脈沖多普勒雷達導引頭目標回波模擬器校準技術研究

鄧倩嵐 陸忠杰 辛 康

（1．上海精密計量測試研究所，上海201109；2．上海航天電子技術研究所，上海 201109）

1 引 言

雷達導引頭目標回波模擬器作為導彈半實物仿真測試系統的一個重要組成部分，主要用途為產生包含雷達導引頭目標距離、速度等特征信息的回波信號，用于在實驗室條件下模擬雷達導引頭飛行工作狀態，考核驗證導引頭工作性能指標［1-3］。雷達導引頭目標回波模擬器屬于型號專用測試設備，其量值準確與否直接關系到雷達導引頭地面試驗是否準確和可靠。為解決某型脈沖多普勒雷達導引頭目標回波模擬器校準及量值溯源問題，本文提出采用軟件無線電技術［4］，使用頻譜儀、示波器及計算機組成校準裝置硬件系統，使用LabVIEW實現信號的數字正交解調及參數提取算法，從而實現雷達導引頭目標回波模擬器的峰值功率、多普勒頻率及延時等參數的校準。

2 目標回波模擬器工作原理

目標回波模擬器主要功能是根據直波信號產生包含雷達目標距離、速度等特征信息的回波信號，并能夠實時地對回波信號的頻率、延遲時間、功率幅度進行控制，以模擬實際環境中雷達導引頭所接收到的目標回波信號［5］。本文被校雷達導引頭目標回波模擬器采用脈沖多普勒體制，其直波信號形式為脈沖線性調頻信號［6］，如式（1）所示：

式中：P（t）——寬度為τ幅度為1的單個脈沖；T——脈沖重復周期；Ut——脈沖幅度；f0——載波頻率；φ0——載波信號初相；k——斜率，即載頻隨時間的變化率。

目標回波模擬器對上述直波信號進行幅度衰減、延時及多普勒頻率偏移后形成回波信號，如式（2）所示：

式中：Ur——回波信號脈沖幅度；fd——彈目相對運動形成的多普勒頻率；τ0——距離延時。

雷達導引頭根據多普勒頻率fd提取彈目相對運動速度信息，由距離時延τ0提取彈目相對距離信息。式（2）所示回波信號的脈沖幅度、多普勒頻率及延時參數即為目標回波模擬器所需校準參數。

3 目標回波模擬器校準裝置研建

為實現目標回波模擬器的校準，本文研建了一套脈沖多普勒雷達導引頭目標回波模擬器校準裝置。該裝置由FSU26頻譜儀、DPO7104示波器及計算機組成，校準裝置硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 目標回波模擬器校準裝置硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of target echo simulator calibration device

圖1中，被校目標回波模擬器回波信號輸出端口連接到FSU26頻譜儀的射頻輸入端口，使用頻譜儀將目標回波模擬器輸出的回波信號下變頻到404．4MHz中頻，頻譜儀中頻輸出端連接到DPO7104示波器通道1，使用示波器對中頻信號進行采樣及A/D轉換得到數字中頻信號，將被校目標回波模擬器輸出的同步脈沖信號連接到DPO7104示波器通道2作為觸發同步信號，計算機通過GPIB總線與示波器相連，在計算機中使用Lab-VIEW軟件實現對示波器中的數字中頻信號讀取、數字正交解調及參數提取算法，從而完成參數校準。校準時，為利用頻譜儀的下變頻功能，應將頻譜儀的頻率跨度設為0Hz，中頻帶寬設置應大于回波信號帶寬，為實現信號無失真的解調，根據帶通采樣定理，示波器的采樣率設置應大于兩倍的回波信號帶寬。

4 目標回波模擬器參數校準方法

如圖1所示，被校回波信號經過頻譜儀下變頻及示波器采樣得到數字中頻信號，此數字中頻信號為脈沖線性調頻信號，為實現各參數校準，首先應對數字中頻信號進行解調，本文采用軟件無線電技術實現數字正交解調算法，完成信號的軟件解調及參數提取。

4.1 數字正交解調算法原理及實現

采用軟件無線電技術實現數字正交解調算法，首先是使用數字下變頻技術完成信號正交分解及低通濾波，得到基帶的復信號，然后根據不同的調制方式，對基帶信號進行相應處理，從而解調出調制信號［7］。數字正交解調算法原理如圖2所示。

