基于DSP的海防雷達目標模擬器的設計與實現

韓寧　龐郁　李育紅　王格芳

摘 要： 針對海防雷達部隊訓練無目標模擬器導致的訓練效果不理想問題，提出了研制海防雷達目標模擬器的解決方案。軟件算法部分，在分析海雜波分布特性的基礎上，首先利用雜波模擬技術仿真生成海浪雜波，其次基于SwerlingIV模型生成目標回波，然后利用疊加模型生成帶雜波的海面目標回波，完成目標回波的模擬仿真工作。硬件上提出CPLD+DSP的解決方案，CPLD完成系統的時序及邏輯控制，DSP將模擬仿真信號實時生成目標回波。相關部門實際使用結果證明了該方案的有效性。

關鍵詞： 海防雷達； 目標模擬器； 數字信號處理； 復雜可編程邏輯器件

中圖分類號： TN957.51?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0012?03

0 引 言

海防雷達主要完成對海偵察和警戒任務，同時可為己方火炮進行校射，是遂行海面偵察及作戰任務的首要武器力量，在現代化戰爭中發揮著舉足輕重的作用。

海防雷達多配備于高山、海島等氣候惡劣、外部環境復雜的區域，工作時受環境雜波和外部干擾較為嚴重，為了提高實戰時操作手對雷達的操作判讀能力，需在平時對操作手進行訓練，但諸多因素的限制往往無法順利開展，故急需開展雷達目標模擬器的研制工作，以提高訓練效果。

1 目標模擬器的系統設計

目標模擬器的系統組成如圖 1所示。

圖1 系統組成框圖

如圖1所示，系統由雜波生成模塊、干擾生成模塊、無雜波回波生成模塊、帶雜波回波生成模塊、航跡模擬模塊、通信模塊及上位機組成，每個模塊的功能分述如下：

雜波生成模塊主要完成各種海雜波的生成。雷達雜波是雷達工作環境的重要組成部分，雜波的特性對雷達目標檢測算法設計影響巨大，因此在雷達回波模擬器中，能否快速有效地模擬海雜波關系到雷達模擬器的性能參數是否可靠[1]。目前對海雜波的建模方法主要有統計建模，散射機理建模以及幾年來興起的混沌理論和多重分形理論建模[2]。為了便于實現，本文選擇統計建模方法，選取服從對數?正態分布的海雜波作為建模的分布函數，以此完成海雜波的仿真生成。

無雜波回波生成模塊主要完成回波的幅度調制、多普勒調制、以及單多目標的回波疊加等工作，生成不帶雜波及干擾的純凈目標回波。

航跡模擬模塊主要完成單、多目標的航跡模擬功能。該航跡模擬模塊能夠模擬多種海上目標，能產生參數可變的氣墊船、登陸艦艇等目標，能夠產生勻速、勻加速基于帶有復雜偏航角的目標運動航跡，目標可以隨時停止，可以隨時繼續開始航行。

通信模塊主要負責下位機與上位機的通信，通過上位機輸入各種參數來控制下位機的正常運行，輸入目標參數并負責將各目標參數轉化為雷達柱面坐標體系內的數值。

2 硬件構成

系統硬件構成如圖2所示。

圖2 系統硬件構成

控制面板負責上位機的通信工作；CPLD負責邏輯及時序控制；利用FPGA的高速處理能力完成回波幅度及相位的調制，產生所需目標回波并生成各種干擾及雜波信號；DDS和PLL鎖相環負責產生系統所需時鐘，時鐘源通過電纜與雷達同步，完成時鐘的同步，避免產生虛假動目標；幅度調制模塊基于Swerling Ⅳ模型完成回波的復讀調制，然后在混頻器中將回波上變頻至中頻，隨后經過低通濾波器濾出所需信號，最后完成幅度和相位的校正，得到所需輸出信號。

為了降低系統開發成本，減少功耗，本系統采用Altera公司的大規模可編程集成電路Cyclone Ⅱ系列的CPLD來完成邏輯及時序控制的功能。該邏輯控制器可以完成8個端口的邏輯時序控制，并可與多種其他型號的FPGA進行無縫連接，以得到更加優化的處理性能。

對于雷達目標模擬器來說，回波生成模塊需要具備以下幾方面的特點。

（1） 實時性。實時數據處理，需實時將系統生成的回波轉換成模擬信號輸出，不能有系統無法接受的延遲產生；

（2） 同步和輸出精度，因需輸出雷達的寬頻帶信號，故FPGA的輸出精度應該控制在可接受的范圍之內，否則輸出的數據精度無法滿足系統要求；另外還需實時提供數據的暫停輸出等功能，所以還需要輸出數據比較可靠。

