一种SAR/MTI雷达射频回波模拟器总体设计

唐月生

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

利用雷达射频回波模拟器(RRES)获取射频回波信号较雷达系统实装外场试验获取而言，具有成本低、周期短、保密性高等优点，且不受自然环境、配试等条件限制，已被广泛应用于系统仿真研究、雷达产品测试及模拟训练等应用场合。目前多数雷达回波模拟器属于定制或专用型居多，其设计通常面向某具体场合和对象，不具有或难以快速实现扩展或重构，导致重复利用率低、成本重复投入高或需求满足周期长等问题。因此，研制易重构可扩展雷达射频回波模拟器具有重要的工程意义。

现代信息化战争，夺取战场“制情报权”是一种重要的作战样式。SAR/MTI雷达是一种主动微波侦察监视系统，具有全天时、全天候工作能力，已成为现代战场中重要的情报获取手段，得到各国的重视，在近几次局部战争中发挥了重要的作用，如美国JSTARS系统[1]。随着作战对情报要求的提高和雷达技术本身的发展，SAR/MTI雷达作战性能及新技术体制不断得到提高和应用，更高的分辨率、更宽的观测带、同时多功能和抗干扰等要求也成为SAR/MTI雷达的新追求，这对作为雷达测试仿真的重要技术手段之一的射频回波模拟器也提出了新的更高的技术需求。

1 总体设计

1.1 设计需求

为解决和适应不同应用场合和使用对象的快速扩展应用的实际需求，缩短系统重构集成时间、降低成本、提高系统利用率，RRES系统关键设计应满足以下需求：

1)处理硬件能力可扩展，满足不同仿真处理能力和使用需求，具备高速大带宽数据传输、存储及实时通信能力；

2)射频硬件能力具有宽频带、大瞬时信号带宽、宽动态、低杂散、频率捷变等性能，通道数可扩展，适应多通道、高分辨、捷变频等雷达回波模拟需求；

3)模块化设计，接口标准化，功能软件可定义，保证系统具有重构或扩充的便利条件；

4)具备射频通道特性提取和校正补偿等信号保真设计，使得射频回波信号更加逼真，模拟评价结果更为真实。

1.2 功能与原理

RRES系统核心功能包括数字回波信号生成和射频回波信号产生，分别由数字单元和射频单元完成，单元间高速数据传输采用多路10Gbps速率的光纤接口互联，满足不同应用下回波数据的大带宽高速吞吐传输需求，其功能原理框图见图1所示。其中数字单元主要包括显示与控制、时序控制、数字回波生成与处理和记录存储等。射频单元主要包括频率源、收发通道及定标网络等。外部交互接口主要包括时序同步信号、频率同步信号、射频回波信号及参数控制等。

图1 RRES功能原理框图

工作时，数字单元通过建模仿真生成逼近于真实雷达应用场景的目标回波数据或导入历史实测数据，数字回波数据通过光纤传给射频单元，射频单元将数字回波数据转换成射频信号并按时序注入被测系统。

1.3 硬件模块化

硬件模块化是实现系统快速重构的重要技术途径之一。根据RRES系统功能，识别系统共性和相似功能进行模块化设计，并保证机械、电气、数据等接口标准化，以达到系统可扩展或组合，软件定义系统的目的，适应不同的模拟对象和应用需求。

按照模块的功能属性将系统硬件模块划分为通用、共用及专用模块。其中通用模块在系统中定义为可直接采用的COTS产品或CBB成熟通用件，承载通用功能实现；共用模块指系统在不同应用场合下共同配置的硬件模块，直接使用或进行软件适应性调整；专用模块主要是射频部分受器件性能指标等约束的模块，与具体模拟对象强相关的模块。

为适应不同频段的应用需求，同时尽量减少系统模块品种，采用通用模块实现系统的计算处理需求，将频率源模块、数字收发(A/D、D/A)模块按照共性模块统型设计，模拟变频通道按频段(L、S/C、X、Ku、Ka等五种)进行独立设计，通过组合快速实现不同频段雷达射频回波模拟需求，RRES系统硬件模块化配置组成见表1所示。

表1 功能硬件模块配置组成

1.4 软件设计

RRES系统软件主要功能：

1)显示与控制：提供人机交互，如仿真参数设置、模型构建与加载、仿真流程控制、状态及参数显示等；

2)时序控制：系统任务管理及时序信号产生。接收被测/模拟对象同步时序信号或根据被测/模拟对象脉冲重复周期PRT参数及其工作方式，产生系统基准导前、D/A转换触发、A/D采集触发等时序信号；

