多體制雷達視頻模擬器設計及實現

摘 要：詳述了多體制雷達模擬器的設計思想及其實現方法，該模擬器采用嵌入式計算機PC104和高速大規模可編程邏輯器件FPGA相合的方法，能夠模擬多種雷達體制的目標回波信號和雜波信號，該模擬器和接收、天饋、信號處理、終端數據處理組成雷達仿真系統對干擾機偵察設備進行測試和評估，也可作為實驗設備用于信號處理機的調試、測試和評估，在同一硬件平臺上，通過軟件加載來滿足各種不同體制的雷達目標、雜波模擬。

關鍵詞：雷達模擬器;PC104;FPGA;干擾機

中圖分類號：TN955文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)07-041-03

Design and Realization of Multi-system Radar Emulator

SUN Shize，DU Chunpeng

(East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei，230031，China)

Abstract：The design and implement of multi-system radar emulator is explained in this paper.The simulator adopts the method of embedded PC104 and the large-scale and programmable logic FPGA.That simulator can simulate the target of various radar echo signal and clutter signal.The closed loop consists of simulator，signal processor and data processor.This method is easy to debug and evaluate the radar system.It can test and evaluate the disturbance equipment as the experiment device.It meets various radar target and clutter simulation by using the software setting on the general hardware platform.

Keywords：radar emulator;PC104;FPGA;distarbance equipment

1 引 言

隨著雷達技術和電子對抗技術的飛速發展，伴隨著各種新體制雷達的出現，現代電磁信號環境變得越來越復雜，在新一代雷達偵察設備的研制和實驗過程中，不能完全依靠外場實驗的方法來檢驗設備，這樣成本太高，也不容易現實，因此，采用雷達仿真技術在實驗室條件下模擬雷達信號電磁環境，準確評估雷達偵察設備的技術指標，就顯得十分必要。雷達信號電磁環境仿真是用數學和物理的方法，通過對雷達脈沖信號的模擬生成雷達偵察設備所面臨的電磁信號環境，模擬戰場電子戰行為，用于監測評估雷達偵察設備的效能，優化系統設計，為了達到仿真實驗效果，雷達模擬器設計包括了除發射系統和大型天線系統外的所有設備，他們和干擾偵察機連在一起就組成了雷達電子對抗仿真系統，為電子戰技術研究和裝備研制提供現代化手段。雷達模擬器的模擬對象是雷達的目標和環境，他能復現既包括目標的幅度信息和又包括目標相位信息的相干視頻信號，能復現信號的發射、空間傳播、反射和接收機處理的全過程。雷達信號模擬的關鍵技術包括兩個方面:一是環境模型的確定；二是體系結構的選擇。環境模型的選擇包括目標和雜波模型的選擇，他決定了雷達信號模擬目標的真實性和雜波環境的準確性；體系結構的選擇決定了雷達信號模擬器的精度、速度和復雜性。本文針對各種雷達信號回波的特點提出了一種基于PC104+FPGA的方式的體系結構，較好地完成了不同體制雷達的模擬與仿真。最后介紹了這種多體制雷達信號模擬器的實現方案和關鍵技術問題的解決方法。

2 系統設計要求

本模擬器是為了對干擾機性能評估而研制開發的，模擬器在設計上滿足通用性要求，能模擬不同體制雷達的功能和性能。如連續波雷達信號，脈沖壓縮信號，脈沖多普勒雷達信號，和差波束相控陣雷達信號，主要信號方式有單脈沖，連續波信號。調制形式有調頻(線性調頻和非線性調頻)和調相(巴克碼和偽隨機碼)。雷達視頻模擬器是整個仿真系統的重要組成部分，模擬器不僅要產生目標回波及雜波信號，還要產生針對干擾偵察機的回波信號及發射信號，由于雷達仿真系統和干擾偵察機處在同一實驗環境，經過方向圖調制的發射信號通過饋線方式傳送給干擾機，沒有空間時間延遲，因此干擾機的回波信號和發射信號在距離時間上是重疊的。干擾機產生的干擾信號也會和干擾機的回波信號疊加在一起，模擬偵察機接收的發射信號功率受雷達距離方程調制，整個雷達仿真事件的過程要受控制臺預先設置的場景控制，各種參數的設置要滿足信號處理性能指標要求。

在模擬器設計上不同體制雷達的目標、雜波類型參數有所不同，要結合具體雷達的參數設置，例如PD體制的雷達目標、雜波產生要比常規體制脈沖雷達的目標、雜波產生復雜得多，要考慮距離和速度模糊問題，模糊的目標在不同CPI間距離位置不同，多譜勒頻率也會在不同的濾波器中出現，信號處理根據這些差異解出目標的真實距離和速度。雷達視頻模擬器需要設置的參數很多，如雜波的種類、雜波的分布類型、雜波的區域、雜波的中心頻率等。目標的類型、速度、RCS截面積，天線方向圖，天線轉速等，天線轉速決定了一個波束寬度內要產生的目標回波數。雷達視頻模擬器參數設置和整個雷達仿真系統緊密結合在一起，只有設置正確信號處理才能得到正確的處理結果。

