帶干擾雷達型目標模擬器校準方法

易 磊，嚴宜強，李 淼

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

目標模擬器是武器系統半實物仿真平臺的重要組成部分。近年來隨著針對武器裝備實戰化的要求的提出，帶干擾雷達型目標模擬器被更多地應用于武器裝備半實物仿真實驗，干擾類型包括速度拖引、距離拖引、噪聲干擾及各種復合干擾等[1-2]，部分雷達型目標模擬器還具備模擬如地雜波、海雜波、其他干擾源等復雜電磁環境的模擬功能[3]。

隨著目標模擬器功能的不斷完善，也需要不斷提升與之相匹配的校準能力，而目前國內尚無針對雷達型目標模擬器的校準規范。帶干擾雷達型目標模擬器的輸出信號中既包含目標信號也包含干擾信號，行業內通常基于標準儀器實現目標信號的校準。目標信號包含距離、速度、幅度等參數信息：距離參數通過示波器在時域測試中獲得，等效計算到目標距離上；幅度參數通過頻譜分析儀或功率計直接測試得到；速度參數通過測試多普勒頻率獲得，等效計算到目標速度上[4]；部分具有多通道相參功能的目標模擬器，基于網絡分析儀實現通道間幅相一致性的測試[5]。當前目標模擬器校準的難點主要集中在干擾信號特性分析上：對于部分干擾模式，如應答式干擾或阻塞式干擾，還可以基于頻譜分析儀獲取干擾信號特征[6]；但對于速度拖引、距離拖引、地海雜波等干擾模式，由于其干擾信號屬于時變信號或時頻特征信號，單純地從頻域或時域分析，難以有效表征干擾信號特征。目前國內外較為常見的作法，是基于假設檢驗的方法，評估干擾模型結果與目標模擬器實際輸出結果的一致性[7-9]，但這種方法只能用于定性分析，無法準確評判目標模擬器的性能。

本文針對帶干擾雷達型目標模擬器，在分離目標信號與干擾信號的基礎上，基于軟件無線電的思想開展校準技術研究，通過預設模型解算還原干擾信號的方式，實現帶干擾雷達型目標模擬器的校準[10-12]。

1 雷達型目標模擬器工作原理

雷達型目標模擬器工作原理如圖1所示，雷達探測信號進入目標模擬器后，經下變頻轉為中頻信號，進入基帶信號產生與正交調制單元，在原探測信號基礎上生成了包括目標速度信息、距離信息以及干擾信號與戰場環境信息在內的基帶回波信號，經上變頻單元混頻輸出至發射天線。

圖1 雷達型目標模擬器原理圖

基帶信號產生與正交調制單元是雷達型目標模擬器的核心模塊，其基于DRFM（數字射頻存儲器，以下簡稱DRFM）技術，通過對中頻信號的高速采樣、存儲、處理和重構，實現中頻注入式雷達回波信號的模擬。DRFM中內置多種目標與干擾信號模型，可根據需要生成所需的各種目標與干擾信號，進行基帶數字信號合成處理，模擬目標信號相對雷達發射載頻的幅度、延遲、多普勒頻率的變化，產生單重或雙重欺騙式干擾信號及各種組合式干擾信號等[13-15]。

2 校準裝置研建

目標模擬器最終輸出的微波信號分兩路：其中一路進入變頻單元下變頻為中頻信號，然后進入高速數據采集單元，將中頻信號進行數字化處理，最后基于基帶數據的分析、解算，評價目標信號與干擾信號的性能[4]；另一路直接進入信號分析儀，完成部分目標模擬器性能參數的校準。

校準系統中微波源的輸出信號用來模擬雷達發射機的發射信號，該信號饋送至目標模擬器的射頻輸入端，脈沖源的輸出模擬發射機的脈沖調制信號，目標模擬器參照設定要求生成帶干擾的回波信號，按照不同頻段分兩路輸出。

信號分析儀用于在頻域分析目標模擬器輸出的回波信號，完成目標特性的分析，涉及功率、頻率、調制等參數；測控單元包括雙路變頻單元、快速測頻機、捷變頻頻綜、高速數據采集單元、實時存儲單元等，主要實現雙頻段的下變頻，并將下變頻后的信號按工作流程要求送至高速數據采集單元；高速數據采集單元用于在時域采樣速度拖引信號、距離拖引信號和噪聲信號等干擾信號，瞬時帶寬可達1 GHz，能實時存儲干擾工作周期內的大容量采樣數據；工控機內置I/O、RS485、LVDS、光纖卡及GPIB等板卡，用于整個裝置的功能設置、通信控制、數據傳輸、數據處理、計算分析、報告生成等。

