基于AD9361 的雷達(dá)射頻和差模擬器

李偉宗 ，馬曉冬 ，任潔 ，劉建明

(1.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 太原 030012；2.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)先后裝備了一批用于航天工程任務(wù)的測(cè)控設(shè)備[1]。這些設(shè)備由中心機(jī)遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的組網(wǎng)和自動(dòng)化運(yùn)行。在測(cè)控任務(wù)中，目標(biāo)航跡追蹤的準(zhǔn)確、及時(shí)與否，直接關(guān)系到任務(wù)的效果。因此，在日常作戰(zhàn)演練中，針對(duì)目標(biāo)航跡如何進(jìn)行模擬、仿真也得到了高度的重視。對(duì)應(yīng)的，一些具有代表性的方法也不斷地提出。仿真的有效性一方面取決于對(duì)目標(biāo)特性的刻畫(huà)，另一方面取決對(duì)設(shè)備特性的分析。目標(biāo)特性取決于對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，文獻(xiàn)[2]～[5]都是以飛機(jī)為基礎(chǔ)參考物，提取其參考的空中目標(biāo)對(duì)應(yīng)的若干種特征進(jìn)行的系統(tǒng)仿真。航跡跟蹤設(shè)備包括對(duì)應(yīng)的預(yù)警設(shè)備、測(cè)控設(shè)備等。在測(cè)控系統(tǒng)中，由于發(fā)射信號(hào)的波束較窄，其大范圍搜索截獲能力受到一定限制，單純依靠手動(dòng)搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)較為困難。為了保證雷達(dá)能及時(shí)抓到目標(biāo)并盡早穩(wěn)定跟蹤，在設(shè)計(jì)和使用時(shí)通?？紤]采用數(shù)據(jù)引導(dǎo)以提高搜索截獲效率[6-9]。隨著設(shè)備的使用，引導(dǎo)的精度需要實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

隨著新軍事變革的持續(xù)推進(jìn)，在實(shí)際任務(wù)中，測(cè)控目標(biāo)調(diào)姿動(dòng)作多、飛行程序復(fù)雜，跟蹤測(cè)量難度不斷增大，對(duì)設(shè)備人員異常跟蹤等應(yīng)急處置能力提出了更高要求，而現(xiàn)有裝備訓(xùn)練手段無(wú)法模擬實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景，難以滿足訓(xùn)練需求，迫切需要完善實(shí)戰(zhàn)實(shí)訓(xùn)、聯(lián)戰(zhàn)聯(lián)訓(xùn)的訓(xùn)練條件保障，進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)，模擬實(shí)戰(zhàn)目標(biāo)狀態(tài)以及特點(diǎn)、難點(diǎn)，訓(xùn)練設(shè)備人員應(yīng)急處置和捕獲跟蹤能力。本文以測(cè)控設(shè)備為參考基礎(chǔ)，基于現(xiàn)有裝備工作流程，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的硬件仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)目標(biāo)航跡信號(hào)模擬(和信號(hào)、方位差、俯仰差信號(hào))，解決設(shè)備人員實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練手段不足的問(wèn)題，進(jìn)一步提升設(shè)備人員捕獲跟蹤及應(yīng)急處置能力，是全面檢驗(yàn)設(shè)備技、戰(zhàn)術(shù)性能的重要手段。

1 功能設(shè)計(jì)

測(cè)控設(shè)備按照功能可以劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)——天線子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。天線子系統(tǒng)主要由射頻設(shè)備、控制設(shè)備和結(jié)構(gòu)設(shè)備、基帶設(shè)備等組成。通過(guò)各個(gè)設(shè)備間協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射/接收和目標(biāo)的跟蹤。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)解析和計(jì)算，包括天線子系統(tǒng)回傳的模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和中心機(jī)回傳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。并在上層承接人機(jī)交互操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)、狀態(tài)信息等的展示。

