雷達回波模擬器的設計與實現(xiàn)

任亞欣 王瑞斌 侯 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達整機調試對調試場地，包括靶標距離、靶標目標等特性有一定的要求。而實際環(huán)境中常常不具備理想的調試環(huán)境，比如沒有開闊場地進行架設；沒有合適的目標進行跟蹤、搜索等[1]。雷達回波模擬器正是針對這樣的應用場景設計開發(fā)的。雷達回波模擬器可以將雷達發(fā)射信號進行接收，并對應作出適當?shù)奶幚恚缓笠砸欢ǖ陌l(fā)射功率輻射出去，實現(xiàn)模擬雷達回波，對雷達的探測性能進行調試，從而降低對調試場地的要求，實現(xiàn)方便調試的目的[2]。

目前常見的雷達回波模擬系統(tǒng)大致可以分為三種：第一種，全軟件化雷達模擬器，通過軟件編程在計算機上實現(xiàn)目標、雜波、干擾等信息的生成。這類雷達模擬器通過計算機軟件編程實現(xiàn)回波信號的生成，由于計算機并非專用的信號處理部件，故數(shù)據(jù)生成速度慢，實時性低。第二種，由雷達回波模擬板卡構成的回波模擬器，此類模擬器通過回波模擬板卡生成所需的目標回波信號，但此類回波模擬器受限于硬件處理板內存的限制，產生的回波數(shù)據(jù)信號單一，只能適用單一品種的雷達系統(tǒng)，故靈活性差。第三種，采用多板卡集成的雷達回波模擬系統(tǒng)，其中包括：用于回波信號產生的信號回放板卡，用于回波數(shù)據(jù)生成的信號處理板卡，用于回波數(shù)據(jù)存儲的存儲板卡和用于用戶操作和參數(shù)設置的主控板卡。此種雷達回波模擬器通過多板卡集成的方式實現(xiàn)雷達回波模擬器的各種功能，如實現(xiàn)各種電磁仿真環(huán)境、目標回波和干擾的回波產生等，同時具有信號生成速度快，實時性高等優(yōu)點。但由于此類雷達回波模擬器采用多個板卡共同實現(xiàn)，系統(tǒng)體積龐大、功耗高、集成度低[3-5]。

本文論述的雷達回波模擬器針對功能要求，盡可能地簡化設計，保留主要功能，實現(xiàn)設備的便攜和實用性，因此我們采用專用微波模塊和FPGA+AD/DA技術來實現(xiàn)雷達回波模擬器[6-7]。

1 產生方式

根據(jù)雷達整機調試需求，我們設計的雷達回波模擬器主要實現(xiàn)功能為Ku和Ka兩個波段，對雷達探測目標進行距離模擬和目標大小的模擬。

距離的產生主要依靠波束的延時來實現(xiàn)。即根據(jù)接收回波的時刻，在此基礎上進行延遲后將信號再發(fā)射回雷達，進行不同距離雷達回波信號的模擬，模擬目標距離精度為1.5 m，最遠距離設計值為16 Km。目標大小的模擬主要通過功率調節(jié)來實現(xiàn)，能夠調節(jié)的范圍為30dB。雷達回波模擬器的設計框圖如圖1所示。

圖1 雷達回波模擬器框圖

2 工程實現(xiàn)

為了實現(xiàn)雷達信號的回波模擬，我們要建立起

回波信號接收、變頻、采樣、存儲、延遲、信號恢復、上變頻、功率調整、模擬回波發(fā)射的一條信號通路。要實現(xiàn)上述功能，我們將工程實現(xiàn)的模塊分為：收發(fā)天線、微波前端系統(tǒng)、控制延時單元、顯控單元、電源等附件。

1)收發(fā)天線

收發(fā)天線因為體積較大，工作相對獨立，設計中將其獨立作為一個單元，在實際工作時也方便架設和方向調整。通過射頻電纜與設備連接。

本設備使用的天線為波導喇叭天線，Ku、Ka雙頻段共用，根據(jù)工作狀態(tài)為分時工作，因此為雙頻段分時復用天線，主要指標如下：

①頻率范圍：Ku、Ka；

②極化方式：垂直極化；

③天線增益：≥15 dBi；

④接口形式：SMA-50K；

⑤重量：≤3Kg。

2)微波前端系統(tǒng)

微波前端系統(tǒng)是本設備的頻率產生和上下變頻部分，是實現(xiàn)接收雷達信號，將雷達信號進行下變頻到低頻信號，供控制延時單元進行數(shù)字化采樣，同時將控制延時單元產生的模擬距離信號進行上變頻到雷達工作頻段，然后經過適當?shù)墓β史糯螅椭撂炀€單元。原理框圖如圖2所示。

