淺談某型二次雷達(dá)綜合檢查儀的設(shè)計(jì)研究

許海

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

某型二次雷達(dá)綜合檢查儀主要模擬某詢問(wèn)應(yīng)答設(shè)備目標(biāo)回波，用于詢問(wèn)應(yīng)答設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室的整機(jī)聯(lián)試、軟件更改調(diào)試驗(yàn)證和拷機(jī)，也用于詢問(wèn)應(yīng)答設(shè)備裝機(jī)后的原位測(cè)試。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電后，根據(jù)各個(gè)自檢信號(hào)的狀態(tài)自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，針對(duì)詢問(wèn)應(yīng)答設(shè)備聯(lián)試、算法調(diào)試和功能、性能測(cè)試的需要，就可以在顯控界面對(duì)系統(tǒng)功能和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并將設(shè)置好的指令下發(fā)到系統(tǒng)，控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。

在外部線饋工作方式下，模擬器接收應(yīng)答設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)發(fā)射天線輻射出去，供設(shè)備接收進(jìn)行算法調(diào)試或性能測(cè)試。接收機(jī)利用基于實(shí)時(shí)數(shù)字處理的超寬帶數(shù)字接收技術(shù)，通過(guò)超高速采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的超高速采樣，完成信號(hào)的快速實(shí)時(shí)測(cè)量，獲得信號(hào)頻率、脈寬、周期等信息，形成脈沖描述字，并根據(jù)參數(shù)測(cè)量結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn)行分選，并將最終分選結(jié)果和脈沖描述字上傳至主控計(jì)算機(jī)。

主控計(jì)算機(jī)可根據(jù)收到的設(shè)備信息，根據(jù)功率、持續(xù)脈沖個(gè)數(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)里的原有詢問(wèn)應(yīng)答設(shè)備參數(shù)比對(duì)等方式，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的策略，程控或人工干預(yù)調(diào)整干擾方式、干擾頻率等參數(shù)，控制信號(hào)處理分系統(tǒng)施放干擾；也可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的方式控制干擾分系統(tǒng)施放干擾。輸出模塊（信號(hào)調(diào)理及功放）主要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)整，使設(shè)備以合適的輸出功率通過(guò)射頻電纜接至發(fā)射天線輻射出去。頻綜主要為系統(tǒng)內(nèi)部提供時(shí)鐘信號(hào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

微波前端由下變頻模塊、上變頻模塊、頻綜模塊和微波電源組成。微波分系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射及提供時(shí)鐘和同步信號(hào)，具體為：下變頻模塊完成對(duì)X ～XXGHz 射頻接收信號(hào)的下變頻處理，得到數(shù)字儲(chǔ)頻板可以工作的中頻信號(hào)。上變頻模塊對(duì)數(shù)字儲(chǔ)頻板產(chǎn)生的中頻信號(hào)進(jìn)行上變頻處理至X ～XXGHz 的射頻頻率。采用與下變頻相同的本振完成對(duì)基帶信號(hào)的上變頻處理，實(shí)現(xiàn)與接收信號(hào)的相參。

前端處理模塊完成對(duì)X ～XXGHz 射頻接收信號(hào)的預(yù)處理，送給寬帶接收機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量。頻綜模塊給下變頻模塊和上變頻模塊提供頻率源，并為數(shù)字板上的ADC提供所需的時(shí)鐘源。實(shí)現(xiàn)整機(jī)的收發(fā)隔離控制，使整機(jī)正常工作。微波分系統(tǒng)安裝于主機(jī)箱內(nèi)部，其基本原理框圖如圖1。

圖1 微波分系統(tǒng)原理圖

（1）下變頻模塊。下變頻模塊主要由限幅器、開(kāi)關(guān)、濾波器、混頻器和放大器等組成，其功能是接收天線陣送來(lái)的射頻信號(hào)，并對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，一路送給接收機(jī)模塊進(jìn)行頻率測(cè)量，一路與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，下變頻到中頻，然后送數(shù)字儲(chǔ)頻板進(jìn)行處理。

原理框圖如圖2 所示。

圖2 接收下變頻模塊原理框圖

接收前端為避免功率反射或接收信號(hào)過(guò)大而損傷后級(jí)電路，首先應(yīng)進(jìn)行限幅處理，然后放置手動(dòng)衰減器用于調(diào)節(jié)輸入信號(hào)幅度。為提高接收靈敏度，需要盡量降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)，故選擇在輸入端濾波器之前先進(jìn)行1級(jí)LNA 放大，增益在15 ～20dB，在不影響接收動(dòng)態(tài)的前提下，可大大改善系統(tǒng)的噪聲系數(shù)指標(biāo)。然后，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組進(jìn)行分段選擇濾波。雜散的有效控制取決于過(guò)渡中頻的帶通濾波器，此濾波器應(yīng)選擇矩形系數(shù)高、帶外抑制較高的腔體濾波器，雜散可以保證在-40dB。

