一種雷達回波模擬器的研究與設計

劉亭洲　王海鋒　李樂怡

摘 要： 為了滿足各型雷達產品的測試要求， 對雷達回波模擬器的要求越來越高， 功能上也要求更加全面。 本文闡述了一種新型雷達回波模擬器的原理及實現方法， 著重介紹了目標回波功能實現原理、 微波鏈路單元設計、 基帶單元設計等內容， 并對系統的關鍵模塊進行了分析。 與傳統雷達回波模擬器相比， 增加了噪聲干擾、 假目標等設置。 該模擬器技術先進、 功能齊備、 工作穩定可靠， 已運用于實際。

關鍵詞： 目標回波； 微波鏈路； 基帶處理單元

中圖分類號： TJ760.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-5048（2018）03-0073-05

雷達產品的研制過程一般分為系統調試、 內場調試、 集成測試和外場測試等幾個階段， 每個階段都需要對雷達系統進行性能評估和系統驗證， 如果這些測試都通過真實的目標來實現， 不僅耗資較大， 而且條件也會非常苛刻， 所以雷達回波模擬器的研究就顯得非常重要。

1 功能及系統組成

雷達回波模擬器采用高速數字化采樣與處理技術， 對雷達導引頭輸出的射頻發射信號經下變頻后進行數字化采樣， 對于采樣的數據進行存儲與調制， 模擬目標的距離與速度特性， 利用數字化處理可以方便地進行多目標模擬， 也可以進行目標與干擾的模擬， 以滿足雷達產品在復雜電磁環境下性能考核的需要。 由于目標模擬完全在數字化采樣后的基帶進行， 通過不同的模擬前端配置， 模擬器可以滿足不同波段回波模擬的要求。

雷達回波模擬器由3個類似的通道組成，如圖1所示。 2個目標通道， 1個信號源通道， 從而產生所需的多個不同距離、 時間的目標信號及信號源信號， 每個通道由微波鏈路單元、 基帶處理單元和顯示控制單元等組成， 組成框圖如圖2所示。

其中， 控制單元主要用于接收仿真機的控制指令， 然后傳給每個目標通道的控制模塊， 進一步實現對系統可調整器件的控制， 滿足實時性要求；模型軟件單元包含目標、 干擾模型及信號源模式軟件， 還包含了雷達發射的載頻及脈內調制信息。

本文主要對微波鏈路單元和基帶處理單元進行分析與研究。

2 系統原理及方案設計

2.1 目標回波功能實現原理

在目標模擬功能中， 模擬器直接接收雷達發出的基準射頻信號， 經過微波鏈路單元的上下變頻鏈路進行下混頻， 再被基帶處理單元的A/D采集并以數字信號形式進入基帶處理單元中， 按照顯控單元設置的目標特性對基準信號進行加工， 如延時和多普勒頻偏等， 加工后的數字信號含有目標回波特性， 再通過上變頻鏈路變至射頻信號輸出反饋給雷達接收機， 如圖3所示， 兩路信號均遵循上述過程完成信號處理及射頻發射工作， 除寬帶噪聲以外其他干擾都在基帶處理單元中生成。

2.2 微波鏈路單元設計

由圖2可知， 微波鏈路由下變頻、 上變頻、 頻綜、 測頻機等組成。 兩路上變頻輸出設計為開關分離并通過功合器合路， 實現既可以兩路單獨輸出， 也可以合并輸出的功能。 下變頻是射頻輸入信號經過數控衰減、 低噪聲放大、 開關、 射頻下變頻、 中頻下變頻和自動增益控制等處理變為基帶信號提供給處理單元。 上變頻是對基帶信號處理單元產生的目標信號進行上變頻， 以變換到相應頻段。

頻綜是將一個或者多個基準參考頻率進行加、 減、 乘、 除四則運算， 從而產生新的頻率成分的技術， 可分成非相干合成和相干合成兩大類。 相干合成又分為直接合成、 間接合成（鎖相技術）、 直接數字頻率合成。 直接頻率合成需要的硬件多， 體積大， 但速度快、 相位噪聲低；DDS（Direct Digital Synthesizer， 直接數字式頻率合成器）速度快、 頻率分辨率高， 但其雜散大、 輸出頻率低， 一般需要結合鎖相技術進行擴展； 鎖相技術應用最為廣泛， 電路相對簡單、 工作頻率寬， 但頻率切換速度慢。 模擬器的頻綜采用的是DDS加鎖相技術， 頻率較低的點頻源采用單環鎖相， 頻率高的點頻源采用的是多環鎖相， 用來實現低相位噪聲， DDS輸出的信號和點頻源進行混頻濾波后輸出， 可以實現快速跳頻。 頻綜的輸出頻率受上位機控制， 其輸出端口需要經過放大器隔離， 以防止產生串擾通路。

