一種SAR/MTI雷達(dá)射頻回波模擬器總體設(shè)計(jì)

唐月生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

利用雷達(dá)射頻回波模擬器(RRES)獲取射頻回波信號(hào)較雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)裝外場(chǎng)試驗(yàn)獲取而言，具有成本低、周期短、保密性高等優(yōu)點(diǎn)，且不受自然環(huán)境、配試等條件限制，已被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)仿真研究、雷達(dá)產(chǎn)品測(cè)試及模擬訓(xùn)練等應(yīng)用場(chǎng)合。目前多數(shù)雷達(dá)回波模擬器屬于定制或?qū)Ｓ眯途佣?，其設(shè)計(jì)通常面向某具體場(chǎng)合和對(duì)象，不具有或難以快速實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展或重構(gòu)，導(dǎo)致重復(fù)利用率低、成本重復(fù)投入高或需求滿足周期長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，研制易重構(gòu)可擴(kuò)展雷達(dá)射頻回波模擬器具有重要的工程意義。

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，奪取戰(zhàn)場(chǎng)“制情報(bào)權(quán)”是一種重要的作戰(zhàn)樣式。SAR/MTI雷達(dá)是一種主動(dòng)微波偵察監(jiān)視系統(tǒng)，具有全天時(shí)、全天候工作能力，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中重要的情報(bào)獲取手段，得到各國(guó)的重視，在近幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了重要的作用，如美國(guó)JSTARS系統(tǒng)[1]。隨著作戰(zhàn)對(duì)情報(bào)要求的提高和雷達(dá)技術(shù)本身的發(fā)展，SAR/MTI雷達(dá)作戰(zhàn)性能及新技術(shù)體制不斷得到提高和應(yīng)用，更高的分辨率、更寬的觀測(cè)帶、同時(shí)多功能和抗干擾等要求也成為SAR/MTI雷達(dá)的新追求，這對(duì)作為雷達(dá)測(cè)試仿真的重要技術(shù)手段之一的射頻回波模擬器也提出了新的更高的技術(shù)需求。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求

為解決和適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合和使用對(duì)象的快速擴(kuò)展應(yīng)用的實(shí)際需求，縮短系統(tǒng)重構(gòu)集成時(shí)間、降低成本、提高系統(tǒng)利用率，RRES系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下需求：

1)處理硬件能力可擴(kuò)展，滿足不同仿真處理能力和使用需求，具備高速大帶寬數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)通信能力；

2)射頻硬件能力具有寬頻帶、大瞬時(shí)信號(hào)帶寬、寬動(dòng)態(tài)、低雜散、頻率捷變等性能，通道數(shù)可擴(kuò)展，適應(yīng)多通道、高分辨、捷變頻等雷達(dá)回波模擬需求；

3)模塊化設(shè)計(jì)，接口標(biāo)準(zhǔn)化，功能軟件可定義，保證系統(tǒng)具有重構(gòu)或擴(kuò)充的便利條件；

4)具備射頻通道特性提取和校正補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)保真設(shè)計(jì)，使得射頻回波信號(hào)更加逼真，模擬評(píng)價(jià)結(jié)果更為真實(shí)。

1.2 功能與原理

RRES系統(tǒng)核心功能包括數(shù)字回波信號(hào)生成和射頻回波信號(hào)產(chǎn)生，分別由數(shù)字單元和射頻單元完成，單元間高速數(shù)據(jù)傳輸采用多路10Gbps速率的光纖接口互聯(lián)，滿足不同應(yīng)用下回波數(shù)據(jù)的大帶寬高速吞吐傳輸需求，其功能原理框圖見(jiàn)圖1所示。其中數(shù)字單元主要包括顯示與控制、時(shí)序控制、數(shù)字回波生成與處理和記錄存儲(chǔ)等。射頻單元主要包括頻率源、收發(fā)通道及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)等。外部交互接口主要包括時(shí)序同步信號(hào)、頻率同步信號(hào)、射頻回波信號(hào)及參數(shù)控制等。

圖1 RRES功能原理框圖

工作時(shí)，數(shù)字單元通過(guò)建模仿真生成逼近于真實(shí)雷達(dá)應(yīng)用場(chǎng)景的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)或?qū)霘v史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)字回波數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳給射頻單元，射頻單元將數(shù)字回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)并按時(shí)序注入被測(cè)系統(tǒng)。

1.3 硬件模塊化

硬件模塊化是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速重構(gòu)的重要技術(shù)途徑之一。根據(jù)RRES系統(tǒng)功能，識(shí)別系統(tǒng)共性和相似功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并保證機(jī)械、電氣、數(shù)據(jù)等接口標(biāo)準(zhǔn)化，以達(dá)到系統(tǒng)可擴(kuò)展或組合，軟件定義系統(tǒng)的目的，適應(yīng)不同的模擬對(duì)象和應(yīng)用需求。

