一種SAR/MTI雷達射頻回波模擬器總體設計

唐月生

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

利用雷達射頻回波模擬器(RRES)獲取射頻回波信號較雷達系統實裝外場試驗獲取而言，具有成本低、周期短、保密性高等優點，且不受自然環境、配試等條件限制，已被廣泛應用于系統仿真研究、雷達產品測試及模擬訓練等應用場合。目前多數雷達回波模擬器屬于定制或專用型居多，其設計通常面向某具體場合和對象，不具有或難以快速實現擴展或重構，導致重復利用率低、成本重復投入高或需求滿足周期長等問題。因此，研制易重構可擴展雷達射頻回波模擬器具有重要的工程意義。

現代信息化戰爭，奪取戰場“制情報權”是一種重要的作戰樣式。SAR/MTI雷達是一種主動微波偵察監視系統，具有全天時、全天候工作能力，已成為現代戰場中重要的情報獲取手段，得到各國的重視，在近幾次局部戰爭中發揮了重要的作用，如美國JSTARS系統[1]。隨著作戰對情報要求的提高和雷達技術本身的發展，SAR/MTI雷達作戰性能及新技術體制不斷得到提高和應用，更高的分辨率、更寬的觀測帶、同時多功能和抗干擾等要求也成為SAR/MTI雷達的新追求，這對作為雷達測試仿真的重要技術手段之一的射頻回波模擬器也提出了新的更高的技術需求。

1 總體設計

1.1 設計需求

為解決和適應不同應用場合和使用對象的快速擴展應用的實際需求，縮短系統重構集成時間、降低成本、提高系統利用率，RRES系統關鍵設計應滿足以下需求：

1)處理硬件能力可擴展，滿足不同仿真處理能力和使用需求，具備高速大帶寬數據傳輸、存儲及實時通信能力；

2)射頻硬件能力具有寬頻帶、大瞬時信號帶寬、寬動態、低雜散、頻率捷變等性能，通道數可擴展，適應多通道、高分辨、捷變頻等雷達回波模擬需求；

3)模塊化設計，接口標準化，功能軟件可定義，保證系統具有重構或擴充的便利條件；

4)具備射頻通道特性提取和校正補償等信號保真設計，使得射頻回波信號更加逼真，模擬評價結果更為真實。

1.2 功能與原理

RRES系統核心功能包括數字回波信號生成和射頻回波信號產生，分別由數字單元和射頻單元完成，單元間高速數據傳輸采用多路10Gbps速率的光纖接口互聯，滿足不同應用下回波數據的大帶寬高速吞吐傳輸需求，其功能原理框圖見圖1所示。其中數字單元主要包括顯示與控制、時序控制、數字回波生成與處理和記錄存儲等。射頻單元主要包括頻率源、收發通道及定標網絡等。外部交互接口主要包括時序同步信號、頻率同步信號、射頻回波信號及參數控制等。

圖1 RRES功能原理框圖

工作時，數字單元通過建模仿真生成逼近于真實雷達應用場景的目標回波數據或導入歷史實測數據，數字回波數據通過光纖傳給射頻單元，射頻單元將數字回波數據轉換成射頻信號并按時序注入被測系統。

1.3 硬件模塊化

硬件模塊化是實現系統快速重構的重要技術途徑之一。根據RRES系統功能，識別系統共性和相似功能進行模塊化設計，并保證機械、電氣、數據等接口標準化，以達到系統可擴展或組合，軟件定義系統的目的，適應不同的模擬對象和應用需求。

按照模塊的功能屬性將系統硬件模塊劃分為通用、共用及專用模塊。其中通用模塊在系統中定義為可直接采用的COTS產品或CBB成熟通用件，承載通用功能實現；共用模塊指系統在不同應用場合下共同配置的硬件模塊，直接使用或進行軟件適應性調整；專用模塊主要是射頻部分受器件性能指標等約束的模塊，與具體模擬對象強相關的模塊。

為適應不同頻段的應用需求，同時盡量減少系統模塊品種，采用通用模塊實現系統的計算處理需求，將頻率源模塊、數字收發(A/D、D/A)模塊按照共性模塊統型設計，模擬變頻通道按頻段(L、S/C、X、Ku、Ka等五種)進行獨立設計，通過組合快速實現不同頻段雷達射頻回波模擬需求，RRES系統硬件模塊化配置組成見表1所示。

