低成本多通道注入式雷達信號模擬源設計方法*

2016-03-15 04:46:21顧村鋒趙學州

艦船電子工程 2016年2期

吳　宇　顧村鋒　趙學州

(1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室　上海　201109)

(2.上海機電工程研究所　上海　201109)(3.上海無線電設備研究所　上海　200090)

低成本多通道注入式雷達信號模擬源設計方法*

吳宇1顧村鋒2趙學州3

(1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室上海201109)

(2.上海機電工程研究所上海201109)(3.上海無線電設備研究所上海200090)

摘要針對傳統多通道注入式制導控制系統中,雷達回波模擬系統結構復雜,體積龐大,通道可擴展性差等特點,基于數字技術,提出了多通道數字端生成與控制并合成,最后變頻至射頻段輸出最終和差信號的方式,簡化系統硬件結構,縮小系統體積、提高通道擴展能力,降低系統成本。

關鍵詞注入式仿真; 多通道; 低成本

Low Cost Design for Multichannel Radar Echo Source Imitator in Guidance & Control Injection Simulation System

WU Yu1GU Cunfeng2ZHAO Xuezhou3

(1. Navy Representative Office of Aerospace System in Shanghai, Shanghai201109)

(2. Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute, Shanghai201109)

(3. Shanghai Radio Equipment Institute, Shanghai200090)

AbstractFor the problems encountering in traditional multichannel radar echo source imitator of injection simulation systems, including complex structure, big size, poor extensibility and etc., a low cost design is presented in this paper. The proposed design is based on digital technology, in which multichannel echo signal is generated, controlled and combined in digital field, then upconverted to RF band for last sum-delta signal output. The proposed design shows it has simple hardware structure, small system size, better multichannel extensibility and low cost.

Key Wordsinjection simulation, multichannel, low cost

Class NumberTN955

1引言

尋的制導控制系統仿真試驗作為制導系統的主要設計和評價手段,在型號研制中具有重要作用,當前制導控制系統全彈道動態仿真主要有數字仿真和半實物仿真兩種方法。

數字仿真[1～2]通過建立全系統的數學模型,利用計算機來復現系統的工作過程,優點是參數修改方便,可以在短時間內進行大量仿真,便于制導控制系統參數設計分析、精度統計和理論分析,缺點是仿真置信度稍差。

空饋半實物仿真[3～5]有輻射式和注入式[6～9]兩種,通過用實物取代相應的數學模型,得到更準確的信息,具有更高的可信度。輻射式半實物仿真系統需建設昂貴的暗室及轉臺系統,試驗過程中需耗費大量的人力物力,通常作為靶試前的制導控制系統設計驗證手段,相比而言,動態注入式仿真系統中射頻信號通過射頻電纜或波導直接注入至導引頭接收機,無需建設暗室和飛行轉臺系統,系統簡單,成本低,具有試驗效費比高、使用方便,可擴展性強等特點,文獻[10]中給出了注入式制導控制仿真系統組成圖和單個通道雷達回波信號模擬系統框圖,如圖1、圖2所示。

圖1　注入式制導控制仿真系統組成圖

圖2　單通道雷達回波信號模擬系統框圖

在圖1中,注入式制導控制仿真系統中,通過雷達回波信號模擬器產生目標回波模擬信號直接注入至導引頭接收機,而在目標回波產生過程中,基于比幅單脈沖原理,需要1路和,2路差總共3路信號,圖2給出了單個通道雷達目標回波信號生成器功能框圖,將目標回波模擬信號在射頻端直接功分為3路,分別對應了和信號與差信號,各路利用移相器和衰減器,控制信號的幅度和相位,動態模擬目標的理論距離和方位。該結構在針對除包含單個目標信號通道以外的多目標信號,以及復雜電磁環境模擬,包括干擾、雜波信號的模擬時,必須擴大系統通道數,這從系統可擴展性、成本、體積、功耗等角度均存在較大缺陷。

