雷達(dá)型導(dǎo)彈目標(biāo)模擬系統(tǒng)的建模與仿真研究

楊加一

摘 要： 目前DRFM技術(shù)已經(jīng)成為雷達(dá)型導(dǎo)彈目標(biāo)模擬系統(tǒng)的主流方案。 利用MATLAB工具構(gòu)造了DRFM系統(tǒng)的整體模型， 同時分析了所構(gòu)建的模型與現(xiàn)實(shí)模型的不同之處和簡化方法。 通過對系統(tǒng)模型的仿真， 得到了仿真波形圖并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析， 完整體現(xiàn)了DRFM系統(tǒng)的整個工作過程。

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)彈測試； 雷達(dá)目標(biāo)模擬； DRFM； 建模與仿真

中圖分類號： TJ760.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-5048（2018）03-0069-04

0 引 言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和空戰(zhàn)模式的不斷復(fù)雜化， 目前主流的雷達(dá)型空空導(dǎo)彈多采用主動式多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭， 以美國為首的軍事強(qiáng)國在持續(xù)改進(jìn)第四代雷達(dá)型空空導(dǎo)彈的同時， 積極探索下一代雷達(dá)型空空導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)， 如AIM-120D 導(dǎo)彈采用了相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引技術(shù)， 導(dǎo)彈的目標(biāo)適應(yīng)性不斷增強(qiáng)、 抗干擾能力不斷提高， 發(fā)射雷達(dá)信號的波形愈加復(fù)雜， 對導(dǎo)彈測試和目標(biāo)信號模擬的要求也越來越高。

傳統(tǒng)同源雷達(dá)目標(biāo)模擬器采用同頻率的信號源來產(chǎn)生模擬雷達(dá)回波信號， 面對復(fù)雜雷達(dá)波形模擬時參數(shù)性能得不到保證， 以DRFM為核心技術(shù)的新型雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)具有快速準(zhǔn)確復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)復(fù)雜雷達(dá)信號的優(yōu)點(diǎn)， 隨著電子器件技術(shù)的發(fā)展， 其帶寬不斷增加， 系統(tǒng)處理速度不斷加快， 已經(jīng)成為雷達(dá)型導(dǎo)彈目標(biāo)模擬系統(tǒng)的主流方案。 DRFM的性能直接影響目標(biāo)模擬系統(tǒng)的輸出， 因此， 對DRFM系統(tǒng)的研究具有重要意義。

本文介紹了一種基于Matlab的DRFM系統(tǒng)建模和仿真方法。

1 數(shù)字射頻存儲器（DRFM）系統(tǒng)介紹

DRFM是一種可以存儲一定帶寬范圍內(nèi)射頻信號并可對其進(jìn)行精確復(fù)制輸出的設(shè)備。 DRFM不但具有寬瞬時帶寬輸入處理能力， 而且存儲頻率精度高、 不丟失相位信息、 信號保真度好， 可以更好地接收、 存儲、 調(diào)制、 轉(zhuǎn)發(fā)各類雷達(dá)信號， 是現(xiàn)代雷達(dá)干擾、 雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)中的關(guān)鍵部件。 其系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DRFM系統(tǒng)的工作過程大致分為6個步驟：

（a） 對高頻射頻信號的頻率進(jìn)行下變頻處理；

（b） 對處理過的模擬數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣和量化；

（c） 對經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號進(jìn)行存儲；（d） 對存儲的信號進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制， 如延時、 多普勒信息疊加等；

（e） 對儲存或處理過的數(shù)字信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換重構(gòu)成模擬信號；

（f） 對重構(gòu)的信號進(jìn)行上變頻至相應(yīng)頻率輸出。

根據(jù)DRFM的工作原理可以設(shè)計(jì)出一種基于DRFM的新型雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)。 系統(tǒng)利用射頻前端接收雷達(dá)信號， 通過多級下變頻進(jìn)入DRFM單元， 利用高速處理器（如FPGA）作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)， 根據(jù)操作界面下定的目標(biāo)信息， 進(jìn)行延時、 多普勒頻率疊加等調(diào)制， 再由多級上變頻完成雷達(dá)目標(biāo)的模擬過程。 其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2 DRFM系統(tǒng)建模與仿真研究

