一種多頻段雷達干擾模擬系統仿真設計

楊文倩 張 炫 高 劍 鄧龍波

(西安電子工程研究所 西安 710100 )

0 引言

近年來，隨著寬頻帶高性能射頻前端、數字波形產生、數字化接收機以及高性能實時計算等技術的飛速發展，雷達系統自由度、計算能力以及軟件化編程能力得到了大幅度提高，使得雷達系統的靈活性增強，在功能和性能方面得到很大的提升[1]；另一方面戰場信號環境和作戰對象的復雜變化也使得雷達對抗裝備的具體應用存在變化。由于雷達對抗裝備對環境的依賴性和現代戰場電磁信號環境的復雜多變性，僅僅依靠有限的實戰演習是很難完成對雷達對抗系統裝備的實際作戰效能和各種裝備平臺之間的聯合作戰能力的綜合評判[3]。而模擬器作為雷達模擬技術的重要應用領城之一，以其靈活多變、可重復利用、安全經濟的特點得到快速發展，被廣泛應用[4]。

1 基本原理

該模擬系統綜合運用可配置數字基帶波形生成技術、多頻段捷變上變頻技術、多通道接收處理技術實現雷達系統模擬，通過內場注入方式開展對抗/反對抗仿真試驗。

注入式模擬采用參數化、模塊化思路，完成目標雷達與模擬目標的建模并與待測電子干擾裝備進行參數關聯，明確目標雷達、模擬目標與電子干擾裝備的相對位置及狀態信息，采用靈活可配置的數字波形生成技術，實時計算并通過DDS+D/A方式產生雷達發射基帶信號，經過P、S、Ku波段3個射頻通道上變頻放大后進行射頻輸出；輸出的雷達發射射頻信號提供給電子干擾裝備用于信號偵察，生成的目標回波/雜波射頻信號和電子干擾裝備產生的干擾射頻信號進行接收調制及合路處理后注入相應的雷達模擬系統接收通道；雷達模擬系統真實模擬各目標雷達接收處理通道，分別對來自3個頻段的注入信號進行下變頻接收處理，而后通過AD采樣單元對接收機輸出中頻信號進行采樣，并由通用服務器架構的信號處理機和數據處理器進行處理，最終輸出至雷達顯控界面進行顯示。

系統基本工作原理如圖1所示。

圖1 雷達模擬系統基本工作原理

2 雷達模擬系統的組成

雷達模擬系統按功能區分主要有信號產生分系統、信號與數據處理分系統、控制與顯示分系統三個分系統。

1)信號產生分系統

信號產生分系統通過單板計算機和相關軟件實現，在信號發射時根據雷達發射信號參數、工作時序等信息產生所需的基帶信號，用于模擬產生目標運動、戰場環境、雜波干擾等信號。

2)信號與數據處理分系統

信號與數據處理分系統中，由信號采集板中AD采樣電路接收中頻回波信號，完成一系列信號處理流程，最終完成目標檢測并輸出目標點跡報告，并且在檢測概率上達到與實際雷達一致或接近的效果，正確模擬出雷達被干擾的現象。數據處理軟件根據系統時鐘和處理周期進行點跡凝聚、雜波處理和航跡相關，完成雷達航跡處理，建立目標批號、運動參數、威脅系數、航跡質量等，并將處理結果送至控制與顯示分系統。

3)控制與顯示分系統

控制與顯示控制分系統通過系統軟件、系統控制與管理終端、雷達綜合顯控終端對系統進行參數配置、資源管理和狀態顯示。可實現雷達信息綜合顯示，具備雷達控制命令產生功能，可通過界面設置雷達的工作模式、工作參數并顯示雷達工作狀態等，用于雷達數據的顯示與人機交互。

3 關鍵技術

3.1 多通道仿真數據與D/A信號同步技術

3.1.1 同步技術設計

系統多通道DA輸出之間要求同步，即各DA通道從不同的存儲模塊讀取數據，然后進行相應的處理后進行同步DA轉換。不但要保證各個DA同步，還要求不同通道的數據同步。系統同步設計的基本思想如圖2所示，首先要保證整個系統共時基，其次要保證整個系統共同步觸發，同時要保證整個系統共本振，這樣即可實現整個系統多個通道之間同步。

