一種多頻段雷達(dá)干擾模擬系統(tǒng)仿真設(shè)計

楊文倩 張 炫 高 劍 鄧龍波

(西安電子工程研究所 西安 710100 )

0 引言

近年來，隨著寬頻帶高性能射頻前端、數(shù)字波形產(chǎn)生、數(shù)字化接收機以及高性能實時計算等技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)自由度、計算能力以及軟件化編程能力得到了大幅度提高，使得雷達(dá)系統(tǒng)的靈活性增強，在功能和性能方面得到很大的提升[1]；另一方面戰(zhàn)場信號環(huán)境和作戰(zhàn)對象的復(fù)雜變化也使得雷達(dá)對抗裝備的具體應(yīng)用存在變化。由于雷達(dá)對抗裝備對環(huán)境的依賴性和現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁信號環(huán)境的復(fù)雜多變性，僅僅依靠有限的實戰(zhàn)演習(xí)是很難完成對雷達(dá)對抗系統(tǒng)裝備的實際作戰(zhàn)效能和各種裝備平臺之間的聯(lián)合作戰(zhàn)能力的綜合評判[3]。而模擬器作為雷達(dá)模擬技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)城之一，以其靈活多變、可重復(fù)利用、安全經(jīng)濟(jì)的特點得到快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用[4]。

1 基本原理

該模擬系統(tǒng)綜合運用可配置數(shù)字基帶波形生成技術(shù)、多頻段捷變上變頻技術(shù)、多通道接收處理技術(shù)實現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)模擬，通過內(nèi)場注入方式開展對抗/反對抗仿真試驗。

注入式模擬采用參數(shù)化、模塊化思路，完成目標(biāo)雷達(dá)與模擬目標(biāo)的建模并與待測電子干擾裝備進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)，明確目標(biāo)雷達(dá)、模擬目標(biāo)與電子干擾裝備的相對位置及狀態(tài)信息，采用靈活可配置的數(shù)字波形生成技術(shù)，實時計算并通過DDS+D/A方式產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射基帶信號，經(jīng)過P、S、Ku波段3個射頻通道上變頻放大后進(jìn)行射頻輸出；輸出的雷達(dá)發(fā)射射頻信號提供給電子干擾裝備用于信號偵察，生成的目標(biāo)回波/雜波射頻信號和電子干擾裝備產(chǎn)生的干擾射頻信號進(jìn)行接收調(diào)制及合路處理后注入相應(yīng)的雷達(dá)模擬系統(tǒng)接收通道；雷達(dá)模擬系統(tǒng)真實模擬各目標(biāo)雷達(dá)接收處理通道，分別對來自3個頻段的注入信號進(jìn)行下變頻接收處理，而后通過AD采樣單元對接收機輸出中頻信號進(jìn)行采樣，并由通用服務(wù)器架構(gòu)的信號處理機和數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理，最終輸出至雷達(dá)顯控界面進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。

圖1 雷達(dá)模擬系統(tǒng)基本工作原理

2 雷達(dá)模擬系統(tǒng)的組成

雷達(dá)模擬系統(tǒng)按功能區(qū)分主要有信號產(chǎn)生分系統(tǒng)、信號與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、控制與顯示分系統(tǒng)三個分系統(tǒng)。

1)信號產(chǎn)生分系統(tǒng)

信號產(chǎn)生分系統(tǒng)通過單板計算機和相關(guān)軟件實現(xiàn)，在信號發(fā)射時根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號參數(shù)、工作時序等信息產(chǎn)生所需的基帶信號，用于模擬產(chǎn)生目標(biāo)運動、戰(zhàn)場環(huán)境、雜波干擾等信號。

