辐射式雷达回波模拟器的设计与实现❋

2014-11-28李之海

舰船电子工程 2014年8期

李之海

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所扬州 225001）

1 引言

雷达是用于检测和定位反射物体，如飞机、舰船、航天飞机、车辆、行人和自然环境的一种电磁系统［1］。近年来，雷达在军事和民用领域的使用越来越广泛，在雷达的研制和调试过程中，需要对雷达性能和指标进行测试。如果这些测试都通过真实目标来实现，则不仅要消耗大量的人力物力，而且对外场条件的要求会很高。雷达回波模拟器是雷达在设计、研制、试验阶段重要的测试手段，因为其具有保密性好、试验费用低、可重复性好等优点，目前已在雷达研制过程中起到了越来越重要的作用。

2 仿真理论

模拟器的设计过程中，主要涉及的雷达信号模拟和雷达目标及干扰模拟的基本数学模型如下：

2.1 坐标系及坐标变换

大地坐标系是建立在一定的大地基准上的用于表达地球表面空间位置及其相对关系的数学参照系［2］。在本模拟器中坐标系采用大地直角坐标系，坐标原点O位于海拔高度为0的大地表面上的一点，X轴定义为过原点切于纬度弧线且指向东；Y轴定义为过原点切于经度弧线且指向北极方向；Z轴按右手法则，指向天顶。

以平台坐标系Ot－xtytzt为基准，将坐标原点Ot到目标的方向定义为径距方向，之间的距离R称为斜距；将斜距在xtyt面内的投影与Otyt轴之间的夹角A（0°～360°）定义为方向角，顺时针方向为正；将斜距与xtyt面之间的夹角E定义为仰角（或高低角），向上为正（范围－90°～90°），如图1所示。

则平台坐标系到雷达球面坐标系之间的关系为

图1 大地直角坐标系

雷达球面坐标系到平台坐标系之间的关系为

2.2 目标回波功率

目标在雷达电波的作用下，产生后向散射的电波称为雷达回波［3］。雷达方程反映了雷达的探测距离同发射机、接收机、天线、目标及环境等因素之间的相互关系［4］。根据雷达及目标参数，利用雷达方程，可计算出模拟器输出的单一脉冲目标回波信号功率为

式中：PT为雷达脉冲发射功率；GT为雷达天线增益；L为雷达发射传输损耗；σ为目标雷达平均截面；R为目标至雷达的距离；F为天线方向图传播因子；λ为雷达工作波长；r为电磁波大气传播双程衰减因子。

在已知经标校后模拟器射频输出信号的最大有效功率和至被试雷达的距离时，对目标回波信号的总衰减值为

式中：po为模拟器发射机输出的最大功率；G0为模拟器天线增益；ps为计算出的回波信号功率；R0为模拟器至被试雷达的距离。

2.3 大气传播衰减的模拟

对流层内气体分子及水汽凝结物（云、雾、雨等）对电波具有吸收和散射作用，会造成电波的衰减，衰减量与电波工作频率密切相关［5］。在100MHz～50GHz频率范围内，大气传播衰减因子可以表示为

