輻射式雷達回波模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)?

李之海

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所 揚州 225001）

1 引言

雷達是用于檢測和定位反射物體，如飛機、艦船、航天飛機、車輛、行人和自然環(huán)境的一種電磁系統(tǒng)［1］。近年來，雷達在軍事和民用領(lǐng)域的使用越來越廣泛，在雷達的研制和調(diào)試過程中，需要對雷達性能和指標進行測試。如果這些測試都通過真實目標來實現(xiàn)，則不僅要消耗大量的人力物力，而且對外場條件的要求會很高。雷達回波模擬器是雷達在設(shè)計、研制、試驗階段重要的測試手段，因為其具有保密性好、試驗費用低、可重復性好等優(yōu)點，目前已在雷達研制過程中起到了越來越重要的作用。

2 仿真理論

模擬器的設(shè)計過程中，主要涉及的雷達信號模擬和雷達目標及干擾模擬的基本數(shù)學模型如下：

2.1 坐標系及坐標變換

大地坐標系是建立在一定的大地基準上的用于表達地球表面空間位置及其相對關(guān)系的數(shù)學參照系［2］。在本模擬器中坐標系采用大地直角坐標系，坐標原點O位于海拔高度為0的大地表面上的一點，X軸定義為過原點切于緯度弧線且指向東；Y軸定義為過原點切于經(jīng)度弧線且指向北極方向；Z軸按右手法則，指向天頂。

以平臺坐標系Ot－xtytzt為基準，將坐標原點Ot到目標的方向定義為徑距方向，之間的距離R稱為斜距；將斜距在xtyt面內(nèi)的投影與Otyt軸之間的夾角A（0°～360°）定義為方向角，順時針方向為正；將斜距與xtyt面之間的夾角E定義為仰角（或高低角），向上為正（范圍－90°～90°），如圖1所示。

則平臺坐標系到雷達球面坐標系之間的關(guān)系為

圖1 大地直角坐標系

雷達球面坐標系到平臺坐標系之間的關(guān)系為

2.2 目標回波功率

目標在雷達電波的作用下，產(chǎn)生后向散射的電波稱為雷達回波［3］。雷達方程反映了雷達的探測距離同發(fā)射機、接收機、天線、目標及環(huán)境等因素之間的相互關(guān)系［4］。根據(jù)雷達及目標參數(shù)，利用雷達方程，可計算出模擬器輸出的單一脈沖目標回波信號功率為

式中：PT為雷達脈沖發(fā)射功率；GT為雷達天線增益；L為雷達發(fā)射傳輸損耗；σ為目標雷達平均截面；R為目標至雷達的距離；F為天線方向圖傳播因子；λ為雷達工作波長；r為電磁波大氣傳播雙程衰減因子。

在已知經(jīng)標校后模擬器射頻輸出信號的最大有效功率和至被試雷達的距離時，對目標回波信號的總衰減值為

式中：po為模擬器發(fā)射機輸出的最大功率；G0為模擬器天線增益；ps為計算出的回波信號功率；R0為模擬器至被試雷達的距離。

2.3 大氣傳播衰減的模擬

對流層內(nèi)氣體分子及水汽凝結(jié)物（云、霧、雨等）對電波具有吸收和散射作用，會造成電波的衰減，衰減量與電波工作頻率密切相關(guān)［5］。在100MHz～50GHz頻率范圍內(nèi)，大氣傳播衰減因子可以表示為

其中：γ1為氧氣的衰減因子，以dB／km（雙向）為單位；γ2、γ3為水蒸氣的衰減因子，以dB／km（雙向）為單位，在標準溫度和標準地面大氣壓下：

其中：λ為工作波長，以cm為單位；ρ為水蒸氣的絕對濕度，以g／m3單位，在中緯度地區(qū)，可用8g／m3作為缺省值計算。

2.4 多普勒頻移

當目標以徑向速度V向雷達運動時，目標回波的多普勒頻率為

2.5 目標回波的延時

電磁波從雷達傳輸至目標的時間t是傳播距離除以波的速度［6］，即

通過計算目標與雷達的相對距離，得到的延時為雙程延時。

式中：C為光速，即C＝2.99785×108m／s；R 為目標與雷達的距離。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

模擬器由顯示控制單元、接收通道、下變頻網(wǎng)絡(luò)、上變頻網(wǎng)絡(luò)、射頻通道、頻率合成器、信號產(chǎn)生單元、天線等組成，組成如圖2所示。

圖2 模擬器組成如圖

模擬器通過顯示控制單元的人機界面對雷達參數(shù)、目標模擬參數(shù)、干擾樣式及參數(shù)等戰(zhàn)情進行編輯，并將目標模擬參數(shù)發(fā)送到信號產(chǎn)生單元，由信號產(chǎn)生單元根據(jù)目標距離、速度產(chǎn)生具有一定時延和多普勒頻率的雷達目標回波信號的中頻基帶信號。再經(jīng)過上變頻網(wǎng)絡(luò)進行上變頻，生成雷達目標回波信號的射頻信號，并經(jīng)過功率放大器和天線輻射至被試雷達。在進行雷達目標回波或欺騙干擾模擬時，顯控單元還通過信號產(chǎn)生單元的數(shù)字I／O完成對接收通道單元、頻率合成器、上下變頻網(wǎng)絡(luò)和射頻通道單元等硬件進行實時控制。

