基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器

張 珂，王 震，舒建濤，王中洋，張 翔

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；2.德州市公安局信息通信處，山東 德州 253013)

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基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器

張 珂1，王 震1，舒建濤2，王中洋1，張 翔1

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；2.德州市公安局信息通信處，山東 德州 253013)

針對對稱三角連續波調頻引信回波模擬設備無法滿足回波信號與發射信號的相參性與相關性以及精確距離、功率及速度模擬的問題，提出了基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器。該模擬器采用射頻直采技術對引信發射信號經頻譜下搬移的射頻信號進行采樣，由高速數字信號處理器實現對采樣信號的高精度延遲，并采用多個散射點獨立進行多普勒頻率調制、幅度及相位調制，結合多散射點合路的處理方式，實現引信面目標回波模擬。仿真及實驗室測試表明：該模擬器能夠精確進行回波距離、速度、功率模擬，且具有與所截獲引信發射信號相參、相關且“高保真”的回波特性。

對稱三角連續波調頻引信；數字射頻存儲；面目標回波模擬

0 引言

隨著智能化彈藥研制進程的加快，引信作為武器系統能否發揮最大作戰效能的核心部件，在研制、生產及測試中對其智能化程度，可測化水平均提出了更高的要求。適用于“智能化”引信檢測的回波模擬設備層出不窮，它能夠用于模擬引信動態彈目交會條件下的目標回波信號，從而實現對引信整機的閉環測試，是近炸引信在研制過程乃至生產、交驗中非常重要的測試設備。

引信回波模擬器的基本工作原理是針對引信發射信號經距離延遲、幅度調制及多普勒調制后，由轉發天線空饋或微波傳輸線線饋的方式，轉發至引信接收機進行回波模擬。文獻[1]在考慮環境因素的影響下建立基于多散射中心的脈沖多普勒體制引信回波的數學模型并生成仿真數據，提出了通過FPGA控制SRAM進行仿真數據回放進行回波模擬的方法。文獻[2]提出了一種基于靜磁波延遲線的通用調頻引信回波模擬器，該模擬器通過電壓(電流)控制延遲時間，實現回波速度和起始距離的模擬，通過對發射信號的幅度調制實現了回波信號的幅度模擬。然而，上述文獻中所提及的通用模擬器實現方案無法滿足對稱三角連續波調頻(Symmetric Triangular Frequency Modulation Continuous Wave，STMFCW)引信回波模擬信號對時延的精確性、功率的精準性要求，同時也很難實現回波模擬信號與發射信號相參性及相關性。

基于數字射頻存儲(Digital Radio Frequency Memories，DRFM)實現的回波模擬器，通過對發射信號進行截獲、存儲、復制、轉發或正交變換、卷積調制等技術手段生成模擬回波信號，且生成的模擬信號在延遲時間、復制次數等重要參數上均能高保真地還原原始發射信號[3]。因而，基于DRFM方式實現的回波模擬器較文獻[1]以仿真數據為背景的模擬器，所模擬的回波信號具有更好的相參性、相關性[4-6],較文獻[2]中采用微波低損耗傳輸電纜或電磁導線作為定點模擬的產生方式，該方法具有更加精確的距離、速度、回波功率模擬能力[7]。文獻[8]論證了將DRFM技術用作無線電引信信號源的可行性，然而該文獻僅對脈沖雷達體制下單一點目標回波進行模擬，針對STMFCW引信探測的面目標回波并不適用。本文針對此問題，提出了一種基于DRFM的STMFCW引信面目標回波模擬器。

1 數字射頻存儲器原理

1.1 STMFCW引信面目標回波模擬原理

STMFCW體制引信是發射信號的頻率調制規律，按照對稱三角波規律變化的連續波無線電引信[9]，其頻率調制規律如圖1所示。

圖1 STMFCW引信工作原理圖Fig.1 Schematic of principle in STMFCW fuze

如圖1所示，f0是STMFCW引信發射信號載波頻率，B是調制帶寬，Tm是對稱三角波信號調制周期，STMFCW引信發射對稱三角波線性調頻信號(粗實線)，由于運動目標回波信號(虛線)在空間傳播產生的時間延遲，其到達接收機時瞬時頻率與發射信號頻率具有頻差，而頻率差正比于空間傳輸距離。因而將回波信號與發射信號混頻，取出差頻信號，根據其幅頻分布，可得到彈目距離信息[10]。

