搜索雷達(dá)視頻模擬器的雜波和噪聲仿真技術(shù)

楊 輝，王 鵬，郭微波

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第602研究所，北京 100076；3.北方自動控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006）

雷達(dá)作戰(zhàn)效能試驗是武器系統(tǒng)研制和定型的重要環(huán)節(jié)。對于雷達(dá)在特定條件下的作戰(zhàn)效能評估試驗，必須具備逼真的配試目標(biāo)、接近實際戰(zhàn)場的工作環(huán)境、相當(dāng)?shù)挠性锤蓴_信號。對于逼真的目標(biāo)和相當(dāng)?shù)挠性锤蓴_信號，采用外場試驗校飛和電子戰(zhàn)干擾系統(tǒng)相配合的方法，可以得到較好的效果。但由于外場試驗組織協(xié)調(diào)難度高、消耗財力、物力和人力也相當(dāng)大，因此，在實驗室條件下進(jìn)行雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估試驗就成為一種重要的替代手段，這種方法需要仿真設(shè)備具有模擬實際目標(biāo)和有源干擾信號的功能，此外還必須具有模擬實際雜波干擾及無源干擾信號的功能【1】。

本文介紹在一種在搜索雷達(dá)視頻模擬器上以FPGA為核心進(jìn)行雜波仿真，以模擬電路實現(xiàn)噪聲仿真的技術(shù)，來實現(xiàn)對真實環(huán)境中雜波及無源干擾信號的模擬，以提高搜索雷達(dá)視頻模擬信號的逼真度。

1 雜波和噪聲仿真原理 [2]

雷達(dá)主要工作原理是由雷達(dá)發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能，經(jīng)收發(fā)開關(guān)傳輸給天線，由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速（約3×108m/s）傳播，如目標(biāo)恰好位于定向天線的波束內(nèi)，則它將要截取一部分電磁能。目標(biāo)將被截取的電磁能向各個方向散射，其中部分散射的能量朝向雷達(dá)接收方向。雷達(dá)天線收集到這部分散射的電磁波后，就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機。接收機將這微弱信號放大并經(jīng)信號處理后即可獲取目標(biāo)的信息，并將結(jié)果送至終端顯示。

對于脈沖雷達(dá)，發(fā)射機經(jīng)天線向空間發(fā)射一串周期一定的重復(fù)高頻脈沖。如果在電磁波傳播的途徑上有目標(biāo)存在，那么雷達(dá)就可以接收到由目標(biāo)反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達(dá)與目標(biāo)之間，它將滯后于距掃脈沖一個時間tr，而電磁波的能量是以光速傳播的，設(shè)目標(biāo)的距離為R，則傳播的距離等于光速乘上時間間隔，即

或

式中，R為目標(biāo)到雷達(dá)站的單程距離，單位為m；tr為電磁波往返于目標(biāo)與雷達(dá)之間的時間間隔，單位為s；c為光速，即

回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一個微秒時，所對應(yīng)的目標(biāo)斜距離R=150m。

搜索雷達(dá)視頻模擬器的回波仿真就是將搜索雷達(dá)的距掃脈沖延遲一個時間tr來產(chǎn)生模擬目標(biāo)的回波信號并送給雷達(dá)，在模擬環(huán)境下驅(qū)動雷達(dá)工作。模擬目標(biāo)的距離由延遲時間tr來確定，模擬目標(biāo)的方位由搜索雷達(dá)的正北脈沖和方位增量脈沖通過計算得到。

1.1 雜波仿真原理[3]

搜索雷達(dá)視頻模擬器由PC機和視頻信號發(fā)生器兩部分組成，組成如圖1所示。PC機負(fù)責(zé)雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)信息和航跡數(shù)據(jù)的計算和生成，根據(jù)不同工作狀態(tài)進(jìn)行仿真運算，將運算得到的目標(biāo)航跡和狀態(tài)數(shù)據(jù)通過PCI總線送給視頻信號發(fā)生器。

圖1 搜索雷達(dá)視頻模擬器組成框圖

雜波仿真原理同目標(biāo)回波仿真原理相同，區(qū)別在于數(shù)據(jù)源不同。目標(biāo)回波是由主機產(chǎn)生目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)并送給FPGA，由FPGA來實現(xiàn)回波信號的產(chǎn)生；雜波回波的數(shù)據(jù)源不能是有規(guī)律的航跡數(shù)據(jù)，而應(yīng)是一種隨機的、雜亂無章的數(shù)據(jù)。通常采用產(chǎn)生隨機數(shù)的方法實現(xiàn)。隨機數(shù)的產(chǎn)生可以由主機用軟件實現(xiàn)，也可以用純硬件方式實現(xiàn)。由于雜波數(shù)量較大，一般有幾百批，為了減輕數(shù)據(jù)傳輸對主機的壓力，在本文設(shè)計中采用純硬件方式實現(xiàn)，即用FPGA來產(chǎn)生隨機數(shù)。

