一種基于VPX架構的多通道雷達回波模擬器設計

呂雅柔, 盧巖輝, 謝玉龍

(上海無線電設備研究所,上海201109)

0 引言

雷達是電子戰中最重要的信息獲取裝備[1]。在雷達系統的研制過程中,需要在各種復雜電磁環境和目標特性條件下對其進行全方位的測試和驗證。隨著雷達系統功能和性能的不斷提升,對系統測試的復雜度及測試精度提出了更高的要求。傳統的數字陣列雷達單通道射頻模擬器一般只能夠模擬單一目標,且無法準確模擬目標相對雷達的角度變化[2]。如果想要準確模擬目標和干擾角度的快速變化,則需要構建微波遠場暗室環境下的射頻半實物仿真系統,構建成本過高,且測試覆蓋性受到半實物仿真天線陣面口徑和陣元數量的限制。本文構建了一種多通道雷達中頻回波模擬器(以下簡稱雷達回波模擬器),以在實驗室全面評估數字陣列雷達核心處理電路的性能為設計初衷,去除被測數字陣列雷達系統的陣列天線和射頻電路,直接通過電纜將多路中頻模擬信號饋入被測系統,能夠實現目標軌跡模擬、目標距離延時模擬、多普勒頻率模擬、轉發式干擾模擬等功能。

1 多通道雷達回波信號建模

隨著雷達系統的發展,雷達測試系統的目標模擬已經從理想點目標轉換為具有多散射點的擴展目標。大多數雷達工作在高頻頻段,其工作波長遠遠小于目標的尺寸[3],所以擴展目標的回波可以等效為目標不同位置上散射點對應回波的疊加,即雷達發射信號經過一個線性時不變系統。因此,擴展目標的回波信號R(t)可以表示為發射信號S(t)與對應的系統沖激響應h(t)的卷積,即

其中,系統沖激響應h(t)應包含目標的散射點等信息,可以表示為

式中:N為散射點數量;an,τn,fD n分別是第n個散射點對應的回波信號幅度、距離延時和多普勒頻率;δ(t-τn)為τn時刻的沖激函數。

一般情況下,擴展目標的多普勒展寬不會超過雷達頻率分辨率[4],所以只需要考慮目標幾何中心的多普勒頻移。而距離延時則可以分為一維距離像上各散射點相對目標幾何中心的距離延時和目標幾何中心相對于雷達的距離延時。根據式(1)和式(2),R(t)可以表示為

式中:fD和τ0分別是擴展目標中心對應的多普勒頻率和距離延時;τn是一維距離像上第n個散射點相對目標幾何中心的距離延時。

另外,考慮到數字陣列雷達每個陣元接收到的回波信號之間存在相位差的情況,還需要分別模擬每個通道的回波對應的導向性矢量。

對于如圖1所示的二維矩形面陣,可以將其看作是y軸方向的一維直線陣,同時每個陣元是z軸方向的一維直線陣。每個陣元相對坐標原點的相位可以等效為其在y軸方向和z軸方向上各自相對坐標原點的相位之和。假設陣元A的坐標為(0,y,z),假定此時入射信號的離軸角為θ、旋轉角為φ,那么陣元A相對原點o的相位差應為

圖1 矩形陣示意圖

假定該二維矩形面陣M個陣元的坐標為A0(0,y0,z0),A1(0,y1,z1),…,AM-1(0,yM-1,zM-1),則面陣的導向性矢量可以表示為[5]

2 雷達回波模擬器實現方案

2.1 系統功能

根據某多功能一體化數字陣列雷達中頻處理系統的功能性能測試需求,結合雷達回波模擬器模塊化、標準化和高可靠性的設計要求,該數字陣列雷達回波模擬器的功能包括:

a)支持間斷連續波、線性調頻等多種波形形式的中頻回波模擬;

b)可同時產生128路中頻模擬信號;

c)構建多散射點目標模型,且能夠模擬目標多散射點造成的角度閃爍;