圖2 微波前端系統(tǒng)原理框圖

微波前端系統(tǒng)利用延時控制單元產生的80 MHz基準信號分別產生Ku波段和Ka波段工作的本振信號，首先將接收到的雷達信號進行下變頻，到ADC能夠進行采樣的頻率，然后送至控制延時單元。按照工作要求，將控制延時單元產生的波形信號進行上變頻到雷達工作頻率，然后按照時序控制輸出。

實現(xiàn)分四部分：本振基準產生、上變頻通道、下變頻通道、接口控制及電源。

3)延遲控制單元

延時控制單元是雷達回波模擬器功能實現(xiàn)的核心，使用FPGA 、AD、DA組合存儲轉發(fā)的方式，實現(xiàn)雷達回波的延遲轉發(fā)功能，從而模擬不同距離目標回波。

基本原理框圖如圖3所示。

圖3 控制延時單元原理框圖

使用邏輯控制器件FPGA內部邏輯和時序配合控制，能夠根據(jù)使用要求，靈活配置延遲時間，延時精度可到0.01 μs級，對應距離延遲約1.5 m[3]。能夠滿足使用精度要求。

4)顯控單元

顯控單元我們使用檔位等級明顯的旋鈕開關和對應的LED陣列顯示進行控制交互。交互控制功能包括：

①延時距離控制：根據(jù)不同檔位選擇并顯示；

② Ku/Ka工作狀態(tài)顯示：當前工作所在波段，當前發(fā)射狀態(tài)開/關顯示；

③發(fā)射功率控制范圍：30 dB，可以通過旋鈕開關進行調節(jié)選擇；

④接收增益調整范圍：30 dB，可以通過旋鈕開關進行調節(jié)選擇；

顯控單元與延遲控制單元之間的信息交流框圖如圖4所示。

圖4 顯控單元功能及接口框圖

5)電源

220 V市政電壓輸入，方便設備架設。220 V電源在模塊內部經過電源變換后為設備內部其他功能模塊供電。其中電源轉換模塊具有防雷擊、浪涌的功能，提高了設備的抗干擾能力和工作可靠性。

6)結構外觀

雷達檢測設備結構要求便攜、美觀、可操作性強，能夠方便地在各個試驗場進行連接使用，因此重量和體積上要考慮便攜，而且在搬運過程中要考慮使用者的體驗感。整個機箱外觀如圖5所示。

圖5 雷達回波模擬器外形

機箱尺寸為標準3U機箱，體積為：250×350×150 mm。

表面噴塑絲印處理，把手多角度可調節(jié)，提高模塊的搬運性能和架設舒適性，便于操作人員進行設置操作。

3 關鍵技術

雷達回波模擬器作為雷達模擬檢測設備，關鍵技術有三點：一是實現(xiàn)延遲的軟件模塊；二是實現(xiàn)信號的AD/DA轉換；三是射頻通道的實現(xiàn)。

1)延遲單元的實現(xiàn)

采用FPGA結合AD，將回波信號數(shù)字化后，在FPGA采用FIFO技術，將波形數(shù)據(jù)根據(jù)不同的延遲進行延遲發(fā)送，從而實現(xiàn)不同距離目標的模擬。相比于光纖延遲具有靈活可控、設備量小的優(yōu)點。

2)AD/DA信號的轉換

要實現(xiàn)回波信號的模擬，必須進行AD將模擬信號數(shù)字化，然后再進行靈活處理。AD的過程就需要滿足采樣定理，以達到波形的無失真處理。AD/DA使用的芯片型號分別為ADI公司的AD9434和AD9172。

采樣定理滿足以下條件[3]為

或者

其中，m=1,2，3...mmax。

3)射頻通道的實現(xiàn)

射頻通道包含接收和發(fā)射兩個通道。接收通道將接收到的雷達發(fā)射信號進行下變頻，到中頻，通過AD采樣轉換為數(shù)字信號。將數(shù)據(jù)在FPGA內進行存儲，主要通過FIFO來實現(xiàn)。發(fā)射通道將波形數(shù)據(jù)經過射頻還原，通過DA將采樣得到的雷達信號進行數(shù)模轉換，還原雷達信號，將還原的信號進行上變頻到雷達發(fā)射頻率。實現(xiàn)過程中考慮到兩個波段分時工作，因此將部分電路進行了分時復用，有利于降低成本、縮小體積。

圖6 上變頻通道實現(xiàn)框圖

圖7 下變頻通道實現(xiàn)框圖

4 結束語

本雷達回波模擬器已經投入使用，功能正常，使用操作簡便，特別在場地限制的情況下使用效果尤佳。

雷達回波檢測設備作為雷達整機調試的輔助設備，能夠模擬不同距離的回波信號，很好的服務于雷達調試工作。結合硬件平臺，在FPGA+DA中可以通過軟件設計靈活的加入其它變量，入多普勒頻移、雜波等，實現(xiàn)不同目標信號的模擬，具有良好的擴展性。滿足雷達整機功能調試的需求[7]。