隨機數(shù)產(chǎn)生方法主要有均勻分布的隨機數(shù)法、正態(tài)分布的隨機數(shù)法等[5]。下面是兩種方法的數(shù)學(xué)模型。

a） 均勻分布隨機數(shù)的數(shù)學(xué)模型

由給定的初值x0，用混合同余法：

產(chǎn)生(0，1)區(qū)間上的隨機數(shù)yi。其中a＝2045，c＝1，M＝220；然后通過變換

yi產(chǎn)生(a，b)區(qū)間上的隨機數(shù)zi。

b） 正態(tài)分布隨機數(shù)的數(shù)學(xué)模型

設(shè)r1,r2,…,rn為（0，1）上n個相互獨立的均勻分布的隨機數(shù)，由于，根據(jù)中心極限定理可知，當(dāng)n充分大時

的分布近似于正態(tài)分布N(0,1)。通常取n=12，此時有

最后，再通過變換

便可得到均值為μ、方差為σ2的正態(tài)分布隨機數(shù)y。

本設(shè)計采用正態(tài)分布隨機數(shù)法，在 FPGA內(nèi)用VHDL語言實現(xiàn)均勻分布的隨機數(shù)的數(shù)學(xué)模型，產(chǎn)生的模塊如圖2所示。clr為清零信號，kz是控制信號，sjs[15..0]是產(chǎn)生的以16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的隨機數(shù)，當(dāng)清零信號 clr有效時對產(chǎn)生均勻分布的隨機數(shù)的種子賦初值，當(dāng)控制信號kz有效時就通過搭建好的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生均勻分布的隨機數(shù)由sjs[15..0]輸出。一個控制信號kz產(chǎn)生幾個隨機數(shù)是根據(jù)需要可控的。

圖2 均勻分布的隨機數(shù)模塊

該模塊VHDL源程序主要部分如下：

1.2 噪聲仿真原理

信號在介質(zhì)中傳播是以微小電流的形式傳播的，而電流的傳播又會導(dǎo)致周圍磁場的改變。由磁場效應(yīng)可知，改變的磁場會對附近的電流產(chǎn)生影響，這就是噪聲干擾。

數(shù)字信號的電路是工作在“開關(guān)”狀態(tài)下，輸入輸出的信號只有高、低電平2種狀態(tài)，因此，外部輸入的噪聲干擾一般情況下不會影響數(shù)字電路的正常工作。但數(shù)字電路往往有許多元件組成，如晶體管、電容器、電阻、變壓器等等，在工作時受溫度的影響，會使輸出的信號電平發(fā)生小幅度無規(guī)則的變化，形成噪聲。外界的干擾也是產(chǎn)生噪聲的重要因素，如附件有電焊機、強磁場、雷電等，都會引起信號的電平發(fā)生異常變化，形成噪聲。

目前產(chǎn)生噪聲方法有直接產(chǎn)生和間接產(chǎn)生兩種。直接產(chǎn)生是使用市面上銷售的商用噪聲發(fā)生器來產(chǎn)生所需噪聲，這些產(chǎn)品具有良好的噪聲性能及適用不同需要的技術(shù)特性，并配有現(xiàn)代化的自動測試設(shè)備，例如噪聲源HP346A及測試儀HP8970B，但價格昂貴，配置常規(guī)工程性價比較低，最常用的噪聲發(fā)生器有熱噪聲發(fā)生器、限溫二極管噪聲發(fā)生器和氣體放電管噪聲發(fā)生器三種。間接產(chǎn)生是用數(shù)字化方法產(chǎn)生偽隨機序列（偽噪聲），通過D/A轉(zhuǎn)化為白噪聲信號，但這并不是真正意義上的隨機序列，它的頻域特性難以達(dá)到較高要求。

本文設(shè)計采用直接產(chǎn)生噪聲的方法，用限溫二極管噪聲發(fā)生器來產(chǎn)生噪聲。

2 雜波仿真的實現(xiàn)方案

2.1 雜波仿真的硬件環(huán)境 [1]

要實現(xiàn)幾百批雜波的仿真，同時還要對128批32位目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行運算和處理，計算量大，要求速度高，所以 FPGA選用 Altera公司的 Cyclone II系列EP2C35F672芯片，以滿足設(shè)計的需要。該芯片具有33216個邏輯單元，內(nèi)部RAM高達(dá)484KB，支持Nios II嵌入式處理器，核電壓1.2V，IO電壓3.3V，具有4個PLL輸入，12個PLL輸出。

2.2 雜波仿真的具體實現(xiàn)

根據(jù)搜索雷達(dá)實際探測雜波的情況，本設(shè)計對三類雜波進(jìn)行模擬：虛警目標(biāo)產(chǎn)生的點狀雜波、海中島嶼等遮蔽物產(chǎn)生的小塊狀雜波和岸上山峰等大的遮蔽物產(chǎn)生的大塊狀雜波。

2.2.1 點狀雜波

對虛警目標(biāo)產(chǎn)生的點狀雜波的仿真采用均勻分布的方式，由于是均勻分布的，雜波的方位在360度范圍內(nèi)沒有限制，具體實現(xiàn)時雜波的方位不用控制，只要對產(chǎn)生雜波的頻率進(jìn)行控制。如圖3所示，用jsnc6這個模塊來控制點狀雜波產(chǎn)生的頻率，jsnc6內(nèi)部源程序主要部分如下：

