帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)方法

易 磊，嚴(yán)宜強(qiáng)，李 淼

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

目標(biāo)模擬器是武器系統(tǒng)半實物仿真平臺的重要組成部分。近年來隨著針對武器裝備實戰(zhàn)化的要求的提出，帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器被更多地應(yīng)用于武器裝備半實物仿真實驗，干擾類型包括速度拖引、距離拖引、噪聲干擾及各種復(fù)合干擾等[1-2]，部分雷達(dá)型目標(biāo)模擬器還具備模擬如地雜波、海雜波、其他干擾源等復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬功能[3]。

隨著目標(biāo)模擬器功能的不斷完善，也需要不斷提升與之相匹配的校準(zhǔn)能力，而目前國內(nèi)尚無針對雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)規(guī)范。帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的輸出信號中既包含目標(biāo)信號也包含干擾信號，行業(yè)內(nèi)通?；跇?biāo)準(zhǔn)儀器實現(xiàn)目標(biāo)信號的校準(zhǔn)。目標(biāo)信號包含距離、速度、幅度等參數(shù)信息：距離參數(shù)通過示波器在時域測試中獲得，等效計算到目標(biāo)距離上；幅度參數(shù)通過頻譜分析儀或功率計直接測試得到；速度參數(shù)通過測試多普勒頻率獲得，等效計算到目標(biāo)速度上[4]；部分具有多通道相參功能的目標(biāo)模擬器，基于網(wǎng)絡(luò)分析儀實現(xiàn)通道間幅相一致性的測試[5]。當(dāng)前目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)的難點主要集中在干擾信號特性分析上：對于部分干擾模式，如應(yīng)答式干擾或阻塞式干擾，還可以基于頻譜分析儀獲取干擾信號特征[6]；但對于速度拖引、距離拖引、地海雜波等干擾模式，由于其干擾信號屬于時變信號或時頻特征信號，單純地從頻域或時域分析，難以有效表征干擾信號特征。目前國內(nèi)外較為常見的作法，是基于假設(shè)檢驗的方法，評估干擾模型結(jié)果與目標(biāo)模擬器實際輸出結(jié)果的一致性[7-9]，但這種方法只能用于定性分析，無法準(zhǔn)確評判目標(biāo)模擬器的性能。

本文針對帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器，在分離目標(biāo)信號與干擾信號的基礎(chǔ)上，基于軟件無線電的思想開展校準(zhǔn)技術(shù)研究，通過預(yù)設(shè)模型解算還原干擾信號的方式，實現(xiàn)帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)[10-12]。

1 雷達(dá)型目標(biāo)模擬器工作原理

雷達(dá)型目標(biāo)模擬器工作原理如圖1所示，雷達(dá)探測信號進(jìn)入目標(biāo)模擬器后，經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)為中頻信號，進(jìn)入基帶信號產(chǎn)生與正交調(diào)制單元，在原探測信號基礎(chǔ)上生成了包括目標(biāo)速度信息、距離信息以及干擾信號與戰(zhàn)場環(huán)境信息在內(nèi)的基帶回波信號，經(jīng)上變頻單元混頻輸出至發(fā)射天線。

圖1 雷達(dá)型目標(biāo)模擬器原理圖

基帶信號產(chǎn)生與正交調(diào)制單元是雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的核心模塊，其基于DRFM（數(shù)字射頻存儲器，以下簡稱DRFM）技術(shù)，通過對中頻信號的高速采樣、存儲、處理和重構(gòu)，實現(xiàn)中頻注入式雷達(dá)回波信號的模擬。DRFM中內(nèi)置多種目標(biāo)與干擾信號模型，可根據(jù)需要生成所需的各種目標(biāo)與干擾信號，進(jìn)行基帶數(shù)字信號合成處理，模擬目標(biāo)信號相對雷達(dá)發(fā)射載頻的幅度、延遲、多普勒頻率的變化，產(chǎn)生單重或雙重欺騙式干擾信號及各種組合式干擾信號等[13-15]。

