數字陣列雷達目標模擬器設計

胡萬坤，潘瑞云，沈 磊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

雷達的發展已進入數字化、陣列化階段。依據數字陣列雷達目標回波的特點，構建適應雷達系統調試及功能驗證需要的目標模擬器已成為雷達系統工程的一項重要研究方向［1］。本文基于數字陣列雷達的實際應用背景，利用大規模集成電路技術、計算機技術、數字信號處理技術構建了在線多目標模擬器［2］。

1 多目標模擬器實現架構

該模擬器的設計以大規模可編程器件FPGA(XC6VSX315T）和嵌入式信號處理器MPC8640D為核心處理器。在系統規劃時，充分利用FPGA 芯片內部強大的邏輯資源、乘法器資源、存儲器資源、高速串行接口資源(RocketIO、PCIE）、IO 接口資源，在FPGA中實現了陣列雷達多路中頻回波數據的模擬;充分利用MPC8640D 多核、低功耗、實時計算能力強、與FPGA及操控計算機互聯方便的特點，在PowerPC中實現對多批模擬目標的距離、方位、多普勒、相位、幅度等參數的計算，并將這些參數通過PCIE 傳給FPGA。

該架構的設計，使得真實回波數據與模擬目標數據之間無縫鏈接，共享波控、定時信息、時鐘資源，模擬回波與真實回波數據可疊加，共同參與信號處理與數據處理運算。多目標數字中頻模擬器的系統框圖如圖1所示。

2 多目標模擬器的工作流程

2.1 在線多目標模擬器工作過程

圖1 多目標數字中頻模擬器的系統框圖

圖2 PowerPC中的程序流程圖

顯控臺通過網絡將模擬目標的起始位置、航跡參數、目標批次、目標起伏特性、接收通道的幅相監測數據等發送給多目標模擬器。根據雷達天線波束掃描特點以及目標運動軌跡，PowerPC 進行目標與天線波束的相關性判決。以伺服方位的正北脈沖為基準對發射脈沖進行計數，對天線旋轉周期內的雷達工作脈沖進行計數。對落入雷達波束內的目標，計算出每個雷達工作脈沖下的用于信號產生的數據;對雷達波束外的脈沖，所有信號產生的信息置零。以發射脈沖計數器為指針，對天線旋轉周期中每個脈沖的信號產生的參數數據進行建表，每個天線旋轉周期對應一張映射關系表，該表也對應著產生模擬目標航跡中的一個點跡的所有信息資源。在每個伺服方位正北脈沖的時刻，FPGA 通過PCIE 向PowerPC發送中斷請求信號，PowerPC 響應中斷后通過DMA方式將表格中數據傳給FPGA，FPGA 將數據存入存儲器;在DMA 執行完之后，釋放中斷，并計算下一個天線旋轉周期目標點跡的所有信息。FPGA 在每個脈沖重復周期起始時刻從存儲器讀取信號產生的控制字數據，實現以DDS技術為基礎的多路中頻數字信號產生。

2.2 PowerPC的計算流程

PowerPC的主要功能包括初始設定、航跡產生、相關判決和信號產生參數計算。PowerPC中的程序流程如圖2所示。

根據雷達的波束掃描數據，可知道獲得雷達的信號形式(工作頻點、脈沖寬度、脈沖重復周期）、天線轉速、波束形狀等參數;根據雷達操控臺設定的模擬目標參數，可知道目標批次、飛行軌跡、目標起伏特性等。由PowerPC 計算出所模擬目標的飛行軌跡，即不同天線旋轉周期中各個回波點的距離、方位、仰角等信息。

根據雷達天線機械掃描方位角θ 及水平波束寬度(3 dB），進行目標飛行軌跡與天線波束的相關性判決。對判定落入雷達波束內的目標，PowerPC 根據雷達的信號形式、模擬目標運動的點跡參數、接收通道的幅相監測數據、噪聲特性、目標起伏特性、天線波束形狀調制特性等數據，確定陣列中多路回波信號的時延、相位差、多普勒頻率、回波強度等數據。

2.3 FPGA中多路數字中頻回波的實現過程

在雷達工作脈沖的起始階段，通過存儲器讀取當前周期產生多路回波所需要時間延遲信息、多普勒調制信息、多通道之間的回波相位信息和多通道之間的回波強度信息。

依據定時關系，在FPGA中產生距離計數器，對產生目標的時間進行控制。由于所產生的每路信號的頻率控制字、相位控制字、幅度控制字各不相同，時間關系是同步的，需要在FPGA中實現多個DDS信號產生模塊。通過DDS技術，實現在線數字中頻回波模擬的原理框圖如圖3所示。

