基于FPGA雷达回波环境模拟系统设计与实现

盛川，张永顺，路文龙

(空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051)

基于FPGA雷达回波环境模拟系统设计与实现

盛川，张永顺，路文龙

(空军工程大学 防空反导学院， 陕西 西安 710051)

设计实现了一种基于中频注入的雷达回波环境模拟系统，能够按照设定的参数模拟雷达目标回波及干扰环境。对雷达回波的信号模型及空间传播模型进行建模，模拟回波信号的距离、角度和速度特性；提出了基于计算机+DSP+FPGA的硬件技术架构，使回波模拟系统具备目标航迹与干扰参数设置、雷达工作状态解算、目标及干扰回波模拟等功能；通过与实际雷达联调联测表明，系统较好地模拟了雷达回波环境，能够有效满足战勤人员的操作训练需求。

雷达回波；干扰环境；中频注入；DSP；FPGA；数字和-差网络

0 引言

随着雷达技术的不断发展，雷达的结构、体制越来越复杂，所面临的电磁干扰环境也日趋严峻，如何在雷达的使用、维护阶段，提高雷达操作人员的战术水平，成为日益突出的问题。雷达电磁干扰环境构建方法的发展是与雷达理论和技术的发展相适应的[1]。一方面，雷达技术的发展需要新的雷达电磁干扰环境构建方法与之相适应；另一方面，雷达电磁干扰环境构建方法为雷达技术研发和验证提供了有力的技术支持，两者相互平衡，共同发展[2]。

雷达回波环境构建按其试验环境来分，可分为外场环境构建和内场环境构建两大类方法。外场地面模拟和外场动态飞行模拟是2种常见的外场仿真方法。外场地面模拟方法是将模拟器辐射馈源通过高架设备放置在雷达天线外部(满足远区条件)，可模拟典型干扰和航路捷径为0的目标回波，但不能模拟角度，无法有效模拟有一定战术背景的复杂回波环境；外场动态飞行方法仿真的置信度高，但由于费效比低、作战任务组织协调困难等多方面的原因，通常仅对典型作战环境进行仿真，多用于大型实兵演习，无法用于日常的作战训练。近年来，基于现代仿真技术和数字电路技术的内场环境构建方法[3-6]因为具有可重复性好、易扩展、灵活、经济等优点已被学界广泛关注。其中，基于中频注入的雷达回波信号模拟器[7-8]体积小，通用性强，可模拟复杂空情，十分符合模拟训练设备与装备的一体化的发展趋势[9]。

1 雷达回波环境构建方法

1.1 回波信号波形

某雷达发射信号采用线性调频脉冲，在信号处理时进行脉冲压缩，可获得远的作用距离和高的距离分辨力。线性调频信号可以表示如下[10]：

Si=A·rect(t/τ)·cos(2πf0t+μt2/2+φ0)，

(1)

式中：A为脉冲幅度；rect(t/τ)为矩形脉冲信号；f0为脉冲信号的载频。

在脉冲宽度τ内，信号角频率由2πf0-μτ/2变化到2πf0+μτ/2，调频带宽为μτ/2π。目标的发射回波信号为

(2)

式中：K为回波幅度衰减系数；Δt为回波延迟时间。

1.2 距离、速度、角度及功率模型

目标回波的距离和速度模拟可通过控制仿真回波相对雷达探测脉冲的时间延迟和频率偏移来实现。

(1) 目标回波距离模型

将目标视为点目标，仿真回波相对雷达探测脉冲的距离延迟tR可表示为

(3)

式中：R0为目标与雷达的初始距离；v为目标与雷达的径向速度(临近时为正，背离时为负)；c为光速。

从式(3)可以看出，距离延迟tR随目标运动而变化，当目标临近制导雷达飞行时，v为正，tR随时间逐渐减小；当目标背离制导雷达飞行时，v为负，tR随时间逐渐增大。进行目标仿真时，通过改变仿真目标相对雷达探测脉冲的距离延迟，可达到控制仿真目标距离变化的作用。

