雷達(dá)回波模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任亞欣 王瑞斌 侯 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達(dá)整機(jī)調(diào)試對(duì)調(diào)試場(chǎng)地，包括靶標(biāo)距離、靶標(biāo)目標(biāo)等特性有一定的要求。而實(shí)際環(huán)境中常常不具備理想的調(diào)試環(huán)境，比如沒(méi)有開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行架設(shè)；沒(méi)有合適的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、搜索等[1]。雷達(dá)回波模擬器正是針對(duì)這樣的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。雷達(dá)回波模擬器可以將雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行接收，并對(duì)應(yīng)作出適當(dāng)?shù)奶幚?，然后以一定的發(fā)射功率輻射出去，實(shí)現(xiàn)模擬雷達(dá)回波，對(duì)雷達(dá)的探測(cè)性能進(jìn)行調(diào)試，從而降低對(duì)調(diào)試場(chǎng)地的要求，實(shí)現(xiàn)方便調(diào)試的目的[2]。

目前常見(jiàn)的雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)大致可以分為三種：第一種，全軟件化雷達(dá)模擬器，通過(guò)軟件編程在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、雜波、干擾等信息的生成。這類雷達(dá)模擬器通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的生成，由于計(jì)算機(jī)并非專用的信號(hào)處理部件，故數(shù)據(jù)生成速度慢，實(shí)時(shí)性低。第二種，由雷達(dá)回波模擬板卡構(gòu)成的回波模擬器，此類模擬器通過(guò)回波模擬板卡生成所需的目標(biāo)回波信號(hào)，但此類回波模擬器受限于硬件處理板內(nèi)存的限制，產(chǎn)生的回波數(shù)據(jù)信號(hào)單一，只能適用單一品種的雷達(dá)系統(tǒng)，故靈活性差。第三種，采用多板卡集成的雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)，其中包括：用于回波信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào)回放板卡，用于回波數(shù)據(jù)生成的信號(hào)處理板卡，用于回波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)板卡和用于用戶操作和參數(shù)設(shè)置的主控板卡。此種雷達(dá)回波模擬器通過(guò)多板卡集成的方式實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波模擬器的各種功能，如實(shí)現(xiàn)各種電磁仿真環(huán)境、目標(biāo)回波和干擾的回波產(chǎn)生等，同時(shí)具有信號(hào)生成速度快，實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。但由于此類雷達(dá)回波模擬器采用多個(gè)板卡共同實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)體積龐大、功耗高、集成度低[3-5]。

本文論述的雷達(dá)回波模擬器針對(duì)功能要求，盡可能地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，保留主要功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的便攜和實(shí)用性，因此我們采用專用微波模塊和FPGA+AD/DA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波模擬器[6-7]。

1 產(chǎn)生方式

根據(jù)雷達(dá)整機(jī)調(diào)試需求，我們?cè)O(shè)計(jì)的雷達(dá)回波模擬器主要實(shí)現(xiàn)功能為Ku和Ka兩個(gè)波段，對(duì)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行距離模擬和目標(biāo)大小的模擬。

距離的產(chǎn)生主要依靠波束的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。即根據(jù)接收回波的時(shí)刻，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行延遲后將信號(hào)再發(fā)射回雷達(dá)，進(jìn)行不同距離雷達(dá)回波信號(hào)的模擬，模擬目標(biāo)距離精度為1.5 m，最遠(yuǎn)距離設(shè)計(jì)值為16 Km。目標(biāo)大小的模擬主要通過(guò)功率調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠調(diào)節(jié)的范圍為30dB。雷達(dá)回波模擬器的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)回波模擬器框圖

2 工程實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的回波模擬，我們要建立起

回波信號(hào)接收、變頻、采樣、存儲(chǔ)、延遲、信號(hào)恢復(fù)、上變頻、功率調(diào)整、模擬回波發(fā)射的一條信號(hào)通路。要實(shí)現(xiàn)上述功能，我們將工程實(shí)現(xiàn)的模塊分為：收發(fā)天線、微波前端系統(tǒng)、控制延時(shí)單元、顯控單元、電源等附件。

1)收發(fā)天線

收發(fā)天線因?yàn)轶w積較大，工作相對(duì)獨(dú)立，設(shè)計(jì)中將其獨(dú)立作為一個(gè)單元，在實(shí)際工作時(shí)也方便架設(shè)和方向調(diào)整。通過(guò)射頻電纜與設(shè)備連接。

本設(shè)備使用的天線為波導(dǎo)喇叭天線，Ku、Ka雙頻段共用，根據(jù)工作狀態(tài)為分時(shí)工作，因此為雙頻段分時(shí)復(fù)用天線，主要指標(biāo)如下：

①頻率范圍：Ku、Ka；

②極化方式：垂直極化；

③天線增益：≥15 dBi；

④接口形式：SMA-50K；

⑤重量：≤3Kg。

2)微波前端系統(tǒng)

微波前端系統(tǒng)是本設(shè)備的頻率產(chǎn)生和上下變頻部分，是實(shí)現(xiàn)接收雷達(dá)信號(hào)，將雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行下變頻到低頻信號(hào)，供控制延時(shí)單元進(jìn)行數(shù)字化采樣，同時(shí)將控制延時(shí)單元產(chǎn)生的模擬距離信號(hào)進(jìn)行上變頻到雷達(dá)工作頻段，然后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓β史糯?，送至天線單元。原理框圖如圖2所示。

