脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器校准技术研究

邓倩岚 陆忠杰 辛 康

（1．上海精密计量测试研究所，上海201109；2．上海航天电子技术研究所，上海 201109）

1 引 言

雷达导引头目标回波模拟器作为导弹半实物仿真测试系统的一个重要组成部分，主要用途为产生包含雷达导引头目标距离、速度等特征信息的回波信号，用于在实验室条件下模拟雷达导引头飞行工作状态，考核验证导引头工作性能指标［1-3］。雷达导引头目标回波模拟器属于型号专用测试设备，其量值准确与否直接关系到雷达导引头地面试验是否准确和可靠。为解决某型脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器校准及量值溯源问题，本文提出采用软件无线电技术［4］，使用频谱仪、示波器及计算机组成校准装置硬件系统，使用LabVIEW实现信号的数字正交解调及参数提取算法，从而实现雷达导引头目标回波模拟器的峰值功率、多普勒频率及延时等参数的校准。

2 目标回波模拟器工作原理

目标回波模拟器主要功能是根据直波信号产生包含雷达目标距离、速度等特征信息的回波信号，并能够实时地对回波信号的频率、延迟时间、功率幅度进行控制，以模拟实际环境中雷达导引头所接收到的目标回波信号［5］。本文被校雷达导引头目标回波模拟器采用脉冲多普勒体制，其直波信号形式为脉冲线性调频信号［6］，如式（1）所示：

式中：P（t）——宽度为τ幅度为1的单个脉冲；T——脉冲重复周期；Ut——脉冲幅度；f0——载波频率；φ0——载波信号初相；k——斜率，即载频随时间的变化率。

目标回波模拟器对上述直波信号进行幅度衰减、延时及多普勒频率偏移后形成回波信号，如式（2）所示：

式中：Ur——回波信号脉冲幅度；fd——弹目相对运动形成的多普勒频率；τ0——距离延时。

雷达导引头根据多普勒频率fd提取弹目相对运动速度信息，由距离时延τ0提取弹目相对距离信息。式（2）所示回波信号的脉冲幅度、多普勒频率及延时参数即为目标回波模拟器所需校准参数。

3 目标回波模拟器校准装置研建

为实现目标回波模拟器的校准，本文研建了一套脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器校准装置。该装置由FSU26频谱仪、DPO7104示波器及计算机组成，校准装置硬件组成框图如图1所示。

图1 目标回波模拟器校准装置硬件框图Fig.1 Hardware block diagram of target echo simulator calibration device

图1中，被校目标回波模拟器回波信号输出端口连接到FSU26频谱仪的射频输入端口，使用频谱仪将目标回波模拟器输出的回波信号下变频到404．4MHz中频，频谱仪中频输出端连接到DPO7104示波器通道1，使用示波器对中频信号进行采样及A/D转换得到数字中频信号，将被校目标回波模拟器输出的同步脉冲信号连接到DPO7104示波器通道2作为触发同步信号，计算机通过GPIB总线与示波器相连，在计算机中使用Lab-VIEW软件实现对示波器中的数字中频信号读取、数字正交解调及参数提取算法，从而完成参数校准。校准时，为利用频谱仪的下变频功能，应将频谱仪的频率跨度设为0Hz，中频带宽设置应大于回波信号带宽，为实现信号无失真的解调，根据带通采样定理，示波器的采样率设置应大于两倍的回波信号带宽。

4 目标回波模拟器参数校准方法

如图1所示，被校回波信号经过频谱仪下变频及示波器采样得到数字中频信号，此数字中频信号为脉冲线性调频信号，为实现各参数校准，首先应对数字中频信号进行解调，本文采用软件无线电技术实现数字正交解调算法，完成信号的软件解调及参数提取。

4.1 数字正交解调算法原理及实现

采用软件无线电技术实现数字正交解调算法，首先是使用数字下变频技术完成信号正交分解及低通滤波，得到基带的复信号，然后根据不同的调制方式，对基带信号进行相应处理，从而解调出调制信号［7］。数字正交解调算法原理如图2所示。