2 校準(zhǔn)裝置研建

目標(biāo)模擬器最終輸出的微波信號分兩路：其中一路進(jìn)入變頻單元下變頻為中頻信號，然后進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集單元，將中頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理，最后基于基帶數(shù)據(jù)的分析、解算，評價目標(biāo)信號與干擾信號的性能[4]；另一路直接進(jìn)入信號分析儀，完成部分目標(biāo)模擬器性能參數(shù)的校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)系統(tǒng)中微波源的輸出信號用來模擬雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號，該信號饋送至目標(biāo)模擬器的射頻輸入端，脈沖源的輸出模擬發(fā)射機(jī)的脈沖調(diào)制信號，目標(biāo)模擬器參照設(shè)定要求生成帶干擾的回波信號，按照不同頻段分兩路輸出。

信號分析儀用于在頻域分析目標(biāo)模擬器輸出的回波信號，完成目標(biāo)特性的分析，涉及功率、頻率、調(diào)制等參數(shù)；測控單元包括雙路變頻單元、快速測頻機(jī)、捷變頻頻綜、高速數(shù)據(jù)采集單元、實時存儲單元等，主要實現(xiàn)雙頻段的下變頻，并將下變頻后的信號按工作流程要求送至高速數(shù)據(jù)采集單元；高速數(shù)據(jù)采集單元用于在時域采樣速度拖引信號、距離拖引信號和噪聲信號等干擾信號，瞬時帶寬可達(dá)1 GHz，能實時存儲干擾工作周期內(nèi)的大容量采樣數(shù)據(jù)；工控機(jī)內(nèi)置I/O、RS485、LVDS、光纖卡及GPIB等板卡，用于整個裝置的功能設(shè)置、通信控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、計算分析、報告生成等。

帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)系統(tǒng)基于軟件無線電思想，通過采樣、數(shù)據(jù)分析可以獲取目標(biāo)信號脈沖延遲、PRF(脈沖重復(fù)頻率，以下簡稱PRF)和脈沖前后沿等參數(shù)數(shù)據(jù)。將采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)設(shè)干擾信號模型分析，可以得到干擾信號的拖引周期、駐留時間、拖引速度、拖引多普勒頻偏、距離拖引時延等參數(shù)，對照相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，可判斷目標(biāo)模擬器的技術(shù)狀態(tài)是否滿足要求。

3 數(shù)據(jù)采樣與存儲

3.1 數(shù)據(jù)采樣平臺

校準(zhǔn)系統(tǒng)中的基帶處理單元部分基于QPlat平臺，QPlat平臺是在集成了XILINX公司的system generator與ISE開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，結(jié)合了部分系統(tǒng)API函數(shù)開發(fā)的專用數(shù)據(jù)采樣平臺，便于以模塊化與可視化的方式進(jìn)行數(shù)字信號處理，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采樣的靈活配置與實時控制。基帶處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以看做是被校準(zhǔn)目標(biāo)模擬器DRFM的逆運算，當(dāng)被測對象開始釋放回波的時候同時也向校準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)送同步信號，校準(zhǔn)系統(tǒng)自動接收同步信號作為數(shù)據(jù)采集的啟動信號，基帶處理單元負(fù)責(zé)存儲回波信號數(shù)據(jù)，時標(biāo)以同步信號為準(zhǔn)，同步信號可以是幀同步信號也可以是脈沖信號，校準(zhǔn)系統(tǒng)可以同時使用多個同步信號來保證數(shù)據(jù)流的時標(biāo)對齊，并引入修正參數(shù)實時修正因校準(zhǔn)電纜、接頭等因素引入的時標(biāo)誤差。

3.2 數(shù)據(jù)采樣

數(shù)據(jù)采樣采用數(shù)字正交采樣技術(shù)，該技術(shù)可以完整保留信號復(fù)包絡(luò)的幅度、相位等信息，其原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字正交采樣原理圖