根據引信回波信號理論，針對面目標的回波可以等效為N個散射中心產生的回波信號的疊加，并且不同散射中心回波信號相對于STMFCW引信發射信號具有不同的延遲、多普勒頻移和幅度衰減[1]。從而，如果準確獲取/截獲了引信的發射信號并對其經相關幅度衰減、距離延遲、多普勒頻移等信號處理工作即可模擬STMFCW引信面目標回波信號。

由上述分析可知，STMFCW引信面回波模擬器通用模型主要由模擬上/下變頻器、延遲系統及幅度控制系統構成[2]，其原理框圖如圖2所示。

圖2 STMFCW引信回波模擬器原理框圖Fig.2 Schematic of echo simulator for STMFCW fuze

1.2 數字射頻存儲原理

DRFM本質是一個數字中頻存儲器，如圖3所示，由變頻電路和DRFM單元組成,DRFM單元是DRFM處理核心。

如圖3所示，DRFM單元中經過可調預選濾波和幅度調整后的中頻信號進入高速A/D器轉換成數字信號，控制器將采樣得到的信號經數字正交解調器得到數字同相分量I及正交分量Q并存入高速實時存儲器中，控制器同時作為一個數據處理器，可對采樣的數字信號進行I/Q矢量調制、距離延時、波形調制等復雜的數字信號處理，生成具有目標特征信息、距離信息和多普勒頻率信息的射頻信號。

2 基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器

2.1 基于DRFM的引信面目標回波模擬器構成

基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器的設計核心在于：采用以DRFM原理的數字化處理方式實現圖2所述的延遲系統及幅度控制系統，其設計框圖如圖4所示。

圖4 基于DRFM的引信面目標回波模擬器框圖Fig.4 Schematic of echo simulator for STMFCW fuze based on DRFM

如圖4所示，基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器的信號處理流程為：回波模擬器接收天線截獲近炸引信發射天線輻射的射頻信號，由下變頻器完載波信號的頻譜下搬移，即將所截獲信號的中心頻率搬移至百兆赫茲量級的中頻。由DRFM單元對該中頻模擬信號進行采樣、量化，得到中頻數字信號，并由高速數字信號處理器實現信號的幅度衰減、距離延遲、多普勒頻移位等處理工作，最終由數模轉換電路還原經處理后的中頻數字信號為中頻模擬信號。由模擬上變頻器實現DRFM單元輸出中頻模擬信號的頻譜上搬移，即將信號中心頻率搬移至原截獲信號的載波信號中心頻率，最終由發射天線將所生成的回波模擬信號空饋至近炸引信接收天線。

2.2 基于DRFM的引信面目標回波模擬器原理

根據2.1節所述，基于DRFM的引信面目標回波模擬器在生成模擬回波時，首先對中頻數字信號經多路數字抽頭延遲單元完成多散射點距離等效模擬，隨后對每一獨立之路經復數域調制完成多散射點幅相多普勒頻移模擬，最后由多路合路器實現面目標等效模擬，其處理流程如圖5所示。

圖5 基于DRFM的引信面目標回波模擬器工作流程圖Fig.5 Figure of procedure based on echo simulator for STMFCW fuze

2.2.1 多散射點距離等效模擬

基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器通過對發射信號的采樣點延時，實現回波信號距離模擬。具體實現時，將被采樣的信號量化后數據存放在數字信號處理器中，處理器通過控制數據讀寫時序操作完成信號延時，數字信號處理器的讀寫操作時鐘頻率決定著延時步進，處理器的容量決定了最大可延遲距離。

多散射點距離等效模擬靠多數字抽頭延時單元級聯實現，將被采樣的信號量化后數據存入數字信號處理器先入先出存儲器(First Input First Output，FIFO)中，通過對每個抽頭進行延時計數，完成此抽頭的延時輸出，以具有16個散射點形成的面目標為例，設計框圖如圖6所示。