針對(duì)天線子系統(tǒng)，其控制部分的自動(dòng)化運(yùn)行流程主要基于原來(lái)的人工操作流程，包括設(shè)備標(biāo)校、航跡軌道計(jì)算、天線等待點(diǎn)計(jì)算、目標(biāo)捕獲跟蹤以及跟蹤結(jié)束后天線復(fù)位等幾大方面。在實(shí)際工作中，各個(gè)測(cè)站中的設(shè)備接收設(shè)備監(jiān)控單元(SMCU)指定并分發(fā)的工作計(jì)劃和統(tǒng)一調(diào)度信息，完成任務(wù)準(zhǔn)備、任務(wù)開(kāi)始和任務(wù)結(jié)束各個(gè)階段。在對(duì)應(yīng)的任務(wù)中，設(shè)備工作狀態(tài)包括異步和同步工作過(guò)程。在異步工作流程中，設(shè)備完成對(duì)應(yīng)的軌道參數(shù)、等待點(diǎn)參數(shù)等的加載，并完成指向、時(shí)間校準(zhǔn)，指向等待點(diǎn)等待目標(biāo)。在該設(shè)備任務(wù)段內(nèi)，設(shè)備進(jìn)入同步工作過(guò)程，一方面基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的工作計(jì)劃，由天線控制單元(ACU)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和外測(cè)；另一方面由誤差網(wǎng)絡(luò)生成對(duì)應(yīng)的引導(dǎo)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤。其概略工作流程如圖1 所示。

圖1 測(cè)控設(shè)備工作流程

在整個(gè)工作流程中，如何確保設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)跟蹤目標(biāo)至關(guān)重要。雷達(dá)跟蹤功能主要靠伺服系統(tǒng)完成，典型的伺服系統(tǒng)為模擬系統(tǒng)，其主要工作流程如圖2 所示。其中，雷達(dá)回波在和、差通道中分別轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的和、差電壓后，經(jīng)過(guò)放大、變頻等一系列處理流程后，即得到目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)指向的方位、俯仰角度偏離的誤差電壓信號(hào)。當(dāng)和差通道相位移動(dòng)一致(即Δφ=0)時(shí)，所得到的方位和俯仰角度偏差對(duì)應(yīng)的誤差電壓與實(shí)際的偏離角度完全一致。方位和俯仰誤差電壓分別送至伺服系統(tǒng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓，按照一定采樣頻率(工程應(yīng)用上一般為20 幀/s)傳送到伺服系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)雷達(dá)向減小誤差的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，控制雷達(dá)電軸不斷向目標(biāo)收斂，直到持續(xù)、穩(wěn)定地捕獲目標(biāo)[6]。

圖2 伺服系統(tǒng)閉環(huán)反饋

以單脈沖雷達(dá)為例，其完成和差處理，生成和差波束的核心部件為和差比較器，又稱(chēng)為高頻相位環(huán)或者和差網(wǎng)絡(luò)。如圖3 所示，和差比較器用的較多的是雙T 接頭(魔T)。對(duì)應(yīng)的四個(gè)端口分別是：∑(和)端、Δ(差)端、1端和2 端。單脈沖雷達(dá)是依靠和差比較器的作用得到如圖所示的和、差波束，其中和波束用于發(fā)射、觀察和測(cè)距，作為相位鑒別器的相位比較基準(zhǔn)信號(hào)；差波束用于測(cè)角。以單脈沖雷達(dá)接收信號(hào)為例，說(shuō)明其過(guò)程：回波脈沖同時(shí)被兩個(gè)波束的饋源所接收后，其可接收到振幅有差異但相位相同的兩個(gè)波束信號(hào)(振幅差異根據(jù)目標(biāo)偏離雷達(dá)軸線的程度而定)，分別加到和差比較器的1、2 端。這時(shí)，兩信號(hào)同相相加在和端完成，并輸出和信號(hào)。和信號(hào)的振幅為兩信號(hào)振幅之和，相位與到達(dá)和端的兩信號(hào)相位相同，且與目標(biāo)偏離雷達(dá)軸線的方向無(wú)關(guān)。差端輸出差信號(hào)的振幅大小表明了目標(biāo)誤差角ε 的大小，差信號(hào)的相位則表明了目標(biāo)偏離雷達(dá)軸線的方向。