雷達(dá)發(fā)射信號為一個窄帶信號，假設(shè)為：

經(jīng)AD采樣后，變成數(shù)字信號：

通過混頻技術(shù)，可得到信號的正交變量，數(shù)字信號正交混頻的I路可表示為

Q路可表示為

兩路信號經(jīng)正交混頻后，進(jìn)行低通濾波，濾除多余的頻率后，抽取輸出IQ信號。

時域信息由數(shù)據(jù)采樣和存儲的節(jié)拍決定，如信號不延遲，采樣到的數(shù)字序列信號在存儲器中無操作，如圖3中1所示；信號延遲t，采樣到的數(shù)字序列信號在存儲器進(jìn)行空間移位操作，直到第m個空間取出，如圖3中2所示；如信號延遲t+Δt，采樣到的數(shù)字序列信號在存儲器進(jìn)行空間移位操作，直到第m+m'個空間取出，如圖3中3所示。

其中：

圖3 數(shù)字序列在存儲器中的操作圖

式中：R——目標(biāo)與雷達(dá)的距離；

c——光速；

t_clock ——時鐘周期。

當(dāng)X0從m中取出時，信號產(chǎn)生延遲mt_clock=t，由于施加了干擾，X0從m+m'中取出，信號延遲（m+m'）t_clock=t+Δt，根據(jù)Δt的變化可以解算出距離拖引干擾信號的干擾拖引周期、干擾駐留時間、拖引時延、拖引速度等參數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)信號流程如圖4所示，經(jīng)過離散后的數(shù)字信號以定義好的數(shù)據(jù)格式存儲在基帶處理單元中的閃存陣列中，系統(tǒng)采樣率最低2 MHz，最高可達(dá)2.4 GHz，可以滿足不同目標(biāo)模擬器測量準(zhǔn)確度的要求。由于采樣率和采樣時長的不同，數(shù)據(jù)存儲文件的大小也不同，如果是低采樣率的數(shù)據(jù)文件，可以直接調(diào)用主板機(jī)資源進(jìn)行處理，如果采樣率過高，或是采樣時長過長，就需要通過光纖將采樣數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)中，充分利用上位機(jī)資源進(jìn)行分析解算，這樣的數(shù)據(jù)處理方法可以縮短解算時間，提高系統(tǒng)效率。

圖4 數(shù)據(jù)信號流圖

4 基于固有模型的參數(shù)解算

4.1 干擾信號模型分析

以速度拖引干擾為例，已知目標(biāo)回波模型為：

式中：Ar——目標(biāo)回波信號的幅度；

f0——載頻頻率；

fd——多普勒頻率；

c——光速；

R(t)=R0-vt——目標(biāo)與雷達(dá)徑向距離；

R0——目標(biāo)與雷達(dá)初始距離；

v——目標(biāo)與雷達(dá)相對速度。

速度拖引干擾（VGPO）也稱速度波門拖引干擾，其干擾模型[16]為：

式中：As——速度拖引干擾的幅度；

f0——載頻頻率；

fd——多普勒頻率；

c——光速；

Δfd(t)——多普勒頻移。

其中vf為勻速拖引時的速度。

帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器按上述模型生成目標(biāo)與干擾信號，由上述公式知道，目標(biāo)與干擾均是時間t的函數(shù)，根據(jù)仿真或試驗需要，設(shè)置幅度A、目標(biāo)與雷達(dá)初始距離R0、目標(biāo)與雷達(dá)相對速度v、拖引速度vf等參數(shù)，在干擾模擬源的DRFM中按照上述函數(shù)關(guān)系，采用FPGA實時計算，即可生成目標(biāo)信號Sr(t)與干擾中頻基帶信號Ss(t)。

4.2 信號解算

信號解算基于Matlab實現(xiàn)，以速度拖引干擾為例，通過讀入預(yù)先定義好的Dat格式數(shù)據(jù)文件，以1 ms時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣點篩選，形成離散的數(shù)據(jù)序列，對關(guān)心的關(guān)鍵數(shù)據(jù)段和數(shù)據(jù)起始點進(jìn)行選取，匹配預(yù)設(shè)的速度拖引干擾數(shù)據(jù)模型，借助FFT工具包，就可以解算出目標(biāo)信號與干擾信號。

