一种简易弹载雷达模拟器的设计*

李炜杰, 李尚生, 凌 祥, 张琳博

(1 海军航空工程学院, 山东烟台 264001; 2 91115部队, 浙江舟山 316000)

一种简易弹载雷达模拟器的设计*

李炜杰1, 李尚生1, 凌 祥1, 张琳博2

(1 海军航空工程学院, 山东烟台 264001; 2 91115部队, 浙江舟山 316000)

为解决导弹技术准备阵地中采用实装弹载雷达训练所致的高成本问题,介绍了一种简易弹载雷达模拟器的实现方法。该模拟器采用比相法测角技术、数字下变频技术、DSP控制技术和软件层次化设计技术等,实现了对回波信号的角度信息、距离信息和幅度信息测量功能。模拟器结构简单,实现成本低,能够代替实装雷达完成导弹技术准备训练,节约训练成本。

弹载雷达;比相测向;数字下变频;雷达模拟器;DSP

0 引言

弹载雷达是导弹武器系统的核心部件,现代弹载雷达由于大量采用高新技术,其结构复杂,价格昂贵。受机内关键部件使用寿命限制,弹载雷达开机工作时间有限,若在日常导弹技术准备训练中使用实装雷达训练,成本过高。

文中提出一种简易弹载雷达模拟器的设计方法,该模拟器具有实装弹载雷达的基本功能,但原理和结构简单,制造成本低。模拟器可以代替实装雷达与技术阵地的地面检测设备对接,完成导弹技术准备训练,在不影响训练效果的前提下,大幅度降低训练成本[1]。

1 总体设计

弹载雷达模拟器的基本功能是能够代替实装雷达与地面检测设备对接,完成导弹技术准备阶段的所有检测项目,且检测项目和技术指标与实装雷达完全相同。模拟器设计的基本原则是:①与地面检测设备的硬件连接接口形式、接口信号定义和电特性参数与实装雷达完全相同,能够代替实装雷达与检测设备对接。②与地面检测设备之间的信号交联关系,各类输入/输出指令之间的时序关系和逻辑关系与实装雷达完全相同。③与地面检测设备之间的射频信号交联关系与实装雷达完全相同,包括模拟器送到检测设备的雷达发射机耦合输出信号、雷达同步信号,以及检测设备送到模拟器的模拟目标回波信号和干扰信号。各射频信号的频率、调制方式和调制参数等与实装雷达完全相同。④对地面检测设备输出的模拟目标回波信号和干扰信号的感知能力与实装雷达相同,能测量回波信号和干扰信号的角度信息、距离信息和幅度信息,并且具有与实装雷达相同的多目标分选和识别能力。

根据上述设计原则,模拟器总体设计包括射频系统和控制系统两个部分。射频系统的作用是:①产生

射频脉冲序列模拟弹载雷达发射机的耦合输出,送给地面检测设备作为回波模拟器和干扰信号模拟器的时间和频率基准;②接收目标模拟器天线辐射的目标回波和干扰信号,对其进行混频和放大处理后转换为中频信号送给信号处理组件,提取模拟目标的角度信息、距离信息和幅度信息。射频系统由天线组件、射频接收组件和射频发射组件组成,如图1所示。控制系统的作用是接收来自地面检测设备的控制指令,并根据模拟目标回波和干扰信号的距离信息、角度信息和幅度信息,确定弹载雷达模拟器所处的工作状态(如搜索状态、跟踪状态、检查状态、跟杂状态等),向地面检测设备输出与其工作状态相对应的状态指令和模拟量信号。控制系统由高速数字信号处理芯片及其外围电路组成。

2 射频系统设计

模拟器射频系统包括天线组件、射频发射组件和射频接收组件三部分。射频发射组件由晶体振荡器和PIN调制器组成,产生载频为f0,脉冲宽度为τ,脉冲重复周期为T的射频脉冲序列,模拟弹载雷达发射机的射频耦合输出。同时向控制系统输出同步脉冲信号,作为测量模拟目标距离信息的延时基准。考虑到模拟器通用性对大工作带宽的要求,以及比相测角系统对单元天线相位中心稳定性的要求[2],模拟器天线组件采用两个宽带平面螺旋天线,与射频接收组件一起组成比相测角系统,测量模拟目标的角度信息。

假设两个相距为d的天线,接收来波方向θ的信号时,两天线接收信号的相位差为:

