李華敏,王 瑛,李曉松

(1.解放軍91550部隊(duì),遼寧 大連116023;2.中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

多站連續(xù)波(Continuous Wave,CW)測(cè)量系統(tǒng)是由多套分布在遠(yuǎn)端站點(diǎn)的CW雷達(dá)組成,經(jīng)合理布站在飛行試驗(yàn)空域建立起高精度測(cè)量帶。試驗(yàn)任務(wù)前,各CW雷達(dá)必須保證設(shè)備技術(shù)性能達(dá)標(biāo)和系統(tǒng)上下行信號(hào)協(xié)調(diào)。無論CW雷達(dá)是在內(nèi)場設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)還是在遠(yuǎn)端站點(diǎn)任務(wù)準(zhǔn)備,都需要為CW雷達(dá)系統(tǒng)提供目標(biāo)聯(lián)試信號(hào),用于檢測(cè)雷達(dá)跟蹤測(cè)量動(dòng)態(tài)性能。實(shí)際上,在雷達(dá)設(shè)備的研制過程和設(shè)備調(diào)試維修中,也希望有一種能夠模擬目標(biāo)飛行的動(dòng)態(tài)信號(hào)生成設(shè)備,模擬產(chǎn)生目標(biāo)回波作為雷達(dá)系統(tǒng)捕獲、跟蹤和測(cè)量性能檢測(cè)信號(hào),以及時(shí)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)問題和隱患,特別是對(duì)多站連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)的聯(lián)試更具有意義[1]。在雷達(dá)跟蹤測(cè)量性能測(cè)試中,使用真實(shí)目標(biāo)為雷達(dá)提供回波信號(hào)是不切實(shí)際的,為了滿足單站CW雷達(dá)動(dòng)態(tài)性能檢查和多站連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬聯(lián)試需求,CW雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)信號(hào)模擬器的研制十分必要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案與原理

多站連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)由3套多站制CW雷達(dá)組成,各部CW雷達(dá)分別以主站、副站1、副站2模式工作。CW雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)模擬器(簡稱模擬器)以本地站址為參考點(diǎn),將事先給定的彈道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)模擬的控制信息;模擬器以時(shí)統(tǒng)信號(hào)為基準(zhǔn),由模擬信息控制生成目標(biāo)回波射頻信號(hào)。各CW雷達(dá)站間的時(shí)間同步通過中心時(shí)統(tǒng)DC碼實(shí)現(xiàn),站內(nèi)的雷達(dá)設(shè)備和模擬器時(shí)間同步在本地時(shí)間基準(zhǔn)上。在指控中心T0信號(hào)控制下,各CW雷達(dá)站啟動(dòng)模擬程序,生成射頻信號(hào)饋送給雷達(dá)接收;雷達(dá)解調(diào)得到的距離、速度、角度等信息,通過數(shù)傳設(shè)備送往指控中心;指控中心接收處理各雷達(dá)站的數(shù)據(jù),形成測(cè)量方案顯示出模擬目標(biāo)的運(yùn)行軌跡。

CW雷達(dá)與模擬器設(shè)計(jì)為有線射頻閉環(huán)方式工作,雷達(dá)發(fā)射機(jī)送來的信號(hào)耦合至模擬器接收端;模擬器對(duì)該信號(hào)模擬處理后,從其射頻輸出口饋送至雷達(dá)高頻接收機(jī)。CW雷達(dá)模擬器主要工作是從雷達(dá)的上行信號(hào)中解調(diào)出測(cè)量信號(hào),根據(jù)彈道數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)距信號(hào)延時(shí)和多普勒頻移處理,生成攜帶目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息的射頻信號(hào)饋入雷達(dá),使雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)動(dòng)態(tài)模擬跟蹤測(cè)量。

2.2 CW雷達(dá)模擬器組成

CW雷達(dá)模擬器的硬件部分由功分器、信號(hào)處理分機(jī)、信道分機(jī)、頻率源等設(shè)備組成,其組成框圖如圖1所示。

圖1 CW雷達(dá)模擬器組成框圖Fig.1 Block diagram of CW radar simulator

模擬器與雷達(dá)間的射頻信號(hào)交換是通過功分器耦合實(shí)現(xiàn)的。模擬器信道分機(jī)將接收到的雷達(dá)上行信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻(收)信號(hào),為其信號(hào)處理分機(jī)提供中頻目標(biāo)信號(hào);同時(shí),信道分機(jī)將信號(hào)處理分機(jī)輸出的中頻(發(fā))信號(hào)變換為射頻信號(hào),為雷達(dá)提供目標(biāo)回?fù)苌漕l信號(hào)。