DRFM系統(tǒng)的性能是制約雷達(dá)目標(biāo)模擬器性能參數(shù)的關(guān)鍵因素， 過去受限于器件的性能， DRFM的性能指標(biāo)處于瓶頸狀態(tài)， 對其進(jìn)行仿真和研究的工作也僅限于理論研究。 隨著關(guān)鍵微波組件性能的提高和高性能轉(zhuǎn)換器件的不斷問世， DRFM的性能得以進(jìn)一步提高， 在理論上對DRFM的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)已不再是空洞的研究， 通過建模與仿真有利于設(shè)計(jì)人員對雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)進(jìn)行不斷的優(yōu)化與改進(jìn)。

2.1 DRFM分建模

DRFM系統(tǒng)的建模采用Matlab軟件的Simulink和Filter Design & Analysis Tool完成， 系統(tǒng)模型可以分為5個部分： 輸入信號、 ADC、 DAC、 延時與調(diào)制、 相位檢測。

輸入部分使用脈沖調(diào)制信號， 主要是由輸入頻率F0與脈沖信號調(diào)制而成， 系統(tǒng)由外部時鐘輸入保證相參性， 其中F0是由多級下變頻變頻后的基帶信號， 為了仿真方便， 簡化掉數(shù)字測頻環(huán)節(jié)， 假定其是一個已知量， 將其設(shè)置為500 Hz， 以避免高頻帶來的仿真速度極度放慢（實(shí)際輸入信號頻率根據(jù)器件的參數(shù)不同， 通常頻率要高很多）， 脈沖調(diào)制信號設(shè)置為20 Hz。

ADC主要是采樣量化過程， 量化的位數(shù)將關(guān)系到諧波和寄生信號， 并影響到采樣頻率的設(shè)置， 通過多次仿真， 將其設(shè)置為8 bit。 DAC是一個數(shù)模轉(zhuǎn)換過程， 這里將逆量化位數(shù)也設(shè)定為8 bit。

多普勒疊加方式可以采用模擬混頻方式直接疊加， 還可以在全數(shù)字化信息下直接進(jìn)行多普勒疊加， 其中應(yīng)用較多的是使用直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer， DDS）。 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)， 其主要優(yōu)點(diǎn)是全數(shù)字化結(jié)構(gòu)、 相對帶寬大、 頻率轉(zhuǎn)換時間短、 頻率分辨率高。 DDS是從相位出發(fā)， 直接采用數(shù)字技術(shù)形成波形的一種頻率合成技術(shù)， 即直接通過查表得到所需要的每一點(diǎn)波形對應(yīng)的數(shù)字值， 其核心結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

通過將輸入的雷達(dá)本體和目標(biāo)的信息以及數(shù)字瞬時測頻所得的頻率值帶入式（1）計(jì)算出多普勒頻率fd， 再通過DDS產(chǎn)生fd大小的數(shù)字頻率碼， 對DRFM所存儲的數(shù)字化雷達(dá)信號信息進(jìn)行頻率累加， 完成多普勒頻率疊加過程。

相位檢測是用來檢測輸入輸出部分的相位差異， 其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

通過相位誤差檢測， 可以實(shí)時地看到輸入輸出信號在什么位置出現(xiàn)了相位誤差， 整個系統(tǒng)模型在預(yù)期誤差位置放置兩個相位誤差檢測模塊。

2.2 DRFM系統(tǒng)模型構(gòu)建

將各個分系統(tǒng)整合構(gòu)建DRFM系統(tǒng)， 并在適當(dāng)?shù)奈恢眉尤腩l譜分析模塊與示波器模塊， 整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3 仿真結(jié)果及分析