圖2 微波前端系統(tǒng)原理框圖

微波前端系統(tǒng)利用延時(shí)控制單元產(chǎn)生的80 MHz基準(zhǔn)信號(hào)分別產(chǎn)生Ku波段和Ka波段工作的本振信號(hào)，首先將接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行下變頻，到ADC能夠進(jìn)行采樣的頻率，然后送至控制延時(shí)單元。按照工作要求，將控制延時(shí)單元產(chǎn)生的波形信號(hào)進(jìn)行上變頻到雷達(dá)工作頻率，然后按照時(shí)序控制輸出。

實(shí)現(xiàn)分四部分：本振基準(zhǔn)產(chǎn)生、上變頻通道、下變頻通道、接口控制及電源。

3)延遲控制單元

延時(shí)控制單元是雷達(dá)回波模擬器功能實(shí)現(xiàn)的核心，使用FPGA 、AD、DA組合存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波的延遲轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而模擬不同距離目標(biāo)回波。

基本原理框圖如圖3所示。

圖3 控制延時(shí)單元原理框圖

使用邏輯控制器件FPGA內(nèi)部邏輯和時(shí)序配合控制，能夠根據(jù)使用要求，靈活配置延遲時(shí)間，延時(shí)精度可到0.01 μs級(jí)，對(duì)應(yīng)距離延遲約1.5 m[3]。能夠滿足使用精度要求。

4)顯控單元

顯控單元我們使用檔位等級(jí)明顯的旋鈕開(kāi)關(guān)和對(duì)應(yīng)的LED陣列顯示進(jìn)行控制交互。交互控制功能包括：

①延時(shí)距離控制：根據(jù)不同檔位選擇并顯示；

② Ku/Ka工作狀態(tài)顯示：當(dāng)前工作所在波段，當(dāng)前發(fā)射狀態(tài)開(kāi)/關(guān)顯示；

③發(fā)射功率控制范圍：30 dB，可以通過(guò)旋鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)選擇；

④接收增益調(diào)整范圍：30 dB，可以通過(guò)旋鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)選擇；

顯控單元與延遲控制單元之間的信息交流框圖如圖4所示。

圖4 顯控單元功能及接口框圖

5)電源

220 V市政電壓輸入，方便設(shè)備架設(shè)。220 V電源在模塊內(nèi)部經(jīng)過(guò)電源變換后為設(shè)備內(nèi)部其他功能模塊供電。其中電源轉(zhuǎn)換模塊具有防雷擊、浪涌的功能，提高了設(shè)備的抗干擾能力和工作可靠性。

6)結(jié)構(gòu)外觀

雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)要求便攜、美觀、可操作性強(qiáng)，能夠方便地在各個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行連接使用，因此重量和體積上要考慮便攜，而且在搬運(yùn)過(guò)程中要考慮使用者的體驗(yàn)感。整個(gè)機(jī)箱外觀如圖5所示。

圖5 雷達(dá)回波模擬器外形

機(jī)箱尺寸為標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱，體積為：250×350×150 mm。

表面噴塑絲印處理，把手多角度可調(diào)節(jié)，提高模塊的搬運(yùn)性能和架設(shè)舒適性，便于操作人員進(jìn)行設(shè)置操作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

雷達(dá)回波模擬器作為雷達(dá)模擬檢測(cè)設(shè)備，關(guān)鍵技術(shù)有三點(diǎn)：一是實(shí)現(xiàn)延遲的軟件模塊；二是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的AD/DA轉(zhuǎn)換；三是射頻通道的實(shí)現(xiàn)。

1)延遲單元的實(shí)現(xiàn)

采用FPGA結(jié)合AD，將回波信號(hào)數(shù)字化后，在FPGA采用FIFO技術(shù)，將波形數(shù)據(jù)根據(jù)不同的延遲進(jìn)行延遲發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)不同距離目標(biāo)的模擬。相比于光纖延遲具有靈活可控、設(shè)備量小的優(yōu)點(diǎn)。

2)AD/DA信號(hào)的轉(zhuǎn)換

要實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的模擬，必須進(jìn)行AD將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后再進(jìn)行靈活處理。AD的過(guò)程就需要滿足采樣定理，以達(dá)到波形的無(wú)失真處理。AD/DA使用的芯片型號(hào)分別為ADI公司的AD9434和AD9172。

采樣定理滿足以下條件[3]為

或者

其中，m=1,2，3...mmax。

3)射頻通道的實(shí)現(xiàn)

射頻通道包含接收和發(fā)射兩個(gè)通道。接收通道將接收到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行下變頻，到中頻，通過(guò)AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)，主要通過(guò)FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)射通道將波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)射頻還原，通過(guò)DA將采樣得到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，還原雷達(dá)信號(hào)，將還原的信號(hào)進(jìn)行上變頻到雷達(dá)發(fā)射頻率。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中考慮到兩個(gè)波段分時(shí)工作，因此將部分電路進(jìn)行了分時(shí)復(fù)用，有利于降低成本、縮小體積。

圖6 上變頻通道實(shí)現(xiàn)框圖

圖7 下變頻通道實(shí)現(xiàn)框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本雷達(dá)回波模擬器已經(jīng)投入使用，功能正常，使用操作簡(jiǎn)便，特別在場(chǎng)地限制的情況下使用效果尤佳。

雷達(dá)回波檢測(cè)設(shè)備作為雷達(dá)整機(jī)調(diào)試的輔助設(shè)備，能夠模擬不同距離的回波信號(hào)，很好的服務(wù)于雷達(dá)調(diào)試工作。結(jié)合硬件平臺(tái)，在FPGA+DA中可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)靈活的加入其它變量，入多普勒頻移、雜波等，實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)信號(hào)的模擬，具有良好的擴(kuò)展性。滿足雷達(dá)整機(jī)功能調(diào)試的需求[7]。