信號(hào)處理分機(jī)以CPCI工控計(jì)算機(jī)為平臺(tái),硬件設(shè)備主要由調(diào)制器單元、信號(hào)處理板、計(jì)算機(jī)主板等組成。調(diào)制器單元負(fù)責(zé)調(diào)制度大小的調(diào)整、信號(hào)的輸出、站型選擇等;信號(hào)處理板負(fù)責(zé)距離和速度信號(hào)的模擬處理;CPCI工控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)完成信息處理和監(jiān)控以及雷達(dá)監(jiān)控分系統(tǒng)的通信;高穩(wěn)頻率源為信道分機(jī)和信號(hào)處理分機(jī)提供高穩(wěn)定度的頻率信號(hào)基準(zhǔn)。

模擬器監(jiān)控軟件運(yùn)行在CPCI工控計(jì)算機(jī)上,根據(jù)彈道數(shù)據(jù)文件產(chǎn)生固定格式的距離、速度、加速度、角度、角速度等數(shù)據(jù),并將目標(biāo)距離、速度、加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到信號(hào)處理分機(jī),用于距離和速度模擬;將角度、角速度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到伺服天線控制單元(ACU),用于角度模擬控制。雷達(dá)ACU接收角度控制量,驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng),并將當(dāng)前角度、距離和速度等信息通過雷達(dá)監(jiān)控分系統(tǒng)送往指控中心。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

多站制CW雷達(dá)模擬器信號(hào)流程如圖2所示。

圖2 模擬器信號(hào)流程圖Fig.2 Flow chart of simulator signal

模擬器研制過程中有3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn):一是多站工作模式;二是距離變化與速度相關(guān)性模擬;三是模擬目標(biāo)遠(yuǎn)近對(duì)應(yīng)信號(hào)電平強(qiáng)弱的模擬。

為了滿足多站制CW雷達(dá)3種站型使用要求,模擬器需要對(duì)連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)的3個(gè)CW雷達(dá)上行頻率(fR1,fR2和fR3)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的變頻處理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬器可以在3種站型下工作。模擬器的信道分機(jī)通過對(duì)雷達(dá)上行射頻信號(hào)進(jìn)行兩次下變頻,變?yōu)閷?duì)應(yīng)站型的中頻信號(hào)送到信號(hào)處理分機(jī)進(jìn)行模擬處理,使得模擬器的工作站型與其對(duì)應(yīng)CW雷達(dá)的工作站型相一致。

CW雷達(dá)對(duì)目標(biāo)距離與速度的測(cè)量是通過兩種獨(dú)立方法實(shí)現(xiàn)的,目標(biāo)距離與速度值之間存在必然的聯(lián)系。模擬器根據(jù)提供的彈道數(shù)據(jù)對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行距離延時(shí)和速度模擬處理。依據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)和速度模擬信息,通過控制相應(yīng)站型的載波頻率,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度的模擬。對(duì)于距離模擬信息,在時(shí)間基準(zhǔn)同步下,通過控制側(cè)音信號(hào)的相應(yīng)延遲時(shí)間,同時(shí)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償與修正,實(shí)現(xiàn)對(duì)距離變化模擬和速度變化的一致性調(diào)整。

目標(biāo)遠(yuǎn)近對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度變化的模擬是依據(jù)距離值和自動(dòng)增益控制(AGC)電平值,通過控制數(shù)控衰減器來模擬目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)弱。模擬處理后的信號(hào)調(diào)制在下行中頻載波上,發(fā)送給模擬器信道分機(jī),由信道分機(jī)將信號(hào)進(jìn)行兩次上變頻為射頻信號(hào) fT送往雷達(dá)。監(jiān)控單元提供角度信息,傳遞給雷達(dá)ACU,控制天線按照預(yù)定軌跡運(yùn)行。

3 信道分機(jī)

為了便于信號(hào)模擬處理,模擬器信道分機(jī)需將接收到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成“收”中頻信號(hào),提供給信號(hào)處理分機(jī);同時(shí)將經(jīng)信號(hào)處理分機(jī)動(dòng)態(tài)模擬處理后的“發(fā)”中頻信號(hào),變頻轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)饋送雷達(dá)接收。

模擬器信道分機(jī)由接收模塊、發(fā)射模塊、本振模塊、數(shù)控衰減器、監(jiān)控單元和電源等組成。接收模塊主要由預(yù)選器、低噪聲放大器(LNA)、混頻器、AGC放大器等組成,發(fā)射模塊主要由低噪聲放大器(LNA)、混頻器、濾波器、數(shù)控衰減器等組成。監(jiān)控單元完成各模塊狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控,并通過以太網(wǎng)接口與信號(hào)處理分機(jī)通信。數(shù)控衰減器用于控制輸出信號(hào)電平,模擬目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度。