其中，變量dddd是用來控制頻率的，雜波的距離值由隨機數(shù)產(chǎn)生模塊sjsjl來產(chǎn)生，產(chǎn)生的距離值送入hbzb模塊的寄存器中，觸發(fā)脈沖信號有效邊沿之后固定時鐘數(shù)（距離值）輸出固定的數(shù)字信號（hb信號）。sjsjl模塊產(chǎn)生隨機數(shù)的區(qū)間范圍(a，b)設(shè)定為雜波產(chǎn)生的距離范圍，一般情況下 a設(shè)為搜索雷達(dá)的盲區(qū)，b設(shè)為搜索雷達(dá)的視距，便可在搜索雷達(dá)的可視范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的雜波。

圖3 點狀雜波的產(chǎn)生電路

2.2.2 小塊狀雜波

小塊雜波是呈塊狀的，所以小塊雜波應(yīng)該是在一段連續(xù)的角度范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的雜波，具體實現(xiàn)如圖4所示。由方位隨機數(shù)產(chǎn)生模塊sjsfw產(chǎn)生一個隨機的方位數(shù)據(jù)（sjsfw模塊產(chǎn)生隨機數(shù)的區(qū)間范圍(a，b)設(shè)定為0～360°），作為小塊雜波的方位起始點，從這個起始點開始，再加上一個固定的角度，就形成了一個連續(xù)的角度范圍，在這個角度范圍內(nèi)的每個觸發(fā)周期內(nèi)都要產(chǎn)生相應(yīng)距離的雜波。雜波距離的產(chǎn)生與方位的產(chǎn)生類似，先由 sjsji31模塊產(chǎn)生一個距離隨機數(shù)（sjsji31模塊產(chǎn)生隨機數(shù)的區(qū)間范圍(a，b)設(shè)定為雷達(dá)的盲區(qū)到雷達(dá)的視距），作為小塊雜波的距離起始點，從這個起始點開始加上一個固定的距離，就形成了一個連續(xù)的距離范圍，在這個距離范圍內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生雜波，仿真波形如圖5所示。

2.2.3 大塊狀雜波

大塊雜波的產(chǎn)生同小塊雜波的產(chǎn)生方法相同，產(chǎn)生電路如圖5所示，本設(shè)計中將大塊雜波產(chǎn)生的方位和距離設(shè)計成可以從人機界面裝訂，需要4個變量，方位的起點和終點，距離的起點和終點，這4個變量從界面裝訂好后通過 PCI總線送到 FPGA的 4個modifyzb鎖存器中，在指定的角度范圍和距離范圍內(nèi)的每個時鐘信號都要輸出相應(yīng)的雜波信號，雜波信號的產(chǎn)生由zabhb模塊實現(xiàn)。

3 噪聲仿真的實現(xiàn)方案

噪聲模擬電路主要由噪聲產(chǎn)生器、放大器、濾波器、信噪合成器、信號輸入調(diào)節(jié)器和控制接口等電路組成。

由于該部分電路為模擬電路，設(shè)計時需注意各級間的匹配，尤其是信噪合成器兩輸入端，以保證較高的輸出精度。

其中，放大器的作用是對輸出的噪聲電平作定量增益調(diào)整。信噪合成器電路的作用是將FPGA產(chǎn)生的回波和雜波信號與濾波輸出的限帶噪聲作線性疊加，合成滿足設(shè)計需求的綜合信號。

切換電路可通過FPGA中程序控制來實現(xiàn)噪聲的通/斷控制。

圖4 小塊雜波產(chǎn)生電路

圖5 仿真波形

圖6 大塊雜波產(chǎn)生電路

圖7 噪聲模擬電路

4 結(jié)束語

本文描述的雜波和噪聲仿真技術(shù)已經(jīng)在某搜索雷達(dá)視頻模擬器中得到實際應(yīng)用。該搜索雷達(dá)視頻模擬器同時具有回波仿真及雜波和噪聲仿真功能。在某型艦炮武器系統(tǒng)的半實物仿真試驗中，該搜索雷達(dá)視頻模擬器為試驗提供了高逼真度的仿真效果。試驗證明，本文中闡述的雜波和噪聲仿真技術(shù)可行性高、實用性強，為雷達(dá)提供了一個逼真的仿真環(huán)境，能較為真實地檢測雷達(dá)的性能。

[1]Cyclone II Device Handbook Volume 1[DB/OL].http://www.altera.com.[2007-2]

[2]丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[3]楊輝,余云智.基于 PCI總線的搜索雷達(dá)視頻模擬器設(shè)計技術(shù)[J].指揮控制與仿真,2006（2）:83-86.

[4]韋建中,師鵬宇.一種雷達(dá)視頻信號模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船電子對抗,2009（3）:69-71.

[5]周憲英,傅士敏,喬風(fēng)蘭.一種雷達(dá)視頻信號模擬器的設(shè)計[J].電子工程信息,2005（4）:40-42.