基于DDS的單脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)模擬的實(shí)現(xiàn)

肖開(kāi)健，井偉，肖戰(zhàn)牛，李國(guó)卿

(北方雷達(dá)電子科技集團(tuán)有限公司總體一部，陜西西安710100)

單脈沖體制雷達(dá)能在一個(gè)回波脈沖內(nèi)獲得關(guān)于目標(biāo)位置的全部信息，這使雷達(dá)在工作過(guò)程中節(jié)約了大量的時(shí)間和能量，所以得到廣泛應(yīng)用。單脈沖測(cè)角方法主要有3種:幅度比較法、相位比較法和幅度相位比較法。目前多數(shù)相控陣?yán)走_(dá)采用的和差波束測(cè)角就是一種幅度比較單脈沖測(cè)角方法。

在幅度比較單脈沖中，天線接收的目標(biāo)回波信號(hào)在和、差支路中形成和、差信號(hào)。和波束回波信號(hào)主要用于目標(biāo)檢測(cè)和作為相位基準(zhǔn)以確定信號(hào)正負(fù)，差波束回波信號(hào)主要用于測(cè)角［1］。為較好地模擬和差波束的幅度以及之間的相位特性，文中通過(guò)數(shù)字交匯技術(shù)、連續(xù)波校準(zhǔn)、波形存儲(chǔ)技術(shù)解決和差波束幅度、差波束正負(fù)號(hào)確定的問(wèn)題。在某雷達(dá)調(diào)試過(guò)程中，驗(yàn)證了該目標(biāo)模擬器的有效性。

1 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，直接數(shù)字合成器(DDS)，可編程邏輯器(FPGA)的體系結(jié)構(gòu)，并配以必要的相關(guān)電路完成。DSP是系統(tǒng)的控制主機(jī)，主要完成目標(biāo)飛行軌跡的建模，目標(biāo)實(shí)時(shí)與雷達(dá)掃描波束的交匯比較，運(yùn)算目標(biāo)回波的幅度、多普勒頻率，形成DDS的控制字;FPGA為Altera公司芯片，主要完成DSP的地址譯碼、通訊接口、存儲(chǔ)雷達(dá)波形、產(chǎn)生DDS串口操作時(shí)序;DDS為AD公司AD9857芯片，用于在雷達(dá)時(shí)序的控制下，將波形數(shù)據(jù)上變頻形成所需的中頻模擬信號(hào)［2］。組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 工作原理

外部系統(tǒng)將模擬控制命令和雷達(dá)掃描波束通過(guò)外部通訊接口輸入FPGA，并產(chǎn)生中斷信號(hào)，DSP在這個(gè)中斷信號(hào)的觸發(fā)下產(chǎn)生硬件中斷，讀取控制命令。當(dāng)DSP收到開(kāi)始工作命令后，模擬目標(biāo)按照建立的航跡飛行，并與送來(lái)的雷達(dá)波束進(jìn)行實(shí)時(shí)交匯和計(jì)算。當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)波束交匯成功時(shí)，計(jì)算交匯的幅度、多普勒頻率、距離等。將算出的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA數(shù)據(jù)鎖存器，DDS時(shí)序模塊，距離延遲器等處理后送至DDS芯片。在雷達(dá)時(shí)序脈沖信號(hào)的控制下，形成動(dòng)態(tài)目標(biāo)中頻模擬信號(hào)送給信號(hào)處理器。工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

1.3 數(shù)字波束交匯

圖3 波束交匯示意圖

當(dāng)DSP收到開(kāi)始工作的命令后，模擬目標(biāo)按照建立的航跡飛行，并與送來(lái)的雷達(dá)波束進(jìn)行實(shí)時(shí)交匯。波束交匯示意圖如圖3所示。圖3中，①為目標(biāo)中心位置;②為雷達(dá)掃描波束中心位置;③為目標(biāo)與波束交匯公共區(qū)域。當(dāng)雷達(dá)掃描波束與目標(biāo)交匯成功以后，可以根據(jù)式(1)計(jì)算目標(biāo)的幅度

其中，(sinA，sinE)為目標(biāo)方位和高低角的正弦;(sinAt，sinEt)為雷達(dá)波束方位和高低角的正弦，(sinθA0.5，sinθE0.5)為半功率波束方位和高低角的正弦，N為目標(biāo)幅度量化值。