為此,本文在分析傳統多通道模擬源設計方式所存在缺陷的基礎上,基于數字技術,提出多通道注入式雷達信號模擬源低成本設計方案,在給出系統架構和實現方式的同時,分析該系統的低成本和實用化特點,為注入式制導控制仿真系統的實際工程應用提供參考。

2雷達信號模擬源多通道設計

2.1傳統多通道模擬源設計方式

在圖2給出的單通道雷達回波信號模擬系統框圖的基礎上,設計多通道雷達回波信號模擬源,其組成框圖如圖3所示,由N個單通道雷達信號模擬器組成,每個單通道雷達信號模擬器輸出和差3路信號,各通道的和差信號分別由3組功率合成器合成最終3路和差路信號輸出。

圖3　傳統N通道雷達回波信號模擬系統框圖

傳統多通道雷達回波信號模擬系統問題在于除控制計算機外,各通道均是獨立實現,沒有復用模塊,隨著系統通道數的增加,包括回波信號生成器、功分器、移相器和衰減器在內的各個組件均是N-1倍增加,由于各個組件均為微波元件,體積龐大的同時,硬件成本也是隨著通道數的增加,成倍增加。

同時,隨著通道數增加,末端總的3路功率合成器單元也會變得體積龐大,結構異常復雜。若以使用2合1的功率合成器為例,2個回波通道合成一個和路信號只要1個功率功率合成器,3個回波通道就需要2個,以此類推N個通道單單輸出1和路信號就需要N-1功率合成器,再加上2個差路信號,總共需要3*(N-1)個功率合成器。

2.2多通道模擬源低成本設計

針對傳統多通道雷達回波信號模擬系統隨著通道數增加,系統體積不斷龐大,成本成倍增加的特點,圖4首先給出了單通道雷達回波信號模擬系統低成本設計框圖,如圖中所示,區別于圖2中給出的在射頻端將回波信號分成和差3路的方案,提出將回波信號模擬的基帶數字信號直接功分,并在數字域完成相位和幅度的控制,達到目標角度模擬的目的,3路和差數字信號由輸出單元轉換為模擬信號后,各路通過上變頻器轉換至射頻段,最后由幅相控制單元,完成相位和幅度的末端調整,最后輸出3路雷達目標模擬信號。通道的基帶信號模擬器均在數字域完成3通道的模擬。

而針對N通道雷達回波信號模擬系統的實現,圖5在圖4單通道設計的基礎上,給出了低成本設計方案框圖。如圖中所示,N個通道和差總共3*N路信號的模擬均在數字域完成,并在數字域實現N路信號的合成,合成后的3路和差數字信號由輸出單元轉換為模擬信號后,各路通過上變頻器轉換至射頻段,最后由幅相控制單元,完成相位和幅度的末端調整,最后輸出3路雷達目標模擬信號。由于多通道的模擬實現在數字域實現,可充分利用目前較流行的比如FPGA等數字平臺的資源,在硬件結構不變的情況下,實現多通道目標回波信號的模擬。

圖4　單通道雷達回波信號模擬系統低成本設計框圖

圖5　N通道雷達回波信號模擬系統低成本設計框圖

比較圖5與圖4,N通道雷達目標回波信號模擬與單通道相比硬件結構并沒有發生變化,系統體積和硬件成本并沒有隨著通道數的增加而增加,唯一的區別在于數字平臺的軟件實現方式上的區別,系統通道數將不再受限于體積與硬件成本等因素,大大增加了系統的擴展性。

3系統特性分析

表1　單通道雷達回波信號模擬器硬件耗費比較

為了進一步說明文中所提出的多通道注入式雷達信號模擬源設計方案的特點,表1和表2分別給出了傳統設計和低成本設計兩種方案在單通道和N通道兩種情況下硬件耗費情況進行了分析對比。如表1所示,在單通道情況下,兩種實現方式,在硬件耗費上沒有明顯差異,而在N通道的情況下,如表2所示,文中提出的設計方法,并沒有增加硬件開銷,而傳統實現方式在主要的部件上均增加了N-1。