一種中頻雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)

邢福成，王 波，孫保良，關(guān)成斌

（1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001；2.92155部隊(duì)，海南 三亞 572018）

現(xiàn)代雷達(dá)承擔(dān)著越來(lái)越復(fù)雜的重要任務(wù)，隨著功能的不斷完善和強(qiáng)大，進(jìn)行基于真實(shí)回波全功能調(diào)試和訓(xùn)練幾乎是不可能的，也是不經(jīng)濟(jì)的，而改變這一狀況就需要仿真近乎實(shí)際的波形作為雷達(dá)的輸入信號(hào)。基于解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一款中頻雷達(dá)模擬器，該模擬器可用于現(xiàn)代雷達(dá)實(shí)地調(diào)試和訓(xùn)練。

隨著直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct Digital frequency Synthesis，DDS)的日漸成熟，基于DDS的雷達(dá)目標(biāo)模擬器，近年來(lái)得到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用[1-5]，為雷達(dá)研制、算法驗(yàn)證、故障檢測(cè)和模擬訓(xùn)練等方面提供了很大的便利。本文設(shè)計(jì)的中頻雷達(dá)模擬器可以在2種工作狀態(tài)下(聯(lián)機(jī)：在計(jì)算機(jī)控制下；獨(dú)立：通過(guò)鍵盤(pán)輸入)，產(chǎn)生單脈沖雷達(dá)的中頻模擬和、差信號(hào)[6]。模擬器由軟件和硬件2部分共同完成。軟件部分根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)方程實(shí)時(shí)產(chǎn)生模擬目標(biāo)航跡及各種參數(shù)，硬件部分根據(jù)接口電路同步接收的當(dāng)前天線指向及有關(guān)控制字并解算出硬件電路的控制數(shù)據(jù)，通過(guò)變換電路，將各目標(biāo)參數(shù)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)。本文主要介紹其硬件部分。

1 中頻雷達(dá)模擬器總體組成及工作過(guò)程

中頻雷達(dá)模擬器主要由電源部分、控制部分、DDS信號(hào)產(chǎn)生器、模擬信號(hào)輸出4部分組成。組成框圖如圖1所示。

圖1 中頻雷達(dá)模擬器組成框圖

中頻雷達(dá)模擬器工作過(guò)程是：模擬器控制部分接收計(jì)算機(jī)送出的控制字或通過(guò)鍵盤(pán)輸入控制字，并將控制字接收拆解進(jìn)行目標(biāo)計(jì)算、輔助板控制以及鍵盤(pán)顯示控制。輔助板根據(jù)其輸入信號(hào)輸出DDS控制字、多普勒頻率fd、和差方向圖數(shù)據(jù)以及同步脈沖。將DDS 控制字、多普勒頻率fd加到DDS信號(hào)產(chǎn)生器，由DDS信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生單脈沖體制下的一組受到調(diào)制的中頻模擬目標(biāo)回波信號(hào)。調(diào)制信號(hào)主要有常規(guī)脈沖、線性調(diào)頻等現(xiàn)代雷達(dá)常用的信號(hào)形式。該雷達(dá)模擬器只產(chǎn)生常規(guī)脈沖和不同調(diào)制度的線性調(diào)頻信號(hào)，但可以通過(guò)改變程序產(chǎn)生其他信號(hào)形式，模擬信號(hào)輸出部分通過(guò)距離因子衰減器、方位俯仰偏角衰減器等轉(zhuǎn)換，輸出和支路、方位差支路、俯仰差支路，用于模擬單脈沖雷達(dá)中頻模擬信號(hào)；電源部分將輸入～220 V/50 Hz的市電，轉(zhuǎn)換為模擬器各部分所需要的直流電源。

2 中頻雷達(dá)模擬器各部分組成及工作原理

2.1 控制部分

模擬器控制部分組成框圖如圖2所示。模擬器控制部分主要由CPU 板、輔助板組成。CPU 板主要有CPU、接口電路、用于人機(jī)界面的鍵盤(pán)和LED顯示等組成。

圖2 中頻雷達(dá)模擬器控制部分組成框圖

模擬器控制部分的CPU 板采用AT89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)，其外部時(shí)鐘為12 MHz，用于接收計(jì)算機(jī)的控制字或通過(guò)鍵盤(pán)輸入的控制字，并將控制字接收拆解進(jìn)行目標(biāo)計(jì)算、輔助板控制以及鍵盤(pán)顯示控制。人機(jī)界面采用專(zhuān)用芯片8279 作為CPU接口、外接鍵盤(pán)及顯示控制電路。本設(shè)計(jì)采用8位LED顯示和4×8 觸摸式鍵盤(pán)，觸摸式鍵盤(pán)用于輸入控制命令，使中頻模擬器不必與計(jì)算機(jī)連接也可以與雷達(dá)對(duì)接，這樣攜帶更方便。LED顯示用于顯示控制命令以及模擬器工作情況[7]。