2)信號與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

信號與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)中，由信號采集板中AD采樣電路接收中頻回波信號，完成一系列信號處理流程，最終完成目標(biāo)檢測并輸出目標(biāo)點跡報告，并且在檢測概率上達(dá)到與實際雷達(dá)一致或接近的效果，正確模擬出雷達(dá)被干擾的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)系統(tǒng)時鐘和處理周期進(jìn)行點跡凝聚、雜波處理和航跡相關(guān)，完成雷達(dá)航跡處理，建立目標(biāo)批號、運動參數(shù)、威脅系數(shù)、航跡質(zhì)量等，并將處理結(jié)果送至控制與顯示分系統(tǒng)。

3)控制與顯示分系統(tǒng)

控制與顯示控制分系統(tǒng)通過系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)控制與管理終端、雷達(dá)綜合顯控終端對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置、資源管理和狀態(tài)顯示?？蓪崿F(xiàn)雷達(dá)信息綜合顯示，具備雷達(dá)控制命令產(chǎn)生功能，可通過界面設(shè)置雷達(dá)的工作模式、工作參數(shù)并顯示雷達(dá)工作狀態(tài)等，用于雷達(dá)數(shù)據(jù)的顯示與人機交互。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多通道仿真數(shù)據(jù)與D/A信號同步技術(shù)

3.1.1 同步技術(shù)設(shè)計

系統(tǒng)多通道DA輸出之間要求同步，即各DA通道從不同的存儲模塊讀取數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理后進(jìn)行同步DA轉(zhuǎn)換。不但要保證各個DA同步，還要求不同通道的數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)同步設(shè)計的基本思想如圖2所示，首先要保證整個系統(tǒng)共時基，其次要保證整個系統(tǒng)共同步觸發(fā)，同時要保證整個系統(tǒng)共本振，這樣即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)多個通道之間同步。

實測結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看到示波器的采樣速率為25GSPS，時間刻度每大格為2ns，每小格為0.4ns，測試結(jié)果表明，同步精度優(yōu)于80ps。

圖2 系統(tǒng)同步示意圖

圖3 同步時序?qū)崪y數(shù)據(jù)圖

3.1.2 DA同步

DA同步要求各通道DA轉(zhuǎn)換器之間保持同步，高速DA轉(zhuǎn)換器使用JESD204B串行接口簡化了同步過程。在一個JESD204B系統(tǒng)中，同步可以分為下面三個基本要求：

1)每個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間器件時鐘要求相位對齊。器件時鐘作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘或者參考時鐘依賴于時鐘分配延時控制，器件時鐘采用輸入時鐘經(jīng)過一個時鐘緩沖后送給各個轉(zhuǎn)換器和邏輯器件，各路時鐘保持等長來進(jìn)行相位控制。

2)選擇合適的緩沖器釋放點來保證確定性延遲。彈性緩沖器抵消串行數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端的傳輸延遲，提供足夠的余量。選擇一個合適的彈性緩沖器要求已知數(shù)據(jù)到達(dá)彈性緩沖器的平均時間和所有器件總的期望延遲，關(guān)鍵點是要保證所有LANE線上的數(shù)據(jù)到達(dá)所有器件在彈性緩沖器釋放點滿足之前，如圖4所示。

圖4 彈性緩沖器釋放點選擇示意圖

3)每個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和邏輯器件的系統(tǒng)參考時鐘相對器件時鐘滿足建立/保持時間要求。

系統(tǒng)參考時鐘信號是實現(xiàn)可重復(fù)系統(tǒng)延遲和同步的最重要信號。系統(tǒng)參考時鐘信號的頻率選擇有一定的限制，信號頻率等于或者是LMFC的整數(shù)分頻。應(yīng)滿足公式(1)：

(1)

式(1)中fBITRATE是串行接口的位速率，F(xiàn)是每一幀的字節(jié)數(shù)，K是每個多幀塊的幀數(shù)，n是任何整數(shù)。但是每個器件都一個K值設(shè)置的限制滿足17≤F×K≤1024。