1.4 和差波束幅度的實(shí)現(xiàn)

如上所述，當(dāng)目標(biāo)與掃描波束交匯成功，通過(guò)公式計(jì)算圖3中③的區(qū)域目標(biāo)的幅度，該幅度即為和波束的幅度。然后根據(jù)公式計(jì)算出目標(biāo)中心位置①與掃描波束中心位置②之間的角度偏差

式中，Δφ為目標(biāo)中心位置與掃描波束中心位置之間的角度偏差;sinA為目標(biāo)方位角的正弦;sinAt為雷達(dá)波束方位角的正弦。

再根據(jù)目標(biāo)①與雷達(dá)掃描波束②之間的角度差，運(yùn)用單脈沖測(cè)角差斜率反算出差波束幅度［3］

式中，F(xiàn)(Δ)為波束交匯差幅度;F(∑)為波束交匯和幅度;Km為單脈沖測(cè)角差斜率;md為修正因子。

1.5 差波束的正負(fù)號(hào)的實(shí)現(xiàn)

AD9857作為一款窄帶正交數(shù)字上變頻器件，基本滿足一般雷達(dá)的中頻信號(hào)要求。但該芯片在上電初始化時(shí)無(wú)法設(shè)置波形輸出的初始相位，以及多個(gè)芯片同時(shí)工作時(shí)，芯片之間沒(méi)有相位同步信號(hào)，每次上電后各自的初始相位不同。這給正確模擬差波束相對(duì)于和波束的相位關(guān)系帶來(lái)了困難。

為正確模擬差波束相對(duì)于和波束的相位關(guān)系，主要采取兩種措施:

(1)兩路DDS芯片上電后，由外部系統(tǒng)通過(guò)外部通訊接口發(fā)送校準(zhǔn)工作命令，當(dāng)DSP芯片收到該命令后，置DDS芯片為中頻連續(xù)波模式輸出中頻連續(xù)波給信號(hào)處理器進(jìn)行校準(zhǔn)，把兩路芯片的相位校準(zhǔn)在一起。

(2)通過(guò)步驟(1)的方法可以去除兩路芯片之間的相位差。為正確表示差波束相對(duì)于和波束的相位關(guān)系，通過(guò)在原始雷達(dá)信號(hào)上加一個(gè)初始相位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)正號(hào)時(shí)設(shè)為初始相位為0°，當(dāng)負(fù)號(hào)時(shí)設(shè)置為初始相位為180°。設(shè)雷達(dá)基帶信號(hào)為

式中，A為信號(hào)的幅度;φ(t)為雷達(dá)基帶信號(hào)波形相位;θ0為雷達(dá)基帶信號(hào)波形初始相位。

用Matlab進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖5 初始相位為180°的雷達(dá)波形圖

將初始相位為0°，和初始相位為180°的波形如圖6分別存于FPGA芯片，當(dāng)差波束為正號(hào)時(shí)選擇初始相位為0°的波形輸出，當(dāng)差波束為負(fù)號(hào)時(shí)選擇初始相位為180°的波形輸出。

圖6 初始相位為0°和180°波形存儲(chǔ)

2 試驗(yàn)情況

該方法產(chǎn)生的和差信號(hào)在單脈沖體制雷達(dá)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的效果。圖7為校準(zhǔn)時(shí)輸出的兩路連續(xù)波信號(hào)，圖8為工作時(shí)輸出的和差中頻調(diào)頻脈沖信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在雷達(dá)的研制、調(diào)試和操作使用過(guò)程中，目標(biāo)模擬回波信號(hào)已得到廣泛應(yīng)用，它可以縮短雷達(dá)的研制周期，減少雷達(dá)的研制和雷達(dá)操作手的培訓(xùn)費(fèi)用。提出的一種基于DDS芯片AD9857對(duì)單脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)模擬的實(shí)現(xiàn)方法，產(chǎn)生的和差波束信號(hào)，具有良好的和、差支路的相位和幅度特性，能準(zhǔn)確地進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和比幅測(cè)角，可以滿足單脈沖體制雷達(dá)的調(diào)試和功能檢測(cè)的需要。

［1］ 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，2004．

［2］ 賈鵬，何強(qiáng)．基于AD9857的數(shù)字上變頻支路設(shè)計(jì)［J］．火力與指揮控制，2008，33(9):94－96．

［3］ 張光義，趙玉潔．相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006．