基于一种电子靶标的目标回波信号的设计与实现*

2018-04-19魏太林

火力与指挥控制 2018年3期

田颖，魏太林

（1.解放军91404部队，河北秦皇岛 066001；2.解放军92941部队93分队，辽宁葫芦岛 125000）

0 引言

随着我国军事战略思想的转变和未来战争形势的发展，海军的战略思想也由近海防御逐步向远海防御进一步发展，为了应对这种新情况的变化，对海军舰艇作战能力的要求也越来越高，人员素质要求也需要逐步提高。针对这种情况，海军舰艇部队在各种条件下的实弹射击演练已日趋增加，不断强化；海军舰艇部队进行高强度、接近实战的训练已进入规范化、常态化。这种规范化、常态化的训练，可以提高舰艇的作战能力、操作人员的心理素质和操作水平，进一步发挥舰载武器系统的作战效能。采用一种全新的电子式靶标系统为海军某型舰空导弹舰载搜索雷达、跟踪制导雷达［1］提供低空、高速、具有作战环境和战术背景的雷达目标回波信号，代替导弹发射导弹应答信号［2］，使整个训练过程可以连续、完整地进行，增加实际作战的现实感、实战感和紧迫感。这种靶标可以发射多批次目标回波信号，供部队进行连续抗击和转火射击等战术演练，能够加快提升战斗力。该电子靶标是一套接近实战、使用方便、费效比高的目标保障系统，改变了传统意义上的训练思维和训练方式，开创了利用电子靶标进行实战化训练的新模式，为作战部队军事训练提供了新的手段，具有显著军事和经济效益。

1 简要原理

该电子靶标主要由不同波段的雷达天线，收发设备，信号处理单元和控制系统等组成，通过接收舰上雷达发射的无线电脉冲信号，将接收到的高频信号进行下变频，变成中频信号。再将该中频信号送给中频信号处理单元进行处理，作为模拟目标回波的起始信号，通过信号处理单元进行延时、相参和多普勒处理后，再经过变频组合进行上变频，产生与舰上雷达相应波段、相参和多普勒处理的目标回波信号，最终通过天线发射给舰上雷达，作为运动的目标回波信号，供舰上雷达对该信号进行跟踪。作为电子靶标系统，模拟单个点目标或者是多个点目标，采用DRFM技术的相参雷达目标模拟器，存储转发、延时与多普勒调制，模拟目标的距离、速度参数等回波信号。为部队武器装备训练中应用靶标设备提供了创新思路。

2 数字射频存储单元设计与实现

2.1 数字射频存储（DRFM）系统的工作原理

数字射频存储单元是信号处理模块的核心，完成基带信号的存储、复制、调制和重构，提供乘法器和移位寄存器，对目标信号进行多普勒频移、距离延迟和幅度的调制。

DRFM系统的工作原理［3］是：射频信号经高速ADC采集后由FPGA实现的控制电路存储到QDR2存储器阵列中，用户可以根据需求通过用户接口控制FPGA、DAC和存储器阵列组成的恢复电路恢复出原射频信号，经上变频调制到所需频段。

基于DRFM的辐射式雷达多目标模拟器对硬件的处理能力提出了较高的要求。在以往的类似实施方案设计中，大都采用多DSP以及大规模可编程逻辑器件和高速存储芯片的结构。由于系统规模大，需要严格的时钟控制信号和大量的接口器件来保证它们能够正常工作，这给实际的设计和应用造成了许多困难。近年来随着FPGA性能的提高，使得其在完成普通逻辑功能的同时，能够完成多片通用DSP并行处理的功能，并带有大容量内部存储器和丰富的输入输出接口，为基于DRFM的多目标雷达模拟器的实现提供了新的解决方案。

2.2 DRFM信号处理过程设计

DRFM对信号的处理过程主要包括正交下变频、距离延迟、多普勒频移、正交上变频等几个重要节点。距离延迟通过数字存储实现。以下主要阐述正交下变频、多普勒频移、正交上变频的处理算法，DRFM结构示意图详见图1所示。

2.2.1 距离延迟相关参数算法

根据模拟目标批数n，AD665输出的基带数据直接复制n份，并行存储于n个存储器，同时存储器输出基带数据。输入数据的存储地址循环逐步步进，输出数据与输入数据地址的偏差由目标距离计算。在设计中以4批目标为例。具体计算过程如下：

Rmax=25 000 m为目标距离最大值，fs=30 MHz为基带数据采样率，vc=3e8 m/s为光速。

距离分辨率：

存储器深度取2幂次方，Lmemory=8 192，延迟控制接口位宽13 bits，距离分辨率5 m，可模拟最大距离值Rmax=40 955 m。存储器位宽14 bits。

