高精度鋸齒波調頻主動雷達中頻模擬器設計

羅睿梅, 杜科, 劉坤

（上海無線電設備研究所,上海 200090）

高精度鋸齒波調頻主動雷達中頻模擬器設計

羅睿梅, 杜科, 劉坤

（上海無線電設備研究所,上海 200090）

在介紹鋸齒波調頻主動雷達測距原理基礎上,分析鋸齒波調頻主動雷達中頻模擬器需具備的功能；著重闡述距離頻差模擬方法以及彈目相對速度造成的距離頻差細微變化的模擬方法；多普勒頻率模擬以及由于發射信號波長變化帶來多普勒頻率變化的模擬方法；基于D觸發器的回波延時產生方法。并利用FPGA和DDS設計實現了高精度鋸齒波調頻主動雷達中頻信號模擬器,該模擬器通過上位機控制軟件進行參數設置,可靈活地模擬不同情況下的目標,已經應用于鋸齒波主動雷達導引頭的調試和測試中。

調頻；主動雷達；中頻模擬器

0 引言

鋸齒波調頻主動雷達是根據發射信號和接收信號之間的頻率差進行距離測量,與信號幅度關系不大。鋸齒波調頻主動雷達具有測距精度高、抗干擾能力強等特點,降低了測距系統對測量環境和被測物體反射的要求,近幾年被廣泛的應用于測距中[1]。

為了對鋸齒波主動雷達導引頭進行調試和驗證,需在實驗室內模擬包含目標距離、速度信息的鋸齒波調頻主動雷達目標回波信號。

本文設計的鋸齒波中頻模擬器是雷達目標模擬器的一個組成部分,主要負責模擬包含目標的頻差信息、多普勒頻率、回波延時信息在內的中頻信號,其信號經過濾波放大后與從導引頭頻率綜合器引出的本振耦合信號混頻,再用已延時后的脈沖信號對射頻信號進行調制,形成了與實際情況一致的鋸齒波調頻主動雷達回波信號。

1 鋸齒波調頻主動雷達測距原理

鋸齒波調頻測距的原理是發射信號頻率以固定調頻斜率變化,通過檢測收發信號之間的頻率差,求得收發信號之間的延時時間,進而算出雷達與目標之間的距離。設雷達發射的是鋸齒波調頻信號,雷達發射信號起始為F0,調頻帶寬為B,調制周期為T,正向調制發射信號。鋸齒波調頻測距頻率差與距離關系圖如圖1所示,圖1中上圖表示為收發信號之間頻率時間圖,下圖為頻率距離關系圖。

圖中A表示雷達發射信號,B表示雷達和目標有相對運動情況下的回波信號,C表示雷達和目標無相對運動情況下的回波信號。

發射信號從t1開始調制,在t2時刻收到目標的反射信號,t2=t1+tr,在t2時刻接收機收到的是t1時刻的頻率F0,而此時發射信號的頻率為F1,所以距離差頻信號fc=F0-F1,以此類推可計算出不同時刻收發信號之間的差頻。當雷達和目標之間存在相對運動時,即存在多普勒效應時,回波信號在頻率方向有一個大小為fd的平移。由此可得出存在相對運動時,雷達導引頭處理系統檢測到的收發之間的實際頻差為

圖1 鋸齒波調頻測距差頻-距離關系圖

式中：fc為距離引起的頻差；fd為多普勒頻率,假設多普勒頻率為正值。

中頻信號模擬器需在中頻上模擬目標的主要特征信息,由式（1）可知中頻信號模擬器在頻率上需模擬由距離引起的頻差fc,多普勒頻率fd,還需模擬回波的時延tr。因此中頻信號模擬器主要具備以下功能：

a）模擬收發信號隨距離變化產生的頻差fc；

b）模擬回波多普勒頻率fd；

c）模擬回波時間延遲tr。

2 鋸齒波調頻主動雷達中頻模擬器功能設計

2.1 距離頻差fc模擬

由鋸齒波調頻測距的原理可知在t2時刻距離頻差fc：

式中：u為發射信號的調頻斜率,u=B/T；c為光速；R1為t2時刻目標到雷達的單程距離。

若導彈和目標之間是相對靜止的,從式（2）很容易計算出目標的距離頻差；但在實際情況中,彈目之間通常存在相對速度,因此彈目之間的距離是不斷變化的,由此在回波模擬中必須將不斷變化的距離考慮進去,才能實現高精度的距離頻差模擬。