3 目標回波模擬

目標回波信號的模擬采用相干視頻信號模擬的方法，目標回波位置是通過對基準信號的延遲檢測來確定的。目標信號形式，目標類型、截面積、目標的距離、方位中心點通過控制臺發送給模擬器，模擬器每幀接收一次數據，通過計算重復周期、天線方向圖波瓣寬度和天線掃描周期的關系在下幀目標相應的距離和方位上產生帶方向圖調制具有一定寬度的脈沖串回波。再在幅度上乘以目標功率因子u，相位上乘以多譜勒頻移fd，就形成了相干視頻回波信號。

設相干脈沖雷達的脈沖重復周期為Ｔ，則點目標回波的相干視頻SI，SQ信號可表示為：



SI(kT)=u(kT)cos[2πfdkT+θ(kT)][JY](1)

SQ(kT)=u(kT)sin[2πfdkT+θ(kT)][JY](2)



式中，k表示采樣序列，θ(kT)為目標回波的初始相位。

對干擾機目標回波的模擬要和發射機映射功率相關，根據單基雷達方程可知，雷達接收回波功率PR為:



PR=PTG2λ2σ(4π)3R4L[JY](3)



式中，PT為雷達發射功率，Ｇ為雷達天線發射增益，σ為目標散射截面積，Ｒ為目標距離，λ為雷達波長，L為天線傳輸損耗。

由上式可知，模擬器產生的干擾機目標回波功率與目標模擬器的發射功率成正比，與距離的4次方成反比，與目標截面積成正比，此外目標回波功率還受雷達接收天線方向圖和模擬器發射天線方向圖的調制。

此外，目標回波幅度具有一定的起伏特性，通常將雷達目標分為Swerling(Ⅰ~Ⅳ)四種模型，也就是根據目標的雷達截面積(RCS)的概率密度函數和相關函數將目標區分這四種類型。典型的SwerlingⅠ型和SwerlingⅡ型目標，其RCS的概率密度函數都是指數分布：



P(σ)=1e -σ/[JY](4)



其中，為目標起伏全過程的平均值。SwerlingⅠ型和SwerlingⅡ型目標的信號幅度都是瑞利分布，其區別在于SwerlingⅠ型為慢起伏，即從一次掃描到下一次掃描是不相關的，而脈沖間是相關的；SwerlingⅡ型為快起伏，即脈沖與脈沖間的起伏是統計獨立的。

Swerling Ⅲ型和Swerling Ⅳ型目標，其RCS為χ2分布：



P(σ)=4σ2e -2σ/



其中，也是目標起伏全過程的平均值。Swerling Ⅲ型和Swerling Ⅳ型目標回波的振幅特性為Rice分布，而Swerling Ⅲ型為慢起伏，Swerling Ⅳ型為快起伏。目標起伏模型的數據庫可以在初始化階段由計算機直接調入FPGA輸入緩存內。模擬器根據終端發送的目標類別調用數據庫進行相關運算。

4 雜波模擬

雜波信號是雷達回波信號的重要組成部分，對雜波進行模擬，首先要選取雜波模型。由于實際影響雜波統計特性的因素很多，所以無法從理論上預測雜波的統計特性，實際上環境雜波信號的數學形式與目標的信號形式是一樣的，只是幅度的起伏特性和強度不同，以及多普勒頻譜的變化范圍不同而已。雜波起伏調制函數包含兩個參數，一個是雜波幅度起伏模型函數，另一個是雜波多普勒頻率起伏模型函數。在早期的雷達系統中，由于雷達的分辨率較低，雷達雜波被認為是大量近似相等的獨立單元散射體的回波相互疊加。雜波的幅度分布特性近似服從高斯分布模型。但是，現代雷達的分辨率越來越高，使得相鄰散射單元的回波在時間性和空間上均存在一定的相關性，因而上述假設已經不成立，而且許多實測數據也已經證實，在低仰角或高分辨率雷達情況下，雜波分布的統計特性明顯偏離高斯分布特性。所以，現代雷達環境雜波的幅度分布特性，用非高斯分布模型來模擬能更精確地描述實際雷達回波的統計特性。

非高斯幅度概率密度分布的常用模型主要有韋伯爾分布、對數正態分布和K分布三種形式。目前有兩種產生方法具有代表性，其一是球不變隨機過程法(SIRP)，這種方法的基本思路是：產生一個相關的高斯隨機過程，然后用具有所要求的概率密度函數(pdf)的隨機序列進行調制。這種方法受所求序列的階數及自相關函數的限制，同時計算量非常大，不易形成快速算法。其二是零記憶非線性變換法(ZMNL)，這種方法的基本思路是：首先產生相關的高斯隨機序列，然后經某種非線性變換得到需要的相關非高斯隨機序列。這種方法比較經典，硬件實現相對簡單，首先通過偽隨機碼序列電路產生均勻分布的隨機變量，通過設定相關系數線性濾波器變換后，經指定的非線性設備就可以產生不同分布非高斯序列，具體實現方法可以參考文獻[7]。