最簡單實現(xiàn)系統(tǒng)參考時鐘信號建立/保持時間要求的方案是使用同一個器件來實現(xiàn)器件時鐘和系統(tǒng)參考時鐘。在各種條件下不同輸出之間保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，圖5是使用TI LMK04828實現(xiàn)的器件時鐘和系統(tǒng)參考時鐘的典型JESD204B時鐘方案。

圖5 典型JESD204B時鐘方案

3.2 基于通用信號處理平臺的軟件化雷達(dá)技術(shù)

本雷達(dá)模擬系統(tǒng)采用了通用信號處理平臺來完成數(shù)字信號處理部分的真實模擬，該通用信號處理平臺運用軟件化雷達(dá)開發(fā)技術(shù)，可以有效地提高雷達(dá)信號處理系統(tǒng)軟件的通用性、可移植性和適用性。

雷達(dá)回波信號生成的過程如圖6所示，將仿真時間按照雷達(dá)的基帶信號采樣間隔TS進(jìn)行離散，則在每個TS時刻，通過計算或記錄當(dāng)前時刻的回波信號強度Ar、時延Δr、多普勒頻率ωc、信號載頻ω0、雷達(dá)與目標(biāo)的徑向距離r以及雷達(dá)波形等參數(shù)即可合成基帶雷達(dá)回波，見公式(2)：

SRx(t)=Ar(t)S0(t-Δr(t))exp(j(ωct-kr(t)+φ0))

(2)

其中，回波信號強度Ar由雷達(dá)仿真計算得到，SO(t)為基帶信號波形，k為波數(shù)，φ0為信號的初始相位。通過公式(2)可以發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)回波信號的變化其實是由場景的變化驅(qū)動的，因此只要能夠明確描述場景的變化，即可得到準(zhǔn)確的雷達(dá)回波信號。

圖6 雷達(dá)回波信號離散時間示意

在數(shù)字化動態(tài)仿真系統(tǒng)中，需要定義場景仿真的步長Tn，即場景刷新的時間間隔，將雷達(dá)的每個重復(fù)周期PRI設(shè)置為仿真步長，即令Tn=PRI。如下圖所示，以水平光柵掃描的雷達(dá)為例，在每個Tn或PRI，軟件都會計算或記錄當(dāng)前時間點的場景狀態(tài)參數(shù)，那么在該仿真步長內(nèi)，仍然將回波信號按照TS進(jìn)行離散，并由公式(2)求得。需要注意的是，這里假定在每個重復(fù)周期PRI內(nèi)，雷達(dá)的發(fā)射功率、信號波形，雷達(dá)天線的姿態(tài)、矢量速度和天線波束指向，目標(biāo)的姿態(tài)和矢量速度等均不發(fā)生變化，場景中的運動實體會按照當(dāng)前的速度進(jìn)行勻速直線運動，直到下一個仿真步長，那么在該仿真步長內(nèi)雷達(dá)和目標(biāo)仍將保持運動狀態(tài)，使得整個回波生成的過程都是動態(tài)連續(xù)的。

圖7 雷達(dá)回波信號生成關(guān)系示意

4 結(jié)束語

文中提出一種多頻段雷達(dá)模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法，該模擬可實現(xiàn)目標(biāo)雷達(dá)的基本功能，可檢驗鑒定目標(biāo)雷達(dá)干擾機的干擾效果，但原理和結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。該模擬系統(tǒng)可在數(shù)字域?qū)⒏鞣N復(fù)雜場景進(jìn)行仿真，場景模擬的復(fù)雜度高；該模擬系統(tǒng)提出的數(shù)字仿真方案使系統(tǒng)部署更加靈活；該模擬系統(tǒng)可在數(shù)字域自動進(jìn)行校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集和校準(zhǔn)結(jié)果更新，使系統(tǒng)維護(hù)校準(zhǔn)更方便。該雷達(dá)模擬系統(tǒng)在保證效果的基礎(chǔ)上極大地降低了日常消耗，可節(jié)約大量的軍事訓(xùn)練經(jīng)費，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。