基于AD9361 的雷達射頻和差模擬器

李偉宗 ，馬曉冬 ，任潔 ，劉建明

(1.太原衛星發射中心，山西 太原 030012；2.華北計算機系統工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著我國航天事業的發展，近年來我國先后裝備了一批用于航天工程任務的測控設備[1]。這些設備由中心機遠程統一管理和調度，實現設備的組網和自動化運行。在測控任務中，目標航跡追蹤的準確、及時與否，直接關系到任務的效果。因此，在日常作戰演練中，針對目標航跡如何進行模擬、仿真也得到了高度的重視。對應的，一些具有代表性的方法也不斷地提出。仿真的有效性一方面取決于對目標特性的刻畫，另一方面取決對設備特性的分析。目標特性取決于對應的應用場景，文獻[2]～[5]都是以飛機為基礎參考物，提取其參考的空中目標對應的若干種特征進行的系統仿真。航跡跟蹤設備包括對應的預警設備、測控設備等。在測控系統中，由于發射信號的波束較窄，其大范圍搜索截獲能力受到一定限制，單純依靠手動搜索發現目標較為困難。為了保證雷達能及時抓到目標并盡早穩定跟蹤，在設計和使用時通常考慮采用數據引導以提高搜索截獲效率[6-9]。隨著設備的使用，引導的精度需要實時校準。

隨著新軍事變革的持續推進，在實際任務中，測控目標調姿動作多、飛行程序復雜，跟蹤測量難度不斷增大，對設備人員異常跟蹤等應急處置能力提出了更高要求，而現有裝備訓練手段無法模擬實戰場景，難以滿足訓練需求，迫切需要完善實戰實訓、聯戰聯訓的訓練條件保障，進行實戰化訓練設計，模擬實戰目標狀態以及特點、難點，訓練設備人員應急處置和捕獲跟蹤能力。本文以測控設備為參考基礎，基于現有裝備工作流程，構建對應的硬件仿真平臺，實現射頻信號目標航跡信號模擬(和信號、方位差、俯仰差信號)，解決設備人員實戰化訓練手段不足的問題，進一步提升設備人員捕獲跟蹤及應急處置能力，是全面檢驗設備技、戰術性能的重要手段。

1 功能設計

測控設備按照功能可以劃分為兩個子系統——天線子系統和數據處理子系統。天線子系統主要由射頻設備、控制設備和結構設備、基帶設備等組成。通過各個設備間協同工作，實現信號發射/接收和目標的跟蹤。數據處理子系統主要完成數據解析和計算，包括天線子系統回傳的模/數轉換數據和中心機回傳網絡數據。并在上層承接人機交互操作，實現測量參數、狀態信息等的展示。

針對天線子系統，其控制部分的自動化運行流程主要基于原來的人工操作流程，包括設備標校、航跡軌道計算、天線等待點計算、目標捕獲跟蹤以及跟蹤結束后天線復位等幾大方面。在實際工作中，各個測站中的設備接收設備監控單元(SMCU)指定并分發的工作計劃和統一調度信息，完成任務準備、任務開始和任務結束各個階段。在對應的任務中，設備工作狀態包括異步和同步工作過程。在異步工作流程中，設備完成對應的軌道參數、等待點參數等的加載，并完成指向、時間校準，指向等待點等待目標。在該設備任務段內，設備進入同步工作過程，一方面基于時間驅動的工作計劃，由天線控制單元(ACU)實現對目標的識別和外測；另一方面由誤差網絡生成對應的引導信號，實現目標的跟蹤。其概略工作流程如圖1 所示。

圖1 測控設備工作流程

在整個工作流程中，如何確保設備能夠實時跟蹤目標至關重要。雷達跟蹤功能主要靠伺服系統完成，典型的伺服系統為模擬系統，其主要工作流程如圖2 所示。其中，雷達回波在和、差通道中分別轉化成對應的和、差電壓后，經過放大、變頻等一系列處理流程后，即得到目標相對于雷達指向的方位、俯仰角度偏離的誤差電壓信號。當和差通道相位移動一致(即Δφ=0)時，所得到的方位和俯仰角度偏差對應的誤差電壓與實際的偏離角度完全一致。方位和俯仰誤差電壓分別送至伺服系統產生驅動電壓，按照一定采樣頻率(工程應用上一般為20 幀/s)傳送到伺服系統中，驅動雷達向減小誤差的方向轉動，控制雷達電軸不斷向目標收斂，直到持續、穩定地捕獲目標[6]。

圖2 伺服系統閉環反饋

以單脈沖雷達為例，其完成和差處理，生成和差波束的核心部件為和差比較器，又稱為高頻相位環或者和差網絡。如圖3 所示，和差比較器用的較多的是雙T 接頭(魔T)。對應的四個端口分別是：∑(和)端、Δ(差)端、1端和2 端。單脈沖雷達是依靠和差比較器的作用得到如圖所示的和、差波束，其中和波束用于發射、觀察和測距，作為相位鑒別器的相位比較基準信號；差波束用于測角。以單脈沖雷達接收信號為例，說明其過程：回波脈沖同時被兩個波束的饋源所接收后，其可接收到振幅有差異但相位相同的兩個波束信號(振幅差異根據目標偏離雷達軸線的程度而定)，分別加到和差比較器的1、2 端。這時，兩信號同相相加在和端完成，并輸出和信號。和信號的振幅為兩信號振幅之和，相位與到達和端的兩信號相位相同，且與目標偏離雷達軸線的方向無關。差端輸出差信號的振幅大小表明了目標誤差角ε 的大小，差信號的相位則表明了目標偏離雷達軸線的方向。