按照模塊的功能屬性將系統(tǒng)硬件模塊劃分為通用、共用及專(zhuān)用模塊。其中通用模塊在系統(tǒng)中定義為可直接采用的COTS產(chǎn)品或CBB成熟通用件，承載通用功能實(shí)現(xiàn)；共用模塊指系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)合下共同配置的硬件模塊，直接使用或進(jìn)行軟件適應(yīng)性調(diào)整；專(zhuān)用模塊主要是射頻部分受器件性能指標(biāo)等約束的模塊，與具體模擬對(duì)象強(qiáng)相關(guān)的模塊。

為適應(yīng)不同頻段的應(yīng)用需求，同時(shí)盡量減少系統(tǒng)模塊品種，采用通用模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算處理需求，將頻率源模塊、數(shù)字收發(fā)(A/D、D/A)模塊按照共性模塊統(tǒng)型設(shè)計(jì)，模擬變頻通道按頻段(L、S/C、X、Ku、Ka等五種)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，通過(guò)組合快速實(shí)現(xiàn)不同頻段雷達(dá)射頻回波模擬需求，RRES系統(tǒng)硬件模塊化配置組成見(jiàn)表1所示。

表1 功能硬件模塊配置組成

1.4 軟件設(shè)計(jì)

RRES系統(tǒng)軟件主要功能：

1)顯示與控制：提供人機(jī)交互，如仿真參數(shù)設(shè)置、模型構(gòu)建與加載、仿真流程控制、狀態(tài)及參數(shù)顯示等；

2)時(shí)序控制：系統(tǒng)任務(wù)管理及時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生。接收被測(cè)/模擬對(duì)象同步時(shí)序信號(hào)或根據(jù)被測(cè)/模擬對(duì)象脈沖重復(fù)周期PRT參數(shù)及其工作方式，產(chǎn)生系統(tǒng)基準(zhǔn)導(dǎo)前、D/A轉(zhuǎn)換觸發(fā)、A/D采集觸發(fā)等時(shí)序信號(hào)；

3)回波生成/處理：根據(jù)輸入條件/參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇回波仿真處理算法[2]，生成雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)，送記錄存儲(chǔ)或射頻單元；兼具系統(tǒng)通道校正數(shù)據(jù)處理；

4)記錄與存儲(chǔ)：支持?jǐn)?shù)字回波數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、回放及導(dǎo)入導(dǎo)出等功能；

5)數(shù)字收發(fā)及校正：實(shí)現(xiàn)基帶或中頻信號(hào)采集數(shù)字化和數(shù)字回波數(shù)據(jù)D/A轉(zhuǎn)換處理；通道校正補(bǔ)償。

為便于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展，系統(tǒng)軟件采用分層體系結(jié)構(gòu)和組件化(模塊化)設(shè)計(jì)，遵循“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計(jì)思想，對(duì)仿真雷達(dá)模型、目標(biāo)模型、雜波模型、干擾模型和回波仿真算法等模塊化封裝，規(guī)范化組件接口，降低組件間耦合度，便于不同應(yīng)用場(chǎng)景下組件的復(fù)用、維護(hù)升級(jí)及替換。

系統(tǒng)選擇Qt作為C++軟件開(kāi)發(fā)框架，Qt是面向?qū)ο蟮拈_(kāi)源架構(gòu)，其封裝機(jī)制實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)者面向組件的編程，且其靈活的信號(hào)槽消息機(jī)制使得組件間協(xié)同變得簡(jiǎn)單，利于提高開(kāi)發(fā)效率。選擇組件式GIS作為雷達(dá)仿真系統(tǒng)場(chǎng)景設(shè)置軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)快速可視化回波場(chǎng)景設(shè)置，如雷達(dá)、目標(biāo)、干擾源的布設(shè)及參數(shù)設(shè)置，添加雜波、大氣等環(huán)境參數(shù)等。

2 數(shù)字單元架構(gòu)選擇

RRES系統(tǒng)的處理特點(diǎn)要求數(shù)字單元架構(gòu)應(yīng)具有總線傳輸帶寬大、運(yùn)算處理能力強(qiáng)和數(shù)據(jù)交互靈活，易擴(kuò)展和軟件開(kāi)發(fā)維護(hù)。

2.1 硬件平臺(tái)架構(gòu)

硬件平臺(tái)采用基于OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)總線架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用全交換式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于交換的數(shù)據(jù)互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳輸協(xié)議支持RapidIO和千兆網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)各功能槽位/模塊間任意節(jié)點(diǎn)互通，為功能模塊擴(kuò)展或組合提供物理實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。處理硬件平臺(tái)采用“FPGA+CPU”的硬件架構(gòu)，支持GPU功能模塊擴(kuò)展，其中FPGA用于高速信號(hào)預(yù)處理及邏輯時(shí)序控制，CPU負(fù)責(zé)復(fù)雜高精度運(yùn)算，當(dāng)需要進(jìn)行密集并行處理時(shí)可選配GPU模塊，滿足不同應(yīng)用需求。

