一种多功能宽带雷达目标与干扰模拟器设计

于卫刚，吴昌松，张德欣，左国银

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471000)

0 引言

随着现代雷达理论和技术飞速发展，雷达信号带宽越来越大，分辨能力越来越高，功能越来越强大，不仅能够准确捕获目标的位置和速度信息，还能获取目标的形状和运动特性，宽带雷达的目标回波与干扰模拟已经成为国内外雷达测试领域一个重要的研究方向。近年来，我国在雷达回波模拟方面取得了很大的进展，但在回波信号模拟器设计功能的全面性与结构的通用性、兼容性、可扩展性方面与国外相关产品还存在一定的差距。

DRFM技术使雷达相参干扰和目标回波模拟取得突破性的发展，可有效保留雷达信号的相参性，结合数字信号处理技术使模拟雷达回波信号特征更加精确、参数设置更加灵活，因此，DRFM已经成为雷达目标回波模拟的一个重要技术手段[1-7]。文献[8]设计了一种宽带雷达目标回波信号模拟器，基于FPGA+AD9957结构，最大输出带宽只有200 MHz；文献[9]采用单片机+CPLD结构设计了海事雷达视频回波信号模拟器，给出了模拟器电路框图以及前端硬件设计，并完成了工程实现；文献[10-12]将DRFM技术应用到无线电高度表大地目标回波模拟；文献[13]给出了无线电引信雷达回波DRFM模拟技术，文献[14]采用通用仪器设计了DRFM雷达目标模拟器，提高了模拟器的射频性能，但其工作带宽仅160 MHz，且基于通用仪器构建的模拟器系统成本较高；文献[15]基于宽带数字射频存储器和数字图像合成器，设计了一种高分辨雷达目标回波模拟器，采用去斜率处理来降低系统中频处理带宽，对其进行相应的调制后重构信号。随着现代高分辨雷达的输出带宽越来越高，雷达接收到的目标回波已不再是点目标，而是多散射点的扩展目标。另外，雷达性能测试是一个系统工程，要求雷达模拟器不仅能够模拟目标回波信号，而且能够模拟各种雷达干扰信号、噪声信号、杂波信号和背景电磁信号，真实客观的测试雷达的技战术性能。文献中提到的雷达回波模拟器大多不能满足现代高分辨雷达测试超带宽要求，且功能比较单一，只能模拟雷达目标回波信号。

本文设计的宽带雷达目标与干扰信号模拟器，能够根据目标的电磁散射特性及运动特性，不仅可以模拟点目标雷达回波信号，而且可以进行扩展目标雷达回波信号模拟，同时可以构建测试所需多种类型的噪声信号、干扰信号和背景电磁信号。系统采用VPX总线结构，实现设备的小型化设计，能够有效提高测试效率，节约人力、物力、财力和时间，对宽带雷达试验鉴定评估具有一定的推广应用价值。

1 总体方案

本文设计的多功能雷达目标与干扰模拟器可以为雷达测试提供多种类型雷达目标回波信号及电磁环境信号，可根据试验测试需求产生大量的假目标，逼真模拟雷达目标的空间特性和运动特性，模拟雷达在不同作战态势下的信号环境，检验雷达在近实战状态下对目标的搜索、跟踪、识别和抗干扰能力，以及在不同任务背景下任务管理和资源调度能力。

1.1 功能要求

多功能宽带雷达目标与干扰模拟器具备以下主要功能：

(1) 回波信号模拟功能：能够模拟产生雷达点目标、扩展目标回波信号，可以对接收到的雷达信号在时域、频域和能量域进行调制，重构目标回波信号，可实现脉间目标回波信号参数实时更新。