3)回波生成/处理：根据输入条件/参数和应用场景，选择回波仿真处理算法[2]，生成雷达回波信号数据，送记录存储或射频单元；兼具系统通道校正数据处理；

4)记录与存储：支持数字回波数据记录、存储、回放及导入导出等功能；

5)数字收发及校正：实现基带或中频信号采集数字化和数字回波数据D/A转换处理；通道校正补偿。

为便于系统的维护和扩展，系统软件采用分层体系结构和组件化(模块化)设计，遵循“高内聚、低耦合”的设计思想，对仿真雷达模型、目标模型、杂波模型、干扰模型和回波仿真算法等模块化封装，规范化组件接口，降低组件间耦合度，便于不同应用场景下组件的复用、维护升级及替换。

系统选择Qt作为C++软件开发框架，Qt是面向对象的开源架构，其封装机制实现了开发者面向组件的编程，且其灵活的信号槽消息机制使得组件间协同变得简单，利于提高开发效率。选择组件式GIS作为雷达仿真系统场景设置软件开发平台，实现快速可视化回波场景设置，如雷达、目标、干扰源的布设及参数设置，添加杂波、大气等环境参数等。

2 数字单元架构选择

RRES系统的处理特点要求数字单元架构应具有总线传输带宽大、运算处理能力强和数据交互灵活，易扩展和软件开发维护。

2.1 硬件平台架构

硬件平台采用基于OpenVPX标准总线架构设计，采用全交换式网络拓扑结构，数据互联拓扑结构如图2所示。

图2 基于交换的数据互联拓扑结构

传输协议支持RapidIO和千兆网络等，实现单元内各功能槽位/模块间任意节点互通，为功能模块扩展或组合提供物理实现基础。处理硬件平台采用“FPGA+CPU”的硬件架构，支持GPU功能模块扩展，其中FPGA用于高速信号预处理及逻辑时序控制，CPU负责复杂高精度运算，当需要进行密集并行处理时可选配GPU模块，满足不同应用需求。

2.2 并行处理实现

典型回波信号模拟处理算法包括距离时域脉冲相干法、距离频域脉冲相干法、二维频域快速傅氏变换法及同心圆模拟法等。对于雷达回波仿真来说，不同点目标不同方位时刻的回波生成具有独立性，为回波计算并行处理提供了可行性。在工程实现时，首先针对算法进行并行性分析，识别具有独立且可高度并行的处理进行编程设计，利用多CPU 或GPU多线程并行计算，再进行数据累积融合输出，实现高效的回波复杂运算处理。

3 射频回波信号保真设计

作为雷达测试设备，尤其是进行定量测试使用时，要严格控制和保证射频单元的信号质量，如带内非线性、通道间一致性、杂散抑制、相位噪声等指标，避免由于模拟器自身的精度或误差导致模拟的射频回波信号失真，使得测试结果评价可信度不高。

3.1 宽带发射及通道内均衡

高分辨是SAR/MTI雷达的永恒追求，是支撑从“发现-粗识别-精识别-可描述”的作战应用需求的技术保证。SAR/MTI雷达的距离分辨率由雷达的发射信号带宽B决定的，分辨率越高，发射信号带宽越高。目前公开的雷达分辨率已优于0.1m，其发射的信号带宽可达1.5GHz带宽或更高。RRES系统需要具备同等的大带宽信号产生/发射能力。宽带发射通道经DAC转换、放大、滤波和混频等处理，受模拟器件特性等影响，通道传输特性失真，存在较大的幅相误差，影响脉冲压缩的脉压主副比及副瓣电平对称性等结果[3]，导致输出的回波射频信号质量恶化，影响仿真或测试试验评价结果可信度。

系统设计时，尽管通过器件选型和电路设计优化可以部分降低通道的失真程度，但不能从根本上消除其固有的误差，需通过定标功能提取并采用均衡技术数字化补偿。具体方法步骤：

1)提取发射通道内幅相特性：为便于发射通道幅相特性提取，系统设计内置校正接收通道和定标网络(如图1射频单元部分所示)。提取过程如下：

首先，先通过外部定标信号注入校正接收通道，系统对经过校正接收通道的信号采集接收与处理，获取校正接收通道的幅频Ar(f)和相频ψr(f)数据；其次，由数字收发FPGA产生数字校正信号，经“D/A→上变频→定标网络→下变频→A/D→数字单元”，获取模拟器发射通道和校正接收通道总的幅频Atr(f)和相频ψtr(f)数据；再计算获取模拟器发射通道的幅频At(f)和相频ψt(f)为