圖2 數字正交解調算法原理圖Fig.2 Schematic diagram of digital quadrature demodulation algorithm

如圖2所示，cosωcn及sinωcn為本地載波的同相分量及正交分量，LPF為低通濾波器。接收到的數字中頻信號分別與cosωcn及sinωcn相乘并進行低通濾波完成數字下變頻形成I、Q兩路正交基帶信號，解調算法利用兩路正交基帶信號計算出信號的幅度和頻率。設接收到的數字中頻信號為：

式中：ωc——載波頻率。

將圖2中本地載波頻率設為ωc，數字中頻信號經混頻后可得到I、Q兩路正交信號，得到：

I（n）、Q（n）信號經低通濾波后得到：

通過對IL（n）、QL（n）進行計算可分別得到信號的幅度及瞬時頻率。由式（2）可知，回波信號的延時信息包含在回波信號幅度即脈沖包絡中，在提取延時參數時利用式（8）可計算出回波信號的脈沖包絡：

回波信號采用脈沖線性調頻體制，IL（n）、QL（n）兩路正交基帶信號利用式（9）可計算得到回波信號的瞬時調制頻率及其與時間的對應關系，從而可以評估回波信號脈內線性調頻的頻率變化線性度。

本文使用LabVIEW軟件實現數字正交解調算法，算法實現的關鍵在于載波同步，即本地載波應與接收信號的載波同頻同相［8］。本文利用Lab-VIEW軟件中的單音提取子vi獲取接收信號載波的頻率及相位，并利用提取的頻率及相位構建圖2中本地載波的同相分量cosωcn及正交分量sinωcn，從而解決了數字正交解調算法中本地載波的同步問題。

4.2 延時參數校準

由式（2）可知，延時參數對應于回波信號的脈沖包絡延時，此脈沖包絡為一周期脈沖信號，根據周期脈沖信號的頻譜可知，脈沖包絡由基波和各次諧波組成，脈沖包絡的延時等于其基波的相位延時，因此可利用脈沖包絡的基波相位差計算回波信號的延時參數，計算公式如式（10）：

式中：φ0,f0——延時為0時脈沖包絡基波的相位和頻率；φτ——延時為τ時脈沖包絡的基波相位。

脈沖包絡的基波相位及基波頻率使用Lab-VIEW軟件中的單音提取子vi從由式（8）計算得到的脈沖包絡中獲取。校準時，首先設置被校目標回波模擬器延時為0，使用軟件獲取此時脈沖包絡的基波相位φ0及頻率f0，然后設置被校目標回波模擬器延時為τ，并提取此時脈沖包絡的基波相位φτ，最后使用式（10）計算得到延時參數值。延時參數校準軟件界面如圖3所示。

4.3 多普勒頻率校準

被校目標回波模擬器通過對式（1）所示直波信號的載頻增加一個值為fd的頻偏實現彈目相對運動速度的模擬，此頻偏fd即為多普勒頻率。由式（1）、式（2）可知，多普勒頻率為回波信號和直波信號的載頻之差，因此可通過獲取加載多普勒頻率前后的信號載頻并將前后獲取的兩個載頻相減得到多普勒頻率實現校準。本文使用LabVIEW軟件實現從示波器獲取的數字中頻信號的FFT變換得到信號的頻譜，并從信號頻譜中提取載頻，通過合理選擇軟件的窗函數及增加示波器采樣點數來減小FFT變換的頻譜泄漏及柵欄效應影響，從而提高頻率測量準確度。校準時，首先設置被校目標回波模擬器多普勒頻率為0，使用軟件獲取此時信號的載頻f0，然后設置被校目標回波模擬器多普勒頻率為fd，并提取此時信號的載頻f1，最后將提取的兩個載頻相減得到多普勒頻率測量值。多普勒頻率參數校準軟件界面如圖4所示。