1）顯示控制單元

顯示控制單元主要任務是實時控制模擬器的運行，為用戶提供友好的人機交互界面。顯示控制單元通過人機界面對工作參數(shù)、雷達參數(shù)、目標模擬參數(shù)等戰(zhàn)情進行設(shè)置，并將參數(shù)發(fā)送到信號產(chǎn)生單元，由信號產(chǎn)生單元進行目標回波模擬的模擬。顯示控制單元還通過信號產(chǎn)生單元的數(shù)字I／O對接收通道單元、頻率合成器、上下變頻網(wǎng)絡(luò)和射頻通道單元等進行控制。顯示控制單元還可對主要的雷達參數(shù)、目標參數(shù)、干擾參數(shù)和態(tài)勢進行顯示。

2）接收通道

接收通道由衰減器、限幅器、開關(guān)、脈沖測量及門限產(chǎn)生電路組成，其主要任務是接收和處理各種被試雷達信號，對接收到的雷達信號進行電平調(diào)整，實現(xiàn)雷達信號的平穩(wěn)接收，同時進行脈寬、脈幅、重頻、掃描周期等測量，同時與中頻檢波信號一起產(chǎn)生檢波門限信號、幅度指示，送信號產(chǎn)生單元。并實現(xiàn)重頻跟蹤功能。將脈寬、脈幅、重頻、掃描周期等測量數(shù)據(jù)也送顯示控制單元進行顯示。

3）下變頻網(wǎng)絡(luò)

下變頻網(wǎng)絡(luò)主要由混頻器、放大器、濾波器、耦合器等組成，其主要功能是將雷達射頻信號下變頻至中頻，經(jīng)放大后送信號產(chǎn)生單元，作為目標回波模擬的中頻基帶樣本信號。

4）上變頻網(wǎng)絡(luò)

上變頻網(wǎng)絡(luò)主要由混頻器、放大器、開關(guān)濾波器組等組成，主要功能是將信號產(chǎn)生單元輸出的中頻信號恢復至至雷達射頻信號的頻率上。

5）射頻通道

射頻通道主要由高速調(diào)制器、程控衰減器、放大器、功率放大器等組成，其主要功能是上變頻網(wǎng)絡(luò)輸出的雷達目標回波信號進行高速調(diào)制、幅度調(diào)制和功率放大。

6）頻率合成器

頻率合成器主要由晶振、諧波發(fā)生器、功分器、放大器、混頻器、微波開關(guān)等組成，其主要功能是為上、下變頻網(wǎng)絡(luò)提供變頻所需本振信號。

7）信號產(chǎn)生單元

信號產(chǎn)生單元是進行雷達目標回波模擬的核心部件，主要由高采樣率ADC、高速DAC、大容量存儲器（雙口RAM）、DSP、大規(guī)模FPGA、時鐘系統(tǒng)電路和通信接口電路等組成。組成如圖3所示。

在進行雷達目標回波模擬時，信號產(chǎn)生單元接收顯示控制單元送來的模擬器工作參數(shù)、目標運動參數(shù)等戰(zhàn)情信息，按照目標運動模型，實時解算目標距離、目標速度參數(shù)，根據(jù)雷達方程模型、大氣衰減模型、目標起伏模型，實時解算每個目標回波的功率。

圖3 信號產(chǎn)生單元組成圖

為了模擬目標回波的時延，信號產(chǎn)生單元在檢波門限的控制下，通過A／D對下變頻網(wǎng)絡(luò)輸出的雷達中頻信號進行高速采樣，并將雷達樣本信號滑窗式地存儲到存儲器中。技術(shù)產(chǎn)生器根據(jù)雷達至目標的距離計算目標回波相對于當前發(fā)射機定時觸發(fā)脈沖的時延值，生成讀取存儲器數(shù)據(jù)的時延控制字，送數(shù)字存儲器控制器。在每一雷達周期內(nèi)按時延值的大小，從小到大順次把相應的發(fā)射樣本讀出，送往D／A產(chǎn)生出雷達基帶模擬目標回波信號，從而模擬了目標回波的時延。

為了完成信號的多普勒調(diào)制，由技術(shù)產(chǎn)生器計算每個目標的多普勒頻移，產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號，控制DAC構(gòu)成的DDS，產(chǎn)生多普勒調(diào)制信號，送多普勒調(diào)制模塊中完成多普勒的調(diào)制，模擬目標的多普勒頻率。

4 結(jié)語

輻射式雷達回波信號模擬器已經(jīng)研制完成，模擬器的各項性能可以滿足實際應用要求，在某型雷達的調(diào)試和試驗過程得到了應用，效果良好。在將來的模擬器設(shè)計中可以進一步從通用化和可擴展等方面進行研究。

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