈路進(jìn)行下混頻， 再被基帶處理單元的A/D采集并以數(shù)字信號形式進(jìn)入基帶處理單元中， 按照顯控單元設(shè)置的目標(biāo)特性對基準(zhǔn)信號進(jìn)行加工， 如延時(shí)和多普勒頻偏等， 加工后的數(shù)字信號含有目標(biāo)回波特性， 再通過上變頻鏈路變至射頻信號輸出反饋給雷達(dá)接收機(jī)， 如圖3所示， 兩路信號均遵循上述過程完成信號處理及射頻發(fā)射工作， 除寬帶噪聲以外其他干擾都在基帶處理單元中生成。

2.2 微波鏈路單元設(shè)計(jì)

由圖2可知， 微波鏈路由下變頻、 上變頻、 頻綜、 測頻機(jī)等組成。 兩路上變頻輸出設(shè)計(jì)為開關(guān)分離并通過功合器合路， 實(shí)現(xiàn)既可以兩路單獨(dú)輸出， 也可以合并輸出的功能。 下變頻是射頻輸入信號經(jīng)過數(shù)控衰減、 低噪聲放大、 開關(guān)、 射頻下變頻、 中頻下變頻和自動(dòng)增益控制等處理變?yōu)榛鶐盘柼峁┙o處理單元。 上變頻是對基帶信號處理單元產(chǎn)生的目標(biāo)信號進(jìn)行上變頻， 以變換到相應(yīng)頻段。

頻綜是將一個(gè)或者多個(gè)基準(zhǔn)參考頻率進(jìn)行加、 減、 乘、 除四則運(yùn)算， 從而產(chǎn)生新的頻率成分的技術(shù)， 可分成非相干合成和相干合成兩大類。 相干合成又分為直接合成、 間接合成（鎖相技術(shù)）、 直接數(shù)字頻率合成。 直接頻率合成需要的硬件多， 體積大， 但速度快、 相位噪聲低；DDS（Direct Digital Synthesizer， 直接數(shù)字式頻率合成器）速度快、 頻率分辨率高， 但其雜散大、 輸出頻率低， 一般需要結(jié)合鎖相技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展； 鎖相技術(shù)應(yīng)用最為廣泛， 電路相對簡單、 工作頻率寬， 但頻率切換速度慢。 模擬器的頻綜采用的是DDS加鎖相技術(shù)， 頻率較低的點(diǎn)頻源采用單環(huán)鎖相， 頻率高的點(diǎn)頻源采用的是多環(huán)鎖相， 用來實(shí)現(xiàn)低相位噪聲， DDS輸出的信號和點(diǎn)頻源進(jìn)行混頻濾波后輸出， 可以實(shí)現(xiàn)快速跳頻。 頻綜的輸出頻率受上位機(jī)控制， 其輸出端口需要經(jīng)過放大器隔離， 以防止產(chǎn)生串?dāng)_通路。

2.3 基帶處理單元設(shè)計(jì)

航空兵器 2018年第3期

劉亭洲， 等： 一種雷達(dá)回波模擬器的研究與設(shè)計(jì)

基帶處理單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心， 調(diào)制產(chǎn)生系統(tǒng)所需的點(diǎn)目標(biāo)回波信號、 欺騙干擾和噪聲等。 基帶處理單元采集雷達(dá)發(fā)射信號經(jīng)微波下變頻后的中頻信號， 經(jīng)數(shù)字下變頻后得到零中頻的復(fù)信號， 在復(fù)數(shù)域進(jìn)行目標(biāo)延時(shí)多普勒調(diào)制， 然后進(jìn)行數(shù)字上變頻， 最后經(jīng)高速DAC（Digital to Analog Converter， 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）輸出給微波上變頻， 其功能框圖如圖4所示。

（1） 點(diǎn)目標(biāo)/干擾實(shí)現(xiàn)原理

點(diǎn)目標(biāo)回波/干擾狀態(tài)用于產(chǎn)生簡單的點(diǎn)目標(biāo)或點(diǎn)目標(biāo)+干擾（即兩個(gè)目標(biāo)）；每個(gè)目標(biāo)速度獨(dú)立可設(shè)；每個(gè)目標(biāo)距離獨(dú)立可設(shè)；每個(gè)目標(biāo)幅度獨(dú)立可設(shè)。 以上目標(biāo)的各種信息由上位機(jī)軟件通過TCP（Transmission Control Protocol， 傳輸控制協(xié)議）下發(fā)到基帶處理單元。 基帶運(yùn)算單元首先將采集到的信號進(jìn)行數(shù)字下混頻， 根據(jù)輸入的波門信號和目標(biāo)的延遲量得到回波信號的位置信息， 然后調(diào)制多普勒頻率， 最后進(jìn)行數(shù)字上混頻。 數(shù)字下混頻在ADC（Analog to Digital Converter）采樣之后進(jìn)行正交下混頻， 得到復(fù)信號， 便于頻率搬移等操作。 目標(biāo)回波信號實(shí)現(xiàn)原理框圖見圖5。 欺騙干擾、 多普勒閃爍和轉(zhuǎn)發(fā)的硬件實(shí)現(xiàn)跟點(diǎn)目標(biāo)是一樣的， 只是延時(shí)、 多普勒和幅度參數(shù)規(guī)律不同。

