一种基于VPX架构的多通道雷达回波模拟器设计

吕雅柔, 卢岩辉, 谢玉龙

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 引言

雷达是电子战中最重要的信息获取装备[1]。在雷达系统的研制过程中,需要在各种复杂电磁环境和目标特性条件下对其进行全方位的测试和验证。随着雷达系统功能和性能的不断提升,对系统测试的复杂度及测试精度提出了更高的要求。传统的数字阵列雷达单通道射频模拟器一般只能够模拟单一目标,且无法准确模拟目标相对雷达的角度变化[2]。如果想要准确模拟目标和干扰角度的快速变化,则需要构建微波远场暗室环境下的射频半实物仿真系统,构建成本过高,且测试覆盖性受到半实物仿真天线阵面口径和阵元数量的限制。本文构建了一种多通道雷达中频回波模拟器(以下简称雷达回波模拟器),以在实验室全面评估数字阵列雷达核心处理电路的性能为设计初衷,去除被测数字阵列雷达系统的阵列天线和射频电路,直接通过电缆将多路中频模拟信号馈入被测系统,能够实现目标轨迹模拟、目标距离延时模拟、多普勒频率模拟、转发式干扰模拟等功能。

1 多通道雷达回波信号建模

随着雷达系统的发展,雷达测试系统的目标模拟已经从理想点目标转换为具有多散射点的扩展目标。大多数雷达工作在高频频段,其工作波长远远小于目标的尺寸[3],所以扩展目标的回波可以等效为目标不同位置上散射点对应回波的叠加,即雷达发射信号经过一个线性时不变系统。因此,扩展目标的回波信号R(t)可以表示为发射信号S(t)与对应的系统冲激响应h(t)的卷积,即

其中,系统冲激响应h(t)应包含目标的散射点等信息,可以表示为

式中:N为散射点数量;an,τn,fD n分别是第n个散射点对应的回波信号幅度、距离延时和多普勒频率;δ(t-τn)为τn时刻的冲激函数。

一般情况下,扩展目标的多普勒展宽不会超过雷达频率分辨率[4],所以只需要考虑目标几何中心的多普勒频移。而距离延时则可以分为一维距离像上各散射点相对目标几何中心的距离延时和目标几何中心相对于雷达的距离延时。根据式(1)和式(2),R(t)可以表示为

式中:fD和τ0分别是扩展目标中心对应的多普勒频率和距离延时;τn是一维距离像上第n个散射点相对目标几何中心的距离延时。

另外,考虑到数字阵列雷达每个阵元接收到的回波信号之间存在相位差的情况,还需要分别模拟每个通道的回波对应的导向性矢量。

对于如图1所示的二维矩形面阵,可以将其看作是y轴方向的一维直线阵,同时每个阵元是z轴方向的一维直线阵。每个阵元相对坐标原点的相位可以等效为其在y轴方向和z轴方向上各自相对坐标原点的相位之和。假设阵元A的坐标为(0,y,z),假定此时入射信号的离轴角为θ、旋转角为φ,那么阵元A相对原点o的相位差应为

图1 矩形阵示意图

假定该二维矩形面阵M个阵元的坐标为A0(0,y0,z0),A1(0,y1,z1),…,AM-1(0,yM-1,zM-1),则面阵的导向性矢量可以表示为[5]

2 雷达回波模拟器实现方案

2.1 系统功能

根据某多功能一体化数字阵列雷达中频处理系统的功能性能测试需求,结合雷达回波模拟器模块化、标准化和高可靠性的设计要求,该数字阵列雷达回波模拟器的功能包括:

a)支持间断连续波、线性调频等多种波形形式的中频回波模拟;

b)可同时产生128路中频模拟信号;

c)构建多散射点目标模型,且能够模拟目标多散射点造成的角度闪烁;

d)能够模拟多种转发式干扰。

2.2 实现原理

雷达回波模拟器实现原理框图如图2所示。

图2 雷达回波模拟器实现原理框图

雷达回波模拟器与被测系统通信,获取相关参数,利用直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesizer,DDS)产生雷达基带信号。