圖3 DDS信號產生原理框圖

3 目標運動軌跡計算及回波起伏特性分析

3.1 模擬目標航跡規劃

模擬目標航跡的設計應參考真實目標飛行情況，應盡可能保證對雷達動態性能和在復雜環境下穩定性的檢驗。

本設計中的航跡模型包括:(1）民航機的等高飛行，(2）戰斗機的機動飛行，(3）兩批目標軌跡交叉的模擬，(4）海雜波背景下、低空小目標的模擬，(5）云雨雜波背景下、目標的模擬，(6）高速、高機動飛行目標的模擬(7）航路捷徑目標的模擬，(8）400 批目標的模擬。目標的飛行高度、速度、RCS 等可通過操控界面選擇。

3.2 距離時延和多普勒頻率

目標i 回波信號的時延為

其中，Ri為當前時刻模擬目標的斜距，c為光速。

目標的多普勒調制為

式中，fi，d為目標的多普勒頻率，Vi為模擬目標徑向速度，fo為雷達工作頻率，c為光速。

3.3 陣列天線多接收通道之間回波相位差

第j 路接收信號的模擬相位量為

其中，?pj(θi，?i）為傳播過程中引起的第j 路接收機接收目標i 回波信號相對于基準支路的相位差，?aj(θi，?i）為天饋系統引起的相位誤差。一般可將接收通道的測試結果以數據庫形式存入多目標模擬器計算機或者進行在線監測。

3.4 回波信號幅度控制

模擬目標i 落入天線波束，第j 路接收機接收的目標i的回波信號強度為［3］

其中，Si，j為第j 路接收機接收第i個目標回波信號功率;Pt為發射信號功率;Gt(θi）、Grj(?i）分別為天線發射增益和第j 路子接收機的增益;多目標模擬器將天線靜態測試結果量化存儲獲得天線方向圖參數表，供使用時讀取;σi為目標反射面積，根據事先確定的目標RCS 平均值與目標起伏模型(如Swerling 模型、瑞利模型等）確定，或將實際目標RCS 存入計算機，根據目標姿態讀出;Lj為損耗(饋線損耗及大氣損耗等）;Ri為目標i的徑向距離;λ為雷達工作波長;f(θ，?）為天線增益隨波束掃描角變化的方向圖因子。

3.5 噪聲、雜波的模擬及與接收機噪聲、雜波背景的疊加

回波信號的模擬還要考慮接收機的噪聲和雜波環境的模擬。噪聲和雜波都不是確定信號，只具有統計特性。噪聲分布類型較多［4］(如高斯分布、指數分布、瑞利分布等）。

雷達的雜波環境較為復雜，類型較多，有地雜波、海雜波、云雨雜波、箔條干擾雜波等，不同的雜波類型具有不同的雜波特性。對于地物雜波，可采用幅度概率分布為瑞利分布、對數正態分布、Weibull分布的模型來描述，功率譜為高斯譜、立方譜;海雜波可采用幅度為對數正態分布、K分布的高斯譜雜波模型來表示;氣象雜波可采用幅度分布為瑞利分布的高斯譜模型來描述。

噪聲的類型、雜波的幅度分布及功率譜模型應根據實際情況來選擇。利用計算機產生符合概率分布和功率譜特性要求的隨機序列，控制目標噪聲和雜波幅度的變化，即依據統計模型產生噪聲、雜波回波信號。將產生的噪聲、雜波數據存入存儲器，利用硬件控制邏輯完成數據的讀取［5］。

4 目標模擬效果

圖4中，模擬16 批航路捷徑目標，用于檢驗在高仰角情況下目標跟蹤的穩定性;圖5中，同時產生400批運動目標，用于檢驗全程、全方位自動起始的能力;圖6中，模擬目標與噪聲、雜波環境的疊加，進行信號處理抗雜波算法及雜波中目標檢測、跟蹤算法的驗證。

圖4 模擬16 批航路捷徑目標

圖5 模擬400 批運動目標

圖6 模擬目標與噪聲、雜波環境的疊加

5 結束語

依據陣列雷達的回波特點，多目標模擬器考慮了目標起伏、目標噪聲、雜波環境和大氣影響等因素，使得所模擬的目標回波比較接近真實情況。模擬目標運動航跡、數量等可隨意設置。模擬器與雷達系統之間無縫鏈接，共享系統時鐘和波控信息，所模擬的目標回波與雷達信號之間保持相參關系。多目標模擬器在數字陣列雷達中的應用，使得整機調試與性能驗證變得十分便捷、高效，可降低試驗條件與成本，對雷達操作人員的培訓也具有積極意義。

［1］衛健，陳定階.雷達目標模擬器［J］.現代雷達，2000(2）.

［2］徐安林.在線注入式相控陣雷達目標模擬器關鍵技術研究［D］.南京理工大學碩士論文，2009.

［3］丁鷺飛，耿福錄.雷達原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2010.

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

［5］張維剛，陳勇，朱曉東.相控陣雷達多目標模擬器總體技術［J］.航天電子對抗，22(5）.