（2） 噪聲干擾實(shí)現(xiàn)原理

噪聲干擾是一種遮蓋式有源干擾。 根據(jù)噪聲帶寬又可分為多普勒噪聲、 瞄準(zhǔn)式噪聲和寬帶壓制噪聲。 基帶單元負(fù)責(zé)產(chǎn)生窄帶噪聲干擾， 包括多普勒噪聲、 瞄準(zhǔn)式噪聲和大帶寬的壓制噪聲。

一定帶寬的噪聲信號的產(chǎn)生可以通過對偽隨機(jī)序列進(jìn)行加窗， 確定噪聲序列的頻譜， 然后做IFFT（Invert Fast Fourier Transformation， 反向快速傅里葉變換）， 得到時(shí)域的模板序列， 對該模板序列進(jìn)行隨機(jī)移位疊加， 最后進(jìn)行調(diào)頻， 將噪聲移到一定的載頻上。 由于有多種噪聲帶寬， 因此需要選擇不同的倍頻因子， 控制調(diào)頻噪聲的帶寬。 這種方法產(chǎn)生的噪聲為零中頻噪聲， 原理圖如圖6所示。

噪聲干擾實(shí)現(xiàn)的過程為調(diào)制出一定帶寬的零中頻噪聲信號， 將其調(diào)制到目標(biāo)回波的載頻上， 從而達(dá)到干擾的目的。 噪聲波門即根據(jù)用戶設(shè)置的重復(fù)周期和占空比產(chǎn)生一個(gè)波門信號去調(diào)制連續(xù)的噪聲信號， 得到10%～100%的間斷噪聲。

（3） 假目標(biāo)實(shí)現(xiàn)原理

雷達(dá)模擬器具有產(chǎn)生10個(gè)獨(dú)立假目標(biāo)的能力。 獨(dú)立假目標(biāo)硬件實(shí)現(xiàn)上跟點(diǎn)目標(biāo)相似， 每個(gè)獨(dú)立假目標(biāo)可分別預(yù)設(shè)不同的延遲和多普勒頻率。 產(chǎn)生1～10個(gè)假目標(biāo)需要非常高的片外存儲讀寫帶寬。 將預(yù)處理后零中頻的復(fù)信號的采樣率抽取到75 MHz進(jìn)行處理， 可實(shí)現(xiàn)最大10個(gè)獨(dú)立假目標(biāo)， 其實(shí)現(xiàn)原理如圖7所示。

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 正交混頻

正交采樣技術(shù)在信號處理領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛， 其可以保留采樣信號復(fù)包絡(luò)的幅度、 相位等信息。 本文采用了數(shù)字正交混頻的方法， 對低中頻帶通信號進(jìn)行采樣， 再通過數(shù)字信號處理的方法獲取正交信號， 如圖8所示。

一般而言， 正交混頻后還需濾波， 可根據(jù)具體情況設(shè)置適合系統(tǒng)的優(yōu)化算法， 這里不再贅述。

3.2 FIR濾波

FIR（Finite Impulse Response， 有限長單位沖激響應(yīng)）濾波即非遞歸型濾波， 具有高可靠性、 高信噪比、 高精度等特點(diǎn)， 基本工作原理如圖9所示。

4 結(jié) 論

該雷達(dá)回波模擬器是將信號采集、 數(shù)字信號處理及微波射頻接收發(fā)射系統(tǒng)集成一體的雷達(dá)測試設(shè)備， 該設(shè)備以雷達(dá)發(fā)射的射頻信號為基礎(chǔ)， 通過數(shù)字信號處理技術(shù)生成目標(biāo)反射波， 用戶可以根據(jù)不同測試的需求設(shè)置目標(biāo)的多種物理特性， 如目標(biāo)距離、 目標(biāo)速度、 回波功率等等。 在對某型雷達(dá)產(chǎn)品調(diào)試和試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用中， 該模擬器的各項(xiàng)性能均表現(xiàn)良好， 相關(guān)指標(biāo)滿足測試系統(tǒng)的要求。

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Abstract： In order to meet the test requirements of all kinds of radar products， the requirements of radar echo simulator are higher and higher， and the function is also more comprehensive. This paper describes the principle and realization method of a new type of radar echo simulator， emphatically introduces the realization principle of target echo， the design of microwave link unit， the design of baseband unit， and the key modules of the system are analyzed. Compared with traditional radar echo simulator， the simulator increases noise interference， false target and other settings. The simulator is advanced， fully functional and reliable， and has been used in practice.

Key words： target echo； microwave link； baseband processing unit