二維旋轉相控陣雷達內嵌式目標模擬器設計與實現

翟剛毅，姜小祥，劉溶，朱慶彬(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

?

二維旋轉相控陣雷達內嵌式目標模擬器設計與實現

翟剛毅，姜小祥，劉溶，朱慶彬
(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:論述了二維旋轉相控陣雷達目標回波信號的一種模擬方法。介紹了雷達回波信號模型，給出了目標各種航路的產生方法，設計了一種內嵌式目標模擬器，能夠實時產生和差波束回波信號輸入到雷達處理通道中，實現雷達系統在不具備實際接收前端的情況下對雷達后級的調試，為雷達系統的性能驗證提供有效的手段。

關鍵詞:二維旋轉相控陣雷達;回波信號模型;內嵌式目標模擬器;和差波束

0　引言

雷達目標模擬器通過模擬的方法產生目標回波信號，在雷達系統不具備實際接收前端的情況下為雷達后級提供回波信號，以便對雷達后級進行調試。這為雷達系統的研究、設計和驗證節省了大量的費用，使得雷達系統的性能得到保證，成為雷達系統分析、設計、試驗、評估等各個方面的重要技術手段［1］。

二維旋轉相控陣雷達方位上采用機械旋轉掃描和相位掃描相結合，俯仰上采用相位掃描，與四面陣相控陣雷達相比既具有掃描的靈活性又具有成本的經濟性。但是，這也帶來了模擬器運算速度、實時性等設計的復雜度。

本文描述的雷達目標模擬器是嵌入在雷達處理機柜中，與雷達的波束調度和波控緊密結合，在雷達系統不具備接收前端的情況下為后級算法測試驗證提供回波信號。

1　目標模擬原理

1.1運動點目標回波信號

雷達發射波形st(t)為線性調頻矩形脈沖信號，可表示為［3］

式中，B為信號帶寬，T為脈沖寬度，f0為載波頻率。則在距目標距離為R、徑向速度為vr的點目標回波信號可表示為［3］

其中為信號幅度，G為天線增益，λ為波長，γ為復反射系數;τ=2R c為目標的雙程延遲時間表示多普勒頻移，當目標飛向雷達站，多普勒頻率為正值。

可見，點目標回波信號可近似表示為發射信號的延遲，在振幅上乘以一個比例因子K，在頻率上有多普勒頻移。

1.2和差通道信號

角度測量是相控陣雷達接收系統應實現的一個任務［2］。相控陣的和差測角可實現多目標測向和跟蹤，其中比幅和差測角［4］應用最為廣泛。比幅和差波束采用兩個相同且彼此部分重疊的波束，通過比較兩個波束回波的強弱判斷目標偏離等信號軸的方向。

圖1　波束

設天線方向性函數為F(θ)，圖1中等信號軸OA的指向為θ0，θt為目標偏離等信號軸θ0的角度，則和差幅度比值可近似為［4］

從式(3)可以看出，差和幅度比正比于目標偏角。工程上，在目標測角和跟蹤時，通過查表法，由和差比值r可以得到偏角大小，從而得到目標方向。模擬器在模擬和差通道數據時同樣根據目標方向、偏角大小逆向查表可得到和差比r，和波束數據乘以比值r即可得到差波束數據。由于該方法實現簡單、運算速度快，在工程上有廣泛的應用。

綜上所述，若要在硬件上實現回波信號，必須先求得回波的參數:時延τ、目標的多普勒頻率fd、幅度系數K以及和差比r。

1.2目標航跡仿真

根據目標運動特點，將整個航跡分段考慮為直線機動段、水平面內的圓弧機動段和垂直面內的圓弧機動段，再將各段端點進行切線連接，形成光滑的航跡。用直線運動模擬目標直線飛行，用水平圓周運動模擬目標水平機動，用垂直圓周運動模擬垂直機動。模擬100批次目標，目標的運動態勢見圖2、圖3，其中空中運動目標20批，海面運動目標20批，固定目標60批。圖3中星狀目標是固定目標。

圖2　空目標航跡圖

圖3　海目標航跡圖

2　模擬器設計與實現

2.1設計方案

目標模擬器分為兩個部分:目標航跡產生和回波數據產生，如圖4所示。PowerPC處理器產生目標航跡數據，FPGA來實現目標回波信號產生。PowerPC采用vxworks嵌入式實時操作系統，支持浮點運算和多任務運行，適合目標航跡運算。FPGA實現的延時模塊可以滿足模擬器的距離誤差要求。FPGA根據信號類型、脈寬、重復周期、帶寬等參數產生I、Q信號，利用FPGA的DDS核實現數字多普勒調制，形成正交雙路多普勒數據。FPGA內部可配置BLOCK RAM可存儲目標參數。FPGA具有并行處理的優勢，實時地產生雷達多批目標回波信號。該方案充分發揮軟件編程控制靈活和FPGA執行硬件時序快速高效的特點，滿足了雷達系統的實際工程需求。

