带干扰雷达型目标模拟器校准方法

易 磊，严宜强，李 淼

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

0 引 言

目标模拟器是武器系统半实物仿真平台的重要组成部分。近年来随着针对武器装备实战化的要求的提出，带干扰雷达型目标模拟器被更多地应用于武器装备半实物仿真实验，干扰类型包括速度拖引、距离拖引、噪声干扰及各种复合干扰等[1-2]，部分雷达型目标模拟器还具备模拟如地杂波、海杂波、其他干扰源等复杂电磁环境的模拟功能[3]。

随着目标模拟器功能的不断完善，也需要不断提升与之相匹配的校准能力，而目前国内尚无针对雷达型目标模拟器的校准规范。带干扰雷达型目标模拟器的输出信号中既包含目标信号也包含干扰信号，行业内通常基于标准仪器实现目标信号的校准。目标信号包含距离、速度、幅度等参数信息：距离参数通过示波器在时域测试中获得，等效计算到目标距离上；幅度参数通过频谱分析仪或功率计直接测试得到；速度参数通过测试多普勒频率获得，等效计算到目标速度上[4]；部分具有多通道相参功能的目标模拟器，基于网络分析仪实现通道间幅相一致性的测试[5]。当前目标模拟器校准的难点主要集中在干扰信号特性分析上：对于部分干扰模式，如应答式干扰或阻塞式干扰，还可以基于频谱分析仪获取干扰信号特征[6]；但对于速度拖引、距离拖引、地海杂波等干扰模式，由于其干扰信号属于时变信号或时频特征信号，单纯地从频域或时域分析，难以有效表征干扰信号特征。目前国内外较为常见的作法，是基于假设检验的方法，评估干扰模型结果与目标模拟器实际输出结果的一致性[7-9]，但这种方法只能用于定性分析，无法准确评判目标模拟器的性能。

本文针对带干扰雷达型目标模拟器，在分离目标信号与干扰信号的基础上，基于软件无线电的思想开展校准技术研究，通过预设模型解算还原干扰信号的方式，实现带干扰雷达型目标模拟器的校准[10-12]。

1 雷达型目标模拟器工作原理

雷达型目标模拟器工作原理如图1所示，雷达探测信号进入目标模拟器后，经下变频转为中频信号，进入基带信号产生与正交调制单元，在原探测信号基础上生成了包括目标速度信息、距离信息以及干扰信号与战场环境信息在内的基带回波信号，经上变频单元混频输出至发射天线。

图1 雷达型目标模拟器原理图

基带信号产生与正交调制单元是雷达型目标模拟器的核心模块，其基于DRFM（数字射频存储器，以下简称DRFM）技术，通过对中频信号的高速采样、存储、处理和重构，实现中频注入式雷达回波信号的模拟。DRFM中内置多种目标与干扰信号模型，可根据需要生成所需的各种目标与干扰信号，进行基带数字信号合成处理，模拟目标信号相对雷达发射载频的幅度、延迟、多普勒频率的变化，产生单重或双重欺骗式干扰信号及各种组合式干扰信号等[13-15]。

2 校准装置研建

目标模拟器最终输出的微波信号分两路：其中一路进入变频单元下变频为中频信号，然后进入高速数据采集单元，将中频信号进行数字化处理，最后基于基带数据的分析、解算，评价目标信号与干扰信号的性能[4]；另一路直接进入信号分析仪，完成部分目标模拟器性能参数的校准。

校准系统中微波源的输出信号用来模拟雷达发射机的发射信号，该信号馈送至目标模拟器的射频输入端，脉冲源的输出模拟发射机的脉冲调制信号，目标模拟器参照设定要求生成带干扰的回波信号，按照不同频段分两路输出。

信号分析仪用于在频域分析目标模拟器输出的回波信号，完成目标特性的分析，涉及功率、频率、调制等参数；测控单元包括双路变频单元、快速测频机、捷变频频综、高速数据采集单元、实时存储单元等，主要实现双频段的下变频，并将下变频后的信号按工作流程要求送至高速数据采集单元；高速数据采集单元用于在时域采样速度拖引信号、距离拖引信号和噪声信号等干扰信号，瞬时带宽可达1 GHz，能实时存储干扰工作周期内的大容量采样数据；工控机内置I/O、RS485、LVDS、光纤卡及GPIB等板卡，用于整个装置的功能设置、通信控制、数据传输、数据处理、计算分析、报告生成等。