(2) 干扰信号生成功能：能够模拟产生欺骗干扰信号、密集假目标干扰信号、瞄准式/扫频式噪声干扰信号以及组合干扰信号。

(3) 雷达发射信号侦测功能：能够自动侦测雷达同步信号，同时可对雷达发射信号的频率、脉宽、重频、带宽、幅度等雷达信号参数进行测量。

(4) 操作控制与显示功能：能够控制各功能模块的开关机，可进行待机/自检/初始化/正常工作等工作状态切换，同时接收监视各模块工作状态信息。

(5) 场景设计功能：根据测试场景要求，能够灵活设计目标个数、目标航迹、干扰信号种类以及信号发出时间等参数，构建预定的试验测试电磁信号环境。

(6) 任务调度功能：主控计算机模块根据设定的场景，将任务分配给各功能模块，同时下发相应的工作参数，在预定的时间产生任务安排的目标和干扰信号。

(7) 过程监控功能：对模拟器的工作状态及任务完成情况进行实时监控显示。

1.2 方案设计

该雷达目标与干扰模拟器在技术体制上选择基于数字射频存储(DRFM)技术，在进行时间延时控制、多普勒频率调制、信号幅度调制后，实现对雷达目标回波信号与干扰的模拟。模拟器采用超宽带设计思路，覆盖L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段雷达。模拟器总体结构如图1所示，采用VPX总线结构，在射频模块设计时，综合考虑经济性和实用性，射频模块采用相同的外形结构和接口定义，实际使用时，根据测试要求，只需更换不同波段的射频模块，即可完成模拟器工作频段切换，该设计使模拟器可以共用除射频模块以外的其他数字模块、计算机模块、机箱及电源等部分，大大节约了研制成本。目标产生模块、欺骗干扰模块、密集假目标模块、噪声干扰模块基于软件无线电思想，硬件上采用相同的数字板卡，通用性、灵活性和可重构性强，能够根据不同测试任务，改变软件程序，即可完成回波模拟器功能的重新定义，例如：试验测试需要模拟的目标数量较多和目标类型比较复杂时，4块数字板卡均加载回波模拟程序，用于雷达目标回波模拟，若测试需要构建比较复杂的电磁环境，4个板卡可根据任务分配产生不同类型的干扰信号、噪声信号和背景电磁环境信号。

图1 雷达目标与干扰模拟器组成结构框图Fig.1 Structure diagram of radar target and jamming simulator

1.3 工作原理

宽带雷达目标与干扰模拟器工作原理如图2所示，射频模块首先对接收到的射频信号进行下变频，将得到的中频信号送给信号侦测模块，侦测模块进行脉冲检测，完成信号波形参数测量，根据检测结果提取同步脉冲到各信号产生模块，侦测模块还要根据信号测量幅度控制射频模块进行自动增益调节，同时对输入中频信号进行采样，通过数字下变频输出幅度基本恒定的基带波形信号到各信号产生模块。各信号产生模块接收侦测模块送到的雷达同步脉冲信号、雷达基带信号、状态与波形参数，按照预定设置对基带信号进行时间、频率和幅度调制，产生相应的中频信号通过射频模块上变频为射频信号，经发射天线进行辐射，完成雷达目标回波模拟和雷达测试电磁环境构建等功能。

2 关键技术

雷达目标与干扰模拟是雷达技术与数字信号处理技术相结合的产物，涉及了大量软硬件知识，模拟方法和实现手段也相对比较复杂，本文在设计多功能雷达目标与干扰模拟器时需要研究解决以下几方面关键技术。

