制導雷達回波信號模擬器設計

宋志剛

【摘 要】 運用雷達信號模擬技術，研制了指令制導艦空導彈武器系統(tǒng)用目標模擬系統(tǒng)。闡述了模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、收發(fā)模塊及基于數(shù)字儲頻技術的信號模擬模塊硬件設計方法，構(gòu)建出適用于指令制導武器完整作戰(zhàn)過程的雷達信號模擬系統(tǒng)。建立了指令制導武器系統(tǒng)多頻段雷達回波信號幅度、結(jié)構(gòu)、多普勒頻率等參數(shù)模型。

【關鍵詞】 制導雷達 ?回波模擬器 ?DRFM ?FPGA

雷達回波信號模擬器廣泛應用于雷達調(diào)試、試驗及雷達對抗等領域，能夠逼真模擬雷達信號替代實際回波。本文基于DRFM技術設計一種雷達回波模擬器，用于模擬指令制導導彈武器作戰(zhàn)過程中相關雷達信號，通過接收搜索警戒雷達、跟蹤制導雷達等的輻射信號，經(jīng)過存儲和分析，變換和轉(zhuǎn)發(fā)，模擬搜索警戒雷達、跟蹤制導雷達，導彈制導指令等不同頻率回波信號，代替實際配合目標，保障武器系統(tǒng)完成從搜索、目指、跟蹤制導全過程。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬器采用數(shù)字射頻存儲器（Data Radio Frequency Memory，DRFM）+上位機結(jié)構(gòu)。主要由DRFM單元、接收機、發(fā)射機、頻率綜合器、收發(fā)天線及上位機（CPU板）組成，如圖1所示。

模擬器接收天線接收雷達輻射的射頻信號送入接收機，射頻信號經(jīng)放大、下變頻，轉(zhuǎn)化為中頻信號由DRFM進行采集、存儲，按要求生成目標和雜波信號，并調(diào)制到數(shù)字中頻信號上，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬中頻信號，送發(fā)射機;發(fā)射機進行上變頻，將中頻信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，經(jīng)發(fā)射天線向空間輻射，供相應雷達接收。為了保證模擬器接收信號的頻率與發(fā)射信號的頻率一致，需要高穩(wěn)定度的頻率合成器及為發(fā)射機和接收機提供上變頻和下變頻所需的本振信號。

1.2 收發(fā)模塊設計

收、發(fā)模塊分別集成于一塊6U插板。接收模塊由寬帶射頻模塊、射頻下變頻模塊和中頻下變頻模塊構(gòu)成，如圖2所示。實現(xiàn)接收雷達發(fā)射的寬帶射頻信號，進行濾波、增益控制和放大。信號分兩路，一路由對數(shù)檢波放大器檢出雷達射頻脈沖，并與檢波電平信號進行比較，生成視頻檢波信號，作為DRFM的同步信號;另一路轉(zhuǎn)換為中頻信號，經(jīng)低通濾波后送給DRFM處理。

發(fā)射模塊由中頻上變頻模塊、寬帶射頻上變頻模塊和寬帶功放模塊構(gòu)成，如圖3所示。發(fā)射機采用基于微波單片集成電路（MMIC）多級放大式設計方案，可實現(xiàn)發(fā)射機發(fā)射波形調(diào)制方式及脈沖頻率多樣、功率控制靈活，具有將DRFM輸出的信號經(jīng)混頻、放大和幅度控制，形成最終的段寬帶射頻信號，經(jīng)發(fā)射天線輻射到空間功能。

1.3 數(shù)字射頻存儲模塊設計

數(shù)字射頻存儲器（DRFM）是一種可儲存任意射頻信號，并在延遲可編程時間后精確輸出的存儲設備。數(shù)字儲頻具有瞬時帶寬處理能力，存儲頻率精度高，信號相位信息不丟失，保真度好，存儲時間不受限制，連續(xù)復制的信號與原雷達信號完全一致，能逼真模擬多普勒信號和脈沖壓縮信號。