(2) 目标回波速度模型

目标回波多普勒频率的大小和振幅，可表征目标相对雷达径向速度的大小和方向。目标多普勒频率fd可表示为

fd=2v/λ，

(4)

式中：λ为雷达载波波长。

(3) 目标回波角度模型

仿真目标通过中频注入的方式进行雷达接收系统，仿真回波信号需模拟和Σ、高低差Δ1、方位差Δ23路。对于振幅和-差单脉冲雷达来说，目标回波Σ通道信号的大小反映目标回波功率的强弱，由回波功率模型来确定；目标回波Δ通道信号(高低差Δ1和方位差Δ2)的大小和正负，反映目标偏离雷达主波束中心的程度和方向。

要精确地仿真目标回波的角误差信号，需依据雷达阵面特性，对相控阵天线方向图进行仿真，本文仅针对典型角误差信号特性曲线(“S”曲线)进行建模，说明角误差信号的仿真原理。

振幅和-差单脉冲雷达接收前端工作原理如图1所示。天线A1，A2分别接收来自目标反射的回波信号，经和差器处理后，分别输出Σ通道回波信号us和Δ通道回波信号ud，如图1所示[11]。

图1 单脉冲雷达接收前端工作原理Fig.1 Control process of pull-off jamming

us=u1+u2=U[F(θ0-θ)+F(θ0+θ)]cosωt,

(5)

ud=u1-u2=U[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]cosωt,

(6)

式中：U为天线A1和A2输入端信号振幅；F(θ)为天线A1和A2归一化方向图函数；θ0为天线Σ波束指向与Δ波束指向夹角；ω为信号圆频率。

将Δ通道回波信号归一化：

(7)

假设天线方向图用下列函数近似：

(8)

为简单起见，取θ0.5=λ/D，D=λ/2，θ0=θ0.5/3时，将式(8)代人式(7)可获得雷达射频前端回波信号和差比，现分别对Σ信号、Δ信号、和差比特性进行仿真，仿真结果如图2所示。

图2可看出，对目标角度进行仿真，主要是控制射频端仿真目标信号的和差比值，依据“和差比特性曲线”可知，角误差为0时，和差比值为0，在主波束3 dB宽度内，逐渐朝±1过渡。

图2 雷达射频前端和、差特性曲线Fig.2 Sum-difference characteristics of radar RF front-end

(4) 目标回波功率模型

目标回波的功率变化与很多因素有关，包括如雷达的发射功率、天线增益，波长、目标的RCS(radar cross section)大小、离雷达的距离等。在雷达发射功率、天线增益、波长一定的情况下，目标回波的功率仅与目标的RCS和距离有关。目标回波功率Pr可用雷达方程[12]来描述：

(9)

式中：Pt为雷达发射功率；λ为雷达辐射信号波长；G为天线在目标方向上的增益；R为目标距离；σ为目标RCS。

由式(9)可知，目标回波功率Pr与天线增益G2和目标RCS成正比，与R4成反比。

1.3 干扰仿真模型

干扰回波模拟主要包括欺骗干扰模拟、积极杂波干扰模拟、无源杂波干扰模拟等。

(1) 欺骗干扰仿真

欺骗干模回波模拟其本质与目标回波模拟相同，主要包括假目标干扰、距离拖引干扰、速度拖引干扰及距离-速度联合拖引干扰等。依据不同的欺骗干扰类型，如1.1，1.2节所示，模拟产生欺骗干扰回波的距离、速度、角度及功率特性。以距离拖引干扰为例加以说明，其他维度的欺骗干扰产生原理与之类似。拖引型干扰的控制过程如图3所示，大都包括停拖(保持)、拖引和关闭3个阶段，并据此为循环反复。

图3 拖引干扰控制过程图Fig.3 Control process of pull-off jamming

令拖引周期为Tj，距离拖引干扰的假目标距离函数可表示为

(10)

式中：R为真实目标距离；v为拖引速度。

式(10)可作如式(11)转化：

(11)

