雷達回波模擬器的設計與實現(xiàn)

任亞欣 王瑞斌 侯 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達整機調(diào)試對調(diào)試場地，包括靶標距離、靶標目標等特性有一定的要求。而實際環(huán)境中常常不具備理想的調(diào)試環(huán)境，比如沒有開闊場地進行架設；沒有合適的目標進行跟蹤、搜索等[1]。雷達回波模擬器正是針對這樣的應用場景設計開發(fā)的。雷達回波模擬器可以將雷達發(fā)射信號進行接收，并對應作出適當?shù)奶幚恚缓笠砸欢ǖ陌l(fā)射功率輻射出去，實現(xiàn)模擬雷達回波，對雷達的探測性能進行調(diào)試，從而降低對調(diào)試場地的要求，實現(xiàn)方便調(diào)試的目的[2]。

目前常見的雷達回波模擬系統(tǒng)大致可以分為三種：第一種，全軟件化雷達模擬器，通過軟件編程在計算機上實現(xiàn)目標、雜波、干擾等信息的生成。這類雷達模擬器通過計算機軟件編程實現(xiàn)回波信號的生成，由于計算機并非專用的信號處理部件，故數(shù)據(jù)生成速度慢，實時性低。第二種，由雷達回波模擬板卡構(gòu)成的回波模擬器，此類模擬器通過回波模擬板卡生成所需的目標回波信號，但此類回波模擬器受限于硬件處理板內(nèi)存的限制，產(chǎn)生的回波數(shù)據(jù)信號單一，只能適用單一品種的雷達系統(tǒng)，故靈活性差。第三種，采用多板卡集成的雷達回波模擬系統(tǒng)，其中包括：用于回波信號產(chǎn)生的信號回放板卡，用于回波數(shù)據(jù)生成的信號處理板卡，用于回波數(shù)據(jù)存儲的存儲板卡和用于用戶操作和參數(shù)設置的主控板卡。此種雷達回波模擬器通過多板卡集成的方式實現(xiàn)雷達回波模擬器的各種功能，如實現(xiàn)各種電磁仿真環(huán)境、目標回波和干擾的回波產(chǎn)生等，同時具有信號生成速度快，實時性高等優(yōu)點。但由于此類雷達回波模擬器采用多個板卡共同實現(xiàn)，系統(tǒng)體積龐大、功耗高、集成度低[3-5]。

本文論述的雷達回波模擬器針對功能要求，盡可能地簡化設計，保留主要功能，實現(xiàn)設備的便攜和實用性，因此我們采用專用微波模塊和FPGA+AD/DA技術來實現(xiàn)雷達回波模擬器[6-7]。

1 產(chǎn)生方式

根據(jù)雷達整機調(diào)試需求，我們設計的雷達回波模擬器主要實現(xiàn)功能為Ku和Ka兩個波段，對雷達探測目標進行距離模擬和目標大小的模擬。

距離的產(chǎn)生主要依靠波束的延時來實現(xiàn)。即根據(jù)接收回波的時刻，在此基礎上進行延遲后將信號再發(fā)射回雷達，進行不同距離雷達回波信號的模擬，模擬目標距離精度為1.5 m，最遠距離設計值為16 Km。目標大小的模擬主要通過功率調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，能夠調(diào)節(jié)的范圍為30dB。雷達回波模擬器的設計框圖如圖1所示。

圖1 雷達回波模擬器框圖

2 工程實現(xiàn)

為了實現(xiàn)雷達信號的回波模擬，我們要建立起

回波信號接收、變頻、采樣、存儲、延遲、信號恢復、上變頻、功率調(diào)整、模擬回波發(fā)射的一條信號通路。要實現(xiàn)上述功能，我們將工程實現(xiàn)的模塊分為：收發(fā)天線、微波前端系統(tǒng)、控制延時單元、顯控單元、電源等附件。

1)收發(fā)天線

收發(fā)天線因為體積較大，工作相對獨立，設計中將其獨立作為一個單元，在實際工作時也方便架設和方向調(diào)整。通過射頻電纜與設備連接。

本設備使用的天線為波導喇叭天線，Ku、Ka雙頻段共用，根據(jù)工作狀態(tài)為分時工作，因此為雙頻段分時復用天線，主要指標如下：

①頻率范圍：Ku、Ka；

②極化方式：垂直極化；

③天線增益：≥15 dBi；

④接口形式：SMA-50K；

⑤重量：≤3Kg。

2)微波前端系統(tǒng)

微波前端系統(tǒng)是本設備的頻率產(chǎn)生和上下變頻部分，是實現(xiàn)接收雷達信號，將雷達信號進行下變頻到低頻信號，供控制延時單元進行數(shù)字化采樣，同時將控制延時單元產(chǎn)生的模擬距離信號進行上變頻到雷達工作頻段，然后經(jīng)過適當?shù)墓β史糯螅椭撂炀€單元。原理框圖如圖2所示。