基于以上幾個方面的要求，本系統選擇Altera公司的MAXI系列完成系統所需的實時處理功能。

DDS以雷達同步時鐘作為系統的基準時鐘源，通過相位累加器對頻率控制字進行累加，當相位累加器溢出時，溢出頻率就是DDS的輸出頻率。不同的頻率控制字可以得到不同的累加器增量，造成累加器溢出頻率也不同。波形存儲器對不同的溢出頻率進行尋址，便可以得到不同的輸出頻率正弦波，再經過數/模轉換和低通濾波器的處理后，得到所需的各種系統時鐘[3]。最后經過幅度調制及控制網絡得到所需信號。

3 軟件構成

如果目標可以表示成獨立點散射體的集合，那么雷達回波信號可以表示成如下形式[4]：

[Sr（t）=i=1Naisin（2πft+φi）=Asin（2πft+φ）] （1）

式中：[A=iaisinφi2+iaicosφi212，φ=] [arctaniaisinφiiaicosφi]。

其中：[ai]為第[i]個點散射體的幅度；[φi=2πfit，][Ti]是第[i]個散射體的往返時間，而[f]為雷達頻率。系統依據上式生成回波。

3.1 目標回波幅度調制仿真技術

表示目標起伏的方法一般有四種統計模型，對每一種模型都有相應的檢測概率、虛警概率和積累脈沖的函數所要求的信噪比。這四種Sweriling起伏目標模型可用公式表示如下：

[p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2）

海雜波分布較為復雜，起伏大，一般選取第4種模型進行回波幅度的調制。故本系統也選擇該模型進行幅度調制。

3.2 目標多普勒調制仿真技術

目標在運動過程中相對雷達會產生多普勒頻移，為了使仿真的目標回波更加貼近真實目標回波，需在回波仿真的過程中考慮多普勒的影響。當目標有多普勒調制時，其回波頻率有變化，當有多普勒調制時，系統將式（1）所示目標回波用式（3）代替：

[Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3）

式中：[fd]為目標的多普勒頻率；[τi]為目標散射點的延遲時間。當目標回波有多普勒速度時，就按式（3）進行目標回波的仿真。

3.3 目標航跡生成技術

目標航跡主要是需要將目標的位置信息轉化為雷達所需要的柱面坐標系的參數信息，只有轉化為柱面坐標系以后，才能生成目標的航跡信息。轉化公式如式（4）所示[5]：

[xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4）

式中[R]為曲率半徑：

[R=a1-e2sin2α] （5）

式中：橢球長半軸[a]為6 378 137 m，第一偏心率[e]為0.081 819 2。對于多目標數據，通常也利用式（4）進行仿真模擬。

4 實驗驗證

為了驗證系統是否能按照要求產生所需的目標回波，在系統軟硬件調試通過之后，進行了試驗驗證，設置了相關參數讓其生成不同的目標回波，并對其生成回波的頻譜進行分析，以檢驗是否滿足系統要求，表1給出了試驗所用目標參數及雷達的設定參數值。

表1 試驗參數設置

[目標個數＼&信號功率 /dB＼&雜波功率 /dB＼&調頻斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脈沖寬度 /μs＼&載頻 /GHz＼&重復頻率 /Hz＼&發射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&]

圖3～圖5給出了在不同信噪比條件下，系統生成的目標信號。從圖中可以看出，系統生成的目標回波與設置的參數一致，達到了系統所需的要求。

5 結 論

為了解決雷達目標模擬器的實現問題，研究了目標回波模擬的方法，基于CPLD和FPGA的模式實現了雷達回波的快速模擬，試驗結果驗證了系統的有效性。

圖3 無雜波信號

圖4 SNR為5 dB時的信號

圖5 SNR為10 dB時的信號

參考文獻

[1] 周雪峰.船舶導航雷達的回波研究與模擬[D].大連：大連海事大學，2008.

[2] 陳鬧.韋布爾分布海雜波的建模與FPGA實現[J].火控雷達技術，2013，42（2）：4?7.

[3] 高澤溪，高成.直接數字頻率合成器及其性能分析[J].北京航空航天大學學報，2009，24（15）：615?618.

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[7] 鄭琴，鞏向武，吳文華.結合PSO的PF用于雷達海雜波反演大氣波導[J].解放軍理工大學學報：自然科學版，2013，14（3）：322?325.

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[9] 張煒，楊虎.基于CORDIC算法的直接數字頻率合成器實現方法[J].重慶郵電學院學報：自然科學版，2006（5）：11?14.

[10] 王超，李毅，袁乃昌.高分辨雷達目標回波模擬器設計[J].系統工程與電子技術，2007（8）：10?13.