2.2.2 多普勒频移算法

接收到的雷达射频信号［5］：

正交下变频后的基带数据：

假设目标的多普勒频率为ωd，那么基带信号sc（t）多普勒频移后的信号sd（t）为：

2.2.3 正交上变频

对sd（t）信号正交上变频：

2.3 回波信号相参性设计与实现

舰载搜索雷达和跟踪雷达为相参脉冲雷达，采用全相参体制［4］，这就要求系统模拟的目标回波信号具有尽可能高的相参性，即不但在同一个重复周期内出现在不同时间区间的信号之间具有相参性，而且各周期中出现在相同时间区间的信号之间也具有相参性。相参性能主要体现在输出信号相对于输入信号的相位噪声恶化上。影响系统相参特性的一个重要因素就是模拟产生的目标回波信号的相位不连续性，因此，相参性是系统设计中重点考量的一项重要指标。

相参性要求系统发射信号的频率与接收信号频率一致，这就需要频率合成器为发射机和接收机提供上变频和下变频所需的高稳定度、低相噪的本振信号和高稳定度的时钟。

DRFM采用全脉冲存储，就是存储器将输入脉冲信号全部存储。根据实际需要，在给定时刻读出存储数据，由D／A重构信号。用这种方式工作的数字射频存储单元，输出信号的频率与输入完全相同，因此，有极高的相参性。基于全脉冲存储的数字射频存储单元输出信号在脉冲群内大部分时间里具有相参性，仅在因取样时钟的不稳定和它与输入信号重复周期的异步关系而引发的随机时间里不能保证相参性能，将导致脉冲包络有微小的随机抖动，不过这是雷达难以发现的。

本振、采样时钟、量化误差对系统相参性都有影响。由于上下变频的本振相同，故本振频率和初相对最终输出目标信号相位的影响会抵消。本振频漂对相参性的影响主要取决于本振频率稳定度和数字射频存储单元单次转发延时。

采样对相参性的影响主要由采样时间的频漂和采样与重构时刻差异性造成。重构信号的操作会将采样时钟的频漂转嫁到输出信号上，但一般情况下基带信号频率总是远小于本振频率，所以采样时钟的频漂影响很小。采样与重构时刻差异是对相参性影响的主要原因。

量化误差会直接影响输出信号的相参性，对于m比特的数字射频存储单元，其信号相参性不会超过。经过计算，1比特的相参性不低于30°，6比特DRFM相参性可优于0.9°，系统采用14比特，故其影响可以忽略。

通过上述分析，使用稳定性高的频率源，减少系统不必要的延时是对相参性改进的有利措施；减少时刻差异可以有效减少采样对相参性的影响；提高系统量化位数可以提高相参性。

2.4 多批次目标模拟技术

DRFM的主要功能是对基带信号的存储、复制、调制和重构，提供乘法器和移位寄存器，实现目标信号的多普勒频移、距离延迟和幅度控制等。在多目标模拟时，因每批目标的距离、速度等特性不尽相同，需要先生成各批次目标信号，然后对各批次目标的信号分别处理，叠加上目标的距离和速度等特性参数，最后合成、调制输出。多批次目标模拟对DRFM硬件的处理能力提出了较高的要求，DRFM不仅需要快速的处理速度，同时也需要大的存储空间以及快速的存储速度来保障对射频信号的存储、复制以及调制等处理。

为了系统的相参性，DRFM模块采用全脉冲存储，就是存储器将输入脉冲信号全部存储，在多批次目标模拟时，大大增加了存储需要。存储器用于多批次目标信号的存储，以目标4批次为例，搜索雷达和跟踪雷达两个基带信号，V、Q两路数据位宽各16 bits。抽取后基带信号速率30 MHz。目标最大距离25 km，需要的存储容量为1.28 Mbits。

目标信号的多普勒频移通过由DDS核产生的多普勒频率正弦、余弦信号与目标信号复数相乘实现。4批次目标，两个基带信号，需要8个DDS核。一个速度多普勒频移需要4个乘法器，8个多普勒频移需要32个乘法器。

多批次目标模拟的实现采用并行处理，系统的规模与复杂度成倍数增加，需要严格的时钟控制信号和大量的接口器来保证它们能够正常工作，这给实际的设计和应用造成了许多困难。

通过分析研究，采用Xilinx公司的XC7A100T-1CSG3241FPGA作为主处理芯片，该芯片能够提供4.86 Mbits大容量的内嵌RAM，拥有乘法器240个，可以满足多目标生成的处理要求。FPGA实现变频功能具有灵活的特点，其突出的并行处理能力特别适用于多批次目标的数字变频。