輻射式雷達(dá)回波模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

李之海

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

雷達(dá)是用于檢測(cè)和定位反射物體，如飛機(jī)、艦船、航天飛機(jī)、車輛、行人和自然環(huán)境的一種電磁系統(tǒng)［1］。近年來，雷達(dá)在軍事和民用領(lǐng)域的使用越來越廣泛，在雷達(dá)的研制和調(diào)試過程中，需要對(duì)雷達(dá)性能和指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。如果這些測(cè)試都通過真實(shí)目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，則不僅要消耗大量的人力物力，而且對(duì)外場(chǎng)條件的要求會(huì)很高。雷達(dá)回波模擬器是雷達(dá)在設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)階段重要的測(cè)試手段，因?yàn)槠渚哂斜Ｃ苄院谩⒃囼?yàn)費(fèi)用低、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已在雷達(dá)研制過程中起到了越來越重要的作用。

2 仿真理論

模擬器的設(shè)計(jì)過程中，主要涉及的雷達(dá)信號(hào)模擬和雷達(dá)目標(biāo)及干擾模擬的基本數(shù)學(xué)模型如下：

2.1 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換

大地坐標(biāo)系是建立在一定的大地基準(zhǔn)上的用于表達(dá)地球表面空間位置及其相對(duì)關(guān)系的數(shù)學(xué)參照系［2］。在本模擬器中坐標(biāo)系采用大地直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于海拔高度為0的大地表面上的一點(diǎn)，X軸定義為過原點(diǎn)切于緯度弧線且指向東；Y軸定義為過原點(diǎn)切于經(jīng)度弧線且指向北極方向；Z軸按右手法則，指向天頂。

以平臺(tái)坐標(biāo)系Ot－xtytzt為基準(zhǔn)，將坐標(biāo)原點(diǎn)Ot到目標(biāo)的方向定義為徑距方向，之間的距離R稱為斜距；將斜距在xtyt面內(nèi)的投影與Otyt軸之間的夾角A（0°～360°）定義為方向角，順時(shí)針方向?yàn)檎粚⑿本嗯cxtyt面之間的夾角E定義為仰角（或高低角），向上為正（范圍－90°～90°），如圖1所示。

則平臺(tái)坐標(biāo)系到雷達(dá)球面坐標(biāo)系之間的關(guān)系為

圖1 大地直角坐標(biāo)系

雷達(dá)球面坐標(biāo)系到平臺(tái)坐標(biāo)系之間的關(guān)系為

2.2 目標(biāo)回波功率

目標(biāo)在雷達(dá)電波的作用下，產(chǎn)生后向散射的電波稱為雷達(dá)回波［3］。雷達(dá)方程反映了雷達(dá)的探測(cè)距離同發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、目標(biāo)及環(huán)境等因素之間的相互關(guān)系［4］。根據(jù)雷達(dá)及目標(biāo)參數(shù)，利用雷達(dá)方程，可計(jì)算出模擬器輸出的單一脈沖目標(biāo)回波信號(hào)功率為

式中：PT為雷達(dá)脈沖發(fā)射功率；GT為雷達(dá)天線增益；L為雷達(dá)發(fā)射傳輸損耗；σ為目標(biāo)雷達(dá)平均截面；R為目標(biāo)至雷達(dá)的距離；F為天線方向圖傳播因子；λ為雷達(dá)工作波長；r為電磁波大氣傳播雙程衰減因子。

在已知經(jīng)標(biāo)校后模擬器射頻輸出信號(hào)的最大有效功率和至被試?yán)走_(dá)的距離時(shí)，對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的總衰減值為

式中：po為模擬器發(fā)射機(jī)輸出的最大功率；G0為模擬器天線增益；ps為計(jì)算出的回波信號(hào)功率；R0為模擬器至被試?yán)走_(dá)的距離。