校準(zhǔn)系統(tǒng)在分析模擬源實際輸出的目標(biāo)信號與干擾信號的基礎(chǔ)上，通過得到Δfd(t)、Δ(t)在時間軸上的變化曲線，即可解算出拖引周期、保持時間、多普勒頻偏、拖引速度及距離時延等參數(shù)，如圖5所示。

圖5 速度拖引干擾多普勒曲線變化示意圖

4.3 校準(zhǔn)結(jié)果

選取一臺典型的帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器進(jìn)行校準(zhǔn)，并對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度評定，這里給出捕獲時間、拖引時間、保持時間與關(guān)機(jī)時間的不確定度評定過程如下：

分析上述參數(shù)的測量結(jié)果的影響因素，有部分因素影響較小，如AD轉(zhuǎn)換信噪比、轉(zhuǎn)換速率、量化靈敏度等，這里不予考慮；AD芯片采集過程中的窗口值，在單次采集過程中是保持不變的，因此對于上述延時類參數(shù)的測量結(jié)果不會引入不確定度分量；被校目標(biāo)模擬器性能穩(wěn)定，多次校準(zhǔn)結(jié)果一致性較好，因此不考慮測量結(jié)果重復(fù)性的影響。綜合考慮，上述參數(shù)測量結(jié)果的主要不確定度分量有如下5個方面：

1）AD采集時序引入的不確定度分量u1；

2）連接電纜延遲補(bǔ)償測量結(jié)果引入的不確定度分量u2；

3）脈沖重復(fù)頻率（PRF）起始點定位準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u3；

4）脈沖上升下降沿坐標(biāo)定位準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u4；

5）模型解算取樣周期引入的不確定度分量u5。

AD采集時序引入的不確定度分量取決于參考時鐘，本系統(tǒng)參考時鐘源于外部微波信號源提供的10 MHz參考信號，其頻率準(zhǔn)確度為3×10-8，AD時鐘為2.4 GHz，服從均勻分布，因此引入的不確定度分量為：

連接電纜延時數(shù)據(jù)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B測得，測試頻率孔徑設(shè)置為40 MHz，服從均勻分布，參照E8363B技術(shù)手冊，延時數(shù)據(jù)引入的不確定度分量為：

脈沖重復(fù)頻率（PRF）起始點定位準(zhǔn)確度與脈沖上升下降沿坐標(biāo)定位準(zhǔn)確度引入的不確定度分析方法相同，在脈沖前后沿模數(shù)轉(zhuǎn)化量化過程中，設(shè)置采樣率為10 MHz，最大量化差異為一個采樣點，服從均勻分布，其引入的不確定度分量為：

模型解算取樣周期，是參照校準(zhǔn)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求與計算時間綜合確定，算法最小時間單元為100 000/采樣率，服從均勻分布，在采樣率設(shè)置為10 MHz的情況下，計算模型解算取樣周期引入的不確定度分量為：

上述分量相互獨立互不相關(guān)，取k=2,計算擴(kuò)展不確定度為：

其他參數(shù)的不確定度評定參照上述方法進(jìn)行，這里給出一個典型的帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器主要參數(shù)的校準(zhǔn)結(jié)果，如表1所示。

表1 帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文介紹了一種帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)方法，該方法基于軟件無線電的思想，通過對中頻注入信號的數(shù)據(jù)采樣、存儲、分析，參照固有的干擾信號模型解算出目標(biāo)模擬器的目標(biāo)特性參數(shù)和干擾信號參數(shù)，實現(xiàn)了帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)。該方法靈活性高、擴(kuò)展性好，可應(yīng)用于較為復(fù)雜的目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)目前僅開發(fā)了針對固有模型的干擾信號分析，對包含如像地雜波、海雜波以及復(fù)雜電磁環(huán)境在內(nèi)的干擾信號，尚未實現(xiàn)校準(zhǔn)功能，這也是該系統(tǒng)后續(xù)功能擴(kuò)展的方向。