图2 数字正交解调算法原理图Fig.2 Schematic diagram of digital quadrature demodulation algorithm

如图2所示，cosωcn及sinωcn为本地载波的同相分量及正交分量，LPF为低通滤波器。接收到的数字中频信号分别与cosωcn及sinωcn相乘并进行低通滤波完成数字下变频形成I、Q两路正交基带信号，解调算法利用两路正交基带信号计算出信号的幅度和频率。设接收到的数字中频信号为：

式中：ωc——载波频率。

将图2中本地载波频率设为ωc，数字中频信号经混频后可得到I、Q两路正交信号，得到：

I（n）、Q（n）信号经低通滤波后得到：

通过对IL（n）、QL（n）进行计算可分别得到信号的幅度及瞬时频率。由式（2）可知，回波信号的延时信息包含在回波信号幅度即脉冲包络中，在提取延时参数时利用式（8）可计算出回波信号的脉冲包络：

回波信号采用脉冲线性调频体制，IL（n）、QL（n）两路正交基带信号利用式（9）可计算得到回波信号的瞬时调制频率及其与时间的对应关系，从而可以评估回波信号脉内线性调频的频率变化线性度。

本文使用LabVIEW软件实现数字正交解调算法，算法实现的关键在于载波同步，即本地载波应与接收信号的载波同频同相［8］。本文利用Lab-VIEW软件中的单音提取子vi获取接收信号载波的频率及相位，并利用提取的频率及相位构建图2中本地载波的同相分量cosωcn及正交分量sinωcn，从而解决了数字正交解调算法中本地载波的同步问题。

4.2 延时参数校准

由式（2）可知，延时参数对应于回波信号的脉冲包络延时，此脉冲包络为一周期脉冲信号，根据周期脉冲信号的频谱可知，脉冲包络由基波和各次谐波组成，脉冲包络的延时等于其基波的相位延时，因此可利用脉冲包络的基波相位差计算回波信号的延时参数，计算公式如式（10）：

式中：φ0,f0——延时为0时脉冲包络基波的相位和频率；φτ——延时为τ时脉冲包络的基波相位。

脉冲包络的基波相位及基波频率使用Lab-VIEW软件中的单音提取子vi从由式（8）计算得到的脉冲包络中获取。校准时，首先设置被校目标回波模拟器延时为0，使用软件获取此时脉冲包络的基波相位φ0及频率f0，然后设置被校目标回波模拟器延时为τ，并提取此时脉冲包络的基波相位φτ，最后使用式（10）计算得到延时参数值。延时参数校准软件界面如图3所示。

4.3 多普勒频率校准

被校目标回波模拟器通过对式（1）所示直波信号的载频增加一个值为fd的频偏实现弹目相对运动速度的模拟，此频偏fd即为多普勒频率。由式（1）、式（2）可知，多普勒频率为回波信号和直波信号的载频之差，因此可通过获取加载多普勒频率前后的信号载频并将前后获取的两个载频相减得到多普勒频率实现校准。本文使用LabVIEW软件实现从示波器获取的数字中频信号的FFT变换得到信号的频谱，并从信号频谱中提取载频，通过合理选择软件的窗函数及增加示波器采样点数来减小FFT变换的频谱泄漏及栅栏效应影响，从而提高频率测量准确度。校准时，首先设置被校目标回波模拟器多普勒频率为0，使用软件获取此时信号的载频f0，然后设置被校目标回波模拟器多普勒频率为fd，并提取此时信号的载频f1，最后将提取的两个载频相减得到多普勒频率测量值。多普勒频率参数校准软件界面如图4所示。

