數字陣列雷達回波信號模擬器的設計與實現

陳生澤 辛強

摘 要：研制數字陣列雷達系統的過程中，應在不同目標環境、噪聲環境與干擾環境中測試并驗證系統數字波束形成處理器與信號處理器兩者的性能。但受成本與實驗條件以及天氣條件等因素的影響，數字陣列雷達系統各性能與指標測試很難在真實的環境中運行，針對這一情況，有必要借助專用信號模擬器。基于此，文章將數字陣列雷達回波信號模擬器作為重點研究對象，闡述了其具體的設計與實現內容，希望有所幫助。

關鍵詞：數字陣列雷達回波信號模擬器；設計；實現；研究

基于雷達技術的發展，其功能不僅局限在測量目標距離、方位與俯仰角方面，還能夠對目標速度進行測量，并在目標回波當中獲得與目標相關的信息。雷達技術的創新發展也為雷達模擬器研發提出了全新要求。其中，雷達指標與性能測試是研發調試雷達系統的主要內容，但由于雷達整機調試和性能鑒定要選擇外場測試方式，借助真實目標來為雷達系統提供所需的性能信號，所以實際的人力物力和財力消耗量極大，甚至還會受天氣環境因素影響，直接延長了研發周期。為此，對干燥噪聲加以模擬的雷達回波信號模擬器十分關鍵。

一、陣列天線陣元空域延時模型構建

數字波束形成技術在數字陣列雷達系統中發揮著核心作用，而其理論基礎就是軍事聲納與雷達自適應陣列天線，借助陣元加權對陳列方向函數加以控制，以保證陣列方向圖主波束能夠與有用信號的方向對準。其中，主波束就是高增益窄波束，而且會在干擾的方向形成深度較大的零陷，有效地接收有用的信號，進而在強干擾環境下發現并探測目標[1]。

如果接收陣列是均勻的直線陣，且各陣元是各向通性，信號是窄帶信號。在遠場條件下，陣元所接收回波信號就可以被認定成平行波。此平行波和天線陣列法線的方向會形成 角度的斜射狀態，而且平行波與天線陣列不同陣元時間存在差異，因而各個陣元信號接收的偏移相位有所不同，其空域特性十分明顯。

而陣列天線方向圖就是陣因子與陣元方向圖的乘積，在陣元數、陣元方向圖與陣元間距已知的情況下只要對幅相權重系數加以改變，即可實現方向圖指向與形狀的改變。在陣元中復乘累加處理各種權重的基礎上，就能夠構建指向不同的波束，進而實現自適應目標的跟蹤與抗干擾目的[2]。在自適應波束形成器的作用下，能夠結合相應的準則與約束條件對最佳的權向量進行選擇，以免對目標回波信號功率產生不利的影響，盡可能地降低干擾與噪聲的輸出功率。

二、硬件電路組成和具體結構

數字陣列雷達回波信號模擬器主要的組成結構就是上位機軟件與專用的測試工裝電路。其中，上位機軟件能夠借助串口和FPGA相互連接，向FPGA發送不同類型的控制指令與回波參數指令。隨后，控制指令需借助模擬信號處理器的光纖向DBF處理器進行發送，以實現對系統控制的目標。另外，模擬器還能夠結合回波參數指令形成回波基帶信號，在光纖和DBF處理器的作用下實現通信，對DBF處理器所返回的波束形成結果進行有效地接收，將結果當中固定快拍點去除，經由串口向PC機返回，最終完成測試DBF處理器多波束方向圖性能以及抗干擾性能的工作。

其中，模擬器板與DBF處理板應同時與VPX總線型機箱相互連接。在系統整體架構中，VPX機箱發揮著數字版的作用，能夠確保電源的穩定性，并具備數據傳輸的接口[3]。在機箱中，VPX插槽數量為4個，能夠保證四個標準VPX板卡同時插入。這種設計方式確保了模擬器平臺和DBF處理平臺的擴展性，進而以VPB總線為基礎，將模擬器板與DBF處理板添加到具體的項目當中，在并行協同作用下，構建數字陣列雷達模擬系統。