图2 雷达目标与干扰模拟器工作原理框图Fig.2 Principle diagram of radar target and jamming simulator

2.1 高速数字信号处理平台技术

高速数字信号处理板卡需要完成对雷达信号的高速采集、实时存储、复杂调制、时序控制等功能，是模拟器的关键核心部件，其优劣直接影响雷达回波信号模拟质量，最终影响模拟器的整体性能。本文设计的雷达回波模拟器瞬时带宽高达1.2 GHz，要求ADC具有很高的采样速率，数据量大，对模拟器总线带宽和运算处理速度要求较高，传统的信息处理平台无法满足设计要求。本文采用VPX标准总线结构，其理论带宽可达到8 GB/s，具有强大的信息处理能力、I/O扩展能力，通用性和扩展性好。高速数字信号处理板以Altera公司的StratixV DS系列FPGA为核心，该芯片具有大容量逻辑单元(最高可达262 000个ALM)和专用数字信号处理模块(最多可达396个乘法器)，并且提供48对数据率高达14.1 Gbps高速收发接口，可以实现与SDA948高速8位A/D转换器和SDA9713RH 8位D/A转换器的良好匹配。模拟器主要包括2种高速VPX总线接口：第1种为ADC与DAC信号输入输出部分，雷达中频信号由高速ADC进行数据采集，生成的目标和干扰信号通过高速DAC转换为模拟中频信号，ADC与DAC均采用FMC接口方式接入系统；第2种为数字信号处理部分，主要由VPX机箱背板、数字信号处理板和主控计算机板组成，数据通过机箱背板进行高速互联。

2.2 扩展目标雷达回波信号重构方法

对于扩展目标雷达回波信号可以看作是雷达发射的脉冲信号经过一个系统后的输出，该系统的系统函数反映了雷达目标的电磁散射特性。本文通过分析典型扩展目标的散射特性，经过精确建模获得其随距离、视角、频率等参数变化的散射特性数据，作为扩展目标上各散射点的冲击响应序列。扩展目标雷达回波信号重构的基本思路是：通过高频电磁计算得到目标在某姿态下的RCS，通过一定带宽范围内的多频点RCS预估，计算得到目标散射特性数据；然后将接收的雷达发射信号与目标散射特性数据进行卷积得到扩展目标雷达回波信号，实现宽带雷达回波信号实时重构；最后经过时延控制和多普勒频率调制准确复现目标的电磁散射特性及其距离、速度等信息。扩展目标雷达回波信号重构的关键在于目标电磁散射特性数据的精确获取和宽带雷达信号的实时调制。

2.3 高精度/高分辨时延控制和多普勒频率调制方法

模拟器产生的雷达假目标的距离信息主要通过控制信号延迟来实现。具体过程为根据触发脉冲和连续时钟生成一个相对于触发脉冲具有精确延迟时间的时延脉冲，并且保持脉冲宽度不变，通过精确延时控制，产生多个独立假目标。本文充分利用高性能FPGA硬件资源，通过灵活配置不同数据位宽、不同存储深度的内部FIFO存储块，实现对雷达信号的精确时延控制。设计选用的FPGA内部具有大量独立的内部存储块，可以灵活方便的构造很多可调延迟单元，且FPGA内部存储块可以工作在较高的时钟频率上。因此，本文采用内部FIFO构造的延迟线可以达到较高的延迟精度，实现对雷达信号的高精度延时控制，逼真模拟雷达目标的运动特性。

模拟器产生的雷达假目标的速度信息主要通过多普勒频率调制来实现。传统的多普勒频率调制通常采用锁相环和移相器等模拟技术实现，不能保证频率调制精度。本文采用基于DDS的全数字多普勒频率调制算法，相比模拟混频，具有频率转换速度快、频率分辨率高、相位噪声低、频率稳定度高、控制灵活、节约成本等优势，该算法已在FPGA硬件平台上进行实现，满足在高采样率下的信号实时处理要求。

3 功能模块设计

宽带相控阵雷达目标与干扰模拟器采用VPX标准总线结构，主要由信号侦测模块、射频通道模块、目标产生模块、欺骗干扰模块、密集假目标产生模块、噪声干扰模块、主控计算机和电源等模块组成。

3.1 射频通道模块

射频通道模块设计为类似VPX板卡，占2个槽位，主要包含接收通道、发射通道、本振源、时钟模块及接口电路，接收通道对输入的射频信号下变频为中频信号；发射通道将多路中频信号合成(或者单独)上变为相应的射频信号输出，射频通道主要由选频组件、微波开关、滤波器、混频器、放大器、频率源等组成。