[p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2）

海雜波分布較為復雜，起伏大，一般選取第4種模型進行回波幅度的調制。故本系統也選擇該模型進行幅度調制。

3.2 目標多普勒調制仿真技術

目標在運動過程中相對雷達會產生多普勒頻移，為了使仿真的目標回波更加貼近真實目標回波，需在回波仿真的過程中考慮多普勒的影響。當目標有多普勒調制時，其回波頻率有變化，當有多普勒調制時，系統將式（1）所示目標回波用式（3）代替：

[Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3）

式中：[fd]為目標的多普勒頻率；[τi]為目標散射點的延遲時間。當目標回波有多普勒速度時，就按式（3）進行目標回波的仿真。

3.3 目標航跡生成技術

目標航跡主要是需要將目標的位置信息轉化為雷達所需要的柱面坐標系的參數信息，只有轉化為柱面坐標系以后，才能生成目標的航跡信息。轉化公式如式（4）所示[5]：

[xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4）

式中[R]為曲率半徑：

[R=a1-e2sin2α] （5）

式中：橢球長半軸[a]為6 378 137 m，第一偏心率[e]為0.081 819 2。對于多目標數據，通常也利用式（4）進行仿真模擬。

4 實驗驗證

為了驗證系統是否能按照要求產生所需的目標回波，在系統軟硬件調試通過之后，進行了試驗驗證，設置了相關參數讓其生成不同的目標回波，并對其生成回波的頻譜進行分析，以檢驗是否滿足系統要求，表1給出了試驗所用目標參數及雷達的設定參數值。

表1 試驗參數設置

[目標個數＼&信號功率 /dB＼&雜波功率 /dB＼&調頻斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脈沖寬度 /μs＼&載頻 /GHz＼&重復頻率 /Hz＼&發射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&]

圖3～圖5給出了在不同信噪比條件下，系統生成的目標信號。從圖中可以看出，系統生成的目標回波與設置的參數一致，達到了系統所需的要求。

5 結 論

為了解決雷達目標模擬器的實現問題，研究了目標回波模擬的方法，基于CPLD和FPGA的模式實現了雷達回波的快速模擬，試驗結果驗證了系統的有效性。

圖3 無雜波信號

圖4 SNR為5 dB時的信號

圖5 SNR為10 dB時的信號

參考文獻

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[10] 王超，李毅，袁乃昌.高分辨雷達目標回波模擬器設計[J].系統工程與電子技術，2007（8）：10?13.

[p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2）

海雜波分布較為復雜，起伏大，一般選取第4種模型進行回波幅度的調制。故本系統也選擇該模型進行幅度調制。

3.2 目標多普勒調制仿真技術

目標在運動過程中相對雷達會產生多普勒頻移，為了使仿真的目標回波更加貼近真實目標回波，需在回波仿真的過程中考慮多普勒的影響。當目標有多普勒調制時，其回波頻率有變化，當有多普勒調制時，系統將式（1）所示目標回波用式（3）代替：

[Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3）

式中：[fd]為目標的多普勒頻率；[τi]為目標散射點的延遲時間。當目標回波有多普勒速度時，就按式（3）進行目標回波的仿真。

3.3 目標航跡生成技術

目標航跡主要是需要將目標的位置信息轉化為雷達所需要的柱面坐標系的參數信息，只有轉化為柱面坐標系以后，才能生成目標的航跡信息。轉化公式如式（4）所示[5]：

[xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4）

式中[R]為曲率半徑：

[R=a1-e2sin2α] （5）

式中：橢球長半軸[a]為6 378 137 m，第一偏心率[e]為0.081 819 2。對于多目標數據，通常也利用式（4）進行仿真模擬。

4 實驗驗證

為了驗證系統是否能按照要求產生所需的目標回波，在系統軟硬件調試通過之后，進行了試驗驗證，設置了相關參數讓其生成不同的目標回波，并對其生成回波的頻譜進行分析，以檢驗是否滿足系統要求，表1給出了試驗所用目標參數及雷達的設定參數值。

表1 試驗參數設置

[目標個數＼&信號功率 /dB＼&雜波功率 /dB＼&調頻斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脈沖寬度 /μs＼&載頻 /GHz＼&重復頻率 /Hz＼&發射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&]

圖3～圖5給出了在不同信噪比條件下，系統生成的目標信號。從圖中可以看出，系統生成的目標回波與設置的參數一致，達到了系統所需的要求。

5 結 論

為了解決雷達目標模擬器的實現問題，研究了目標回波模擬的方法，基于CPLD和FPGA的模式實現了雷達回波的快速模擬，試驗結果驗證了系統的有效性。

圖3 無雜波信號

圖4 SNR為5 dB時的信號

圖5 SNR為10 dB時的信號

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