圖6 數字抽頭延時單元框圖Fig.6 Schematic of digital tap delay unit

2.2.2 多散射點幅相多普勒頻移模擬

基于數字射頻存儲的引信面目標回波模擬器對輸入信號進行的幅相多普勒頻移模擬，在數字信號處理器中采用復數乘法器實現，設計框圖如圖7所示。

圖7 幅相多普勒頻移模擬單元框圖Fig.7 Schematic of doppler AMP and phase simulation unit

由圖7所示，令幅度歸一化的輸入信號為Si=ej(ω t+ψ1)，幅度調制器和相位調制器組合產生調制信號為Sd0=A·ej(ψ0)=A·ej(ωd0t)，多普勒頻偏信號為Sd1=ej(ωd1t)，則經頻率調制、幅相頻移調制后輸出信號為：

S0=Si·Sd0·Sd1=A·ej[(ω+ωd0+ωd1)t+ψ1]

(1)

由公式(1)可見，輸出信號S0較輸入信號Si已被調制上了幅度、相位信息及多普勒頻移信息。

2.2.3 面目標等效模擬

面目標與點目標的區別在于距離上的多點分布和角度上的角閃爍現象，具體到參數上是指每個散射點有著不同的延時、幅度、相位和多普勒頻移信息。為實現面目標回波模擬，采用了將每個散射點獨立進行延時、幅相及多普勒頻移后再經合路器合路生成面目標回波的等效方法。

在數字信號處理器中通過復域調制器及合路器實現多散射點面目標等效模擬，以16個散射點為例，面目標等效模擬單元框圖如圖8所示。

圖8 面目標等效模擬單元框圖Fig.8 Schematic of echo simulator of area target

綜上所述，基于DRFM的STMFCW引信回波模擬器，采用射頻直采技術對引信發射信號經頻譜下搬移的射頻信號進行采樣，由高速數字信號處理器實現對采樣信號的精確時延，并采用多個散射點獨立進行多普勒頻率調制、幅度及相位調制，結合多散射點合路的處理方式實現引信面目標回波模擬。

3 仿真、設計與驗證

3.1 數學模型

參照1.1節所述STMFCW引信工作原理，在建立數學模型時仍單周期、點目標為例，在上掃頻段周期內，假設所截獲的引信發射信號為St,up(t)，本地振蕩器產生信號為L(t)，M(t)為下變頻后經低通濾波后的中頻信號。

t∈Te,up

(2)

L(t)=A1cos(2πfL+φL)

(3)

φ0,up-φL]

(4)

M(t)=ALcos(πμt2+ω1t+φM)

(5)

對其進行中頻數字化采樣，采樣間隔為Ts，則時域離散信號表示為：

M(n)=AL(n)cos{[πμ(nTs)2+ω1nTs+φM]}

n=1,2,3,…

(6)

經過數字正交混頻技術，可得到該中頻信號的同相與正交分量I(n),Q(n)，其中I(n),Q(n)分別表示為：

(7)

(8)

該基帶信號經數字存儲延時時間為τ，其中τ=NTs，N為延時周期，每周期為Ts，則經存儲延遲后表示為:

(9)

(10)

多普勒信號復數調制信號表達式為：

fdI(n)=cos(ωd(n-N)Ts)

(11)

fdQ(n)=sin(ωd(n-N)Ts)

(12)

(13)

從而得到兩個經多普勒調制的復數信號：

φM+ωd(n-N)Ts]

(14)

φM+ωd(n-N)Ts]

(15)

同理，對該復數信號進行數字同相正交上變頻，得到：

M′(n)=DIcos(ω1nTs)-DQsin(ω1nTs)=

(ωd+ω1)(n-N)Ts]

(16)

將該信號由數模轉換器轉換為模擬信號為：

(ωd+ω1)(t-τ(t))]=

(17)

通過上變頻器件將頻譜搬移至發射信號中心頻譜f0處：

φ0,up]+2πfd(t-τ(t)}=

φ0,up]+φd}

(18)