下列公式計算在t2時刻的由于彈目相對速度v造成的距離頻差Δfc。

式中：v為彈目相對速度。

所以由式（2）和（3）所述,當存在彈目相對速度v時,中頻信號模擬器應模擬的距離頻差為

由于彈目之間以一定的速度相對運動,會產生多普勒效應,即目標回波信號相對雷達發射信號疊加上一個多普勒頻率[2],這里假設需模擬的多普勒為正值,當發射頻率為固定值時：

式中：fd為多普勒頻移；λ為發射信號波長。

由鋸齒波調頻的原理可知,發射信號頻率F0是隨著調頻斜率u變化的,則在t2時刻發射信號的載波頻率Ft2為

根據式（5）,fd隨著載波頻率的變化而變化,因此在模擬多普勒時,必須考慮載波頻率變化的因素。以模擬t2時刻的多普勒為例。

2.3 回波時間延遲tr

回波時間延遲模擬即為對雷達發射脈沖從發射至遇到目標返回雷達接收的時間延遲模擬,延遲時間可由電磁波傳播距離公式計算得,以計算t2時刻回波延遲時間為例

3 設計實現

3.1 系統結構設計

根據中頻信號模擬器需具備的功能,本系統采用“FPGA+DDS”的設計方案。本方案的核心控制器是FPGA,信號產生模塊是DDS。系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構圖

主控計算機用Lab VIEW軟件開發控制界面,主要負責和模擬器通信,發送中頻信號模擬器需要的彈目速度、模擬彈目距離、發射信號調頻斜率、發射信號載波頻率、重頻周期等參數；控制器FPGA主要負責和上位機通信、DDS控制時序的產生、模擬回波延時功能等；DDS主要負責中頻信號的產生；DDS輸出的信號是差分信號,因此采用寬帶跨導放大器MAX436轉為單端,經過帶通濾波器濾出中頻信號再放大輸出[3]。

為保證信號之間的相參性,中頻信號模擬器工作所需的時鐘和同步脈沖信號都由導引頭的頻率綜合器提供,雷達回波模擬器所需的本振耦合信號也由頻率綜合器提供。

由于發射信號的調頻周期T遠大于雷達發射脈沖重復周期Tr,故在一個完整的調頻周期內包含若干個脈沖。圖3為發射信號與發射脈沖關系圖。

圖3 發射信號與發射脈沖關系圖

為保證發射信號工作與模擬器工作嚴格同步,導引頭在發射信號非調頻期發送幾個毫秒的空脈沖信號,作為和中頻信號模擬器的同步信號,在空脈沖期間,中頻信號模擬器做復位清零的工作。發射信號發射空脈沖完畢后發送脈沖串,同時發射信號以一定的斜率開始調頻,中頻信號模擬器一旦檢測到脈沖上升沿到來,即開始工作產生目標特征信息,這樣就保證了導引頭調頻時間和模擬器的工作時間同步。

3.2 回波時間延遲模擬功能實現

回波時間延遲模擬是將導引頭同步的脈沖信號作相應的延時。傳統的延時方法有采用可編程的延時芯片、模擬延時方法等。本中頻模擬器采用一種簡單實用的方法―基于移位寄存器原理的D觸發器延時電路。

基本的移位寄存器由邊沿觸發結構的D觸發器組成,每次移位時鐘的上升沿到來時,D觸發器使移位寄存器輸入端的信號后左移（或右移）一位,即相當于輸入信號被延遲了一個移位時鐘周期。所以邊沿觸發結構的D觸發器可以用于脈沖信號的延時。延時電路以邊沿觸發結構的D觸發器為基礎,不同數量的D觸發器串聯而成不同延時量的延時模塊。再將這些延時模塊通過單刀雙擲開關級聯起來就組成了延時量可控的延時電路。

用FPGA設計延時電路時,用彈上提供的基準時鐘倍頻后作為D觸發器的觸發時鐘,如彈上提供40 M Hz時鐘,用FPGA中的PLL模塊將時鐘4倍頻至160 M Hz（周期6.25 ns）,故延時電路的模擬延遲時間精度為6.25 ns,距離精度為0.937 5 m,如果模擬20 km的距離,需要215個延時模塊即可。