(1)

式中λ为工作波长。当天线间距d和工作波长λ固定时,来波方向θ和相位差φ之间的关系是固定的,通过测量相位差φ就可以实现角度信息测量。

2.1 射频接收组件设计

模拟器天线组件和射频发射组件比较简单,不作为文中的重点。下面主要介绍射频接收组件的设计。

模拟器射频接收组件由两路相同的超外差式接收通道组成。为了提高接收系统灵敏度,降低镜频噪声的影响,接收通道采用二次变频的设计方案[3],原理框图如图2所示。

接收机由射频放大模块、第一混频器、高中频滤波放大器、第二混频器和主中放模块等组成[4]。经混频、放大处理后的两路中频信号携带模拟目标回波的角度信息、距离信息和能量信息。两路中频信号在信号处理单元进行中频采样后转换为数字信号,然后由信号处理机进行DDC(数字下变频)处理、视频积累、恒虚警处理、接收机增益控制、延时信息提取、相位信息检测,提取模拟目标信号和干扰信号的距离信息、角度信息和幅度信息。DDC处理将中频数字信号与数字本振信号混频,生成含有视频分量的同相和正交两通道信号,通过低通滤波器和低频抽样,获得I、Q两路中频信号。视频积累处理采用512点的滑动积累器实现视频信号积累,以提高系统灵敏度和测角、测距精度。恒虚警处理采用前、后单元快速恒虚警设计,降低接收系统检测的虚警概率。接收机采用质心测距法对固定及运动目标进行精确测距,采用双波门设计,实现对目标及干扰信号的同时检测和目标分选处理。接收机通过在波门内进行信号幅度检测,并根据幅度信息对接收机增益进行控制,实现对接收信号的归一化处理,增大接收机动态范围。

2.2 接收通道设计

模拟器射频接收组件有两路相同的接收通道,其性能直接影响弹载雷达模拟器的主要技术指标。每路接收通道由射频放大模块、变频模块和主中频放大模块等组成,如图3所示。

1)射频放大模块。对输入微波信号进行低噪声放大,以提高接收系统灵敏度,由低噪声放大器、微波滤波器和衰减控制器等组成。衰减控制器是一个0/20 dB程控衰减器,用以提高接收系统动态范围。综合考虑接收系统灵敏度、噪声系数等指标,确定射频放大模块的主要技术指标为:①工作频率f0;②噪声系数Nf≤5 dB;③最大增益系数G≥23 dB;④工作带宽BW≥200 MHz。

2)变频模块。将来自射频放大模块的射频信号转换到便于处理的中频信号,由第一混频器、高中频滤波器、高中频放大器、第二混频器、低中频滤波器和放大器组成,如图3所示。为改善接收系统镜频抑制和变频杂散抑制效果,变频模块中第一中频取值fI1=1 760 MHz,第二中频取值fI2=60 Mz。根据模拟器接收系统总体指标,确定变频模块的主要技术指标为:①额定中频fI=60 Mz;②最大功率增益G≥10 dB;③镜频抑制不小于60 dB;④输出杂散抑制不大于-60 dBc。

3)主中频放大模块。对接收信号进行高增益中频放大,以满足信号处理单元ADC采样电路对中频信号的幅度要求,由低噪中频放大器、主中频放大器和幅相补偿电路组成。幅相补偿电路对两路接收通道间的幅度和相位进行补偿,保证两路接收信号的幅相一致性满足回波信号角度信息测量精度,同时对两路接收通道进行温度补偿,保证回波信号幅度测量精度。由精细步进衰减器和移相器组成。根据模拟器接收系统总体指标,确定主中频放大模块的主要技术指标为:①中频频率fI=60 Mz;②最大功率增益G≥80 dB;③中放带宽B=2.5 MHz;④增益稳定性不大于1 dB。

合理选择射频接收组件3个模块的技术指标,使弹载雷达模拟器的接收灵敏度不低于-96 dBm,采用射频前端衰减控制和接收通道增益控制技术,使模拟器接收动态范围不低于80 dB,满足模拟器总体指标要求。图4所示为采用ADS仿真软件对射频接收组件第一混频器输出信号频谱的仿真结果,图5所示为对射频接收组件输出中频信号频谱的仿真结果[5]。