圖3 延時參數校準軟件界面Fig.3 Delay parameter calibration software interface

圖4 多普勒頻率參數校準軟件界面Fig.4 Doppler frequency parameter calibration software interface

4.4 脈沖幅度參數校準

脈沖幅度參數即式（2）所示回波信號的脈沖峰值功率。脈沖峰值功率測量可使用峰值功率計實現，但是由于峰值功率計受寬帶噪聲影響導致其測量的動態范圍較小，不能滿足被校目標回波模擬器的指標要求，因此本文使用頻譜儀實現被校目標回波模擬器的脈沖峰值功率校準。脈沖峰值功率定義為脈沖調制信號峰值處的電平值，因此按照定義可以對被測信號進行峰值檢波并在檢波包絡上進行采樣得到峰值功率測量結果。由頻譜儀的構成原理可知，其視頻輸出功能能夠實現對被測信號的檢波［9］，因而可以使用頻譜儀直接測量脈沖調制信號的峰值功率。測量時頻譜儀中心頻率設為載波頻率，掃頻寬度設為0，檢波器設為峰值檢波，此時頻譜儀顯示的是幅度為脈沖包絡的時域信號，選擇視頻觸發功能并設置合適的觸發電平使信號穩定的顯示在頻譜儀上，為避免信號失真頻譜儀的分辨率帶寬應足夠大以使信號的大部分頻率分量通過，掃描時間的設置應大于脈沖重復周期以使至少一個周期的脈沖信號顯示在頻譜儀上，使用峰值標記功能直接讀取脈沖峰值功率測量結果。如圖5所示，使用頻譜儀測量脈寬為100μs、周期為1ms、載頻為1GHz的脈沖調制信號的峰值功率測量結果。由于測量時頻譜儀分辨率帶寬可調，能有效抑制頻譜儀的底部噪聲，增加其測量的動態范圍，因而可滿足被校目標回波模擬器的指標要求。

圖5 脈沖峰值功率測量結果Fig.5 Pulse peak power measurement results

5 校準裝置驗證

為了對校準裝置進行驗證，本文使用81101A脈沖源和E8257D微波源組成信號發生裝置產生脈沖線性調頻信號作為被測信號，驗證框圖如圖6所示。

圖6 校準裝置驗證框圖Fig.6 Calibration device verification block diagram

如圖6所示，設置E8257D微波源產生線性調頻信號，同時設置E8257D微波源為外脈沖調制，使用81101A脈沖源輸出的脈沖信號對E8257D微波源產生的線性調頻信號進行脈沖調制從而產生被測脈沖線性調頻信號。被測信號的延時參數通過調節81101A脈沖源延時設置進行模擬，多普勒頻率及脈沖幅度通過調節E8257D微波源頻率及電平進行設置。

校準裝置延時參數驗證使用標準延遲電纜實現，首先使用網絡分析儀對標準延遲電纜的延時進行標定，然后將標準延遲電纜連接到圖6所示微波源輸出端及頻譜儀輸入端之間，使用校準裝置測量標準延遲電纜的延時量，將校準裝置測量結果與網絡分析儀標定值進行比對完成延時參數驗證。多普勒頻率參數驗證使用矢量信號分析儀實現，使用矢量信號分析儀測量E8257D微波源頻率變化前后被測信號頻譜的偏移量，將測量得到的偏移量與校準裝置測量結果進行比對完成多普勒頻率參數驗證。脈沖幅度參數驗證使用測量接收機實現，由脈沖峰值功率定義可知峰值功率與未調制時的載波功率相同，因此驗證時設置E8257D微波源輸出連續波信號作為被測，分別使用測量接收機及校準裝置測量連續波信號的功率，并將測量結果進行比對完成校準裝置脈沖幅度參數驗證。通過上述驗證試驗表明本文研建的校準裝置技術指標滿足某型脈沖多普勒雷達導引頭目標回波模擬器的校準需求。

6 結束語

本文提出采用軟件無線電技術建立校準裝置實現某型脈沖多普勒雷達導引頭目標回波模擬器的校準。校準裝置由頻譜儀、示波器等校準儀器與計算機組成，使用GPIB總線實現校準儀器與計算機之間的通信，使用LabVIEW軟件平臺開發校準軟件完成校準儀器的自動控制及測量，減少手動操作引入的測量誤差。利用頻譜儀和示波器實現被校信號射頻到中頻的轉換及A/D轉換，使用軟件實現復雜調制信號的參數提取和校準，實現了對脈沖多普勒雷達導引頭目標回波模擬器的便捷、快速、準確的校準，進一步保障了該類專用測試設備試驗、驗證和生產、維護保障等的綜合質量。

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