带干扰雷达型目标模拟器校准系统基于软件无线电思想，通过采样、数据分析可以获取目标信号脉冲延迟、PRF(脉冲重复频率，以下简称PRF)和脉冲前后沿等参数数据。将采样数据导入预设干扰信号模型分析，可以得到干扰信号的拖引周期、驻留时间、拖引速度、拖引多普勒频偏、距离拖引时延等参数，对照相应的技术指标，可判断目标模拟器的技术状态是否满足要求。

3 数据采样与存储

3.1 数据采样平台

校准系统中的基带处理单元部分基于QPlat平台，QPlat平台是在集成了XILINX公司的system generator与ISE开发工具的基础上，结合了部分系统API函数开发的专用数据采样平台，便于以模块化与可视化的方式进行数字信号处理，实现高速数据采样的灵活配置与实时控制。基带处理单元进行数据处理可以看做是被校准目标模拟器DRFM的逆运算，当被测对象开始释放回波的时候同时也向校准系统发送同步信号，校准系统自动接收同步信号作为数据采集的启动信号，基带处理单元负责存储回波信号数据，时标以同步信号为准，同步信号可以是帧同步信号也可以是脉冲信号，校准系统可以同时使用多个同步信号来保证数据流的时标对齐，并引入修正参数实时修正因校准电缆、接头等因素引入的时标误差。

3.2 数据采样

数据采样采用数字正交采样技术，该技术可以完整保留信号复包络的幅度、相位等信息，其原理如图2所示。

图2 数字正交采样原理图

雷达发射信号为一个窄带信号，假设为：

经AD采样后，变成数字信号：

通过混频技术，可得到信号的正交变量，数字信号正交混频的I路可表示为

Q路可表示为

两路信号经正交混频后，进行低通滤波，滤除多余的频率后，抽取输出IQ信号。

时域信息由数据采样和存储的节拍决定，如信号不延迟，采样到的数字序列信号在存储器中无操作，如图3中1所示；信号延迟t，采样到的数字序列信号在存储器进行空间移位操作，直到第m个空间取出，如图3中2所示；如信号延迟t+Δt，采样到的数字序列信号在存储器进行空间移位操作，直到第m+m'个空间取出，如图3中3所示。

其中：

图3 数字序列在存储器中的操作图

式中：R——目标与雷达的距离；

c——光速；

t_clock ——时钟周期。

当X0从m中取出时，信号产生延迟mt_clock=t，由于施加了干扰，X0从m+m'中取出，信号延迟（m+m'）t_clock=t+Δt，根据Δt的变化可以解算出距离拖引干扰信号的干扰拖引周期、干扰驻留时间、拖引时延、拖引速度等参数。

3.3 数据存储

数据信号流程如图4所示，经过离散后的数字信号以定义好的数据格式存储在基带处理单元中的闪存阵列中，系统采样率最低2 MHz，最高可达2.4 GHz，可以满足不同目标模拟器测量准确度的要求。由于采样率和采样时长的不同，数据存储文件的大小也不同，如果是低采样率的数据文件，可以直接调用主板机资源进行处理，如果采样率过高，或是采样时长过长，就需要通过光纤将采样数据上传至上位机中，充分利用上位机资源进行分析解算，这样的数据处理方法可以缩短解算时间，提高系统效率。

图4 数据信号流图

4 基于固有模型的参数解算

4.1 干扰信号模型分析

以速度拖引干扰为例，已知目标回波模型为：

式中：Ar——目标回波信号的幅度；

f0——载频频率；

fd——多普勒频率；

c——光速；

R(t)=R0-vt——目标与雷达径向距离；

R0——目标与雷达初始距离；

v——目标与雷达相对速度。

速度拖引干扰（VGPO）也称速度波门拖引干扰，其干扰模型[16]为：

式中：As——速度拖引干扰的幅度；

f0——载频频率；

fd——多普勒频率；

c——光速；

Δfd(t)——多普勒频移。

其中vf为匀速拖引时的速度。

带干扰雷达型目标模拟器按上述模型生成目标与干扰信号，由上述公式知道，目标与干扰均是时间t的函数，根据仿真或试验需要，设置幅度A、目标与雷达初始距离R0、目标与雷达相对速度v、拖引速度vf等参数，在干扰模拟源的DRFM中按照上述函数关系，采用FPGA实时计算，即可生成目标信号Sr(t)与干扰中频基带信号Ss(t)。