3 控制系统设计

模拟器控制系统接收来自地面检测设备的控制指令,根据模拟目标回波和干扰信号的测量信息,判断模拟器所处的工作状态,并输出与工作状态相对应的状态指令信号(航战指令、高战指令等)和模拟量信号(距离电压和航向电压),由大规模FPGA及其外围电路组成。为简化系统组成,控制系统与射频接收组件中的信号处理单元共用一个FPGA。

3.1 控制系统硬件设计

控制系统由FPGA及ADC转换、脉冲整形、光电隔离与电平转换、DAC转换及RS422串行总线接口等外围电路组成,如图6所示。ADC转换电路将接收通道输出的两路中频信号采样转换为数字量信号,由信号处理芯片FPGA进行处理,提取模拟目标回波信号的距离、幅度和角度信息。光电隔离与电平转换电路将来自地面检测设备的各类控制指令转换为TTL电平形式,或将FPGA输出的TTL电平状态指令转换为27V/空、地/空等形式送给地面检测设备。DAC转换器将FPGA输出的数字量转换为两路模拟量(距离电压和航向电压)输出。RS422串行总线接口电路实现弹载雷达模拟器与地面检测设备之间的总线通信。

3.2 控制系统软件设计

控制系统设计的重点是软件设计。模拟器软件系统采用多层次体系结构,软件主体分为3层,如图7所示。最底层是基础层,包括操作系统,系统各硬件设备的驱动软件和格式化软件,部分硬件设备中间件,图形开发中间件等。第二层是支撑层,包括各类成熟的公用软件包或软件组件。最上层是应用层,是满足特定工作台功能及性能指标要求的应用软件模块,包括一个主控制软件、9个工作状态软件模块和10个功能软件子模块[6]。

主控制软件模块用来循环检测来自地面检测设备的控制指令和模拟目标回波、干扰信号测量参数变化,判断模拟器的工作状态,调用相应功能软件模块,输出与之相应的状态指令和模拟量信号。弹载雷达模拟器设计有低压搜索状态、检查I状态、检查II状态、低压跟踪状态、高压跟踪状态等9个工作状态软件模块和航战指令发出、高战指令发出、俯冲指令发出、航零指令发出、航向电压输出等10个功能软件子模块。图8所示为航零指令发出软件子模块流程图。

4 结论

弹载雷达模拟器采用比相法测角技术、DSP控制技术和软件层次化设计技术,实现了对模拟目标回波信号和电磁干扰信号的角度信息、幅度信息和距离信息的测量功能。模拟器可以代替实装雷达与地面检测设备对接,完成导弹技术准备训练。具有结构简单,实现成本低,使用寿命长,故障率低等特点,具有广泛的推广应用前景。

[1] 黄勇, 万明杰, 马士友, 等. 便携式地空导弹模拟导引头设计 [J]. 电光与控制, 2009, 16(7): 88-91.

[2] 刘亮. 雷达测角方法研究 [D]. 西安: 西安电子科技大学, 2013.

[3] 戈稳. 雷达接收机技术 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2006: 67-76.

[4] ARCHER W, LAI R， GOUGH R. Ultra-low-noise indium-phosphide MMIC amplifiers for 85-115 GHz [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2001, 49(11): 2080-2085.

[5] 徐兴福. ADS2011射频电路设计与仿真实例 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2014: 277-300.

[6] 戴逸民, 梁晓雯, 裴小平. 基于DSP的现代电子系统设计 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2002: 256-265.

TheDesignofaSimpleMissileBorneRadarSimulator

LI Weijie1, LI Shangsheng1, LING Xiang1, ZHANG Linbo2

(1 Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Yantai 264001, China; 2 No.91115 Unit, Zhejiang Zhoushan 316000, China)

In order to solve the problem of the high cost caused by adopting real missile borne radar in missile technical preparation position, an implementation method about a simple missile-borne radar simulator was put forward. The simulator used phase comparison angle measurement technology, digital down conversion technology, DSP control technology and software hierarchical design technology to achieve the measurement function of the angle information, distance information and amplitude information of echo signal. The simulator had the advantages of simple structure and low cost, which could replace the real radar to complete missile technical preparation training, and saved the training cost.

missile borne radar; phase comparison direction finding; digital down conversion; radar simulator; DSP

TN955.1

A

2016-07-27

电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室研究项目基金(CEMEE2016G0201)资助

李炜杰(1992-),男,广西钦州人,硕士研究生,研究方向:目标探测技术。