d)能夠模擬多種轉發式干擾。

2.2 實現原理

雷達回波模擬器實現原理框圖如圖2所示。

圖2 雷達回波模擬器實現原理框圖

雷達回波模擬器與被測系統通信,獲取相關參數,利用直接數字頻率合成技術(Direct Digital Synthesizer,DDS)產生雷達基帶信號。

擴展目標參數計算模塊根據目標特性參數計算模擬目標回波所需的一維距離像、距離延時、多普勒頻率參數。

將式(3)中擴展目標中心對應的距離延時τ0轉換為FPGA系統時鐘周期nt]d,表達式為

式中:Rt代表目標中心相對雷達距離;c為光速;TF為現場可編程門電路(FPGA)系統時鐘周期。

將擴展目標中心對應的多普勒頻率fD轉換為DDS頻率控制字K,表達式為

式中:fF為FPGA系統時鐘頻率。

目標第n個散射點在一維距離像上的離散位置xn可以表示為

式中:Rn為陣面坐標系下第n個目標散射點相對雷達的距離;Rr]e]s為雷達回波模擬器可實現的最小距離分辨率。

干擾參數計算模塊除了計算干擾延時及多普勒頻率外,還需要計算轉發式干擾所需的轉發次數、采樣寬度等參數。陣元參數計算模塊主要根據式(5)計算當前陣元坐標及目標/干擾角度對應的導向性矢量參數。

雷達基帶信號一路經過散射點信息調制、距離調制、多普勒調制后,產生單通道回波信號,再與目標導向性矢量卷積,生成多通道回波數字信號。同時另一路經過采樣轉發、距離調制、多普勒調制后,產生單通道干擾信號,再與干擾導向性矢量卷積,生成多通道干擾數字信號。多通道回波數字信號與多通道干擾數字信號疊加后,經過高速數模轉換模塊(Digital to Analog Converter,DAC),最終輸出多通道復雜回波模擬信號。

2.3 硬件平臺

雷達回波模擬器硬件平臺主要由一塊高性能信號處理電路和四塊多通道中頻模擬信號產生電路組成,如圖3所示。

圖3 雷達回波模擬器硬件框架

高性能信號處理電路采用了兩片TI公司8核數字信號處理(DSP)芯片C6678,分別實現擴展目標和干擾參數計算功能。采用Xilinx公司高性能V7系列FPGA,實現雷達基帶信號產生功能。通過千兆網口接收上位機發送的目標及干擾參數,將計算結果通過VPX機箱背板高速串行輸入輸出接口(Serial Rapid Input/Output,SRIO)以廣播方式送至四塊多通道中頻模擬信號產生電路。同時其FPGA與被測系統的頻綜通信,產生的雷達基帶信號通過背板多吉比特速率收發器(Multi-Gigabit Transceiver,MGT)差分接口送至多通道中頻模擬信號產生電路。

多通道中頻模擬信號產生電路采用Xilinx公司K7系列FPGA來實現雷達基帶信號的調制以及干擾信號的產生功能,并采用16片數模轉換芯片DAC3484輸出最終的復雜回波模擬信號。為了滿足各電路處理芯片之間的數據交互需求,每塊電路均配備一片SRIO橋路芯片(CPS1432),可以靈活地實現數據交換。

傳統的雷達回波模擬器大多基于分級共享式總線,以多個功能模塊組合而成,模塊間的數據傳輸速率通常不會很高,存在集成度低、功耗高等問題[6]。VPX 是新一代 VME(Versa Module Eurocard)標準總線,采用了SRIO、PCI Express(Peripheral Component Interconnect Express)等高性能接口技術,能夠實現高速的串行數據互聯傳輸,支持多種數據流交互。基于VPX標準的硬件平臺采用了標準化背板和模塊,能夠快速集成,且易于擴展。該硬件平臺具備強大的板間數據交換能力,VPX多處理節點及高速數據交換的特點使其能夠以較少的設備量實現復雜的信號接收和分析處理功能[7]。在雷達回波模擬器中應用VPX總線架構,能夠適應雷達回波模擬器標準化、模塊化、可擴展和高可靠性的需求。

按照6U的VPX標準VITA46及其導冷和風冷標準VITA48,設計了一體化高可靠性雷達回波模擬器機箱。機箱包括六個卡槽,卡槽1安裝高性能信號處理電路板卡,卡槽2～卡槽5安裝多通道中頻模擬信號產生電路板卡,卡槽6安裝機箱供電模塊板卡。