扩展目标参数计算模块根据目标特性参数计算模拟目标回波所需的一维距离像、距离延时、多普勒频率参数。

将式(3)中扩展目标中心对应的距离延时τ0转换为FPGA系统时钟周期nt]d,表达式为

式中:Rt代表目标中心相对雷达距离;c为光速;TF为现场可编程门电路(FPGA)系统时钟周期。

将扩展目标中心对应的多普勒频率fD转换为DDS频率控制字K,表达式为

式中:fF为FPGA系统时钟频率。

目标第n个散射点在一维距离像上的离散位置xn可以表示为

式中:Rn为阵面坐标系下第n个目标散射点相对雷达的距离;Rr]e]s为雷达回波模拟器可实现的最小距离分辨率。

干扰参数计算模块除了计算干扰延时及多普勒频率外,还需要计算转发式干扰所需的转发次数、采样宽度等参数。阵元参数计算模块主要根据式(5)计算当前阵元坐标及目标/干扰角度对应的导向性矢量参数。

雷达基带信号一路经过散射点信息调制、距离调制、多普勒调制后,产生单通道回波信号,再与目标导向性矢量卷积,生成多通道回波数字信号。同时另一路经过采样转发、距离调制、多普勒调制后,产生单通道干扰信号,再与干扰导向性矢量卷积,生成多通道干扰数字信号。多通道回波数字信号与多通道干扰数字信号叠加后,经过高速数模转换模块(Digital to Analog Converter,DAC),最终输出多通道复杂回波模拟信号。

2.3 硬件平台

雷达回波模拟器硬件平台主要由一块高性能信号处理电路和四块多通道中频模拟信号产生电路组成,如图3所示。

图3 雷达回波模拟器硬件框架

高性能信号处理电路采用了两片TI公司8核数字信号处理(DSP)芯片C6678,分别实现扩展目标和干扰参数计算功能。采用Xilinx公司高性能V7系列FPGA,实现雷达基带信号产生功能。通过千兆网口接收上位机发送的目标及干扰参数,将计算结果通过VPX机箱背板高速串行输入输出接口(Serial Rapid Input/Output,SRIO)以广播方式送至四块多通道中频模拟信号产生电路。同时其FPGA与被测系统的频综通信,产生的雷达基带信号通过背板多吉比特速率收发器(Multi-Gigabit Transceiver,MGT)差分接口送至多通道中频模拟信号产生电路。

多通道中频模拟信号产生电路采用Xilinx公司K7系列FPGA来实现雷达基带信号的调制以及干扰信号的产生功能,并采用16片数模转换芯片DAC3484输出最终的复杂回波模拟信号。为了满足各电路处理芯片之间的数据交互需求,每块电路均配备一片SRIO桥路芯片(CPS1432),可以灵活地实现数据交换。

传统的雷达回波模拟器大多基于分级共享式总线,以多个功能模块组合而成,模块间的数据传输速率通常不会很高,存在集成度低、功耗高等问题[6]。VPX 是新一代 VME(Versa Module Eurocard)标准总线,采用了SRIO、PCI Express(Peripheral Component Interconnect Express)等高性能接口技术,能够实现高速的串行数据互联传输,支持多种数据流交互。基于VPX标准的硬件平台采用了标准化背板和模块,能够快速集成,且易于扩展。该硬件平台具备强大的板间数据交换能力,VPX多处理节点及高速数据交换的特点使其能够以较少的设备量实现复杂的信号接收和分析处理功能[7]。在雷达回波模拟器中应用VPX总线架构,能够适应雷达回波模拟器标准化、模块化、可扩展和高可靠性的需求。

按照6U的VPX标准VITA46及其导冷和风冷标准VITA48,设计了一体化高可靠性雷达回波模拟器机箱。机箱包括六个卡槽,卡槽1安装高性能信号处理电路板卡,卡槽2～卡槽5安装多通道中频模拟信号产生电路板卡,卡槽6安装机箱供电模块板卡。

