一種應(yīng)答式目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙一倩 屈衛(wèi)東 鄧江生

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院1，上海 200240;海軍航空儀器計(jì)量站2，上海 200436)

0 引言

雷達(dá)是采用多種高科技的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、固態(tài)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、光電子技術(shù)以及器件、材料、結(jié)構(gòu)、工藝的發(fā)展，各種類型的雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生［1］。為了對(duì)被試?yán)走_(dá)進(jìn)行干擾試驗(yàn)?zāi)M，全面評(píng)價(jià)雷達(dá)抗干擾能力，需要模擬在各種戰(zhàn)情下的目標(biāo)回波信號(hào)［2］。由于雷達(dá)信號(hào)模擬器通過模擬的方法產(chǎn)生雷達(dá)回波信號(hào)［3］，因此，采用雷達(dá)仿真技術(shù)在地面模擬雷達(dá)目標(biāo)的回波信號(hào)和干擾信號(hào)，準(zhǔn)確評(píng)估雷達(dá)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)就顯得十分必要。本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)答式目標(biāo)模擬器。

1 目標(biāo)模擬器組成和結(jié)構(gòu)

應(yīng)答式目標(biāo)模擬器不但可檢測(cè)各個(gè)分系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常，而且還可以測(cè)試?yán)走_(dá)的性能指標(biāo)，如測(cè)量目標(biāo)參數(shù)(距離、速度、角度等)的精度、目標(biāo)參數(shù)的分辨率和整個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)率，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)軟件功能輸出、目標(biāo)航跡建立和目標(biāo)的跟蹤功能等。目標(biāo)模擬器引入雷達(dá)發(fā)射的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)序同步和頻率測(cè)試，疊加延時(shí)和頻移后產(chǎn)生符合設(shè)置的模擬目標(biāo)信號(hào)再反饋給雷達(dá)，以實(shí)現(xiàn)各種工作方式下的目標(biāo)模擬。

目標(biāo)模擬器主要由目標(biāo)模擬單元、顯示單元、天線系統(tǒng)等組成，其各模塊名稱及配套設(shè)備組成分別如表1和表2所示。表1中，U1～ U4、U6屬于目標(biāo)模擬單元。表2中，每根射頻電纜長(zhǎng)度為8 m，每根測(cè)試電纜長(zhǎng)度為1.5 m。

表1 目標(biāo)模擬器組成表Tab.1 Compositions of the target simulator

表2 目標(biāo)模擬器配套設(shè)備組成表Tab.2 The supporting equipments of target simulator

2 目標(biāo)模擬單元的模塊化設(shè)計(jì)

目標(biāo)模擬器的核心部件為目標(biāo)模擬單元。目標(biāo)模擬單元研制采用模塊化設(shè)計(jì)，由頻率源、微波接收、微波發(fā)射、中頻處理和控制等模塊組成。各模塊的主要功能介紹如下。

目標(biāo)模擬單元的頻率源模塊進(jìn)行頻率調(diào)諧，生成高穩(wěn)定頻率信號(hào)和高純度、低相噪頻譜;控制模塊建立相關(guān)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)模型，完成各模塊接口驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)間的通信，實(shí)時(shí)處理和刷新目標(biāo)各種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，生成系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)，顯示實(shí)時(shí)的目標(biāo)參數(shù);接收發(fā)射模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波生成處理和變頻處理;中頻處理模塊生成目標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)回波，經(jīng)上變頻后送出回波信號(hào)。

2.1 頻率源模塊設(shè)計(jì)

頻率源主要用于產(chǎn)生模擬器所需的各基準(zhǔn)信號(hào)和本振信號(hào)，其頻率點(diǎn)可由軟件控制，經(jīng)上/下變頻后與雷達(dá)工作頻率點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

頻率源由微波固態(tài)器件、高精度頻率綜合器、數(shù)字微波鎖相環(huán)、高速數(shù)字器件等通用器件構(gòu)成。頻率源采用恒溫晶體源鎖相倍頻技術(shù)，產(chǎn)生微波寬帶數(shù)控頻率信號(hào)。頻率源中頻部分采用高速專用數(shù)字集成電路組合，自帶微處理器模塊;頻率源的射頻部分采用全微波固態(tài)器件。由于頻率源使用模塊化的結(jié)構(gòu)，各功能相同的模塊通用，故可靈活組成試驗(yàn)系統(tǒng)，并可根據(jù)特殊要求擴(kuò)展使用，以滿足實(shí)際需要［4］。