其中：γ1为氧气的衰减因子，以dB／km（双向）为单位；γ2、γ3为水蒸气的衰减因子，以dB／km（双向）为单位，在标准温度和标准地面大气压下：

其中：λ为工作波长，以cm为单位；ρ为水蒸气的绝对湿度，以g／m3单位，在中纬度地区，可用8g／m3作为缺省值计算。

2.4 多普勒频移

当目标以径向速度V向雷达运动时，目标回波的多普勒频率为

2.5 目标回波的延时

电磁波从雷达传输至目标的时间t是传播距离除以波的速度［6］，即

通过计算目标与雷达的相对距离，得到的延时为双程延时。

式中：C为光速，即C＝2.99785×108m／s；R 为目标与雷达的距离。

3 系统实现

模拟器由显示控制单元、接收通道、下变频网络、上变频网络、射频通道、频率合成器、信号产生单元、天线等组成，组成如图2所示。

图2 模拟器组成如图

模拟器通过显示控制单元的人机界面对雷达参数、目标模拟参数、干扰样式及参数等战情进行编辑，并将目标模拟参数发送到信号产生单元，由信号产生单元根据目标距离、速度产生具有一定时延和多普勒频率的雷达目标回波信号的中频基带信号。再经过上变频网络进行上变频，生成雷达目标回波信号的射频信号，并经过功率放大器和天线辐射至被试雷达。在进行雷达目标回波或欺骗干扰模拟时，显控单元还通过信号产生单元的数字I／O完成对接收通道单元、频率合成器、上下变频网络和射频通道单元等硬件进行实时控制。

1）显示控制单元

显示控制单元主要任务是实时控制模拟器的运行，为用户提供友好的人机交互界面。显示控制单元通过人机界面对工作参数、雷达参数、目标模拟参数等战情进行设置，并将参数发送到信号产生单元，由信号产生单元进行目标回波模拟的模拟。显示控制单元还通过信号产生单元的数字I／O对接收通道单元、频率合成器、上下变频网络和射频通道单元等进行控制。显示控制单元还可对主要的雷达参数、目标参数、干扰参数和态势进行显示。

2）接收通道

接收通道由衰减器、限幅器、开关、脉冲测量及门限产生电路组成，其主要任务是接收和处理各种被试雷达信号，对接收到的雷达信号进行电平调整，实现雷达信号的平稳接收，同时进行脉宽、脉幅、重频、扫描周期等测量，同时与中频检波信号一起产生检波门限信号、幅度指示，送信号产生单元。并实现重频跟踪功能。将脉宽、脉幅、重频、扫描周期等测量数据也送显示控制单元进行显示。

3）下变频网络

下变频网络主要由混频器、放大器、滤波器、耦合器等组成，其主要功能是将雷达射频信号下变频至中频，经放大后送信号产生单元，作为目标回波模拟的中频基带样本信号。

4）上变频网络

上变频网络主要由混频器、放大器、开关滤波器组等组成，主要功能是将信号产生单元输出的中频信号恢复至至雷达射频信号的频率上。

5）射频通道

射频通道主要由高速调制器、程控衰减器、放大器、功率放大器等组成，其主要功能是上变频网络输出的雷达目标回波信号进行高速调制、幅度调制和功率放大。

6）频率合成器

频率合成器主要由晶振、谐波发生器、功分器、放大器、混频器、微波开关等组成，其主要功能是为上、下变频网络提供变频所需本振信号。

7）信号产生单元

信号产生单元是进行雷达目标回波模拟的核心部件，主要由高采样率ADC、高速DAC、大容量存储器（双口RAM）、DSP、大规模FPGA、时钟系统电路和通信接口电路等组成。组成如图3所示。

在进行雷达目标回波模拟时，信号产生单元接收显示控制单元送来的模拟器工作参数、目标运动参数等战情信息，按照目标运动模型，实时解算目标距离、目标速度参数，根据雷达方程模型、大气衰减模型、目标起伏模型，实时解算每个目标回波的功率。

图3 信号产生单元组成图

为了模拟目标回波的时延，信号产生单元在检波门限的控制下，通过A／D对下变频网络输出的雷达中频信号进行高速采样，并将雷达样本信号滑窗式地存储到存储器中。技术产生器根据雷达至目标的距离计算目标回波相对于当前发射机定时触发脉冲的时延值，生成读取存储器数据的时延控制字，送数字存储器控制器。在每一雷达周期内按时延值的大小，从小到大顺次把相应的发射样本读出，送往D／A产生出雷达基带模拟目标回波信号，从而模拟了目标回波的时延。

为了完成信号的多普勒调制，由技术产生器计算每个目标的多普勒频移，产生数字调制信号，控制DAC构成的DDS，产生多普勒调制信号，送多普勒调制模块中完成多普勒的调制，模拟目标的多普勒频率。