圖3 雙T和差比較器

在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的校驗(yàn)及滿足日常訓(xùn)練的需要，往往通過(guò)前端端口直接饋入和差差信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和校準(zhǔn)，并且通過(guò)對(duì)和信號(hào)進(jìn)行特殊變化(頻率激變、幅度衰減等)，實(shí)現(xiàn)操作手訓(xùn)練。

本項(xiàng)目針對(duì)C 頻段測(cè)控雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)和差差信號(hào)模擬生成，以滿足系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)需求和日常訓(xùn)練需求。本系統(tǒng)主要包括上位機(jī)模塊和模擬信號(hào)生成模塊兩部分。其中上位機(jī)模塊主要基于輸入理論彈道及目前雷達(dá)指向信息，生成對(duì)應(yīng)的和差差信號(hào)參數(shù)。模擬信號(hào)生成模塊主要借助AD9361 芯片，通過(guò)接收上位機(jī)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)生成。

2 上位機(jī)模塊

單脈沖測(cè)控雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，一方面接收中心機(jī)發(fā)送的引導(dǎo)參數(shù)(理論彈道等)，調(diào)整伺服指向，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索跟蹤；另一方面，發(fā)送實(shí)時(shí)指向信息，向中心機(jī)標(biāo)識(shí)狀態(tài)。在本模擬系統(tǒng)中，上位機(jī)模塊一方面接收中心機(jī)發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)，另一方面接收設(shè)備指向信息。通過(guò)比對(duì)，計(jì)算天線指向方位差，并基于計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)和差差信號(hào)的生成。

圖4 所示為某單脈沖雷達(dá)天線差波瓣示意圖，理想單脈沖天線的零深對(duì)應(yīng)數(shù)值應(yīng)該為無(wú)窮大，但是受到工藝、非線性等因素的影響，實(shí)際天線的零深無(wú)法達(dá)到很大，一般為-36 dB～-39 dB[10-12]。

圖4 某單脈沖雷達(dá)天線差波瓣示意圖

圖5 所示為某單脈沖雷達(dá)和差波瓣示意圖。根據(jù)天線波瓣圖，在1 mrad 處的和差比為21 dB，歸一化斜率為6 dB/mrad。

圖5 某單脈沖雷達(dá)和差波瓣示意圖

上位機(jī)模塊通過(guò)實(shí)時(shí)解算雷達(dá)當(dāng)前指向和理論彈道數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量值和真實(shí)值之間的角度偏差ΔAt和。其中At表示當(dāng)前時(shí)刻理論方位角，表示當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際方位角；Et表示當(dāng)前時(shí)刻理論俯仰角，表示當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際俯仰角。根據(jù)單脈沖雷達(dá)工作原理，雷達(dá)一旦進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，天線指向始終處于電軸附近?；谔炀€方向圖，可以用線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)和、差信號(hào)幅度計(jì)算。以圖5(a)為例(取零深為-36 dB)，當(dāng)天線指 向偏差為θ=0 mrad 時(shí)，=-36 dB。當(dāng)天線指向偏差為θ=1 mrad 時(shí)，=-21 dB。按照線性擬合y=ax+b，可以得到和差信號(hào)增益比與天線指向偏差的關(guān)系如下所示：

即當(dāng)射頻前端接收到信號(hào)功率為0 dBm 的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的方位差和俯仰差信號(hào)即可依據(jù)當(dāng)前時(shí)刻天線指向偏差θ，按照式(1)計(jì)算對(duì)應(yīng)的信號(hào)功率。