由上述推導過程可知，經DRFM處理能夠通過對所截獲STMFCW引信發射信號經幅度調整、數據延遲及多普勒相移等處理實現STMFCW引信回波模擬。綜上所述，基于DRFM的STMFCW引信回波模擬器延遲時間τ=NTs，較文獻[2]中使用延遲線的方式延遲時間更加精準、靈活、可控，用于幅相多普勒頻移模擬的附加相移φd相對于STMFCW引信發射信號，較文獻[1]具有更好的相參性與相關性。

3.2 算法仿真

為了降低計算機仿真計算量，暫不考慮模擬上/下變頻的處理過程，僅對DRFM核心單元進行仿真，仿真參數設定為：DRFM單元采樣率900 MHz，對稱三角波信號調制速率500 kHz，調制頻偏90 MHz，STMFCW信號中心頻率180 MHz，延遲時間為τ=2R/C=0.2 μs。對該距離選用16個散射點進行幅度及多普勒頻偏調制模擬，生成的回波仿真信號如圖9所示。

以彈目距離30 m為例，由STMFCW信號定距公式可知，該彈目距離對應500 kHz調制信號的36次諧波，即差頻信號中18 MHz諧波點。圖10所示為上述回波仿真信號經相關解調后，所得到的差頻信號中18 MHz附近多普勒域，如圖所示，該多普勒域由16個離散點構成，其中每個離散點均具有不同功率及頻率，該多普勒域表明了模擬器具有在彈目距離30 m處生成面目標回波的能力。

3.3 參數設計

系統延遲主要由變頻器固有延時、DRFM固有延遲及可變延遲決定，其中變頻系統固有延時由放大器、混頻器、衰減器及濾波器等元器件的延時組成，該項延遲小于30 ns。系統設計中ADC轉換延遲為4個時鐘周期約2 ns，DAC的流水線延遲為4個時鐘周期，轉換延遲約2 ns，在正常工作模式下，考慮到降速/升速電路和存儲器的延時，因而整個DRFM單元的固有延時控制在40 ns以下。此外，本設計中FPGA的 RAM的容量高達14 Mbit，若采樣率選擇為2.4 GHz，則可實現不小于400 μs的最大延時值。

數字抽頭延時單元的基本模塊是高速FIFO，它的工作時鐘是FPGA內部工作時鐘，頻率不小于300 MHz，因此可以實現3.3 ns的延時步進。若設計的存儲深度不小于600采樣單元，則實現的多散射點最大延時量2 μs，即通過數字抽頭延時單元可實現面目標的多個散射點之間的位置關系模擬，實現的最小距離模擬為0.5 m。

面目標多散射點的幅度(功率)模擬范圍由DAC的位數決定，本方案采用的高速DAC為14 bit位寬，可實現大于50 dBc的功率變化范圍。

DDS模塊的工作主時鐘頻率為FPGA內部工作時鐘頻率的2倍頻，為600 MHz，匹配FPGA內部工作速率，輸入頻率控制字是32 bit，可以實現精度為600 MHz/(232-1)=0.14 Hz的頻率變化。DDS模塊輸入端有符號控制位，可以控制輸出得到cos(ωdt)+jsin(ωdt)和cos(ωdt)-jsin(ωdt)，得到正負頻率，可實現-3～+3 MHz的頻偏要求。

圖9 STMFCW面目標回波仿真信號Fig.9 Figure of area target echo simulation signal for STMFCW fuze

圖10 16個散射點模擬18 MHz附近多普勒域Fig.10 Doppler freguency area near 18 MHZ simulation by 16 scattering points

3.4 系統驗證

基于數字射頻存儲技術的對稱三角連續波調頻引信回波模擬器在實驗室完成測試，測試方法如圖11所示。

根據以上設計計算，該模擬器的回波模擬精度及能力如下表1所示。

圖11 系統測試框圖Fig.11 Block schematic of system testing

變頻器固有延遲/nsDRFM單元固有延遲/nsDRFM最大可變延遲/μs距離模擬分辨力/m功率動態范圍/m多普勒頻偏/分辨率/Hz≤30≤404000.550±3×106/0.14