帶干擾雷達型目標模擬器校準系統基于軟件無線電思想，通過采樣、數據分析可以獲取目標信號脈沖延遲、PRF(脈沖重復頻率，以下簡稱PRF)和脈沖前后沿等參數數據。將采樣數據導入預設干擾信號模型分析，可以得到干擾信號的拖引周期、駐留時間、拖引速度、拖引多普勒頻偏、距離拖引時延等參數，對照相應的技術指標，可判斷目標模擬器的技術狀態是否滿足要求。

3 數據采樣與存儲

3.1 數據采樣平臺

校準系統中的基帶處理單元部分基于QPlat平臺，QPlat平臺是在集成了XILINX公司的system generator與ISE開發工具的基礎上，結合了部分系統API函數開發的專用數據采樣平臺，便于以模塊化與可視化的方式進行數字信號處理，實現高速數據采樣的靈活配置與實時控制?；鶐幚韱卧M行數據處理可以看做是被校準目標模擬器DRFM的逆運算，當被測對象開始釋放回波的時候同時也向校準系統發送同步信號，校準系統自動接收同步信號作為數據采集的啟動信號，基帶處理單元負責存儲回波信號數據，時標以同步信號為準，同步信號可以是幀同步信號也可以是脈沖信號，校準系統可以同時使用多個同步信號來保證數據流的時標對齊，并引入修正參數實時修正因校準電纜、接頭等因素引入的時標誤差。

3.2 數據采樣

數據采樣采用數字正交采樣技術，該技術可以完整保留信號復包絡的幅度、相位等信息，其原理如圖2所示。

圖2 數字正交采樣原理圖

雷達發射信號為一個窄帶信號，假設為：

經AD采樣后，變成數字信號：

通過混頻技術，可得到信號的正交變量，數字信號正交混頻的I路可表示為

Q路可表示為

兩路信號經正交混頻后，進行低通濾波，濾除多余的頻率后，抽取輸出IQ信號。

時域信息由數據采樣和存儲的節拍決定，如信號不延遲，采樣到的數字序列信號在存儲器中無操作，如圖3中1所示；信號延遲t，采樣到的數字序列信號在存儲器進行空間移位操作，直到第m個空間取出，如圖3中2所示；如信號延遲t+Δt，采樣到的數字序列信號在存儲器進行空間移位操作，直到第m+m'個空間取出，如圖3中3所示。

其中：

圖3 數字序列在存儲器中的操作圖

式中：R——目標與雷達的距離；

c——光速；

t_clock ——時鐘周期。

當X0從m中取出時，信號產生延遲mt_clock=t，由于施加了干擾，X0從m+m'中取出，信號延遲（m+m'）t_clock=t+Δt，根據Δt的變化可以解算出距離拖引干擾信號的干擾拖引周期、干擾駐留時間、拖引時延、拖引速度等參數。

3.3 數據存儲

數據信號流程如圖4所示，經過離散后的數字信號以定義好的數據格式存儲在基帶處理單元中的閃存陣列中，系統采樣率最低2 MHz，最高可達2.4 GHz，可以滿足不同目標模擬器測量準確度的要求。由于采樣率和采樣時長的不同，數據存儲文件的大小也不同，如果是低采樣率的數據文件，可以直接調用主板機資源進行處理，如果采樣率過高，或是采樣時長過長，就需要通過光纖將采樣數據上傳至上位機中，充分利用上位機資源進行分析解算，這樣的數據處理方法可以縮短解算時間，提高系統效率。

圖4 數據信號流圖

4 基于固有模型的參數解算

4.1 干擾信號模型分析

以速度拖引干擾為例，已知目標回波模型為：

式中：Ar——目標回波信號的幅度；

f0——載頻頻率；

fd——多普勒頻率；

c——光速；

R(t)=R0-vt——目標與雷達徑向距離；

R0——目標與雷達初始距離；

v——目標與雷達相對速度。

速度拖引干擾（VGPO）也稱速度波門拖引干擾，其干擾模型[16]為：

式中：As——速度拖引干擾的幅度；

f0——載頻頻率；

fd——多普勒頻率；

c——光速；

Δfd(t)——多普勒頻移。

其中vf為勻速拖引時的速度。

帶干擾雷達型目標模擬器按上述模型生成目標與干擾信號，由上述公式知道，目標與干擾均是時間t的函數，根據仿真或試驗需要，設置幅度A、目標與雷達初始距離R0、目標與雷達相對速度v、拖引速度vf等參數，在干擾模擬源的DRFM中按照上述函數關系，采用FPGA實時計算，即可生成目標信號Sr(t)與干擾中頻基帶信號Ss(t)。