式中：Δtf为转发延时。

(2) 积极杂波干扰仿真

干扰机常使用的有源杂波干扰主要包括噪声调幅干扰和噪声调频干扰2种。

常用的噪声调幅干扰模型为

J(t)=[U0+Un(t)]cos(ωjt+φ)，

(12)

式中：U0为信号幅度；ωj为信号圆频率；Un(t)为调制信号，通常为零均值，广义平稳随机过程；φ～U[0,2π]，且为与Un(t)相互独立的随机变量。

常用的噪声调频干扰模型为

(13)

(3) 无源杂波干扰仿真

无源杂波干扰模拟较为复杂，目前常用的幅度分布模型有瑞利分布、对数正态分布、威布尔分布和K分布，功率谱模型有高斯谱、柯西谱和全极化谱等[13]。本文采用非递归滤波法构建该模型以实现对无源杂波信号的仿真。

该方法将高斯白噪声通过具有高斯响应的FIR(finite impulse response)滤波器，则其输出信号具有高斯型功率谱，且信号幅度具有高斯型概率密度函数，该过程如图4所示。

图4 无源杂波形成原理Fig.4 Form principle of passive clutter jamming

设期望得到的杂波归一化功率谱为

(14)

对于N阶FIR滤波器，其FIR滤波器的期望响应可表示为

(15)

式中：Ci为傅里叶级数的系数；Ts为采样周期。

(16)

由式(15)可知，hi与Ci间有如下关系：

(17)

当给定σf和Ts值时，可求出得FIR滤波器的权系数，结合被测雷达特点，本文采用N= 12的FIR滤波器实现相关高斯杂波模型。

2 系统设计

2.1 设计要求

(1) 信号波形

和-差单脉冲线形调频波形。

(2) 信号频率

中心频率100 MHz，带宽2 MHz。

(3) 信号模拟能力

目标：4批/波位；

欺骗干扰：2批/波位；

杂波干扰：2批积极杂波干扰/波位，含无源杂波干扰；

扫描扇区内目标/干扰：100批。

(4) 信号动态

数字通道48 dB，模拟通道80 dB。

2.2 设计方案

回波环境模拟系统工作原理如图5所示，由目标及干扰特性模型、时/频控制模块、数字信号合成模块、数字滤波及混频模块、DAC(digital to analog converter)等部分组成。其中目标及干扰特性模型包括：目标特性模型、无源杂波模型、有源干扰模型等，主要用于形成仿真回波基带数据及干扰数据，为减少计算规模，无源杂波模拟采用RAM(random access memory)缓存杂波数据，回放式仿真方式实现。目标及干扰控制数据与各时频/控制模块组成多个DDS

图5 系统功能框图Fig.5 Functional structure diagram of system

(direct digital synthesizer)单元，通过系统参数设置，可实现各模拟仿真通道的距离、速度和角度模拟[14]。数字信号合成模块将各DDS单元送来的基带数据分别按和、差通道进行合成，经插值滤波和上变频后，由DAC转换为模拟信号输出。为加大目标仿真的动态范围，以有效对积极干扰进行模拟，目标通道4采用模拟和-差网络对角度进行仿真，使目标信号输出动态由48 dB增大至80 dB，并通过输出端的3个加法器与其他通道模拟信号混合后注入雷达系统。其他通道角度模拟经FPGA(field programmable gate array)通过数字和-差网络形成。

和-差网络结构如图6所示，主要由衰减器、0/π变换器及相位和增益微调部分组成。系统分别采用数字和模拟2种方式构建，数字和-差网络信号动态由DAC位数、底噪决定；模拟和-差网络信号动态主要受通道隔离度限制。系统依照1.2，1.3节模型对模拟回波信号增益和相位进行控制。