為保持射頻端的監(jiān)測(cè)信號(hào)的有效性（幅度太小不易監(jiān)測(cè)），耦合信號(hào)的耦合器（或功分器）放置在第一級(jí)LNA 之后進(jìn)行。系統(tǒng)要求射頻輸入端應(yīng)有射頻自檢通道，若使用單刀雙擲開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換會(huì)引入2 ～3dB 的插入損耗，直接惡化系統(tǒng)噪聲系數(shù)，故本案采用耦合器引入自檢信號(hào)，可大大降低插入損耗，改善系統(tǒng)指標(biāo)，且不影響自檢功能。為滿足通道可關(guān)斷，設(shè)計(jì)為70dBc 的關(guān)斷比，考慮到中頻飽和輸出時(shí)的飽和量會(huì)降低通道關(guān)斷隔離度，方案采用3 級(jí)高隔離的SPST 實(shí)現(xiàn)，分別放置在中頻端、過(guò)渡中頻和射頻端，SPST 用采用高速微波開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)脈沖通過(guò)性；在中頻輸入端預(yù)留數(shù)控衰減用于校正通帶平坦度，以保證良好的通帶特性。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅器和放大器后，進(jìn)行帶通濾波，之后通過(guò)數(shù)控衰減器來(lái)增加接收射頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，這里選用50dB 以上的數(shù)控衰減器，對(duì)輸入信號(hào)功率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)50dB以上的手動(dòng)動(dòng)態(tài)。之后經(jīng)過(guò)兩次混頻將接收到的射頻信號(hào)變頻至中頻，經(jīng)過(guò)飽和放大和帶通濾波，得到所需的中頻信號(hào)。

（2）上變頻模塊。上變頻模塊主要由功分、開(kāi)關(guān)、濾波器、混頻器和放大器等組成。其功能是接收數(shù)字模塊的中頻信號(hào)，并對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，上變頻到射頻，放大后并根據(jù)需要通過(guò)數(shù)控衰減器對(duì)輸出的射頻信號(hào)的功率進(jìn)行控制輸出。上變頻通路的通道關(guān)斷實(shí)現(xiàn)是在發(fā)中頻、射頻支路串接單刀單擲開(kāi)關(guān)，提供高隔離度，設(shè)計(jì)隔離度為70dBc，開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于100ns，SPST 用采用高速微波開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)脈沖通過(guò)性；在中頻輸入端預(yù)留數(shù)控衰減用于校正通帶平坦度，以保證良好的通帶特性。數(shù)控衰減器和通道開(kāi)關(guān)通過(guò)數(shù)字分系統(tǒng)進(jìn)行控制。輸出放大衰減模塊起到將射頻信號(hào)放大到所需要的功率范圍，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)功率大小的動(dòng)態(tài)調(diào)整，衰減模塊選用60dB 的程控衰減器，滿足輸出功率在0 ～60dB 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出功放模塊將目標(biāo)射頻信號(hào)放大到20dBm 以上輸出。上變頻模塊包含一路目標(biāo)回波上變頻或者是一路干擾信號(hào)上變頻，共一個(gè)通道，其中每個(gè)目標(biāo)通道2 批獨(dú)立目標(biāo)。

原理框圖如圖3。

圖3 接收下變頻模塊原理框圖

（3）頻率綜合模塊。頻率綜合模塊可使用內(nèi)部恒溫晶振，也可使用外部提供的參考信號(hào)，輸出使用的時(shí)鐘信號(hào)。頻率綜合模塊產(chǎn)生上、下變頻模塊及數(shù)字儲(chǔ)頻板所需的本振和時(shí)鐘等各種射頻信號(hào)。

（4）控制模塊?？刂颇K可從上位機(jī)接收有關(guān)指令參數(shù)，對(duì)變頻組件、頻綜的工作過(guò)程、輸出功率等進(jìn)行控制。本系統(tǒng)的信號(hào)處理控制模塊是采用FPGA 內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)原理如圖4。

圖4 控制模塊原理框圖

（5）總線控制模塊。總線控制模塊按照工作時(shí)序劃分具有三種工作模式：常規(guī)、時(shí)分、流水。干擾通道和目標(biāo)通道同一時(shí)間只工作在同一種工作模式。以當(dāng)前顯示的場(chǎng)景中的工作模式為準(zhǔn)。例如，當(dāng)前在目標(biāo)場(chǎng)景下點(diǎn)擊開(kāi)始，則使用目標(biāo)場(chǎng)景中的工作模式。如果當(dāng)前場(chǎng)景既不是“目標(biāo)”，也不是“干擾”，而是“波形”或“查看”，則工作模式保持之前的工作模式。

以下為了便于描述，將目標(biāo)模擬和干擾模擬統(tǒng)一稱為信號(hào)模擬。

①常規(guī)模式。常規(guī)模式下，收發(fā)可同時(shí)工作，信號(hào)模擬的周期和脈寬與雷達(dá)信號(hào)一致。工作的采樣觸發(fā)信號(hào)來(lái)自于對(duì)雷達(dá)信號(hào)的檢波。