3 信號(hào)生成模塊

在上位機(jī)模塊完成和差差信號(hào)幅度計(jì)算后，通過(guò)串行總線完成信號(hào)參數(shù)的實(shí)時(shí)傳遞。信號(hào)生成模塊采用軟件無(wú)線電架構(gòu)，通過(guò)FPGA+AD 模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信和實(shí)時(shí)信號(hào)生成。其中，AD 模塊以AD9361 芯片為核心。AD9361 射頻捷變收發(fā)器是一款高性能、帶寬大、可編程、支持I/Q 兩路、高集成度的器件。AD9361 把射頻前端和靈活的混合信號(hào)基帶部分集為一體，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)[12-15]。模擬信號(hào)生成流程圖和單路信號(hào)生成硬件框圖如圖6、圖7 所示。

圖6 模擬信號(hào)生成流程圖

圖7 單路信號(hào)生成硬件框圖

由于AD9361 的可編程性強(qiáng)、數(shù)字分頻精確、使用靈活方便并且覆蓋C 頻段，相比于傳統(tǒng)的射頻電路，使用AD9361 可以大大簡(jiǎn)化電路的硬件結(jié)構(gòu)，免去搭建高速數(shù)模轉(zhuǎn)換和上變頻電路以及對(duì)應(yīng)的調(diào)試工作。

AD9361 通過(guò)與FPGA 模塊通信，將FPGA 生成的基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理并進(jìn)行數(shù)字濾波，并在片內(nèi)完成上變頻，實(shí)現(xiàn)C 頻段信號(hào)的生成。AD9361 的初始化在主控模塊中進(jìn)行，利用官方給出的初始化結(jié)構(gòu)體分別對(duì)AD9361參數(shù)、接收濾波器、發(fā)射濾波器進(jìn)行初始化。AD9361 參數(shù)包括收發(fā)頻率、發(fā)射功率、通信模式、參考時(shí)鐘頻率等。收發(fā)濾波器里面的通帶頻率、截止頻率、下降率等參數(shù)是由官方提供的AD9361/9364 濾波器參數(shù)設(shè)定軟件自動(dòng)生成的，并基于Python 完成對(duì)應(yīng)程序調(diào)用。最終，信號(hào)生成模塊架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 信號(hào)生成模塊架構(gòu)

4 應(yīng)用結(jié)果

根據(jù)上位機(jī)模塊和信號(hào)生成模塊各自的功能定位，和差信號(hào)模擬器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與中心機(jī)和設(shè)備完成實(shí)時(shí)參數(shù)交互。同時(shí)，信號(hào)生成模塊利用同軸線把對(duì)應(yīng)和差信號(hào)饋入設(shè)備中，完成目標(biāo)模擬和伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。和差信號(hào)模擬器在系統(tǒng)中的級(jí)聯(lián)方式如圖9 所示，信號(hào)頻譜如圖10、圖11 所示。通過(guò)比對(duì)和差差信號(hào)和雷達(dá)伺服運(yùn)動(dòng)結(jié)果，可以得出對(duì)應(yīng)結(jié)論：該和差信號(hào)模擬器可以基于現(xiàn)有系統(tǒng)，生成對(duì)應(yīng)的和差差信號(hào)，完成設(shè)備人員的操作訓(xùn)練和設(shè)備性能的檢測(cè)驗(yàn)證。

圖9 和差模擬器級(jí)聯(lián)方式

圖10 和通道的單載頻頻譜圖

圖11 和通道的連續(xù)波載頻頻譜圖

5 結(jié)論

從實(shí)際使用效果來(lái)看，和差信號(hào)模擬器可用于檢驗(yàn)雷達(dá)的工作狀態(tài)和性能，有助于定位一些實(shí)際問(wèn)題，例如在接收系統(tǒng)等設(shè)備改造過(guò)程中為設(shè)備的調(diào)機(jī)提供了很大的方便。此外，可以進(jìn)一步在和信號(hào)中人為地引入衰減、噪聲等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作手的日常訓(xùn)練。