2.2 并行處理實(shí)現(xiàn)

典型回波信號(hào)模擬處理算法包括距離時(shí)域脈沖相干法、距離頻域脈沖相干法、二維頻域快速傅氏變換法及同心圓模擬法等。對(duì)于雷達(dá)回波仿真來(lái)說(shuō)，不同點(diǎn)目標(biāo)不同方位時(shí)刻的回波生成具有獨(dú)立性，為回波計(jì)算并行處理提供了可行性。在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先針對(duì)算法進(jìn)行并行性分析，識(shí)別具有獨(dú)立且可高度并行的處理進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，利用多CPU 或GPU多線程并行計(jì)算，再進(jìn)行數(shù)據(jù)累積融合輸出，實(shí)現(xiàn)高效的回波復(fù)雜運(yùn)算處理。

3 射頻回波信號(hào)保真設(shè)計(jì)

作為雷達(dá)測(cè)試設(shè)備，尤其是進(jìn)行定量測(cè)試使用時(shí)，要嚴(yán)格控制和保證射頻單元的信號(hào)質(zhì)量，如帶內(nèi)非線性、通道間一致性、雜散抑制、相位噪聲等指標(biāo)，避免由于模擬器自身的精度或誤差導(dǎo)致模擬的射頻回波信號(hào)失真，使得測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)可信度不高。

3.1 寬帶發(fā)射及通道內(nèi)均衡

高分辨是SAR/MTI雷達(dá)的永恒追求，是支撐從“發(fā)現(xiàn)-粗識(shí)別-精識(shí)別-可描述”的作戰(zhàn)應(yīng)用需求的技術(shù)保證。SAR/MTI雷達(dá)的距離分辨率由雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)帶寬B決定的，分辨率越高，發(fā)射信號(hào)帶寬越高。目前公開(kāi)的雷達(dá)分辨率已優(yōu)于0.1m，其發(fā)射的信號(hào)帶寬可達(dá)1.5GHz帶寬或更高。RRES系統(tǒng)需要具備同等的大帶寬信號(hào)產(chǎn)生/發(fā)射能力。寬帶發(fā)射通道經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換、放大、濾波和混頻等處理，受模擬器件特性等影響，通道傳輸特性失真，存在較大的幅相誤差，影響脈沖壓縮的脈壓主副比及副瓣電平對(duì)稱(chēng)性等結(jié)果[3]，導(dǎo)致輸出的回波射頻信號(hào)質(zhì)量惡化，影響仿真或測(cè)試試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果可信度。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，盡管通過(guò)器件選型和電路設(shè)計(jì)優(yōu)化可以部分降低通道的失真程度，但不能從根本上消除其固有的誤差，需通過(guò)定標(biāo)功能提取并采用均衡技術(shù)數(shù)字化補(bǔ)償。具體方法步驟：

1)提取發(fā)射通道內(nèi)幅相特性：為便于發(fā)射通道幅相特性提取，系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)置校正接收通道和定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(如圖1射頻單元部分所示)。提取過(guò)程如下：

首先，先通過(guò)外部定標(biāo)信號(hào)注入校正接收通道，系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)校正接收通道的信號(hào)采集接收與處理，獲取校正接收通道的幅頻Ar(f)和相頻ψr(f)數(shù)據(jù)；其次，由數(shù)字收發(fā)FPGA產(chǎn)生數(shù)字校正信號(hào)，經(jīng)“D/A→上變頻→定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)→下變頻→A/D→數(shù)字單元”，獲取模擬器發(fā)射通道和校正接收通道總的幅頻Atr(f)和相頻ψtr(f)數(shù)據(jù)；再計(jì)算獲取模擬器發(fā)射通道的幅頻At(f)和相頻ψt(f)為

At(f)=Atr(f)/Ar(f)

(1)

ψt(f)=ψtr(f)-ψr(f)

(2)

上述測(cè)試信號(hào)均采用仿真雷達(dá)使用的寬帶LFM信號(hào)進(jìn)行，其中定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)引入的誤差相對(duì)穩(wěn)定，可提前采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量不斷端口間的幅相數(shù)據(jù)并作為固定誤差在數(shù)據(jù)應(yīng)用中核減；

2)選用理想的濾波器特性作為參考，處理獲取復(fù)系數(shù)FIR均衡濾波器；

3)將得到的均衡濾波器加入發(fā)射通道使用，如圖3所示，即通過(guò)顯示與控制軟件將濾波器系數(shù)傳送給射頻單元數(shù)字收發(fā)FPGA進(jìn)行數(shù)字化補(bǔ)償。