時(shí)序圖如圖5。

圖5 常規(guī)模式工作時(shí)序圖

收發(fā)可同時(shí)長(zhǎng)開(kāi)。采樣波門來(lái)自包絡(luò)檢波，設(shè)備整個(gè)工作時(shí)序以此為節(jié)拍。模擬的距離超過(guò)脈沖周期時(shí)，將跨PRF 工作，產(chǎn)生距離模糊的回波信號(hào)。

②時(shí)分模式。時(shí)分模式下，收發(fā)不同時(shí)工作，信號(hào)采集、信號(hào)模擬的周期和脈寬并不一定與雷達(dá)信號(hào)周期脈寬一致，而是與信號(hào)模擬的距離、雷達(dá)脈沖寬度有關(guān)。工作的采樣觸發(fā)信號(hào)仍然來(lái)自對(duì)雷達(dá)信號(hào)的檢波，但是會(huì)發(fā)生采樣不完整情況。收發(fā)關(guān)系以發(fā)射優(yōu)先，發(fā)射完成再接收。設(shè)備開(kāi)始工作時(shí)，接收打開(kāi)，由于模擬距離遠(yuǎn)，可完整接收完第一個(gè)脈沖，之后接收關(guān)閉，發(fā)射打開(kāi)。直到信號(hào)模擬完成（回波信號(hào)發(fā)射完成），才再次打開(kāi)接收。發(fā)射過(guò)程中如果有雷達(dá)脈沖到來(lái)，則會(huì)丟失。因此，也不會(huì)產(chǎn)生距離模擬回波信號(hào)。

③流水模式。流水模式下，收發(fā)同時(shí)工作，工作的采樣觸發(fā)信號(hào)由模擬器設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生，與雷達(dá)信號(hào)檢波無(wú)關(guān)。信號(hào)模擬的周期和脈寬也與雷達(dá)信號(hào)周期脈寬沒(méi)有關(guān)系，而是按照長(zhǎng)時(shí)間一邊采樣一邊模擬的、接近連續(xù)的方式工作。收發(fā)長(zhǎng)開(kāi)，采樣和回波模擬接近長(zhǎng)開(kāi)，因此采集到噪聲則回波是噪聲，采集到雷達(dá)信號(hào)則回波是信號(hào)回波。

3 軟件部分

系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)應(yīng)用軟件和嵌入式控制軟件2 個(gè)部分，分別安裝部署在主控計(jì)算機(jī)上和控制器中，所有軟件的處理結(jié)果以文件形式保存,供調(diào)用、查看如圖6 所示。

圖6 軟件模塊組成

（1）嵌入式軟件。嵌入式軟件主要包括目標(biāo)調(diào)制軟件模塊和干擾調(diào)制軟件模塊。目標(biāo)調(diào)制軟件根據(jù)控制指令和上位機(jī)參數(shù)仿真計(jì)算的結(jié)果，與接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成各種目標(biāo)、干擾信號(hào)類型，并生成信號(hào)。干擾調(diào)制軟件根據(jù)控制指令和上位機(jī)參數(shù)仿真計(jì)算的結(jié)果，形成各種壓制干擾信號(hào)類型，并生成信號(hào)。

（2）上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件包括目標(biāo)模擬軟件、壓制干擾模擬軟件、整機(jī)顯控軟件。

①目標(biāo)模擬軟件。目標(biāo)模擬軟件模塊完成系統(tǒng)所要產(chǎn)生目標(biāo)的電磁散射特性以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性仿真模擬。包括目標(biāo)與雷達(dá)之間的位置、距離等變化所引起的電磁散射變化和因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒及距離變化等參數(shù)的調(diào)制模型，形成數(shù)據(jù)文件，通過(guò)加載方式可以直接下載到硬件的大容量存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的更新。

②壓制干擾模擬軟件。壓制干擾模擬軟件模塊根據(jù)雷達(dá)的工作頻率及信號(hào)帶寬，對(duì)噪聲的形式（白噪聲、掃頻噪聲、梳狀譜噪聲）和產(chǎn)生方式進(jìn)行仿真，得到噪聲調(diào)制參數(shù)及調(diào)制時(shí)序，并對(duì)不同形式的噪聲干擾狀態(tài)及干擾結(jié)果進(jìn)行仿真，對(duì)噪聲參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并根※據(jù)設(shè)備所需要的格式要求，形成數(shù)據(jù)文件，通過(guò)加載方式可以直接下載到硬件的大容量存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的更新。

4 結(jié)語(yǔ)

該綜合檢查儀研制過(guò)程中，最大限度地繼承現(xiàn)有成熟技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備、單元、零部件、原材料、電子元器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在選用上進(jìn)行監(jiān)督、控制，從而使得該型檢查儀符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。