模擬器板的主要組成就是母板與子板，兩者在FMC接口插槽的作用下實現連接，而FMC接口主要的功能就是將模板之間所存在的 管腳、子板光纖收發器以及FPGA芯片差分數據信號進行連接處理。

在本文的數字陣列雷達回波信號模擬器設計過程中，可以實現前端80個天線陳元接收回波基帶信號的模擬，并且在方向圖掃描驗證的基礎上，在和DBF處理器間需處于持續地回波基帶數據發送，接收并處理波束形成數據。因為波束停留時間不長，所以此模擬器設計的重點問題就是在向DBF處理器傳送80個天線陣元回波信號予以實時模擬，并實現數據接收與處理目標。若始終沿用板間傳輸協議將難以與設計要求相適應，最重要的是數據會借助并行通道傳輸，使得設計成本和復雜度明顯提高。為此，可以對光纖加以利用，以保證模擬器與DBF處理器數據的傳輸速度不斷提高，加快傳輸的速度并增加傳輸的距離，確保數字光纖通信更加高效和可靠[4]。

三、數字陣列雷達回波信號模擬器實現方案

在數字陣列雷達回波信號模擬器設計的過程中，在模擬方面應涵蓋干擾與噪聲80通道回波基帶數字信號，借助光纖和DBF處理器實現通信。與此同時，還應當對信號處理器部分功能進行模擬，實現系統工作與睡眠等控制指令發送目標。與此同時，還能夠接收并處理波束形成數據，對DBF處理器多波束方向圖性能與抗干擾性能加以驗證。而且，DBF處理器波束形成數據能夠在后續信號處理器性能測試中合理地運用。

針對數字陣列雷達各個天線單元所接收回波信號而言，其空域相位延時也不同。而且模擬目標運動均勻，因而回波信號具有明顯的多普勒頻率特征。由于目標與雷達存在特定距離，所以回波信號也必然在時域方面存在延時問題。除此之外，在雷達工作過程中，各脈沖間隔所發送的都是二相編碼信號，使得所模擬的目標回波信號是二相編碼信號[5]。

為確保對不同陣元接收回波基帶信號進行有效模擬，將FPGA內嵌方式引入其中，完成了目標和干擾回波波形設計任務。通過DDS軟核的使用，實現了頻率與相位偏移值的動態化配置，優化了靈活性能，且編程控制更加容易，能夠綜合考慮用戶的實際要求發揮調頻功能與調相功能，進而形成形式復雜的波形信號。

結束語：

綜上所述，通過對陣列雷達回波信號模擬器的設計，能夠對干擾噪聲環境中的多通道回波基帶信號進行模擬，在多個角度下模擬目標回波信號。而根據所模擬的回波信號樣本分析，模擬目標回波信號將時域波形特征真實地展現出來，使得各個天線單元接收信號出現了空域延時的情況。在DBF處理器波束形成數據的基礎上，能夠在信號處理器性能測試中合理地運用。通過上文對數字陣列雷達回波信號模擬器陣列天線陣元空域延時模型構建、硬件電路組成、具體結構的研究，提出了數字陣列雷達回波信號模擬器實現方案，以供參考。

參考文獻：

[1]謝星星.數字陣列雷達回波信號模擬器的設計與實現[D].南京理工大學，2014.

[2]楊申昊.陣列雷達回波信號模擬器的軟件設計[D].西安電子科技大學，2014.

[3]蔡信.三種工作模式下多通道雷達回波信號模擬器的設計與實現[D].南京理工大學，2014.

[4]沈先軍.多通道基帶回波模擬器單元級回波仿真與驗證[J].電子信息對抗技術，2015（4）：75-80.

[5]刁丹丹，劉玉杰，王曉東， 等.基于DDS技術的三坐標雷達目標模擬器[J].現代雷達，2014（6）：79-81.

作者簡介：

陳生澤，男（1993.5），漢族，甘肅武威人，大學本科，助理工程師，研究方向：毫米波雷達發射機設計

辛強，男（1988.3），漢族，四川樂山人，碩士，助理工程師，研究方向：毫米波雷達發射機設計