2.3 大氣傳播衰減的模擬

對(duì)流層內(nèi)氣體分子及水汽凝結(jié)物（云、霧、雨等）對(duì)電波具有吸收和散射作用，會(huì)造成電波的衰減，衰減量與電波工作頻率密切相關(guān)［5］。在100MHz～50GHz頻率范圍內(nèi)，大氣傳播衰減因子可以表示為

其中：γ1為氧氣的衰減因子，以dB／km（雙向）為單位；γ2、γ3為水蒸氣的衰減因子，以dB／km（雙向）為單位，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)地面大氣壓下：

其中：λ為工作波長，以cm為單位；ρ為水蒸氣的絕對(duì)濕度，以g／m3單位，在中緯度地區(qū)，可用8g／m3作為缺省值計(jì)算。

2.4 多普勒頻移

當(dāng)目標(biāo)以徑向速度V向雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)回波的多普勒頻率為

2.5 目標(biāo)回波的延時(shí)

電磁波從雷達(dá)傳輸至目標(biāo)的時(shí)間t是傳播距離除以波的速度［6］，即

通過計(jì)算目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)距離，得到的延時(shí)為雙程延時(shí)。

式中：C為光速，即C＝2.99785×108m／s；R 為目標(biāo)與雷達(dá)的距離。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

模擬器由顯示控制單元、接收通道、下變頻網(wǎng)絡(luò)、上變頻網(wǎng)絡(luò)、射頻通道、頻率合成器、信號(hào)產(chǎn)生單元、天線等組成，組成如圖2所示。

圖2 模擬器組成如圖

模擬器通過顯示控制單元的人機(jī)界面對(duì)雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)模擬參數(shù)、干擾樣式及參數(shù)等戰(zhàn)情進(jìn)行編輯，并將目標(biāo)模擬參數(shù)發(fā)送到信號(hào)產(chǎn)生單元，由信號(hào)產(chǎn)生單元根據(jù)目標(biāo)距離、速度產(chǎn)生具有一定時(shí)延和多普勒頻率的雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)的中頻基帶信號(hào)。再經(jīng)過上變頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上變頻，生成雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)的射頻信號(hào)，并經(jīng)過功率放大器和天線輻射至被試?yán)走_(dá)。在進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)回波或欺騙干擾模擬時(shí)，顯控單元還通過信號(hào)產(chǎn)生單元的數(shù)字I／O完成對(duì)接收通道單元、頻率合成器、上下變頻網(wǎng)絡(luò)和射頻通道單元等硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

1）顯示控制單元

顯示控制單元主要任務(wù)是實(shí)時(shí)控制模擬器的運(yùn)行，為用戶提供友好的人機(jī)交互界面。顯示控制單元通過人機(jī)界面對(duì)工作參數(shù)、雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)模擬參數(shù)等戰(zhàn)情進(jìn)行設(shè)置，并將參數(shù)發(fā)送到信號(hào)產(chǎn)生單元，由信號(hào)產(chǎn)生單元進(jìn)行目標(biāo)回波模擬的模擬。顯示控制單元還通過信號(hào)產(chǎn)生單元的數(shù)字I／O對(duì)接收通道單元、頻率合成器、上下變頻網(wǎng)絡(luò)和射頻通道單元等進(jìn)行控制。顯示控制單元還可對(duì)主要的雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、干擾參數(shù)和態(tài)勢(shì)進(jìn)行顯示。

2）接收通道

接收通道由衰減器、限幅器、開關(guān)、脈沖測(cè)量及門限產(chǎn)生電路組成，其主要任務(wù)是接收和處理各種被試?yán)走_(dá)信號(hào)，對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)整，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的平穩(wěn)接收，同時(shí)進(jìn)行脈寬、脈幅、重頻、掃描周期等測(cè)量，同時(shí)與中頻檢波信號(hào)一起產(chǎn)生檢波門限信號(hào)、幅度指示，送信號(hào)產(chǎn)生單元。并實(shí)現(xiàn)重頻跟蹤功能。將脈寬、脈幅、重頻、掃描周期等測(cè)量數(shù)據(jù)也送顯示控制單元進(jìn)行顯示。