輔助板采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?EPLD)EPM7128，最大可用宏單元數(shù)為128個(gè)，平均延遲時(shí)間為7 ns，從而增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。同時(shí)，在模擬器中將計(jì)算好的和差波束數(shù)據(jù)保存為.mif文件保存在ROM中，和差波束的模擬通過(guò)查表的方式完成。和差波束數(shù)據(jù)可以通過(guò)實(shí)測(cè)雷達(dá)天線得到或通過(guò)MATLAB仿真得到[8]。根據(jù)目標(biāo)偏離波束指向的角度計(jì)算俯仰支路和方位支路的衰減并控制數(shù)控衰減器，即查表查出天線相應(yīng)位置的幅度值，然后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行幅度控制。進(jìn)行差(包括方位差、俯仰差)信號(hào)模擬時(shí)，只需對(duì)差通道中頻信號(hào)進(jìn)行差波束數(shù)據(jù)調(diào)制，即查表查出天線相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，對(duì)中頻信號(hào)的幅度進(jìn)行相應(yīng)控制即可。

計(jì)算機(jī)與CPU 板采用串口進(jìn)行通訊。

計(jì)算機(jī)與模擬部分采用雙絞線(數(shù)據(jù)信號(hào))和同軸電纜(視頻脈沖信號(hào)和高頻脈沖信號(hào)) 2種方式進(jìn)行連接。

2.2 DDS信號(hào)產(chǎn)生器

DDS信號(hào)產(chǎn)生器主要用來(lái)產(chǎn)生常規(guī)脈沖信號(hào)或不同調(diào)制度的線性掃頻信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用ADI 公司生產(chǎn)的AD9858是一款高性能DDS 芯片，它包含一個(gè)頻率累加器、一個(gè)32位的相位累加器、14位的相移調(diào)整控制字、一個(gè)變換速度高達(dá)1 GHz的10位數(shù)模變換(DAC)。其內(nèi)部 DDS 核結(jié)構(gòu)使得AD9858可以完成很多種信號(hào)產(chǎn)生，包括單頻信號(hào)、脈沖調(diào)制信號(hào)、相位調(diào)制信號(hào)、線性/非線性掃頻信號(hào)[5，9]等。同時(shí)，高達(dá)1 GHz的工作頻率使得AD9858最高可以產(chǎn)生高達(dá)400 MHz的正弦信號(hào)，故AD9858可以用于產(chǎn)生高中頻的寬帶雷達(dá)信號(hào)。在使用DDS芯片的雷達(dá)模擬器中，有一種常用的脈沖調(diào)制方法是在DDS 芯片的輸出端增加1個(gè)模擬開(kāi)關(guān)或數(shù)控衰減器[8]。工作時(shí)，DDS 輸出端始終輸出信號(hào)——模擬開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，DDS 輸出端輸出信號(hào)送到后級(jí)電路；當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，DDS 輸出端輸出信號(hào)被隔斷，從而產(chǎn)生所需要的脈沖。這種方法控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，所獲得脈沖相位連續(xù)。缺點(diǎn)是增加了硬件，而且開(kāi)關(guān)的隔離度、響應(yīng)時(shí)間和開(kāi)關(guān)速度也影響產(chǎn)生脈沖的質(zhì)量。另一種被使用過(guò)的脈沖調(diào)制方法是采用控制DDS 芯片內(nèi)部相位累加器的辦法來(lái)獲得脈沖信號(hào)[3，5]，即在信號(hào)產(chǎn)生起始時(shí)刻配置DDS 芯片內(nèi)部寄存器，使相位累加器工作，從而產(chǎn)生出期望頻率的信號(hào)；在信號(hào)結(jié)束時(shí)，重新配置DDS 內(nèi)部寄存器，中止相位累加器的工作，使輸出保持在0相位上，而A/D 輸出則變成0 電平，從而產(chǎn)生出期望的脈沖信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用后一種設(shè)計(jì)方法，其信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法如下：

1)固定中頻。選擇AD9858的相位控制字，即可產(chǎn)生所需的中頻信號(hào)。在距離延遲同步脈沖的啟動(dòng)下，經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制，即可生成未經(jīng)壓縮的脈沖調(diào)制信號(hào)。