图3 延时参数校准软件界面Fig.3 Delay parameter calibration software interface

图4 多普勒频率参数校准软件界面Fig.4 Doppler frequency parameter calibration software interface

4.4 脉冲幅度参数校准

脉冲幅度参数即式（2）所示回波信号的脉冲峰值功率。脉冲峰值功率测量可使用峰值功率计实现，但是由于峰值功率计受宽带噪声影响导致其测量的动态范围较小，不能满足被校目标回波模拟器的指标要求，因此本文使用频谱仪实现被校目标回波模拟器的脉冲峰值功率校准。脉冲峰值功率定义为脉冲调制信号峰值处的电平值，因此按照定义可以对被测信号进行峰值检波并在检波包络上进行采样得到峰值功率测量结果。由频谱仪的构成原理可知，其视频输出功能能够实现对被测信号的检波［9］，因而可以使用频谱仪直接测量脉冲调制信号的峰值功率。测量时频谱仪中心频率设为载波频率，扫频宽度设为0，检波器设为峰值检波，此时频谱仪显示的是幅度为脉冲包络的时域信号，选择视频触发功能并设置合适的触发电平使信号稳定的显示在频谱仪上，为避免信号失真频谱仪的分辨率带宽应足够大以使信号的大部分频率分量通过，扫描时间的设置应大于脉冲重复周期以使至少一个周期的脉冲信号显示在频谱仪上，使用峰值标记功能直接读取脉冲峰值功率测量结果。如图5所示，使用频谱仪测量脉宽为100μs、周期为1ms、载频为1GHz的脉冲调制信号的峰值功率测量结果。由于测量时频谱仪分辨率带宽可调，能有效抑制频谱仪的底部噪声，增加其测量的动态范围，因而可满足被校目标回波模拟器的指标要求。

图5 脉冲峰值功率测量结果Fig.5 Pulse peak power measurement results

5 校准装置验证

为了对校准装置进行验证，本文使用81101A脉冲源和E8257D微波源组成信号发生装置产生脉冲线性调频信号作为被测信号，验证框图如图6所示。

图6 校准装置验证框图Fig.6 Calibration device verification block diagram

如图6所示，设置E8257D微波源产生线性调频信号，同时设置E8257D微波源为外脉冲调制，使用81101A脉冲源输出的脉冲信号对E8257D微波源产生的线性调频信号进行脉冲调制从而产生被测脉冲线性调频信号。被测信号的延时参数通过调节81101A脉冲源延时设置进行模拟，多普勒频率及脉冲幅度通过调节E8257D微波源频率及电平进行设置。

校准装置延时参数验证使用标准延迟电缆实现，首先使用网络分析仪对标准延迟电缆的延时进行标定，然后将标准延迟电缆连接到图6所示微波源输出端及频谱仪输入端之间，使用校准装置测量标准延迟电缆的延时量，将校准装置测量结果与网络分析仪标定值进行比对完成延时参数验证。多普勒频率参数验证使用矢量信号分析仪实现，使用矢量信号分析仪测量E8257D微波源频率变化前后被测信号频谱的偏移量，将测量得到的偏移量与校准装置测量结果进行比对完成多普勒频率参数验证。脉冲幅度参数验证使用测量接收机实现，由脉冲峰值功率定义可知峰值功率与未调制时的载波功率相同，因此验证时设置E8257D微波源输出连续波信号作为被测，分别使用测量接收机及校准装置测量连续波信号的功率，并将测量结果进行比对完成校准装置脉冲幅度参数验证。通过上述验证试验表明本文研建的校准装置技术指标满足某型脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器的校准需求。

6 结束语

本文提出采用软件无线电技术建立校准装置实现某型脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器的校准。校准装置由频谱仪、示波器等校准仪器与计算机组成，使用GPIB总线实现校准仪器与计算机之间的通信，使用LabVIEW软件平台开发校准软件完成校准仪器的自动控制及测量，减少手动操作引入的测量误差。利用频谱仪和示波器实现被校信号射频到中频的转换及A/D转换，使用软件实现复杂调制信号的参数提取和校准，实现了对脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器的便捷、快速、准确的校准，进一步保障了该类专用测试设备试验、验证和生产、维护保障等的综合质量。

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