射频模块功能要求细化如下：

(1) 射频信号调控：对射频激励信号进行AGC可变增益控制，使输出到信号侦测模块的中频激励信号幅度基本恒定，充分利用ADC的有效位数。

(2) 射频激励信号下变频：产生本振信号对射频激励信号进行下变频，使中频信号中心频率基本为常数，有效地减小中频信号的带宽要求。

(3) 中频信号上变频：信号生成模块产生的目标和干扰(含噪声和欺骗目标)信号为模拟中频信号，射频模块要对其进行上变频，上变频采用与下变频相关联的本振信号，保证射频模拟信号的相参性。

(4) 射频功率控制：对射频信号进行功率控制，使射频信号的功率随目标运动和起伏特性实时改变，同时保证射频模拟信号的动态范围。

3.2 信号侦测模块

信号侦测模块采用数字技术实现，即中频数字化+高速数字信号处理技术。侦测模块不仅需要测量接收信号的频率、脉宽和重频，还需要提供幅度信息，为了保证被测雷达天线扫描的主瓣脉冲幅度不会超过侦测模块ADC的最大输入范围，需要在下变频前加入可变增益放大环节，并且在模拟器正常工作前，对被测雷达脉冲幅度进行扫描和搜索，以确定放大器最大增益。参数测量(频率、脉宽、重频、幅度)通过接口与控制电路输出，该接口可对信号侦测模块各部分进行控制和自检，同时将频率测量值提供给DDC完成数字下变频获取雷达基带信号。

信号侦测模块工作原理框图如图3所示，具体功能细化分解如下：

图3 信号侦测模块原理框图Fig.3 Block diagram of signal detection module

(1) 中频信号数字化：将中频激励信号进行高速AD变换为数字信号。

(2) 信号检测：对数字激励信号进行信号检测，并进行瞬时测频，同时输出同步脉冲信号。

(3) 数字下变频：利用测频结果对数字激励信号进行数字下变频(DDC)，得到数字基带信号。

(4) 波形参数测量：对基带激励信号进行波形参数测量，包括：脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲重复周期、脉冲频率等。

(5) 控制功能：侦测模块需要完成对射频模块的控制，包括自检工作方式控制、接收可变增益控制、本振频率控制与产生、合成加权控制、发射支路可变增益控制等。

3.3 通用数字板卡模块设计

为了简化硬件设计，减少硬件种类，减轻硬件调试工作量，目标产生模块、欺骗干扰模块、密集假目标干扰模块、噪声干扰模块和自检模块设计为通用硬件模块，采用6U VPX插卡形式，板上包括大规模可编程逻辑器件FPGA，同时具有大容量DDR3高速存储器，能够提供高性能计算能力、高速灵活的数据传输能力、灵活方便的系统管理和升级能力。数字处理部分与射频接口的控制信号通过背板连接器，中频信号和时钟信号用电缆连接到各个射频模块，通用硬件平台具备以下功能：