2)線性調(diào)頻。選擇AD9858的頻率控制字，設(shè)置頻率累加器的起始頻率控制字和結(jié)束頻率控制字，并根據(jù)調(diào)頻斜率設(shè)置步進(jìn)頻率和步進(jìn)值，在距離延遲同步脈沖的作用下，即可產(chǎn)生所需要的線性調(diào)頻信號(hào)。

3)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)作徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)回波產(chǎn)生多普勒的頻移，雷達(dá)通過(guò)測(cè)量多普勒頻率或目標(biāo)在距離上的時(shí)間變化率的方法進(jìn)行測(cè)速，因而目標(biāo)速度的物理特性模擬就是多普勒頻率的模擬。無(wú)論是固定中頻還是線性調(diào)頻信號(hào)，通過(guò)選擇AD9858的頻率控制字，在原有基礎(chǔ)上，使設(shè)置頻率累加器的起始頻率增加一個(gè)多普勒頻率值fd。同樣，在結(jié)束頻率也增加一個(gè)多普勒頻率值fd。

2.3 模擬信號(hào)輸出

模擬器模擬信號(hào)輸出部分主要由3 路功分器、6位數(shù)控衰減器、8位數(shù)控移相器和濾波驅(qū)動(dòng)等組成，用于產(chǎn)生單脈沖體制下的一組和、差模擬中頻固定目標(biāo)回波信號(hào)，或一組和、差模擬中頻動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)。原理框圖如圖3所示。

圖3 模擬器模擬信號(hào)輸出部分原理框圖

DDS信號(hào)產(chǎn)生器輸出的模擬中頻信號(hào)送給HE751 六位數(shù)控衰減器，63 dB數(shù)控衰減器的衰減量受控于輔助板控制字，用于模擬距離對(duì)回波的影響。輸出目標(biāo)信號(hào)加到功分器，功分器的組成框圖如圖4所示。目標(biāo)信號(hào)經(jīng)二功分器，分成2 路信號(hào)分別加到2個(gè)型號(hào)為MAV-11的放大器上，每個(gè)放大器后接一個(gè)跟隨器，再將放大跟隨信號(hào)分別加到2個(gè)二功分器上形成4路信號(hào)，1路信號(hào)可供監(jiān)測(cè)用，其它3 路分別送到和支路、差一支路以及差二支路，用于分別模擬回波信號(hào)的和信號(hào)、方位差信號(hào)、俯仰差信號(hào)。

圖4 功分器的組成框圖

功分器輸出目標(biāo)信號(hào)加到和支路送到HE411A電壓控制衰減器(用于調(diào)整和支路、差一支路、差二支路之間的幅度平衡)；再經(jīng)濾波加到驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生單脈沖和信號(hào)，壓控衰減器受輔助板和波束數(shù)據(jù)的控制，用于模擬輸出和信號(hào)隨角度變化情況。

功分器輸出目標(biāo)信號(hào)加到方位差支路送到HE411A 電壓控制衰減器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的幅度平衡)；再送到8位數(shù)控移相器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的相位平衡)，數(shù)控移相器輸出經(jīng)濾波后加到驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生單脈沖方位差信號(hào)，壓控衰減器的控制受輔助板方位差波束數(shù)據(jù)的控制，用于模擬輸出方位差信號(hào)隨角度變化情況。

功分器輸出目標(biāo)信號(hào)加到俯仰差支路送到HE411A電壓控制衰減器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的幅度平衡)；再送到8位數(shù)控移相器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的相位平衡)，數(shù)控移相器輸出經(jīng)濾波后加到驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生單脈沖俯仰差信號(hào)，壓控衰減器的控制受輔助板俯仰差波束數(shù)據(jù)控制(根據(jù)目標(biāo)偏離波束指向的角度計(jì)算俯仰支路和方位支路的衰減并控制數(shù)控衰減器)，用于模擬輸出俯仰差信號(hào)隨角度變化情況。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的中頻雷達(dá)模擬器能在計(jì)算機(jī)或雷達(dá)計(jì)算機(jī)(聯(lián)機(jī))或人工輸入(脫機(jī))控制下，在中頻頻段上產(chǎn)生模擬目標(biāo)回波的和差三通道信號(hào)。因此，可在雷達(dá)無(wú)須加高壓、無(wú)須真實(shí)目標(biāo)配合情況下，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試、精度檢查。同時(shí)，這些模擬信號(hào)也可用于測(cè)量雷達(dá)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)、分系統(tǒng)對(duì)接實(shí)驗(yàn)及培養(yǎng)操作人員。因此，該中頻雷達(dá)模擬器具有較高的經(jīng)濟(jì)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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