4.2 信号解算

信号解算基于Matlab实现，以速度拖引干扰为例，通过读入预先定义好的Dat格式数据文件，以1 ms时间间隔进行数据采样点筛选，形成离散的数据序列，对关心的关键数据段和数据起始点进行选取，匹配预设的速度拖引干扰数据模型，借助FFT工具包，就可以解算出目标信号与干扰信号。

校准系统在分析模拟源实际输出的目标信号与干扰信号的基础上，通过得到Δfd(t)、Δ(t)在时间轴上的变化曲线，即可解算出拖引周期、保持时间、多普勒频偏、拖引速度及距离时延等参数，如图5所示。

图5 速度拖引干扰多普勒曲线变化示意图

4.3 校准结果

选取一台典型的带干扰雷达型目标模拟器进行校准，并对校准结果进行不确定度评定，这里给出捕获时间、拖引时间、保持时间与关机时间的不确定度评定过程如下：

分析上述参数的测量结果的影响因素，有部分因素影响较小，如AD转换信噪比、转换速率、量化灵敏度等，这里不予考虑；AD芯片采集过程中的窗口值，在单次采集过程中是保持不变的，因此对于上述延时类参数的测量结果不会引入不确定度分量；被校目标模拟器性能稳定，多次校准结果一致性较好，因此不考虑测量结果重复性的影响。综合考虑，上述参数测量结果的主要不确定度分量有如下5个方面：

1）AD采集时序引入的不确定度分量u1；

2）连接电缆延迟补偿测量结果引入的不确定度分量u2；

3）脉冲重复频率（PRF）起始点定位准确度引入的不确定度分量u3；

4）脉冲上升下降沿坐标定位准确度引入的不确定度分量u4；

5）模型解算取样周期引入的不确定度分量u5。

AD采集时序引入的不确定度分量取决于参考时钟，本系统参考时钟源于外部微波信号源提供的10 MHz参考信号，其频率准确度为3×10-8，AD时钟为2.4 GHz，服从均匀分布，因此引入的不确定度分量为：

连接电缆延时数据采用矢量网络分析仪E8363B测得，测试频率孔径设置为40 MHz，服从均匀分布，参照E8363B技术手册，延时数据引入的不确定度分量为：

脉冲重复频率（PRF）起始点定位准确度与脉冲上升下降沿坐标定位准确度引入的不确定度分析方法相同，在脉冲前后沿模数转化量化过程中，设置采样率为10 MHz，最大量化差异为一个采样点，服从均匀分布，其引入的不确定度分量为：

模型解算取样周期，是参照校准系统性能指标要求与计算时间综合确定，算法最小时间单元为100 000/采样率，服从均匀分布，在采样率设置为10 MHz的情况下，计算模型解算取样周期引入的不确定度分量为：

上述分量相互独立互不相关，取k=2,计算扩展不确定度为：

其他参数的不确定度评定参照上述方法进行，这里给出一个典型的带干扰雷达型目标模拟器主要参数的校准结果，如表1所示。

表1 带干扰雷达型目标模拟器校准结果

5 结束语

本文介绍了一种带干扰雷达型目标模拟器的校准方法，该方法基于软件无线电的思想，通过对中频注入信号的数据采样、存储、分析，参照固有的干扰信号模型解算出目标模拟器的目标特性参数和干扰信号参数，实现了带干扰雷达型目标模拟器的校准。该方法灵活性高、扩展性好，可应用于较为复杂的目标模拟器的校准。该校准系统目前仅开发了针对固有模型的干扰信号分析，对包含如像地杂波、海杂波以及复杂电磁环境在内的干扰信号，尚未实现校准功能，这也是该系统后续功能扩展的方向。