表1 功能硬件模塊配置組成

1.4 軟件設計

RRES系統軟件主要功能：

1)顯示與控制：提供人機交互，如仿真參數設置、模型構建與加載、仿真流程控制、狀態及參數顯示等；

2)時序控制：系統任務管理及時序信號產生。接收被測/模擬對象同步時序信號或根據被測/模擬對象脈沖重復周期PRT參數及其工作方式，產生系統基準導前、D/A轉換觸發、A/D采集觸發等時序信號；

3)回波生成/處理：根據輸入條件/參數和應用場景，選擇回波仿真處理算法[2]，生成雷達回波信號數據，送記錄存儲或射頻單元；兼具系統通道校正數據處理；

4)記錄與存儲：支持數字回波數據記錄、存儲、回放及導入導出等功能；

5)數字收發及校正：實現基帶或中頻信號采集數字化和數字回波數據D/A轉換處理；通道校正補償。

為便于系統的維護和擴展，系統軟件采用分層體系結構和組件化(模塊化)設計，遵循“高內聚、低耦合”的設計思想，對仿真雷達模型、目標模型、雜波模型、干擾模型和回波仿真算法等模塊化封裝，規范化組件接口，降低組件間耦合度，便于不同應用場景下組件的復用、維護升級及替換。

系統選擇Qt作為C++軟件開發框架，Qt是面向對象的開源架構，其封裝機制實現了開發者面向組件的編程，且其靈活的信號槽消息機制使得組件間協同變得簡單，利于提高開發效率。選擇組件式GIS作為雷達仿真系統場景設置軟件開發平臺，實現快速可視化回波場景設置，如雷達、目標、干擾源的布設及參數設置，添加雜波、大氣等環境參數等。

2 數字單元架構選擇

RRES系統的處理特點要求數字單元架構應具有總線傳輸帶寬大、運算處理能力強和數據交互靈活，易擴展和軟件開發維護。

2.1 硬件平臺架構

硬件平臺采用基于OpenVPX標準總線架構設計，采用全交換式網絡拓撲結構，數據互聯拓撲結構如圖2所示。

圖2 基于交換的數據互聯拓撲結構

傳輸協議支持RapidIO和千兆網絡等，實現單元內各功能槽位/模塊間任意節點互通，為功能模塊擴展或組合提供物理實現基礎。處理硬件平臺采用“FPGA+CPU”的硬件架構，支持GPU功能模塊擴展，其中FPGA用于高速信號預處理及邏輯時序控制，CPU負責復雜高精度運算，當需要進行密集并行處理時可選配GPU模塊，滿足不同應用需求。

2.2 并行處理實現

典型回波信號模擬處理算法包括距離時域脈沖相干法、距離頻域脈沖相干法、二維頻域快速傅氏變換法及同心圓模擬法等。對于雷達回波仿真來說，不同點目標不同方位時刻的回波生成具有獨立性，為回波計算并行處理提供了可行性。在工程實現時，首先針對算法進行并行性分析，識別具有獨立且可高度并行的處理進行編程設計，利用多CPU 或GPU多線程并行計算，再進行數據累積融合輸出，實現高效的回波復雜運算處理。

3 射頻回波信號保真設計

作為雷達測試設備，尤其是進行定量測試使用時，要嚴格控制和保證射頻單元的信號質量，如帶內非線性、通道間一致性、雜散抑制、相位噪聲等指標，避免由于模擬器自身的精度或誤差導致模擬的射頻回波信號失真，使得測試結果評價可信度不高。

3.1 寬帶發射及通道內均衡

高分辨是SAR/MTI雷達的永恒追求，是支撐從“發現-粗識別-精識別-可描述”的作戰應用需求的技術保證。SAR/MTI雷達的距離分辨率由雷達的發射信號帶寬B決定的，分辨率越高，發射信號帶寬越高。目前公開的雷達分辨率已優于0.1m，其發射的信號帶寬可達1.5GHz帶寬或更高。RRES系統需要具備同等的大帶寬信號產生/發射能力。寬帶發射通道經DAC轉換、放大、濾波和混頻等處理，受模擬器件特性等影響，通道傳輸特性失真，存在較大的幅相誤差，影響脈沖壓縮的脈壓主副比及副瓣電平對稱性等結果[3]，導致輸出的回波射頻信號質量惡化，影響仿真或測試試驗評價結果可信度。