(1) 数据通信功能：接收信号侦测模块输出的了雷达基带数字信号。

(2) 信号侦测参数接收：接收信号侦测模块输出的信号频率信息和同步信号。

(3) VPX总线接口：主控计算机通过VPX总线控制每个模块，并监测各模块的工作状态信息。

(4) 大容量存储：用于存储的高速大容量存储器。

(5) DA变换：将产生的数字回波信号和干扰信号变换为模拟中频信号。

(6) 信号放大、滤波和衰减控制：用于将DAC输出模拟中频信号进行幅度放大、带通滤波以及根据输出信号的幅度要求进行数控衰减。

(7) 数字信号处理：根据模块功能要求，能够对输入的数字基带信号或者ADC采集的信号进行不同的数字信号处理。

3.4 目标与欺骗干扰产生模块

目标产生与欺骗干扰产生模块在信号产生通用硬件平台基础上，采用相同的软件设计方法，根据分配任务不同，模块可产生目标或者干扰信号，两者的差别仅在于幅度、轨迹等参数设置要求不同。点目标是独立运动的，扩展目标模拟实际是对多散射中心的模拟，各散射中心既具有独立性又具有一定的关联性，可以通过模型对目标各散射中心参数进行具体配置，实现对扩展目标的回波模拟。目标产生模块采用数字基带输入、模拟中频输出，原理框图如图4所示，主要包括同步电路、时间延迟模块、运动控制模块、多普勒信号产生模块、多普勒调制模块、幅度控制模块、幅度调制模块、信号合成模块、数字上变和D/A变换模块等。

3.5 密集假目标产生模块

密集假目标产生模块同样采用雷达数字基带信号输入，中频模拟信号输出的方式，其实现框图如图5所示。密集假目标干扰产生采用类似格形滤波器的结构，其中每格的延迟可根据需要在一定范围内设定，从而产生不同延时的多假目标。同时每一级都配置一个多普勒频率产生和幅度控制单元，从而可以产生不同多普勒频率和不同幅度的密集假目标，可以较为逼真的模拟目标点迹，达到预期效果。

3.6 噪声干扰产生模块实现

噪声干扰实现框图如图6所示，白噪声数字产生电路产生白噪声，设定可编程数字滤波器的带宽即可得到相应带宽的噪声干扰。若需扫描，由扫频调制器产生扫频信号，对噪声进行调制，便可得到扫频噪声干扰，最后经DOC和DAC得到中频噪声干扰信号。

图4 目标与欺骗干扰产生模块原理框图Fig.4 Block diagram of target and deception jamming generation module

图5 密集假目标产生模块框图Fig.5 Block diagram of dense multiple false targets generation module

图6 噪声干扰产生模块原理框图Fig.6 Block diagram of noise jamming module

4 试验与测试

基于DRFM技术完成研制的多功能雷达目标与干扰模拟器及其配属天线如图7所示。

图7 多功能雷达目标与干扰模拟器实物图Fig.7 Photographs of radar multifunction target and jamming simulator

为了验证该多功能目标与干扰模拟器的性能，在某雷达上进行了性能测试与验证。将模拟器架设在测试塔塔顶，距离地面高度约100 m，雷达距离测试塔约2 km，试验态势如图8所示。

图8 外场测试试验态势Fig.8 Field test situation

在雷达目标模拟测试中，设置的目标个数为5个，运动速度为400 m/s，在雷达P显上产生了沿径向运动的假目标，并且形成航迹。在密集假目标干扰测试时，雷达P显上出现了大量的密集假目标点，由于模拟器距离雷达相对较近，模拟器辐射的干扰信号从雷达波束主瓣和副瓣同时进入，因此在雷达扫描范围内均产生了假目标，能够有效检验雷达旁瓣匿隐、旁瓣对消等抗干扰能力。

图9 外场测试试验结果Fig.9 Field test results

5 结束语

本文给出了一种基于数字射频存储技术(DRFM)的多功能宽带雷达目标与干扰模拟器设计方案，并对其中的模拟器设计关键技术进行了说明，实现了宽带雷达目标与干扰信号的实时重构，能够为宽带成像雷达试验鉴定评估提供支撑。该设计充分利用设备硬件资源，在完成宽带雷达回波信号模拟的同时，可产生密集假目标干扰信号、欺骗干扰信号以及多种背景噪声信号，信号产生模块采用通用硬件板卡设计，只需改变软件程序，即可实现模块功能的重新定义，具有很强的灵活性和重构性，在开展雷达技战术性能测试试验时，不仅可以模拟宽带雷达目标回波信号，而且可以进行试验复杂电磁信号环境构建。模拟器采用小型化、模块化设计思想，进行了标准化、数字化和软件化设计，可以保证模拟器的通用性和可扩展性，具有较好的推广应用价值。