頻率源工作原理如圖1所示。

圖1 頻率源工作原理圖Fig.1 Principle of the frequency source

2.2 微波收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

來自機(jī)載雷達(dá)的RF信號(hào)經(jīng)過接收通道兩次下變頻后變成中頻信號(hào)，通過中頻處理器后疊加目標(biāo)多普勒頻率。該信號(hào)通過發(fā)射通道的兩次上變頻后形成RF發(fā)射信號(hào)并發(fā)射給雷達(dá)。微波收發(fā)模塊原理如圖2所示。

圖2 微波收發(fā)模塊框圖Fig.2 Block diagram of the microwave transceiver module

2.3 中頻處理模塊設(shè)計(jì)

中頻處理模塊框圖如圖3所示。目標(biāo)信號(hào)模擬器的中頻處理部分由Fd信號(hào)發(fā)生器、距離/時(shí)鐘產(chǎn)生器、數(shù)字延時(shí)線等組成。中頻處理模塊可以完成目標(biāo)參數(shù)的生成、運(yùn)動(dòng)速度和信號(hào)強(qiáng)度的控制等功能。

圖3 中頻處理模塊框圖Fig.3 Block diagram of IF processing module

Fd信號(hào)發(fā)生器原理框圖如圖4所示。

圖4 Fd信號(hào)發(fā)生器原理框圖Fig.4 Block diagram of Fd signal generator

由圖4可知，頻率、工作模式和相位控制由一個(gè)與微處理器兼容的接口來進(jìn)行，可選用8位并行口或串行口來控制。頻率相位寄存器存放固定頻率所對(duì)應(yīng)的相位增量;調(diào)相增量寄存器存放相位調(diào)制增量值;相位增量和相位調(diào)制增量經(jīng)相位累加器相加，再查表得到數(shù)字調(diào)相信號(hào)，經(jīng)D/A、低通即得到中頻調(diào)相輸出信號(hào)。

中頻處理的技術(shù)指標(biāo)是決定整機(jī)性能的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)采用先進(jìn)的直接數(shù)字合成技術(shù)(direct digital synthesis，DDS)和數(shù)字射頻存儲(chǔ)技術(shù)(digital RF memory，DRFM)形成中頻數(shù)字延時(shí)單元，使應(yīng)答系統(tǒng)采用數(shù)字方式生成目標(biāo)信號(hào)。這樣既與雷達(dá)信號(hào)保持相參特性，又為計(jì)算機(jī)控制目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，也使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，整機(jī)質(zhì)量更輕，滿足內(nèi)、外場(chǎng)使用時(shí)簡(jiǎn)便靈活的要求［5－7］。

在數(shù)字延時(shí)線中，除使用高速A/D、D/A集成器件和雙口存儲(chǔ)器件外，還采用了模/數(shù)混合電路，以確保生成低雜散的相參模擬動(dòng)目標(biāo)信號(hào)。該模擬信號(hào)也同時(shí)滿足雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)解算距離模糊和速度模糊的需求。

數(shù)字延時(shí)線由混頻器、A/D變換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、D/A變換器、控制器和時(shí)鐘電路組成。數(shù)字延時(shí)線框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字延時(shí)線框圖Fig.5 Block diagram of digital delay line

根據(jù)數(shù)字延時(shí)線的特性，其適用于雷達(dá)系統(tǒng)性能測(cè)試。雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)由雷達(dá)激勵(lì)源的信號(hào)提供，或通過空間輻射，由喇叭耦合獲得。RF信號(hào)通過下變頻器變成參考頻率，與一本振信號(hào)混頻后變成適合于A/D變換的低中頻信號(hào);經(jīng)A/D變換后的低中頻信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，經(jīng)距離延時(shí)和D/A變換后恢復(fù)成模擬信號(hào);然后再與一本振混頻后恢復(fù)成中頻信號(hào)。這樣就完成了對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的存儲(chǔ)、延時(shí)控制。

3 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊采用高速差分傳輸、高速雙口RAM、大規(guī)模集成控制電路、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換、高速數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)存等技術(shù)，具有控制靈活、響應(yīng)快速、轉(zhuǎn)換精度高等特點(diǎn)。