實測結果如圖3所示，從圖中可以看到示波器的采樣速率為25GSPS，時間刻度每大格為2ns，每小格為0.4ns，測試結果表明，同步精度優于80ps。

圖2 系統同步示意圖

圖3 同步時序實測數據圖

3.1.2 DA同步

DA同步要求各通道DA轉換器之間保持同步，高速DA轉換器使用JESD204B串行接口簡化了同步過程。在一個JESD204B系統中，同步可以分為下面三個基本要求：

1)每個數據轉換器之間器件時鐘要求相位對齊。器件時鐘作為數據轉換器的采樣時鐘或者參考時鐘依賴于時鐘分配延時控制，器件時鐘采用輸入時鐘經過一個時鐘緩沖后送給各個轉換器和邏輯器件，各路時鐘保持等長來進行相位控制。

2)選擇合適的緩沖器釋放點來保證確定性延遲。彈性緩沖器抵消串行數據從發送端到接收端的傳輸延遲，提供足夠的余量。選擇一個合適的彈性緩沖器要求已知數據到達彈性緩沖器的平均時間和所有器件總的期望延遲，關鍵點是要保證所有LANE線上的數據到達所有器件在彈性緩沖器釋放點滿足之前，如圖4所示。

圖4 彈性緩沖器釋放點選擇示意圖

3)每個數據轉換器和邏輯器件的系統參考時鐘相對器件時鐘滿足建立/保持時間要求。

系統參考時鐘信號是實現可重復系統延遲和同步的最重要信號。系統參考時鐘信號的頻率選擇有一定的限制，信號頻率等于或者是LMFC的整數分頻。應滿足公式(1)：

(1)

式(1)中fBITRATE是串行接口的位速率，F是每一幀的字節數，K是每個多幀塊的幀數，n是任何整數。但是每個器件都一個K值設置的限制滿足17≤F×K≤1024。

最簡單實現系統參考時鐘信號建立/保持時間要求的方案是使用同一個器件來實現器件時鐘和系統參考時鐘。在各種條件下不同輸出之間保持嚴格的相位關系，圖5是使用TI LMK04828實現的器件時鐘和系統參考時鐘的典型JESD204B時鐘方案。

圖5 典型JESD204B時鐘方案

3.2 基于通用信號處理平臺的軟件化雷達技術

本雷達模擬系統采用了通用信號處理平臺來完成數字信號處理部分的真實模擬，該通用信號處理平臺運用軟件化雷達開發技術，可以有效地提高雷達信號處理系統軟件的通用性、可移植性和適用性。

雷達回波信號生成的過程如圖6所示，將仿真時間按照雷達的基帶信號采樣間隔TS進行離散，則在每個TS時刻，通過計算或記錄當前時刻的回波信號強度Ar、時延Δr、多普勒頻率ωc、信號載頻ω0、雷達與目標的徑向距離r以及雷達波形等參數即可合成基帶雷達回波，見公式(2)：

SRx(t)=Ar(t)S0(t-Δr(t))exp(j(ωct-kr(t)+φ0))

(2)

其中，回波信號強度Ar由雷達仿真計算得到，SO(t)為基帶信號波形，k為波數，φ0為信號的初始相位。通過公式(2)可以發現，雷達回波信號的變化其實是由場景的變化驅動的，因此只要能夠明確描述場景的變化，即可得到準確的雷達回波信號。

圖6 雷達回波信號離散時間示意

在數字化動態仿真系統中，需要定義場景仿真的步長Tn，即場景刷新的時間間隔，將雷達的每個重復周期PRI設置為仿真步長，即令Tn=PRI。如下圖所示，以水平光柵掃描的雷達為例，在每個Tn或PRI，軟件都會計算或記錄當前時間點的場景狀態參數，那么在該仿真步長內，仍然將回波信號按照TS進行離散，并由公式(2)求得。需要注意的是，這里假定在每個重復周期PRI內，雷達的發射功率、信號波形，雷達天線的姿態、矢量速度和天線波束指向，目標的姿態和矢量速度等均不發生變化，場景中的運動實體會按照當前的速度進行勻速直線運動，直到下一個仿真步長，那么在該仿真步長內雷達和目標仍將保持運動狀態，使得整個回波生成的過程都是動態連續的。

圖7 雷達回波信號生成關系示意

4 結束語

文中提出一種多頻段雷達模擬系統的設計方法，該模擬可實現目標雷達的基本功能，可檢驗鑒定目標雷達干擾機的干擾效果，但原理和結構簡單，制造成本低。該模擬系統可在數字域將各種復雜場景進行仿真，場景模擬的復雜度高；該模擬系統提出的數字仿真方案使系統部署更加靈活；該模擬系統可在數字域自動進行校準數據采集和校準結果更新，使系統維護校準更方便。該雷達模擬系統在保證效果的基礎上極大地降低了日常消耗，可節約大量的軍事訓練經費，具有廣泛的推廣應用前景。