At(f)=Atr(f)/Ar(f)

(1)

ψt(f)=ψtr(f)-ψr(f)

(2)

上述测试信号均采用仿真雷达使用的宽带LFM信号进行，其中定标网络引入的误差相对稳定，可提前采用矢量网络分析仪测量不断端口间的幅相数据并作为固定误差在数据应用中核减；

2)选用理想的滤波器特性作为参考，处理获取复系数FIR均衡滤波器；

3)将得到的均衡滤波器加入发射通道使用，如图3所示，即通过显示与控制软件将滤波器系数传送给射频单元数字收发FPGA进行数字化补偿。

图3 通道内均衡滤波器应用

图4和图5分别为某通道传输特性失真补偿前后线性调频(LFM)信号脉冲压缩和回波成像实测结果。通过实测结果可以看出经失真补偿后脉压和成像结果得到明显改善。

图4 失真补偿前后脉冲压缩测试结果

图6为3GHz宽带信号的失真补偿前后的幅频特性及脉压结果对比。

3.2 多通道发射及通道间均衡

SAR/MTI雷达从收发通道配置上包括单通道发射单通道接收(SISO)，单通道发射多通道接收(SIMO)和多通道发射多通道接收(MIMO)等，其中多通道系统具有更高的数据信息冗余和处理自由度，可提升雷达抗干扰、杂波抑制和目标检测能力等优势。多通道SAR/MTI雷达回波模拟时，模拟器多通道间不一致性会造成回波数据处理结果质量下降，如影响杂波相消性，导致动目标检测性能变差及参数估计不准确[4]等问题。为此，需要RRES系统实现多通道间均衡处理，其功能原理框图见图7所示。

图7 多通道均衡功能原理框图

采用内置校正接收通道实现多通道逐一自动均衡校准，由于内置校准接收通道为各发射通道共用，其延迟及幅相误差对各发射通道影响一致，不会影响各通道相对延迟及幅相误差参数的提取。具体方法步骤：

首先，进行通道时延量测量和补偿。测试LFM信号同时注入发射通道，经校正接收通道逐一接收采集，送数字单元进行脉冲压缩处理，得到峰值点对应的频率值Δfi，经频率-时间转换后即可得到相应的时延量Δti[5]，并对每个发射通道延迟进行补偿。

其次，进行通道间幅相误差测量。测试LFM信号同时注入发射通道，经校正接收通道逐一接收采集，送数字单元处理，分别获得通道i的幅频Atr-i(f)和相频ψtr-i(f)，选择任一通道为参考通道，并记参考通道幅频Aref(f)和相频ψref(f)，则相对于参考通道，通道i幅度和相位差分别为

ΔAi=Atr-i(f)/Aref(f)

(3)

Δψi=ψtr-i(f)-ψref(f)

(4)

为达到与参考通道幅相均衡一致，仅需将待校准通道i的幅度乘以1/ΔAi，相位减去Δψi。

3.3 低杂散、低相噪宽频带捷变频率源

频率源模块为RRES系统提供各类时钟本振信号，按照多波段射频回波模拟应用需求进行统一设计，作为系统共性模块，其性能指标对射频回波的质量有着重要的影响：

1)低杂散：频率源杂散信号及其进入混频器后产生的交调、互调频率信号会污染模拟的回波信号，产生虚假目标等影响；

2)低相噪：频率源相位噪声各次项误差会造成回波成像的图像偏移，分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比及图像信噪比等指标恶化[6]；

3)宽频带、捷变频：为RRES系统具备更多类型雷达射频回波模拟能力提供硬件基础，如捷变频、多波段雷达等。

4 结束语

RRES系统通过硬件重构和软件定义实现系统的应用扩展，其硬件架构也可适用于其他类型雷达射频回波模拟，配置天线可作为模拟辐射源应用。随着雷达技术的发展，雷达射频回波模拟逐步向大瞬时带宽、更低的无杂散动态范围、多通道配置及更高通用性等方向发展。