图6 数字和-差网络结构图Fig.6 Structure diagram of digita Σ-Δ network

系统硬件拓扑结构如图7所示。由主控计算机，DSP(digital signal processor)，FPGA，DAC及其相关外围电路组成。主控计算机用于目标航迹编辑、管理和干扰参数设置。DSP形成目标及干扰的点迹参数及控制数据，并在雷达同步信号作用下，控制整个硬件系统按雷达时序工作。FPGA完成全部的回波基带数据计算、中频数据产生及接口管理等工作，主要包括距离、速度调制；构成各通道数字和-差网络；进行角度模拟等。回波基带数据经数字插值滤波和上变频后，送DAC合成目标Σ，Δ中频信号。其中，无源杂波干扰仿真数据由于数据量庞大，由主控计算机实时计算后缓存至FPGA外挂的RAM中，按照雷达工作时序以DDS方式合成[15-16]。

图7 系统硬件拓扑结构图Fig.7 Topology structure diagram of hardware system

3 测试试验

在完成系统设计后，通过示波器测试了仿真系统输出的中频信号，与雷达系统进行联调，其中仿真系统输出中频信号波形如图8所示，雷达系统零中频采样后波形如图9所示。

图8 中频模拟信号Fig.8 Intermediate-frequency signal

图8显示系统在测试状态下，产生4批同波位距离可分辨目标+2批杂波干扰信号，满足设计指标要求。

图9 幅相检波信号Fig.9 Orthogonal detection signal

图9为在雷达系统的实测波形，是经过雷达幅相检波后输出的零中频目标信号。实测结果表明，目标模拟效果达到了预先的设计要求。

4 结束语

本文设计并实现了一种基于FPGA的雷达回波环境构建系统，具体结论如下：

(1) 采用主控计算机+DSP+FPGA的架构，实现了对雷达干扰环境仿真系统的构建，能够灵活设置干扰环境参数，产生逼真的空情环境，并且满足实时性要求，在雷达操作人员进行搜索跟踪目标的训练中发挥了重要作用，具有小型化、低成本、结构简单、通用性强等特点。

(2) 采用数字和-差网络与模拟和-差网络相结合的方法对目标角度进行模拟，具有硬件规模小、目标通道数多、目标动态范围大等优点。

(3) 采用中频注入方式进行目标模拟，可模拟目标和干扰角度，仿真置信度高。

系经过测试以及与受测雷达联调，证明了方案的可行性，对其他类型模拟器的设计具有借鉴意义。

[ 1] LEE M， KIM Y. Design and Performance of a 24-GHz Switch-Antenna Array FMCW Radar System for Automotive Applications [J]. IEEE Trans. Veh. Technol, 2010, 59(5): 2290-2297.

[ 2] LUEKEN T, PEINECKE N, DOEHLER H U， et al. All Flight: Tackling the Brownout Problem [J]. CEAS Aeronautical Journal, 2012,3(1): 1-15.

[ 3] LOUF V, PUJOL O， SAUVAGEOT H， et al. Simulation of Airborne Radar Observations of Precipitating Systems at Various Frequency Bands [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(3): 1627-1634.

[ 4] YE Hong-xia, JIN Ya-Qiu. Simulation of Multiangular Radar Echoes for Speed Measurement During CE-3 Landing on the Lunar Sinus Iridum Surface [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015, 53(9): 4922-4932.

[ 5] LONG R J， AGILI S S. A Method to Determine Shielding Effectiveness in a Reverberation Chamber Using Radar Cross-Section Simulations with a Planar Wave Excitation [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2014, 56(5): 1053-1060.

[ 6] PARK J,JOHNSON J,MAJUREC N， et al. Simulation and Analysis of Polarimetric Radar Signatures of Human Gaits [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2014, 50(3): 2164-2175.

[ 7] 杨春晓, 谢军伟, 盛川, 等．基于中频注入的雷达信号模拟器设计与实现[J]．空军工程大学学报: 自然科学版, 2015, 16(5): 83-87. YANG Chun-xiao, XIE Jun-wei, SHENG Chuan, et al. Design and Realization of Radar Signal Environment Simulator[J]. Journal of Air Force Engineering University: Natural Sciences ed, 2015, 16(5): 83-87.