3）下變頻網(wǎng)絡(luò)

下變頻網(wǎng)絡(luò)主要由混頻器、放大器、濾波器、耦合器等組成，其主要功能是將雷達(dá)射頻信號(hào)下變頻至中頻，經(jīng)放大后送信號(hào)產(chǎn)生單元，作為目標(biāo)回波模擬的中頻基帶樣本信號(hào)。

4）上變頻網(wǎng)絡(luò)

上變頻網(wǎng)絡(luò)主要由混頻器、放大器、開關(guān)濾波器組等組成，主要功能是將信號(hào)產(chǎn)生單元輸出的中頻信號(hào)恢復(fù)至至雷達(dá)射頻信號(hào)的頻率上。

5）射頻通道

射頻通道主要由高速調(diào)制器、程控衰減器、放大器、功率放大器等組成，其主要功能是上變頻網(wǎng)絡(luò)輸出的雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行高速調(diào)制、幅度調(diào)制和功率放大。

6）頻率合成器

頻率合成器主要由晶振、諧波發(fā)生器、功分器、放大器、混頻器、微波開關(guān)等組成，其主要功能是為上、下變頻網(wǎng)絡(luò)提供變頻所需本振信號(hào)。

7）信號(hào)產(chǎn)生單元

信號(hào)產(chǎn)生單元是進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)回波模擬的核心部件，主要由高采樣率ADC、高速DAC、大容量存儲(chǔ)器（雙口RAM）、DSP、大規(guī)模FPGA、時(shí)鐘系統(tǒng)電路和通信接口電路等組成。組成如圖3所示。

在進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)回波模擬時(shí)，信號(hào)產(chǎn)生單元接收顯示控制單元送來的模擬器工作參數(shù)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等戰(zhàn)情信息，按照目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)時(shí)解算目標(biāo)距離、目標(biāo)速度參數(shù)，根據(jù)雷達(dá)方程模型、大氣衰減模型、目標(biāo)起伏模型，實(shí)時(shí)解算每個(gè)目標(biāo)回波的功率。

圖3 信號(hào)產(chǎn)生單元組成圖

為了模擬目標(biāo)回波的時(shí)延，信號(hào)產(chǎn)生單元在檢波門限的控制下，通過A／D對(duì)下變頻網(wǎng)絡(luò)輸出的雷達(dá)中頻信號(hào)進(jìn)行高速采樣，并將雷達(dá)樣本信號(hào)滑窗式地存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。技術(shù)產(chǎn)生器根據(jù)雷達(dá)至目標(biāo)的距離計(jì)算目標(biāo)回波相對(duì)于當(dāng)前發(fā)射機(jī)定時(shí)觸發(fā)脈沖的時(shí)延值，生成讀取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的時(shí)延控制字，送數(shù)字存儲(chǔ)器控制器。在每一雷達(dá)周期內(nèi)按時(shí)延值的大小，從小到大順次把相應(yīng)的發(fā)射樣本讀出，送往D／A產(chǎn)生出雷達(dá)基帶模擬目標(biāo)回波信號(hào)，從而模擬了目標(biāo)回波的時(shí)延。

為了完成信號(hào)的多普勒調(diào)制，由技術(shù)產(chǎn)生器計(jì)算每個(gè)目標(biāo)的多普勒頻移，產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號(hào)，控制DAC構(gòu)成的DDS，產(chǎn)生多普勒調(diào)制信號(hào)，送多普勒調(diào)制模塊中完成多普勒的調(diào)制，模擬目標(biāo)的多普勒頻率。

4 結(jié)語

輻射式雷達(dá)回波信號(hào)模擬器已經(jīng)研制完成，模擬器的各項(xiàng)性能可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求，在某型雷達(dá)的調(diào)試和試驗(yàn)過程得到了應(yīng)用，效果良好。在將來的模擬器設(shè)計(jì)中可以進(jìn)一步從通用化和可擴(kuò)展等方面進(jìn)行研究。

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