DRFM單元是該模擬器的核心，它存儲、重構(gòu)雷達中頻信號，是產(chǎn)生各種目標運動回波和雜波的基礎。DRFM由模/數(shù)（A/D）變換采樣、數(shù)字下變頻（DDC）、數(shù)據(jù)存儲器、信號處理器、數(shù)字上變頻（DUC）、數(shù)模（D/A）變換以及輸入/輸出接口電路組成，如圖4所示。A/D采樣轉(zhuǎn)換將輸入信號變成數(shù)字信號，完成中頻信號數(shù)字化過程。DDC單元實現(xiàn)數(shù)字中頻信號的下變頻、數(shù)據(jù)抽取、低通濾波，輸出I/Q正交數(shù)字信號。數(shù)字上變頻（DUC）單元實現(xiàn)I/Q正交數(shù)字基帶信號的低通濾波、數(shù)據(jù)插值、正交上變頻到數(shù)字中頻信號。D/A轉(zhuǎn)換器將模擬的中頻數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為中頻模擬信號，輸入發(fā)射機。FPGA為信號處理器，對目標信號、二次反射信號進行多普勒頻移、距離延遲處理和幅度的調(diào)制，對雜波進行功率譜和距離延遲調(diào)制，形成雷達回波信號。

2 雷達回波信號模型

雷達回波的特性參數(shù)包括目標距離、回波幅度、幅度起伏、多普勒頻移等。模擬器模擬的回波形式為數(shù)字回波，其可根據(jù)模型生成的數(shù)據(jù)或使用實采信號生成。實采回波的準確度由回波采集器的精度和準確度決定;模擬的數(shù)字回波的準確度由目標模型和環(huán)境模型的選擇決定。本系統(tǒng)模擬信號為由上位機根據(jù)下述模型計算產(chǎn)生數(shù)字回波。目標距離的模擬由設定的目標進入距離、運動速度和方向以及雷達工作時間的變化計算產(chǎn)生，回波幅度的模擬要根據(jù)距離方程和目標散射截面的變化計算產(chǎn)生，多普勒頻率的模擬主要體現(xiàn)在目標回波的相位變化。

3 設計中的注意事項

為實現(xiàn)設備的便攜性要求，需將系統(tǒng)將高頻、中頻信號集成于一塊插板，多種頻段雷達信號集中于一個工控機箱內(nèi)處理，為保證系統(tǒng)正常工作，需要考慮電磁兼容、散熱等設計。

3.1 電磁兼容特性設計

高、中、低頻信號相互交錯，高速PCB布線的不合理，相互之間會產(chǎn)生較大干擾，影響系統(tǒng)的電磁兼容特性，在設計中應重點考慮。器件的選用應充分考慮各自的輸入輸出信號、工作頻率等。DRFM中高性能A/D變換器的電磁輻射較強且易受干擾，應使用屏蔽罩將其屏蔽，隔絕內(nèi)外信號串擾。為防止插板間干擾，高頻電路插板也應加屏蔽罩。同時，PCB采用多層板，使用獨立的電源層和接地層，數(shù)字地、模擬地、系統(tǒng)地和屏蔽地應分別考慮，采用多點接地和就近接地，把不同功能的地線分開。在布線方向，盡量減少電源線走線的有效包圍面積，避免長距離平行布線及導線夾角大于90度，避免信號產(chǎn)生反射和諧波。

3.2 散熱設計

PCB電路板中包含有大功率器件，工作過程中散熱量較大，為主要散熱器件。芯片的選擇應盡量選用性能等級較高的系列，另外整個目標模擬系統(tǒng)的機箱應具有良好的散熱性，否則，熱積累到一定程度后，可能會發(fā)生溫漂，輸出數(shù)據(jù)誤差增大。

4 結(jié)語

本文對基于DRFM的制導雷達回波信號模擬器的總體方案設計進行了闡述。系統(tǒng)設計中應用了系統(tǒng)模擬的思想和模塊化設計思想，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)低成本、便攜要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設計靈活，具有良好的通用性和擴展性。

參考文獻：

[1]賈文超.基于DSP處理器的多普勒雷達系統(tǒng)設計[J].長春工業(yè)大學學報，2007，28（1）：70-73.

[2]沈昆.雷達干擾信號產(chǎn)生系統(tǒng)實現(xiàn)[J].計算機仿真，2004，22（5）：36-37.