圖3 通道內(nèi)均衡濾波器應(yīng)用

圖4和圖5分別為某通道傳輸特性失真補(bǔ)償前后線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)脈沖壓縮和回波成像實(shí)測(cè)結(jié)果。通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出經(jīng)失真補(bǔ)償后脈壓和成像結(jié)果得到明顯改善。

圖4 失真補(bǔ)償前后脈沖壓縮測(cè)試結(jié)果

圖6為3GHz寬帶信號(hào)的失真補(bǔ)償前后的幅頻特性及脈壓結(jié)果對(duì)比。

3.2 多通道發(fā)射及通道間均衡

SAR/MTI雷達(dá)從收發(fā)通道配置上包括單通道發(fā)射單通道接收(SISO)，單通道發(fā)射多通道接收(SIMO)和多通道發(fā)射多通道接收(MIMO)等，其中多通道系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)信息冗余和處理自由度，可提升雷達(dá)抗干擾、雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)能力等優(yōu)勢(shì)。多通道SAR/MTI雷達(dá)回波模擬時(shí)，模擬器多通道間不一致性會(huì)造成回波數(shù)據(jù)處理結(jié)果質(zhì)量下降，如影響雜波相消性，導(dǎo)致動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能變差及參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確[4]等問(wèn)題。為此，需要RRES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多通道間均衡處理，其功能原理框圖見(jiàn)圖7所示。

圖7 多通道均衡功能原理框圖

采用內(nèi)置校正接收通道實(shí)現(xiàn)多通道逐一自動(dòng)均衡校準(zhǔn)，由于內(nèi)置校準(zhǔn)接收通道為各發(fā)射通道共用，其延遲及幅相誤差對(duì)各發(fā)射通道影響一致，不會(huì)影響各通道相對(duì)延遲及幅相誤差參數(shù)的提取。具體方法步驟：

首先，進(jìn)行通道時(shí)延量測(cè)量和補(bǔ)償。測(cè)試LFM信號(hào)同時(shí)注入發(fā)射通道，經(jīng)校正接收通道逐一接收采集，送數(shù)字單元進(jìn)行脈沖壓縮處理，得到峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值Δfi，經(jīng)頻率-時(shí)間轉(zhuǎn)換后即可得到相應(yīng)的時(shí)延量Δti[5]，并對(duì)每個(gè)發(fā)射通道延遲進(jìn)行補(bǔ)償。

其次，進(jìn)行通道間幅相誤差測(cè)量。測(cè)試LFM信號(hào)同時(shí)注入發(fā)射通道，經(jīng)校正接收通道逐一接收采集，送數(shù)字單元處理，分別獲得通道i的幅頻Atr-i(f)和相頻ψtr-i(f)，選擇任一通道為參考通道，并記參考通道幅頻Aref(f)和相頻ψref(f)，則相對(duì)于參考通道，通道i幅度和相位差分別為

ΔAi=Atr-i(f)/Aref(f)

(3)

Δψi=ψtr-i(f)-ψref(f)

(4)

為達(dá)到與參考通道幅相均衡一致，僅需將待校準(zhǔn)通道i的幅度乘以1/ΔAi，相位減去Δψi。

3.3 低雜散、低相噪寬頻帶捷變頻率源

頻率源模塊為RRES系統(tǒng)提供各類(lèi)時(shí)鐘本振信號(hào)，按照多波段射頻回波模擬應(yīng)用需求進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，作為系統(tǒng)共性模塊，其性能指標(biāo)對(duì)射頻回波的質(zhì)量有著重要的影響：

1)低雜散：頻率源雜散信號(hào)及其進(jìn)入混頻器后產(chǎn)生的交調(diào)、互調(diào)頻率信號(hào)會(huì)污染模擬的回波信號(hào)，產(chǎn)生虛假目標(biāo)等影響；

2)低相噪：頻率源相位噪聲各次項(xiàng)誤差會(huì)造成回波成像的圖像偏移，分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比及圖像信噪比等指標(biāo)惡化[6]；

3)寬頻帶、捷變頻：為RRES系統(tǒng)具備更多類(lèi)型雷達(dá)射頻回波模擬能力提供硬件基礎(chǔ)，如捷變頻、多波段雷達(dá)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

RRES系統(tǒng)通過(guò)硬件重構(gòu)和軟件定義實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展，其硬件架構(gòu)也可適用于其他類(lèi)型雷達(dá)射頻回波模擬，配置天線可作為模擬輻射源應(yīng)用。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)射頻回波模擬逐步向大瞬時(shí)帶寬、更低的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、多通道配置及更高通用性等方向發(fā)展。