圖2 微波前端系統(tǒng)原理框圖

微波前端系統(tǒng)利用延時控制單元產(chǎn)生的80 MHz基準信號分別產(chǎn)生Ku波段和Ka波段工作的本振信號，首先將接收到的雷達信號進行下變頻，到ADC能夠進行采樣的頻率，然后送至控制延時單元。按照工作要求，將控制延時單元產(chǎn)生的波形信號進行上變頻到雷達工作頻率，然后按照時序控制輸出。

實現(xiàn)分四部分：本振基準產(chǎn)生、上變頻通道、下變頻通道、接口控制及電源。

3)延遲控制單元

延時控制單元是雷達回波模擬器功能實現(xiàn)的核心，使用FPGA 、AD、DA組合存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式，實現(xiàn)雷達回波的延遲轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而模擬不同距離目標回波。

基本原理框圖如圖3所示。

圖3 控制延時單元原理框圖

使用邏輯控制器件FPGA內(nèi)部邏輯和時序配合控制，能夠根據(jù)使用要求，靈活配置延遲時間，延時精度可到0.01 μs級，對應距離延遲約1.5 m[3]。能夠滿足使用精度要求。

4)顯控單元

顯控單元我們使用檔位等級明顯的旋鈕開關和對應的LED陣列顯示進行控制交互。交互控制功能包括：

①延時距離控制：根據(jù)不同檔位選擇并顯示；

② Ku/Ka工作狀態(tài)顯示：當前工作所在波段，當前發(fā)射狀態(tài)開/關顯示；

③發(fā)射功率控制范圍：30 dB，可以通過旋鈕開關進行調(diào)節(jié)選擇；

④接收增益調(diào)整范圍：30 dB，可以通過旋鈕開關進行調(diào)節(jié)選擇；

顯控單元與延遲控制單元之間的信息交流框圖如圖4所示。

圖4 顯控單元功能及接口框圖

5)電源

220 V市政電壓輸入，方便設備架設。220 V電源在模塊內(nèi)部經(jīng)過電源變換后為設備內(nèi)部其他功能模塊供電。其中電源轉(zhuǎn)換模塊具有防雷擊、浪涌的功能，提高了設備的抗干擾能力和工作可靠性。

6)結(jié)構(gòu)外觀

雷達檢測設備結(jié)構(gòu)要求便攜、美觀、可操作性強，能夠方便地在各個試驗場進行連接使用，因此重量和體積上要考慮便攜，而且在搬運過程中要考慮使用者的體驗感。整個機箱外觀如圖5所示。

圖5 雷達回波模擬器外形

機箱尺寸為標準3U機箱，體積為：250×350×150 mm。

表面噴塑絲印處理，把手多角度可調(diào)節(jié)，提高模塊的搬運性能和架設舒適性，便于操作人員進行設置操作。

3 關鍵技術

雷達回波模擬器作為雷達模擬檢測設備，關鍵技術有三點：一是實現(xiàn)延遲的軟件模塊；二是實現(xiàn)信號的AD/DA轉(zhuǎn)換；三是射頻通道的實現(xiàn)。

1)延遲單元的實現(xiàn)

采用FPGA結(jié)合AD，將回波信號數(shù)字化后，在FPGA采用FIFO技術，將波形數(shù)據(jù)根據(jù)不同的延遲進行延遲發(fā)送，從而實現(xiàn)不同距離目標的模擬。相比于光纖延遲具有靈活可控、設備量小的優(yōu)點。

2)AD/DA信號的轉(zhuǎn)換

要實現(xiàn)回波信號的模擬，必須進行AD將模擬信號數(shù)字化，然后再進行靈活處理。AD的過程就需要滿足采樣定理，以達到波形的無失真處理。AD/DA使用的芯片型號分別為ADI公司的AD9434和AD9172。

采樣定理滿足以下條件[3]為

或者

其中，m=1,2，3...mmax。

3)射頻通道的實現(xiàn)

射頻通道包含接收和發(fā)射兩個通道。接收通道將接收到的雷達發(fā)射信號進行下變頻，到中頻，通過AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。將數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)進行存儲，主要通過FIFO來實現(xiàn)。發(fā)射通道將波形數(shù)據(jù)經(jīng)過射頻還原，通過DA將采樣得到的雷達信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，還原雷達信號，將還原的信號進行上變頻到雷達發(fā)射頻率。實現(xiàn)過程中考慮到兩個波段分時工作，因此將部分電路進行了分時復用，有利于降低成本、縮小體積。

圖6 上變頻通道實現(xiàn)框圖

圖7 下變頻通道實現(xiàn)框圖

4 結(jié)束語

本雷達回波模擬器已經(jīng)投入使用，功能正常，使用操作簡便，特別在場地限制的情況下使用效果尤佳。

雷達回波檢測設備作為雷達整機調(diào)試的輔助設備，能夠模擬不同距離的回波信號，很好的服務于雷達調(diào)試工作。結(jié)合硬件平臺，在FPGA+DA中可以通過軟件設計靈活的加入其它變量，入多普勒頻移、雜波等，實現(xiàn)不同目標信號的模擬，具有良好的擴展性。滿足雷達整機功能調(diào)試的需求[7]。