相控陣雷達多通道回波模擬設備設計

中國電子科技集團公司第二十研究所 于佳興

隨著國際形勢的惡化國防軍工類科技研發面臨著時間緊、任務重的挑戰，以雷達為代表的武器裝備在信息化戰爭中扮演著遠程警戒、跟蹤制導等重要角色?，F代雷達多采用相控陣體制，它的研發過程一直以來伴隨著周期長，系統復雜，研發困難等問題。FPGA具有實時性高，并行性好的特點。根據雷達信號處理的原理，基于FPGA設計雷達回波模擬設備，可加速雷達的研發。FPGA中的dds核可以實時產生波形，多通道并行處理的方式，可產生不同子陣接收到的模擬回波。雷達回波模擬設備可以在陣面研發完成前作為陣面的的替代設備完成預處理、信號處理、中心機的功能開發及驗證工作。

1 模擬設備工作流程

雷達的工作流程是，陣面根據目標方位發射信號，陣面接收到回波后，預處理進行波束形成下發數據到信號處理分機，信號處理分機進行脈沖壓縮、相參和檢測，中心機根據檢測結果調整采樣波門和波形選擇。采用模擬器后，模擬器根據接收到的中心機的波形信息產生波形，根據采樣波門與距離真值產生距離時延，并將數據下傳到預處理，預處理將結果信號處理，信號處理將結果發給中心機，中心機將最新的波形信息和采樣波門上傳到模擬器。模擬設備工作流程如圖1所示。

圖1 模擬設備工作流程圖

模擬器在雷達中作為模擬回波的產生設備通過接收中心機上行的波形參數，產生模擬回波下發。之后的處理過程與雷達處理過程一致，所以能夠替代完成功能的開發和驗證。

1.1 模擬器組成

模擬器整機由機箱和板卡組成，對外接口為光纖，具備24發24收的光纖，可實現24通道或48通道的回波設計，程序包括協議解析模塊，參數配置模塊，dds產生模塊，多通道發生模塊。其中協議解析模塊是解析中心機發來的協議，aurora協議，參數配置模塊，根據解析得到的參數，產生包括距離速度等信息的dds配置參數；dds模塊根據參數配置模塊產生的參數選擇dds輸入、控制波形的時序；多通道發生模塊，根據dds產生的波形，根據不同子陣對應目標的角度信息，產生不同通道的波形。

1.2 dds實時波形產生

根據波形信息在FPGA dds中提前存儲初相參數，根據時鐘將初相值與步進值相加，dds選擇streaming模式，根據頻率將初相和初相與步進的和輸入dds，并根據速度實時計算多普勒頻率，并與初相相加作為每個重頻新的初相。

初始相位步進：

步進值：

多普勒頻率計算：

其中v代表速度，fc代表載頻，c代表光速，B代表帶寬，fs代表采樣率，T代表脈沖寬度。

模擬回波距離的表示方法，通過計算距離真值在光速下需要的時間，得到對應采樣率下，需要的距離單元，計算該距離單元與采樣起始的差值s，重頻觸發開始后計數，計滿差值s開始發送波形數據。

1.3 多通道并行產生回波

采用fpga中的cordic、乘法器等ip核實現不同通道間回波角度差異。計算中cordic產生sin/cos值時，默認輸入范圍是（-1，1）或者（-pi,+pi）。由phase format決定，但還存在coarse rotation勾選選項決定范圍是否用滿，勾選則粗精度范圍是（-1，+1）或（-pi,+pi），不勾選為細精度（-1/4，+1/4）或（-pi/4,+pi/4）超過這個范圍輸出的結果有誤，cordic輸入3位符號位或整數位，輸出為2位符號位或整數位，當cordic輸入值較大時，即在輸入范圍（-1，+1）或（-pi,+pi）之外時，判斷最后一位符號位或整數位，如果為1，則前兩位補兩個1，如果為0，則前兩位補兩個0，截掉后兩位。做加減法時，符號位或整數位需要對齊，需要補位時，若首位為1，則前面補n個1，相應的后面截n位，若首位為0，則前面補n個0，相應的后面截位。使用乘法器同樣需要截位如數據fix32_30與fix32_29相乘時，結果為fix64_59，如果還需保持32位，3位符號位或整數位數據，需要截取[61,20]。

不同通道（不同子陣）根據目標與波束的角度差和固定參數同時計算角度信息，并跟dds產生的數據作乘法。公式如下：

echo為dds產生的波形數據，zt(1,1)，zt(1,2)代表與子陣有關的固定值，bs_theta,theta分別為波束與目標的方位角，bs_phi,phi代表波束與目標的俯仰角。

2 實驗結果

當模擬器接收到中心機波形參數為線性調頻信號，目標與波束方位角度差為0°，俯仰角度差為0°時產生波形如圖2所示。

圖2 目標與波束方位角度差為0°俯仰角度差為0°時產生的波形圖

從上到下分別代表四個象限某個子陣模擬回波信號，可見目標與波束指向沒有角度差，四個象限數據相位一致。

當模擬器接收到中心機波形參數為線性調頻信號，目標與波束方位角度差為1°，俯仰角度差為0°時產生波形如圖3所示。

圖3 目標與波束方位角度差為1°俯仰角度差為0°時產生的波形圖

可見因為目標與波束指向有角度差，導致四個象限回波數據有相位的差異。

基于FPGA的回波模擬設備具有實時性高等特點，可以為雷達研發過程中除陣面外其他分機并行研發提供模擬回波，此外，還可以作為信號處理等分機功能驗證的設備，能夠多方面縮短雷達的研發周期。