3.3 距離頻差模擬實現

中頻信號模擬器信號產生模塊采用DDS芯片AD9852,AD9852數字直接頻率合成器是高度集成化的數字芯片,它采用先進的DDS技術,其內部內置高性能D/A轉換器和比較器,當提供給AD9852精確的基準時鐘時,并按一定時序對AD9852的寄存器操作,AD9852就會產生單頻點、線性調頻、調相等多模式信號,在此處只需要產生單一頻率的信號。AD9852產生單頻點信號只需在相應的寄存器寫入控制模式字、頻率字,并且各控制字的寫入嚴格遵守DDS的控制時序。

由式（4）可知,當存在彈目相對速度時,距離頻差由fc和Δfc組成。上位機通過控制界面設置固定的彈目距離和調頻斜率參數,根據式（2）計算出fc值,再根據AD9852頻率和頻率控制字之間的轉換關系,把fc轉換成相應的頻率控制字,最后通過串口發送給模擬器。

距離頻差模擬的難點在于Δfc的實現。由式（3）可知,在彈目相對速度v、調頻斜率u一定的情況下,Δfc是隨時間的累積而變化的,實時計算出的Δfc要不停的寫入DDS寄存器,只有解決同時計算Δfc和寫入Δfc之間的時序問題,才能保證輸出信號的頻率精度,從而保證模擬的距離精度。

本文的設計思想：以同步脈沖作為基準信號,首先在FPGA中利用時鐘測出重頻周期Tr,并在空脈沖期間對數據清零程序復位,在脈沖低電平期間在FPGA中計算出一個脈沖周期產生的距離頻差值k[k=（2vu/c）Tr],當每個脈沖上升沿到來時計算隨同步脈沖變化的累積距離頻差值K=k+ik（i=0,…,N）,其中N為整個調頻周期內脈沖的個數,N=T/Tr,同時把計算出的Δfc和fc值發送給DDS頻率寄存器模塊。這樣就巧妙的實現了計算Δfc和發送Δfc同步。圖4為Δfc實現流程圖。

圖4 Δfc實現流程圖

3.4 多普勒模擬實現

由于多普勒頻率值相對發射信號的頻率要低得多,直接對發射信號進行多普勒調制很難實現。所以在中頻上產生多普勒頻率,再與導引頭本振耦合信號混頻來實現多普勒頻率模擬。本設計產生的中頻信號頻率為60 MHz。由公式（9）可知,模擬多普勒由兩部分組成fd和Δfd組成。在發射起始頻率和彈目相對速度一定的情況下,fd為定值,可由上位機計算出相對應的中頻信號和fd對應的DDS頻率寄存器值,由上位機通過串口發送至模擬器。Δfd的實現過程與距離頻差變化值Δfc實現過程一致。在此不再贅述。

4 結束語

本文對高精度的鋸齒波調頻主動雷達中頻信號模擬器的原理進行了研究；介紹了硬件實現中頻信號模擬器的過程；該中頻信號模擬器對由于彈目速度產生的距離頻差和由于波長變化產生的多普勒變化進行了模擬,真實地模擬了目標的特征信息,對鋸齒波主動雷達導引頭的調試和驗證具有重要意義；而且該中頻信號模擬器通過上位機控制軟件設置載頻、調頻斜率等調頻參數,可用于多種鋸齒波主動雷達導引頭的調試設計,具有很強的實用性。

[1] 郭渭榮,栗蘋,陳慧敏.鋸齒調頻連續波建模與仿真[J].紅外與激光,2009.

[2] 劉曉寧,盧巖輝,吉峰.主動雷達導引頭目標回波模擬器[J].制導與引信,2008.

[3] 王靜,陳伯孝.基于DDS的末制導雷達中頻模擬器設計[J].制導與引信, 2008.

Design of the High Precision of Intermediate Frequency Simulator for Sawtooth FM Active Radar Seeker

LUO Rui-mei, DU Ke, LIU Kun
（Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

According to the introduction of the principle of the measuring distance with sawtooth FM.Analyses the function of the intermediate frequency simulator of active radar which must have.Describes in details the method of the simulation of rang-frequency and the method of the compensating error because of the velocity between seeker and targets；the method of the simulation of Doppler frequency and the method of the compensating error because of the vary of the signal carrier's wavelength；the method of the time delay based on D register and the distance warp because of high velocity.The IF simulator used FPGA and DDS,and it can simulate flexibly the different targets controlled by computer；it is also successfully used in the debug of the sawtooth FM active radar seeker.

frequency modulation；active radar；intermediate frequencysimulator

TJ765.3

A

1671-0576（2014）02-0006-05

2014-03-28

羅睿梅（1976-）,女,高級工程師,碩士研究生,主要從事雷達導引頭測試設備研究。