系統設計時，盡管通過器件選型和電路設計優化可以部分降低通道的失真程度，但不能從根本上消除其固有的誤差，需通過定標功能提取并采用均衡技術數字化補償。具體方法步驟：

1)提取發射通道內幅相特性：為便于發射通道幅相特性提取，系統設計內置校正接收通道和定標網絡(如圖1射頻單元部分所示)。提取過程如下：

首先，先通過外部定標信號注入校正接收通道，系統對經過校正接收通道的信號采集接收與處理，獲取校正接收通道的幅頻Ar(f)和相頻ψr(f)數據；其次，由數字收發FPGA產生數字校正信號，經“D/A→上變頻→定標網絡→下變頻→A/D→數字單元”，獲取模擬器發射通道和校正接收通道總的幅頻Atr(f)和相頻ψtr(f)數據；再計算獲取模擬器發射通道的幅頻At(f)和相頻ψt(f)為

At(f)=Atr(f)/Ar(f)

(1)

ψt(f)=ψtr(f)-ψr(f)

(2)

上述測試信號均采用仿真雷達使用的寬帶LFM信號進行，其中定標網絡引入的誤差相對穩定，可提前采用矢量網絡分析儀測量不斷端口間的幅相數據并作為固定誤差在數據應用中核減；

2)選用理想的濾波器特性作為參考，處理獲取復系數FIR均衡濾波器；

3)將得到的均衡濾波器加入發射通道使用，如圖3所示，即通過顯示與控制軟件將濾波器系數傳送給射頻單元數字收發FPGA進行數字化補償。

圖3 通道內均衡濾波器應用

圖4和圖5分別為某通道傳輸特性失真補償前后線性調頻(LFM)信號脈沖壓縮和回波成像實測結果。通過實測結果可以看出經失真補償后脈壓和成像結果得到明顯改善。

圖4 失真補償前后脈沖壓縮測試結果

圖6為3GHz寬帶信號的失真補償前后的幅頻特性及脈壓結果對比。

3.2 多通道發射及通道間均衡

SAR/MTI雷達從收發通道配置上包括單通道發射單通道接收(SISO)，單通道發射多通道接收(SIMO)和多通道發射多通道接收(MIMO)等，其中多通道系統具有更高的數據信息冗余和處理自由度，可提升雷達抗干擾、雜波抑制和目標檢測能力等優勢。多通道SAR/MTI雷達回波模擬時，模擬器多通道間不一致性會造成回波數據處理結果質量下降，如影響雜波相消性，導致動目標檢測性能變差及參數估計不準確[4]等問題。為此，需要RRES系統實現多通道間均衡處理，其功能原理框圖見圖7所示。

圖7 多通道均衡功能原理框圖

采用內置校正接收通道實現多通道逐一自動均衡校準，由于內置校準接收通道為各發射通道共用，其延遲及幅相誤差對各發射通道影響一致，不會影響各通道相對延遲及幅相誤差參數的提取。具體方法步驟：

首先，進行通道時延量測量和補償。測試LFM信號同時注入發射通道，經校正接收通道逐一接收采集，送數字單元進行脈沖壓縮處理，得到峰值點對應的頻率值Δfi，經頻率-時間轉換后即可得到相應的時延量Δti[5]，并對每個發射通道延遲進行補償。

其次，進行通道間幅相誤差測量。測試LFM信號同時注入發射通道，經校正接收通道逐一接收采集，送數字單元處理，分別獲得通道i的幅頻Atr-i(f)和相頻ψtr-i(f)，選擇任一通道為參考通道，并記參考通道幅頻Aref(f)和相頻ψref(f)，則相對于參考通道，通道i幅度和相位差分別為

ΔAi=Atr-i(f)/Aref(f)

(3)

Δψi=ψtr-i(f)-ψref(f)

(4)

為達到與參考通道幅相均衡一致，僅需將待校準通道i的幅度乘以1/ΔAi，相位減去Δψi。

3.3 低雜散、低相噪寬頻帶捷變頻率源

頻率源模塊為RRES系統提供各類時鐘本振信號，按照多波段射頻回波模擬應用需求進行統一設計，作為系統共性模塊，其性能指標對射頻回波的質量有著重要的影響：

1)低雜散：頻率源雜散信號及其進入混頻器后產生的交調、互調頻率信號會污染模擬的回波信號，產生虛假目標等影響；

2)低相噪：頻率源相位噪聲各次項誤差會造成回波成像的圖像偏移，分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比及圖像信噪比等指標惡化[6]；

3)寬頻帶、捷變頻：為RRES系統具備更多類型雷達射頻回波模擬能力提供硬件基礎，如捷變頻、多波段雷達等。

4 結束語

RRES系統通過硬件重構和軟件定義實現系統的應用擴展，其硬件架構也可適用于其他類型雷達射頻回波模擬，配置天線可作為模擬輻射源應用。隨著雷達技術的發展，雷達射頻回波模擬逐步向大瞬時帶寬、更低的無雜散動態范圍、多通道配置及更高通用性等方向發展。