基于DDS的單脈沖體制雷達目標模擬的實現

肖開健，井偉，肖戰牛，李國卿

(北方雷達電子科技集團有限公司總體一部，陜西西安710100)

單脈沖體制雷達能在一個回波脈沖內獲得關于目標位置的全部信息，這使雷達在工作過程中節約了大量的時間和能量，所以得到廣泛應用。單脈沖測角方法主要有3種:幅度比較法、相位比較法和幅度相位比較法。目前多數相控陣雷達采用的和差波束測角就是一種幅度比較單脈沖測角方法。

在幅度比較單脈沖中，天線接收的目標回波信號在和、差支路中形成和、差信號。和波束回波信號主要用于目標檢測和作為相位基準以確定信號正負，差波束回波信號主要用于測角［1］。為較好地模擬和差波束的幅度以及之間的相位特性，文中通過數字交匯技術、連續波校準、波形存儲技術解決和差波束幅度、差波束正負號確定的問題。在某雷達調試過程中，驗證了該目標模擬器的有效性。

1 實現過程

1.1 系統組成

系統采用數字信號處理器(DSP)，直接數字合成器(DDS)，可編程邏輯器(FPGA)的體系結構，并配以必要的相關電路完成。DSP是系統的控制主機，主要完成目標飛行軌跡的建模，目標實時與雷達掃描波束的交匯比較，運算目標回波的幅度、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、存儲雷達波形、產生DDS串口操作時序;DDS為AD公司AD9857芯片，用于在雷達時序的控制下，將波形數據上變頻形成所需的中頻模擬信號［2］。組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

1.2 工作原理

外部系統將模擬控制命令和雷達掃描波束通過外部通訊接口輸入FPGA，并產生中斷信號，DSP在這個中斷信號的觸發下產生硬件中斷，讀取控制命令。當DSP收到開始工作命令后，模擬目標按照建立的航跡飛行，并與送來的雷達波束進行實時交匯和計算。當目標與雷達波束交匯成功時，計算交匯的幅度、多普勒頻率、距離等。將算出的數據經FPGA數據鎖存器，DDS時序模塊，距離延遲器等處理后送至DDS芯片。在雷達時序脈沖信號的控制下，形成動態目標中頻模擬信號送給信號處理器。工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理

1.3 數字波束交匯

圖3 波束交匯示意圖

當DSP收到開始工作的命令后，模擬目標按照建立的航跡飛行，并與送來的雷達波束進行實時交匯。波束交匯示意圖如圖3所示。圖3中，①為目標中心位置;②為雷達掃描波束中心位置;③為目標與波束交匯公共區域。當雷達掃描波束與目標交匯成功以后，可以根據式(1)計算目標的幅度

其中，(sinA，sinE)為目標方位和高低角的正弦;(sinAt，sinEt)為雷達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為目標幅度量化值。

1.4 和差波束幅度的實現

如上所述，當目標與掃描波束交匯成功，通過公式計算圖3中③的區域目標的幅度，該幅度即為和波束的幅度。然后根據公式計算出目標中心位置①與掃描波束中心位置②之間的角度偏差

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

再根據目標①與雷達掃描波束②之間的角度差，運用單脈沖測角差斜率反算出差波束幅度［3］

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

1.5 差波束的正負號的實現

AD9857作為一款窄帶正交數字上變頻器件，基本滿足一般雷達的中頻信號要求。但該芯片在上電初始化時無法設置波形輸出的初始相位，以及多個芯片同時工作時，芯片之間沒有相位同步信號，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于和波束的相位關系帶來了困難。

為正確模擬差波束相對于和波束的相位關系，主要采取兩種措施:

(1)兩路DDS芯片上電后，由外部系統通過外部通訊接口發送校準工作命令，當DSP芯片收到該命令后，置DDS芯片為中頻連續波模式輸出中頻連續波給信號處理器進行校準，把兩路芯片的相位校準在一起。

(2)通過步驟(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于和波束的相位關系，通過在原始雷達信號上加一個初始相位的方法來實現，當正號時設為初始相位為0°，當負號時設置為初始相位為180°。設雷達基帶信號為

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

用Matlab進行仿真，仿真結果如圖4和圖5所示。

圖5 初始相位為180°的雷達波形圖

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，當差波束為正號時選擇初始相位為0°的波形輸出，當差波束為負號時選擇初始相位為180°的波形輸出。

圖6 初始相位為0°和180°波形存儲

2 試驗情況

該方法產生的和差信號在單脈沖體制雷達中進行實際應用，取得了良好的效果。圖7為校準時輸出的兩路連續波信號，圖8為工作時輸出的和差中頻調頻脈沖信號。

3 結束語

在雷達的研制、調試和操作使用過程中，目標模擬回波信號已得到廣泛應用，它可以縮短雷達的研制周期，減少雷達的研制和雷達操作手的培訓費用。提出的一種基于DDS芯片AD9857對單脈沖體制雷達目標模擬的實現方法，產生的和差波束信號，具有良好的和、差支路的相位和幅度特性，能準確地進行目標檢測和比幅測角，可以滿足單脈沖體制雷達的調試和功能檢測的需要。

［1］ 丁鷺飛，耿富錄．雷達原理［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2004．

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

［3］ 張光義，趙玉潔．相控陣雷達技術［M］．北京:電子工業出版社，2006．