由表1可知，該模擬器可實現±3 MHz范圍內由于多普勒效應引起的頻率偏移，70 ns～400 μs的數據延遲，3.3 ns的延時步進以及50 dB的回波信號動態范圍模擬，此外通過設置變頻器中心頻率可實現C、Ka、Ku等常用波段STMFCW引信回波模擬。以Ka波段8毫米波STMFCW引信為例，在考慮所模擬回波功率的情況下，該模擬器能夠以0.5 m的距離步進進行約10.5～60 m彈目距離范圍內的回波模擬，且能夠以不大于0.1 m/s的速度分辨率實現1 800 m/s以內的彈目交會速度模擬。

4 結論

本文提出了基于數字射頻存儲技術的對稱三角連續波調頻引信面目標回波模擬器。該模擬器采用射頻直采技術對引信發射信號經頻譜下搬移的射頻信號進行采樣，由高速數字信號處理器實現對采樣信號的精確時延，并采用多個散射點獨立進行多普勒頻率調制、幅度及相位調制，結合多散射點合路的處理方式，實現引信面目標回波模擬。經仿真及實驗室測試表明：該模擬器能夠以0.5 m的距離分辨率實現約10.5～60 m距離范圍內的彈目距離模擬，能夠以0.14 Hz的頻率分辨率在±3 MHz多普勒頻偏范圍內實現彈目速度模擬，模擬回波信號具有50 dB動態范圍且具有與所截獲引信發射信號相參、相關且“高保真”的回波特性。

[1]趙琦，陳寧，費元春.引信目標回波模擬器的建模與實現[J].系統仿真學報，2008,20(10):2674-2676.

[2]馬岸英.調頻無線電引信回波模擬器[J].制導與引信，2005,26(1):16-19.

[3]劉文釗，桂延寧，董衛斌，等.基于目標回波點面積特征的信號處理方法[J].探測與控制學報，2013，35(3)：74-79.

[4]陳乃功.DRFM相參復制能力及其檢測方法[J].電子對抗技術，2000(4):13-18.

[5]周國富.運動目標模擬器相參性分析[J].現代雷達，2005,27(11):85-88.

[6]燕天，洪飛，鄒金龍，等.基于短時傅里葉變換與相關解調的參數估計算法[J].探測與控制學報，2016，38(2)：18-22.

[7]鄭哲，李加琪，吳嗣亮.引信點目標視頻回波模擬器距離模擬電路設計[J].紅外與激光工程，2007,36(1):57-59.

[8]徐榕,韓永金.引信雷達回波DRFM通用化模擬技術[J].制導與引信,2013,34(3):14-17.

[9]馬馳，劉秋生，彭朝琴.對稱三角波調頻定高引信設計與仿真[J].無線電工程2016,46(1):61-64.

[10]趙惠昌.無線電引信設計原理與方法[M],北京：國防工業出版社，2012.

Echo Simulator of Area Target Based on DRFM

ZHANG Ke1，WANG Zhen1,SHU Jiantao2, WANG Zhongyang1，ZHANG Xiang1

(1.Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065，China; 2.Information Commanication of Dezhou Municipal Public Sesurity Bureau, Dezhou 253013, China)

An echo simulator of area target based on DRFM was put forward to solve the problem of coherent property between transmit and simulation echo signal,and the precision of simulation echo signal in range,power,velocity for radio fuze. Firstly,The spectrum of transmitting signal was made down frequency by direct RF sampling technology.And then，using the Doppler frequency modulation,amplitude,phase modulation and multi-channel mixing method,the sampled time discrete signal was processed by the DSP.Finally,the echo simulation signal for radio fuze was fulfilled.The prototype test result showed that the simulator could realize the high-precision range,velocity and power simulation for radio fuze,and the echo simulation signal had the coherent property with the original transmit signal.

symmetric triangular frequency modulation continuous wave fuze；digital radio frequency memories； echo simulator of area target

2016-05-15

張珂(1983—)，男，甘肅金昌人，碩士，研究方向：無線電引信信號處理。E-mail：32578792@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)05-0015-07