4.2 信號解算

信號解算基于Matlab實現，以速度拖引干擾為例，通過讀入預先定義好的Dat格式數據文件，以1 ms時間間隔進行數據采樣點篩選，形成離散的數據序列，對關心的關鍵數據段和數據起始點進行選取，匹配預設的速度拖引干擾數據模型，借助FFT工具包，就可以解算出目標信號與干擾信號。

校準系統在分析模擬源實際輸出的目標信號與干擾信號的基礎上，通過得到Δfd(t)、Δ(t)在時間軸上的變化曲線，即可解算出拖引周期、保持時間、多普勒頻偏、拖引速度及距離時延等參數，如圖5所示。

圖5 速度拖引干擾多普勒曲線變化示意圖

4.3 校準結果

選取一臺典型的帶干擾雷達型目標模擬器進行校準，并對校準結果進行不確定度評定，這里給出捕獲時間、拖引時間、保持時間與關機時間的不確定度評定過程如下：

分析上述參數的測量結果的影響因素，有部分因素影響較小，如AD轉換信噪比、轉換速率、量化靈敏度等，這里不予考慮；AD芯片采集過程中的窗口值，在單次采集過程中是保持不變的，因此對于上述延時類參數的測量結果不會引入不確定度分量；被校目標模擬器性能穩定，多次校準結果一致性較好，因此不考慮測量結果重復性的影響。綜合考慮，上述參數測量結果的主要不確定度分量有如下5個方面：

1）AD采集時序引入的不確定度分量u1；

2）連接電纜延遲補償測量結果引入的不確定度分量u2；

3）脈沖重復頻率（PRF）起始點定位準確度引入的不確定度分量u3；

4）脈沖上升下降沿坐標定位準確度引入的不確定度分量u4；

5）模型解算取樣周期引入的不確定度分量u5。

AD采集時序引入的不確定度分量取決于參考時鐘，本系統參考時鐘源于外部微波信號源提供的10 MHz參考信號，其頻率準確度為3×10-8，AD時鐘為2.4 GHz，服從均勻分布，因此引入的不確定度分量為：

連接電纜延時數據采用矢量網絡分析儀E8363B測得，測試頻率孔徑設置為40 MHz，服從均勻分布，參照E8363B技術手冊，延時數據引入的不確定度分量為：

脈沖重復頻率（PRF）起始點定位準確度與脈沖上升下降沿坐標定位準確度引入的不確定度分析方法相同，在脈沖前后沿模數轉化量化過程中，設置采樣率為10 MHz，最大量化差異為一個采樣點，服從均勻分布，其引入的不確定度分量為：

模型解算取樣周期，是參照校準系統性能指標要求與計算時間綜合確定，算法最小時間單元為100 000/采樣率，服從均勻分布，在采樣率設置為10 MHz的情況下，計算模型解算取樣周期引入的不確定度分量為：

上述分量相互獨立互不相關，取k=2,計算擴展不確定度為：

其他參數的不確定度評定參照上述方法進行，這里給出一個典型的帶干擾雷達型目標模擬器主要參數的校準結果，如表1所示。

表1 帶干擾雷達型目標模擬器校準結果

5 結束語

本文介紹了一種帶干擾雷達型目標模擬器的校準方法，該方法基于軟件無線電的思想，通過對中頻注入信號的數據采樣、存儲、分析，參照固有的干擾信號模型解算出目標模擬器的目標特性參數和干擾信號參數，實現了帶干擾雷達型目標模擬器的校準。該方法靈活性高、擴展性好，可應用于較為復雜的目標模擬器的校準。該校準系統目前僅開發了針對固有模型的干擾信號分析，對包含如像地雜波、海雜波以及復雜電磁環境在內的干擾信號，尚未實現校準功能，這也是該系統后續功能擴展的方向。