圖4　模擬器框圖

2.2工作過程

系統工作時，模擬器接收雷達控制分系統工作方式、波束指向(方位、俯仰)等數據。模擬器首先判斷雷達工作方式，搜索方式下產生和波束數據，跟蹤方式下產生和差差數據。根據系統要求，模擬器需產生10個搜索波束數據以及一個跟蹤波束數據。

系統確定工作方式后判斷天線方位，PowerPC在正北方向更新下一周期的目標航跡參數(時延、多普勒頻率以及幅度)，并發送至FPGA的blockRAM中。FPGA直接從blockRAM中獲取目標參數與雷達控制系統發送過來的波束指向信息(方位、俯仰)進行匹配，并判斷是否有目標落在該波束指向區域內;如果有，則根據該目標距離延時、多普勒速度、回波的幅值產生和通道的I、Q數據。

跟蹤工作方式下，在產生和通道數據的同時，根據目標方向、偏角大小查表可得到方位上和差比值rA;根據目標仰角、偏角大小查表可得到俯仰上和差比值rE。和通道數據乘以rA和rE即可得到方位差和仰角差通道數據。

2.3目標航跡產生

通過Matlab仿真模擬多個目標的航跡數據，并將數據存入文件。目標模擬器開機時，將目標航跡信息讀入PowerPC內存中。

系統上電后，PowerPC判斷伺服方位，只要天線到達正北位置，PowerPC會自動更新下一周期的目標航跡，并將數據發送給FPGA。

2.4回波數據產生

目標回波產生由FPGA接口模塊來實現。FPGA接收雷達控制分系統發送的工作方式、波束參數以及伺服等數據，同時接收PPC發送來的目標航跡，存入block RAM中。

根據block RAM中目標航跡參數，結合雷達工作方式、波束指向，判斷該波束的指向信息與目標的方位、仰角是否匹配，如一致則根據目標的參數產生回波數據。

FPGA將根據目標的距離延時、幅度、多普勒速度，結合帶寬B、脈寬T、重復周期PRT等參數產生I、Q數據。當波束指向內只有一個目標時，則當主觸發到來時啟動目標延時計數器、脈沖重復周期計數器。當延時計數器滿時，啟動DDS產生I、Q數據。DDS的初相由多普勒頻率和距離決定，同時啟動脈沖寬度計數器，當脈寬計數器滿的時候停止DDS，當脈沖重復周期PRT計數器滿時即可產生一個PRT的I、Q信號。復位各個計數器，進行下一個PRT的數據的產生。

如存在兩個或兩個以上的目標，尤其是目標交匯的特殊情況，則需要多個數據通道。每個通道分別產生每個目標的I、Q數據，再將各通道數據進行疊加。

2.5數據傳輸

FPGA接口模塊產生回波信號的同時還負責與其他分系統的通訊。FPGA接口模塊與控制分系統、信號處理機之間以及模擬器內部PowerPC采用自定義的RocketIO進行光纖通信。線速均為3.125 Gps，協議格式為SOF +數據/空閑碼+ EOF，RocketIO K碼格式如表1。

表1　RocketIO K碼格式

3　結束語

整個系統以PowerPC和FPGA為核心器件，具有小型化、性能可靠、成本低廉、結構緊湊及設計靈活等特點。本目標模擬器實現了對相控陣雷達目標回波信號的模擬，能夠滿足二維旋轉相控陣雷達信號處理、數

據處理以及整機工作方式等調試、測試和檢驗需求。

參考文獻:

［1］劉寶光.機載雷達目標模擬與系統仿真技術研究［D］.南京航空航天大學學位論文，2011.

［2］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.電子工業出版社，2006.

［3］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］.國防科學技術大學學位論文，2009.

［4］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.3版.西安電子科技大學出版社，2004.

Design and realization of an embedded target simulator for 2D rotating phased array radar

ZHAI Gang-yi，JIANG Xiao-xiang，LIU Rong，ZHU Qing-bin(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:A method of simulating radar echo signals is discussed for the 2D rotating phased array radar.The echo signal model is introduced，and the method of generating target tracks is given.An embedded target simulator designed can generate the sum and difference beams in real-time and input them in the processing channel，and that makes it possible to test the radar system with no actual receiving front-end involved，which provides an effective means for the performance evaluation of radar system.

Keywords:2D rotating phased array radar; echo signal model; embedded target simulator; sum and difference beams

作者簡介:翟剛毅(1978-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:雷達信息處理;姜小祥(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達信息處理;劉溶(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達信號處理;朱慶彬(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達信號處理。

收稿日期:2014-12-28;修回日期:2015-01-08

文章編號:1009－0401(2015)01－0039－03

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN958.92