圖3 雙T和差比較器

在實際應用系統中，為了實現雷達伺服系統的校驗及滿足日常訓練的需要，往往通過前端端口直接饋入和差差信號，以實現雷達伺服系統的驅動和校準，并且通過對和信號進行特殊變化(頻率激變、幅度衰減等)，實現操作手訓練。

本項目針對C 頻段測控雷達實現對應和差差信號模擬生成，以滿足系統伺服驅動需求和日常訓練需求。本系統主要包括上位機模塊和模擬信號生成模塊兩部分。其中上位機模塊主要基于輸入理論彈道及目前雷達指向信息，生成對應的和差差信號參數。模擬信號生成模塊主要借助AD9361 芯片，通過接收上位機控制參數，實現模擬信號生成。

2 上位機模塊

單脈沖測控雷達在實際應用過程中，一方面接收中心機發送的引導參數(理論彈道等)，調整伺服指向，實現目標搜索跟蹤；另一方面，發送實時指向信息，向中心機標識狀態。在本模擬系統中，上位機模塊一方面接收中心機發送引導數據，另一方面接收設備指向信息。通過比對，計算天線指向方位差，并基于計算結果實現和差差信號的生成。

圖4 所示為某單脈沖雷達天線差波瓣示意圖，理想單脈沖天線的零深對應數值應該為無窮大，但是受到工藝、非線性等因素的影響，實際天線的零深無法達到很大，一般為-36 dB～-39 dB[10-12]。

圖4 某單脈沖雷達天線差波瓣示意圖

圖5 所示為某單脈沖雷達和差波瓣示意圖。根據天線波瓣圖，在1 mrad 處的和差比為21 dB，歸一化斜率為6 dB/mrad。

圖5 某單脈沖雷達和差波瓣示意圖

上位機模塊通過實時解算雷達當前指向和理論彈道數據，計算當前時刻測量值和真實值之間的角度偏差ΔAt和。其中At表示當前時刻理論方位角，表示當前時刻實際方位角；Et表示當前時刻理論俯仰角，表示當前時刻實際俯仰角。根據單脈沖雷達工作原理，雷達一旦進入跟蹤狀態后，天線指向始終處于電軸附近。基于天線方向圖，可以用線性關系實現和、差信號幅度計算。以圖5(a)為例(取零深為-36 dB)，當天線指 向偏差為θ=0 mrad 時，=-36 dB。當天線指向偏差為θ=1 mrad 時，=-21 dB。按照線性擬合y=ax+b，可以得到和差信號增益比與天線指向偏差的關系如下所示：

即當射頻前端接收到信號功率為0 dBm 的時候，對應的方位差和俯仰差信號即可依據當前時刻天線指向偏差θ，按照式(1)計算對應的信號功率。

3 信號生成模塊

在上位機模塊完成和差差信號幅度計算后，通過串行總線完成信號參數的實時傳遞。信號生成模塊采用軟件無線電架構，通過FPGA+AD 模塊實現與上位機通信和實時信號生成。其中，AD 模塊以AD9361 芯片為核心。AD9361 射頻捷變收發器是一款高性能、帶寬大、可編程、支持I/Q 兩路、高集成度的器件。AD9361 把射頻前端和靈活的混合信號基帶部分集為一體，簡化硬件設計[12-15]。模擬信號生成流程圖和單路信號生成硬件框圖如圖6、圖7 所示。

圖6 模擬信號生成流程圖

圖7 單路信號生成硬件框圖

由于AD9361 的可編程性強、數字分頻精確、使用靈活方便并且覆蓋C 頻段，相比于傳統的射頻電路，使用AD9361 可以大大簡化電路的硬件結構，免去搭建高速數模轉換和上變頻電路以及對應的調試工作。

AD9361 通過與FPGA 模塊通信，將FPGA 生成的基帶信號進行數字化處理并進行數字濾波，并在片內完成上變頻，實現C 頻段信號的生成。AD9361 的初始化在主控模塊中進行，利用官方給出的初始化結構體分別對AD9361參數、接收濾波器、發射濾波器進行初始化。AD9361 參數包括收發頻率、發射功率、通信模式、參考時鐘頻率等。收發濾波器里面的通帶頻率、截止頻率、下降率等參數是由官方提供的AD9361/9364 濾波器參數設定軟件自動生成的，并基于Python 完成對應程序調用。最終，信號生成模塊架構如圖8 所示。

圖8 信號生成模塊架構

4 應用結果

根據上位機模塊和信號生成模塊各自的功能定位，和差信號模擬器通過網絡接口與中心機和設備完成實時參數交互。同時，信號生成模塊利用同軸線把對應和差信號饋入設備中，完成目標模擬和伺服系統驅動。和差信號模擬器在系統中的級聯方式如圖9 所示，信號頻譜如圖10、圖11 所示。通過比對和差差信號和雷達伺服運動結果，可以得出對應結論：該和差信號模擬器可以基于現有系統，生成對應的和差差信號，完成設備人員的操作訓練和設備性能的檢測驗證。

圖9 和差模擬器級聯方式

圖10 和通道的單載頻頻譜圖

圖11 和通道的連續波載頻頻譜圖

5 結論

從實際使用效果來看，和差信號模擬器可用于檢驗雷達的工作狀態和性能，有助于定位一些實際問題，例如在接收系統等設備改造過程中為設備的調機提供了很大的方便。此外，可以進一步在和信號中人為地引入衰減、噪聲等參數，實現對操作手的日常訓練。