VPX 6U机箱的每个卡槽由P0～P6七组接口组成,本系统中主要采用P0、P1、P3、P4口。其中,P0口用于机箱电源系统为另外五块电路供电,P1口为基于SRIO交换机的全互联接口,P3和P4口为板卡间点对点MGT通信的全互联接口。各个卡槽的每一组接口的全互联连接关系如图4所示。以P1口为例,每个卡槽的P1口又被划分为A、B、C、D四组接口,卡槽1(Slot1)的 A组接口(1A)与卡槽2的A组接口(2A)连接,B组接口(1B)与卡槽3的A组接口(3A)连接,C组接口(1C)与卡槽4的A组接口(4A)连接。以此类推,任意两个卡槽之间都有一组接口互相连接,从而实现整个模拟器中任意板卡之间的互相通信。

图4 背板全互联接口连接示意图

2.4 上位机设计

该雷达回波模拟器采用上位机总控软件与硬件平台相结合的实现方式,利用计算机强大的计算能力以及良好的人机界面,实时地产生和设置模拟参数。

上位机总控软件具有手动和自动两种工作模式,工作流程如图5所示。

图5 上位机软件工作流程

手动工作模式下,在检测系统工作状态正常后,进入特性参数设置界面。手动模式实现的功能框图如图6所示。网口模拟被测系统控制指令单元用于设置雷达发射信号形式。目标噪声干扰特性设置单元用于设置多散射点目标模型、目标、干扰、噪声参数等。模拟器控制单元及通信单元用于生成并传输模拟器工作参数,并在工作状态显示单元显示当前工作参数。

图6 上位机软件手动模式功能框图

自动工作模式下,首先进入场景参数设置界面,然后对特性参数进行计算、显示并生成三维动画。自动模式的功能框图如图7所示。在场景设置单元设定目标运动路径,在干扰特性单元、目标特性单元、噪声特性单元设置相关特性参数,并在计算及通信单元实时计算相关参数,在参数实时显示单元显示当前工作参数,同时将参数自动发送给模拟器,模拟器根据收到的参数实时更新回波模拟信号,最终实现目标运动过程的动态回波模拟。该模式主要用于验证被测雷达系统在各种目标和目标运动条件下的搜索、截获和跟踪能力。

图7 显控软件自动模式功能框图

3 功能验证

手动工作模式下,设置发射基带信号波形为点频连续波,目标速度1500m/s(回波信号频率理论值150.1MHz),信号功率-6.00dBm。模拟器输出的单通道中频目标回波信号时域波形如图8所示,频谱如图9所示。实测回波功率为-6.21dBm,回波频率为150.0978MHz,与理论值相符,证明系统模拟多普勒正确。

图8 点频目标回波时域波形

图9 点频目标回波频域

手动工作模式下,设置目标为点目标,发射基带信号波形为高重频脉冲多普勒信号,脉冲宽度0.24μs,相参积累间隔20 ms,脉冲重复周期1.33μs,目标距离150m(距离延时理论值1μs)。模拟器产生的目标回波信号如图10所示。可以看出,回波脉冲宽度为0.24μs,脉冲重复周期约为1.33μs,与上位机设定的波形参数一致。另外,图中雷达基带信号与目标回波信号之间的延时为1.003μs,与理论值误差在0.010μs以内,证明系统模拟距离延时正确。

多通道雷达中频回波模拟器还需要模拟数字阵列雷达不同阵元收到的回波信号之间的相位关系。假设阵面坐标系下阵元1坐标为(-48.75,71.50),阵元2坐标为(3.75,58.50),目标俯仰角为10°,目标方位角为20°。理论上阵元1、阵元2收到的回波信号之间的相位差为0.39 π。模拟器产生的对应阵元1、阵元2的回波波形如图11所示。输出信号频率为150MHz,两个回波信号之间的延时为1.38 ns,对应的实际相位差为0.41 π,与理论值相符合。

图10 雷达基带信号和输出目标回波信号

图11 不同通道的目标回波之间的相位差

4 结论

本文设计了一种多通道雷达中频回波模拟器,能够满足数字阵列雷达中频处理系统在复杂电磁环境下的功能和性能测试需求。该系统由一块高性能信号处理电路和四块多通道模拟信号产生电路组成,通过与上位机总控软件配合,可以实现灵活的目标运动特性、环境特性设置和加载,实时动态地模拟多通道复杂回波信号。系统硬件平台符合VPX标准,扩展性和通用性较强。