[ 8] 路文龙, 王和明, 张启亮, 等. 基于FPGA+PC104的雷达目标模拟器设计[J]. 电子技术应用,2012, 38(4): 27-30. LU Wen-long, WANG He-ming, ZHANG Qi-liang, et al. Design of Radar Target Simulation System Based on PC104 and FPGA[J]. Application of Electronic Technique, 2012, 38(4): 27-30.

[ 9] YANG Yong, XIAO Shun-Ping, FENG De-Jun, et al. Modelling and Simulation of Spatial-Temporal Correlated K Distributed Clutter for Coherent Radar Seeker [J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2014, 8(1): 1-8.

[10] WAN Yong-lun, LU You-xin. Study of Ultra-Wideband Radar Signals-Generated Technology Using Two-Channel Signal Generator [J]. Journal of Systems Engineering Electronics, 2007, 18(4): 710-715.

[11] 唐毓燕, 黄培康. 稀薄大气层内轻诱饵速度识别法[J]. 系统工程与电子技术, 2008, 30(5): 835-839. TANG Yu-yan, HUANG Pei-kang. Light Decoy Velocity Recognition Method in Thin Atmosphere[J]. Systems Engineering and Electronics, 2008, 30(5): 835-839.

[12] 金珊珊,王春阳,李欣.基于正弦信号调制的灵巧干扰技术[J]. 空军工程大学学报, 2014,15(5): 66-69. JIN Shan-shan, WANG Chun-yang, LI Xin. A Study of Smart Noise Jamming Based on Sinusoidal Modulation[J]. Journal of Air Force Engineering University, 2014,15(5): 66-69.

[13] 张毅.雷达杂波的建模与仿真研究[D].沈阳:东北大学,2008. ZHANG Yi. Modeling and Simulation Study for Radar Clutter[D]. Shenyang: Northeastern University, 2008.

[14] 陈伯孝. 现代雷达系统分析与设计[M].西安: 西安电子科技大学出版社, 2012. CHEN Bo-xiao. The Analysis and Design of Modern Radar[M]. Xi’an: Xidian University Press,2012.

[15] 许德志, 丁才成. 一种基于DDS技术的信号发生器研究与实现[J].电子科技, 2010, 23(3):59-61. XU De-zhi, DING Cai-cheng. Study and Realization of a Signal Generator Based on the DDS Technology [J]. Electronic Sci & Tech，2010，23(3):59-61.

[16] MA Jun-ran, ZHANG Chun-xi. FPGA-Based Waveform Generator with DDS [J]. Electronic Measurement Technology, 2006, 29(4): 78-79.

Design and Implementation of Radar Echo Environment Simulation System Based on FPGA

SHENG Chuan, ZHANG Yong-shun, LU Wen-long

(AFEU, Air and Missile Defense College, Shaanxi Xi’an 710051, China)

A radar echo environment simulation system is designed based on intermediate frequency injection. It generates radar echo and jamming environment according to specified parameters. Firstly the signal model and propagation model of radar echo is established to simulate the distance, velocity, and angle of target. Then, the hardware technology architecture of computer, digital signal processor (DSP) and field programmable gate array (FPGA) is proposed, which makes the system realize the functions of target track, jamming parameters setting, radar working state calculation, target and jamming echo simulation, etc. Finally, the implemented system is connected to actual radar for experiments. The results prove that the system can simulate the radar echo of target and jamming environment, which effectively meets the needs of operator's training.

radar echo; jamming evironment; intermediate frequency injection; digital signal processor(DSP); field programmable gate array(FPGA); digital Σ-Δ network

2016-05-23；

2016-06-23 作者简介：盛川(1979-)，男，湖南益阳人。副教授，博士生，主要从事雷达干扰环境仿真及抗干扰性能评估方向的研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.01.030

TN955； TP391.9

A

1009-086X(2017)-01-0181-07

通信地址：710051 西安市灞桥区长乐东路甲字1号 E-mail：hidaicy@126.com