開始仿真后， 通過示波器和頻譜分析模塊在不同位置觀測關(guān)鍵的信號表現(xiàn)。 系統(tǒng)的輸入信號經(jīng)過脈沖調(diào)制后的信號如圖7所示， 采樣與量化后的頻譜圖如圖8所示， 從圖8中可以看到采樣量化過程產(chǎn)生了諧波與交調(diào)分量。

通過DATA Store Write and Read過程后， 其頻譜圖未發(fā)生變化， 表明理想情況下讀寫操作過程對信號頻譜并沒有影響， 頻譜圖與采樣量化后的頻譜圖一致。 實(shí)際器件的讀寫延時是不可避免的， 因此也可以在讀寫器后面加入一個延遲模塊來模擬真實(shí)情況。

信號經(jīng)過距離信息輸入， 即延時操作后的波形圖如圖9所示， 進(jìn)行多普勒疊加后通過濾波器的頻譜圖如圖10所示， 最終輸出信號的波形圖如圖11所示。

由上述仿真結(jié)果可以看到， 輸出信號調(diào)制了延遲與多普勒信息： 信號延時了0.03 s， 經(jīng)過計(jì)算， 與設(shè)計(jì)一致； 輸出信號的頻率發(fā)生了多普勒頻移， 從頻譜圖中可以看到信號的峰值在0.4 kHz， 正好符合設(shè)計(jì)結(jié)果， 信號的延時也與輸入信息一致。 整個脈沖信號通過DRFM系統(tǒng)， 得到了正確的調(diào)制， 使其帶有目標(biāo)信息。

在DRFM系統(tǒng)前后加入相應(yīng)的功率增益和衰減調(diào)制， 構(gòu)成信號的上下變頻輸入輸出， 即可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的建模和仿真。

4 小 結(jié)

本文通過分析雷達(dá)導(dǎo)彈目標(biāo)模擬系統(tǒng)的現(xiàn)狀， 結(jié)合DRFM系統(tǒng)的概念， 利用Matlab工具對整個DRFM系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行了建模與仿真。 通過對現(xiàn)實(shí)模型的分析， 構(gòu)造了DRFM系統(tǒng)的整體模型， 同時分析了所構(gòu)建模型與現(xiàn)實(shí)模型的不同之處和簡化方法。 通過對系統(tǒng)模型的仿真， 得到了仿真波形圖， 并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析， 完整地體現(xiàn)了DRFM系統(tǒng)的整個工作過程， 使設(shè)計(jì)人員能夠更方便地對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)， 具有工程現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張蓬蓬， 宋琛， 張俊寶. 雷達(dá)型空空導(dǎo)彈發(fā)展分析[J]. 飛航導(dǎo)彈， 2015（4）： 30-33.

Zhang Pengpeng， Song Chen， Zhang Junbao. Development Analysis of Radar AirtoAir Missile[J]. Aerodynamic Missile Journal， 2015（4）： 30-33. （in Chinese）

[2] 薛文. DDS任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2004： 22-31.

Xue Wen. Design and Implementation of Arbitrary Waveform Generator Based on DDS[D]. Nanjing： Nanjing University of Science and Technology， 2004： 22-31.（in Chinese）

[3] 邢依依. 一種雷達(dá)目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2015.

Xing Yiyi.Design and Implementation of a Radar Target Simulator[D]. Xian： Xidian University， 2015.（in Chinese）

[4] 曹旭源. 基于DRFM的雷達(dá)干擾技術(shù)研究[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2013.

Cao Xuyuan.Research on Radar Jamming Technology Based on DRFM[D]. Xian： Xidian University， 2013.（in Chinese）

Abstract： DRFM technology has become the mainstream scheme of radar missile target simulation system. In this paper， the whole model of DRFM system is constructed by using MATLAB tools， and the differences and simplification methods between the constructed model and the real model are analyzed. Through the simulation of the system model， the simulation waveform is obtained， and the simulation results are analyzed. The whole work process of the DRFM system is fully embodied.

Key words： test of missile； simulation of radar target； DRFM； modeling and simulation