5 硬件組成

為了滿足不同雷達體制的模擬要求，系統要具有一定的可編程性，本雷達模擬器采用PC104加FPGA 組合的結構，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

PC104為總線嵌入式單板計算機，其主要配置為550 MHz Intel Mobile Pentium Ⅲ CPU芯片，256 MB SDRAM，128 MB FLASH RAM，內裝VxWorks 實時操作系統。主要用來存儲目標、雜波數據庫，和FPGA進行數據交換以及和終端、監控網絡通訊任務，FPGA采用Altera公司新推出的Stratix 系列大容量的現場可編程門陣列器件。他內部集成了大容量存儲器和高速DSP模塊，適用于復雜運算，主要完成不同體制雷達工作時序配置，參數分解，目標、雜波生成及相關運算。

由于模擬不同體制雷達的電路結構不同，全部集成一塊芯片中完成不太現實，系統應具有自動軟件加載功能，根據模擬不同雷達態勢加載相應的軟件。雷達參數設置主要有：雷達工作頻段，脈沖重復頻率，天線轉速，天線波束寬度，信號調制方式，目標運動速度，雜波分布類型及區域，雜波譜寬等，這些參數在程序初始化階段發送到模擬器。目標航跡位置參數包括目標起伏分布類型、目標代號、目標的距離、方位中心點，目標RCS標志。

6 工作原理及實現

6.1 數據傳輸

PC104和FPGA之間有16位數據總線和地址總線，通過地址譯碼電路，PC104內存數據被快速寫入FPGA命令寄存器和雙口RAM內，第一類傳輸數據是雷達工作模式命令參數，第二類是波形數據庫，包括不同時寬線性調頻波形碼數據，雜波位置及幅度調制數據，辛格、高斯、余割平方三種類型方向圖調制數據，PD模式距離模糊數據表格，這個過程在初始化期間完成。在工作過程中PC104還承擔目標方位、距離信息數據傳輸，FPAG從輸入緩存RAM內讀出目標參數進行相關運算。在本模擬器的實現中，PC104除了傳送數據外還要和終端、監控系統進行其他通訊任務。 

6.2 目標、雜波數據處理

由于數據庫提供的數據是最基本的核數據，主要是目標、雜波的位置信息，因此大量數據產生在FPGA內完成，FPGA根據目標位置觸發和工作參數實時產生各種形式的目標數據，如目標方向圖調制，波束寬度內目標數量，目標的多譜勒頻率，目標類型等，根據雜波位置參數在相應區域產生雜波數據，包括雜波類型，雜波相關，雜波譜寬及雜波功率等，使產生的數據近似于真實雷達回波數據。

6.3 信號輸出

按雷達定時信號要求將I，Q數字視頻信號傳送到數模轉換器變成接收機基帶信號或送數字視頻信號到信號處理機供調試使用。雷達模擬器時序關系通過PC104控制，由可編程器件FPGA產生實現。這些時序、參數通過驅動設備送往模擬器各個處理單元，FPGA將產生數字信號存儲到輸出緩存，并按雷達天線掃描方式順序輸出，圖2、圖3、圖4是不同體制雷達目標產生及雜波信號生成畫面。

圖2 脈沖壓縮模式非線性調頻波形產生

圖3 常規模式目標3個副瓣方向圖調制波形

圖4 目標運動軌跡、雜波生成畫面

7 結 語

該雷達模擬器采用了軟硬件相結合的方法實現，通過嵌入式計算系統將數據和命令參數加載到硬件系統后，再由FPGA根據雷達的工作參數實時處理，形成所需的目標、雜波回波信號。

系統采用通過目標、雜波模型來模擬目標、雜波數據，滿足不同體制雷達目標、雜波數據的需求，硬件采樣PC104+FPGA的方法使系統結構緊湊在一塊電路板上，通過軟件配置就可完成不同體制雷達目標、雜波環境的模擬。對于干擾偵察機測試具有重要的價值。

參 考 文 獻

［1］米切爾R L.雷達系統模擬[M].陳訓達，譯.北京:科學出版社，1982.

［2］宋海娜.雷達海雜波建模與仿真技術研究[D].長沙:國防科技大學，2000.

［3］邱克成.通用目標環境模擬器系統設計構想[J].雷達與對抗，1995(3):1-6.

［4］曹晨.關于雷達雜波性質研究的若干問題[J].現代雷達，2001，23(5):1-5.

［5］江緒慶，唐波.一種新型雷達視頻模擬器的設計與實現[J].電子信息對抗技術，2006，21(2):45-46.

［6］蔣詠梅，陸錚.相關非高斯分布雜波的建模與仿真[J].系統工程與電子技術，1999，21(10):27-30.

作者簡介

孫實澤 男，1968 年出生，安徽懷寧人，高級工程師。主要從事雷達信號處理研制工作。主要研究方向為集成電路設計，雷達波形仿真，陣列信號處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。