控制模塊由目標(biāo)控制單元、多普勒頻移控制器、距離產(chǎn)生器、幅度控制器及頻綜控制器等部分組成。控制模塊工作框圖如圖6所示。

圖6 控制模塊框圖Fig.6 Block diagram of control module

3.1 目標(biāo)控制單元

目標(biāo)控制單元對(duì)雙口RAM送來的數(shù)據(jù)與指令進(jìn)行譯碼、格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、計(jì)算等實(shí)時(shí)處理，并將實(shí)現(xiàn)模擬器各項(xiàng)功能所需的各項(xiàng)指令和參數(shù)實(shí)時(shí)送往相應(yīng)的控制器。目標(biāo)控制單元采用大規(guī)模集成電路和實(shí)時(shí)全譯碼方式，大大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和靈活性。

3.2 多普勒頻移控制器

多普勒頻移控制器根據(jù)目標(biāo)控制單元送來的指令，對(duì)Fd信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使DDS產(chǎn)生的多普勒頻移能在0～±1 MHz范圍內(nèi)使用，其分辨率能達(dá)到1 Hz。

3.3 距離產(chǎn)生器

距離產(chǎn)生器根據(jù)目標(biāo)控制單元送來的指令，對(duì)數(shù)字延時(shí)線進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。距離產(chǎn)生器使用CPLD大規(guī)模集成電路，根據(jù)指令值對(duì)延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算與實(shí)時(shí)傳送。由于采用了20 MHz的時(shí)鐘頻率，使得延時(shí)線刷新時(shí)間小于10 ms，距離分辨率小于7.5 m。

3.4 頻綜控制器

頻綜控制器根據(jù)目標(biāo)控制單元送來的指令，對(duì)頻率綜合器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使本機(jī)頻綜調(diào)諧在與雷達(dá)載頻頻率相應(yīng)的工作頻率上。

4 模擬器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輻射天線系統(tǒng)是目標(biāo)模擬器信號(hào)傳輸以及角度信息模擬的關(guān)鍵組成部分，其功能是在雷達(dá)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，接收雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射出的RF信號(hào)，并傳送給目標(biāo)模擬器。目標(biāo)模擬器處理后通過空間輻射回傳給雷達(dá)天線。

目標(biāo)模擬器可移動(dòng)式天線支架用于波源輻射器，將天線按所要求的高度固定在可移動(dòng)的支架上。在使用中，主要是彌補(bǔ)旋轉(zhuǎn)天線角度范圍的局限性。

喇叭天線指標(biāo)有:頻段X波段;增益20 dB;極化方式，即圓極化、垂直極化;輸出同軸接頭SMA(陰)。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)集成后，對(duì)整個(gè)雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行了功能聯(lián)合測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好。在經(jīng)過近50臺(tái)(套)雷達(dá)的實(shí)際測(cè)試使用后確認(rèn)，該模擬器能精確完成脈沖體制多批次目標(biāo)的徑向速度、距離的精確模擬。

本文完成了輻射式多目標(biāo)雷達(dá)模擬器發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成，發(fā)射機(jī)采用模塊插件形式，實(shí)現(xiàn)了X波段的射頻信號(hào)發(fā)射功能。目標(biāo)模擬器工作性能穩(wěn)定、信號(hào)控制動(dòng)態(tài)范圍大、諧波抑制和抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊，具備較好的功能擴(kuò)展性。

［1］張嘯，高新義，李迎綱.一種雷達(dá)模擬目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(2):17 －18.

［2］鄭灼洋，紀(jì)要，羅杰，等.一種相參雷達(dá)評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子對(duì)抗，2011，34(3):93 －96.

［3］ Mitchell R L.雷達(dá)系統(tǒng)模擬［M］.陳訓(xùn)達(dá)，譯.北京:科學(xué)出版社，1982.

［4］王凡.X波段機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)模擬器射頻前端研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2007.

［5］王江展，白雪，潘志明.DRFM在機(jī)載PD雷達(dá)寬帶目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.信息化研究，2010，36(12):16 －19.

［6］肖開健，井偉，肖戰(zhàn)牛.基于DDS的單脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)模擬的實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2011，24(11):13 －15.

［7］王展，李雙勛，劉海濤，等.雷達(dá)多目標(biāo)模擬器DRFM單元設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17(8):1616 －1619.