VPX 6U機箱的每個卡槽由P0～P6七組接口組成,本系統中主要采用P0、P1、P3、P4口。其中,P0口用于機箱電源系統為另外五塊電路供電,P1口為基于SRIO交換機的全互聯接口,P3和P4口為板卡間點對點MGT通信的全互聯接口。各個卡槽的每一組接口的全互聯連接關系如圖4所示。以P1口為例,每個卡槽的P1口又被劃分為A、B、C、D四組接口,卡槽1(Slot1)的 A組接口(1A)與卡槽2的A組接口(2A)連接,B組接口(1B)與卡槽3的A組接口(3A)連接,C組接口(1C)與卡槽4的A組接口(4A)連接。以此類推,任意兩個卡槽之間都有一組接口互相連接,從而實現整個模擬器中任意板卡之間的互相通信。

圖4 背板全互聯接口連接示意圖

2.4 上位機設計

該雷達回波模擬器采用上位機總控軟件與硬件平臺相結合的實現方式,利用計算機強大的計算能力以及良好的人機界面,實時地產生和設置模擬參數。

上位機總控軟件具有手動和自動兩種工作模式,工作流程如圖5所示。

圖5 上位機軟件工作流程

手動工作模式下,在檢測系統工作狀態正常后,進入特性參數設置界面。手動模式實現的功能框圖如圖6所示。網口模擬被測系統控制指令單元用于設置雷達發射信號形式。目標噪聲干擾特性設置單元用于設置多散射點目標模型、目標、干擾、噪聲參數等。模擬器控制單元及通信單元用于生成并傳輸模擬器工作參數,并在工作狀態顯示單元顯示當前工作參數。

圖6 上位機軟件手動模式功能框圖

自動工作模式下,首先進入場景參數設置界面,然后對特性參數進行計算、顯示并生成三維動畫。自動模式的功能框圖如圖7所示。在場景設置單元設定目標運動路徑,在干擾特性單元、目標特性單元、噪聲特性單元設置相關特性參數,并在計算及通信單元實時計算相關參數,在參數實時顯示單元顯示當前工作參數,同時將參數自動發送給模擬器,模擬器根據收到的參數實時更新回波模擬信號,最終實現目標運動過程的動態回波模擬。該模式主要用于驗證被測雷達系統在各種目標和目標運動條件下的搜索、截獲和跟蹤能力。

圖7 顯控軟件自動模式功能框圖

3 功能驗證

手動工作模式下,設置發射基帶信號波形為點頻連續波,目標速度1500m/s(回波信號頻率理論值150.1MHz),信號功率-6.00dBm。模擬器輸出的單通道中頻目標回波信號時域波形如圖8所示,頻譜如圖9所示。實測回波功率為-6.21dBm,回波頻率為150.0978MHz,與理論值相符,證明系統模擬多普勒正確。

圖8 點頻目標回波時域波形

圖9 點頻目標回波頻域

手動工作模式下,設置目標為點目標,發射基帶信號波形為高重頻脈沖多普勒信號,脈沖寬度0.24μs,相參積累間隔20 ms,脈沖重復周期1.33μs,目標距離150m(距離延時理論值1μs)。模擬器產生的目標回波信號如圖10所示。可以看出,回波脈沖寬度為0.24μs,脈沖重復周期約為1.33μs,與上位機設定的波形參數一致。另外,圖中雷達基帶信號與目標回波信號之間的延時為1.003μs,與理論值誤差在0.010μs以內,證明系統模擬距離延時正確。

多通道雷達中頻回波模擬器還需要模擬數字陣列雷達不同陣元收到的回波信號之間的相位關系。假設陣面坐標系下陣元1坐標為(-48.75,71.50),陣元2坐標為(3.75,58.50),目標俯仰角為10°,目標方位角為20°。理論上陣元1、陣元2收到的回波信號之間的相位差為0.39 π。模擬器產生的對應陣元1、陣元2的回波波形如圖11所示。輸出信號頻率為150MHz,兩個回波信號之間的延時為1.38 ns,對應的實際相位差為0.41 π,與理論值相符合。

圖10 雷達基帶信號和輸出目標回波信號

圖11 不同通道的目標回波之間的相位差

4 結論

本文設計了一種多通道雷達中頻回波模擬器,能夠滿足數字陣列雷達中頻處理系統在復雜電磁環境下的功能和性能測試需求。該系統由一塊高性能信號處理電路和四塊多通道模擬信號產生電路組成,通過與上位機總控軟件配合,可以實現靈活的目標運動特性、環境特性設置和加載,實時動態地模擬多通道復雜回波信號。系統硬件平臺符合VPX標準,擴展性和通用性較強。