2.3 基帶處理單元設計

航空兵器 2018年第3期

劉亭洲， 等： 一種雷達回波模擬器的研究與設計

基帶處理單元是整個系統的核心， 調制產生系統所需的點目標回波信號、 欺騙干擾和噪聲等。 基帶處理單元采集雷達發射信號經微波下變頻后的中頻信號， 經數字下變頻后得到零中頻的復信號， 在復數域進行目標延時多普勒調制， 然后進行數字上變頻， 最后經高速DAC（Digital to Analog Converter， 數字模擬轉換器）輸出給微波上變頻， 其功能框圖如圖4所示。

（1） 點目標/干擾實現原理

點目標回波/干擾狀態用于產生簡單的點目標或點目標+干擾（即兩個目標）；每個目標速度獨立可設；每個目標距離獨立可設；每個目標幅度獨立可設。 以上目標的各種信息由上位機軟件通過TCP（Transmission Control Protocol， 傳輸控制協議）下發到基帶處理單元。 基帶運算單元首先將采集到的信號進行數字下混頻， 根據輸入的波門信號和目標的延遲量得到回波信號的位置信息， 然后調制多普勒頻率， 最后進行數字上混頻。 數字下混頻在ADC（Analog to Digital Converter）采樣之后進行正交下混頻， 得到復信號， 便于頻率搬移等操作。 目標回波信號實現原理框圖見圖5。 欺騙干擾、 多普勒閃爍和轉發的硬件實現跟點目標是一樣的， 只是延時、 多普勒和幅度參數規律不同。

（2） 噪聲干擾實現原理

噪聲干擾是一種遮蓋式有源干擾。 根據噪聲帶寬又可分為多普勒噪聲、 瞄準式噪聲和寬帶壓制噪聲。 基帶單元負責產生窄帶噪聲干擾， 包括多普勒噪聲、 瞄準式噪聲和大帶寬的壓制噪聲。

一定帶寬的噪聲信號的產生可以通過對偽隨機序列進行加窗， 確定噪聲序列的頻譜， 然后做IFFT（Invert Fast Fourier Transformation， 反向快速傅里葉變換）， 得到時域的模板序列， 對該模板序列進行隨機移位疊加， 最后進行調頻， 將噪聲移到一定的載頻上。 由于有多種噪聲帶寬， 因此需要選擇不同的倍頻因子， 控制調頻噪聲的帶寬。 這種方法產生的噪聲為零中頻噪聲， 原理圖如圖6所示。

噪聲干擾實現的過程為調制出一定帶寬的零中頻噪聲信號， 將其調制到目標回波的載頻上， 從而達到干擾的目的。 噪聲波門即根據用戶設置的重復周期和占空比產生一個波門信號去調制連續的噪聲信號， 得到10%～100%的間斷噪聲。

（3） 假目標實現原理

雷達模擬器具有產生10個獨立假目標的能力。 獨立假目標硬件實現上跟點目標相似， 每個獨立假目標可分別預設不同的延遲和多普勒頻率。 產生1～10個假目標需要非常高的片外存儲讀寫帶寬。 將預處理后零中頻的復信號的采樣率抽取到75 MHz進行處理， 可實現最大10個獨立假目標， 其實現原理如圖7所示。

3 關鍵模塊設計

3.1 正交混頻

正交采樣技術在信號處理領域應用非常廣泛， 其可以保留采樣信號復包絡的幅度、 相位等信息。 本文采用了數字正交混頻的方法， 對低中頻帶通信號進行采樣， 再通過數字信號處理的方法獲取正交信號， 如圖8所示。

一般而言， 正交混頻后還需濾波， 可根據具體情況設置適合系統的優化算法， 這里不再贅述。

3.2 FIR濾波

FIR（Finite Impulse Response， 有限長單位沖激響應）濾波即非遞歸型濾波， 具有高可靠性、 高信噪比、 高精度等特點， 基本工作原理如圖9所示。

4 結 論

該雷達回波模擬器是將信號采集、 數字信號處理及微波射頻接收發射系統集成一體的雷達測試設備， 該設備以雷達發射的射頻信號為基礎， 通過數字信號處理技術生成目標反射波， 用戶可以根據不同測試的需求設置目標的多種物理特性， 如目標距離、 目標速度、 回波功率等等。 在對某型雷達產品調試和試驗的實際應用中， 該模擬器的各項性能均表現良好， 相關指標滿足測試系統的要求。

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Abstract： In order to meet the test requirements of all kinds of radar products， the requirements of radar echo simulator are higher and higher， and the function is also more comprehensive. This paper describes the principle and realization method of a new type of radar echo simulator， emphatically introduces the realization principle of target echo， the design of microwave link unit， the design of baseband unit， and the key modules of the system are analyzed. Compared with traditional radar echo simulator， the simulator increases noise interference， false target and other settings. The simulator is advanced， fully functional and reliable， and has been used in practice.

Key words： target echo； microwave link； baseband processing unit