CW雷達(dá)3種站型對(duì)應(yīng)的上行信號(hào)fr1、fr2、fr3進(jìn)入信道分機(jī),經(jīng)預(yù)選器、低噪聲放大器進(jìn)入混頻器。根據(jù)輸入信號(hào)的特性選擇頻綜頻率,分別將fr1、fr2、fr3變頻到中頻;該中頻(收)信號(hào) fr經(jīng)過濾波、AGC放大,經(jīng)衰減輸出到信號(hào)處理分機(jī)。在信號(hào)處理分機(jī)中,完成目標(biāo)動(dòng)態(tài)模擬相關(guān)的信號(hào)處理,形成中頻“發(fā)”信號(hào)ft送入信道分機(jī)經(jīng)過兩次上變頻后輸出,為雷達(dá)提供目標(biāo)回波射頻信號(hào)。

4 信號(hào)處理分機(jī)

4.1 調(diào)制器單元

調(diào)制器單元是模擬器信號(hào)處理分機(jī)的重要組成部分,受DSP單元的控制,接收模擬測(cè)距信號(hào)和模擬速度信息,按照不同的站型,將測(cè)距音加調(diào)到不同的副載波或者載波上,將速度信息加入載波多普勒頻移存儲(chǔ)器中。

CW雷達(dá)有主、副站型之分,信號(hào)格式不完全一樣,主站信號(hào)為相參轉(zhuǎn)發(fā),兩個(gè)副站信號(hào)為非相參轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于主站,模擬測(cè)量后的測(cè)距信號(hào)直接調(diào)相(PM)加調(diào)在載波上;模擬的速度信息體現(xiàn)在載波的多普勒頻移上,經(jīng)數(shù)模(D/A)變換后輸出控制載波頻移。對(duì)于副站,經(jīng)模擬處理后的測(cè)距信號(hào),先分別調(diào)制在兩個(gè)不同的帶多普勒的副載波上,再調(diào)制在帶多普勒的下行中頻載波上;模擬的速度信息體現(xiàn)在載波的多普勒頻移上,經(jīng)D/A變換后輸出。調(diào)制度大小的調(diào)整、信號(hào)的輸出和站型選擇均在大規(guī)模FPGA數(shù)字芯片中完成。

4.2 數(shù)字信號(hào)處理單元

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)單元是模擬器信號(hào)處理分機(jī)的重要組成部分,主要完成距離、速度的模擬和中頻信號(hào)鎖定等功能。為了提高信號(hào)處理實(shí)時(shí)性,同時(shí)兼顧信號(hào)軟件化處理算法的復(fù)雜程度,采用TMS320C6713作為模擬器DSP處理核心。該芯片是TI公司推出的高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,采用先進(jìn)的超長指令字結(jié)構(gòu),內(nèi)部有8個(gè)獨(dú)立功能的運(yùn)算器,每周期可以執(zhí)行8個(gè)32位指令[2]。

為了模擬目標(biāo)的距離遠(yuǎn)近、速度大小、入射電波與天線電軸的方位、俯仰角度偏離量和接收信號(hào)的強(qiáng)度等參數(shù),DSP單元根據(jù)監(jiān)控單元送來的模擬數(shù)據(jù),計(jì)算出對(duì)接收單元的載波鎖定、測(cè)距側(cè)音解調(diào)、距離、速度、角度的具體控制量。模擬距離的變化是通過控制測(cè)距信號(hào)的時(shí)延實(shí)現(xiàn)的,最大時(shí)延和時(shí)延精度控制決定了距離的模擬范圍和距離模擬精度。需要考慮徑向速度多普勒頻移的影響,要從載波鎖相環(huán)解出側(cè)音后,必須加上折算到側(cè)音上的多普勒補(bǔ)償頻率,以使距離與速度保持相關(guān)[3]。

目標(biāo)距離的模擬首先將雷達(dá)的測(cè)距信號(hào)采樣存入雙口RAM中,根據(jù)目標(biāo)距離對(duì)應(yīng)的時(shí)延值控制測(cè)距信號(hào)的提取,進(jìn)而達(dá)到目標(biāo)距離的模擬[4]。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離與速度是相關(guān)的,因此對(duì)上行測(cè)距側(cè)音除了延時(shí)處理外,還要加上行多普勒頻移引起的距離的變化量;下行側(cè)音要與副載波一起加下行多普勒頻移修正量,以使距離與速度保持相關(guān)。測(cè)距側(cè)音延時(shí)處理后,調(diào)制在帶雙向多普勒頻率的中頻載波上,通過信道分機(jī)變換為攜帶目標(biāo)距離信息的射頻信號(hào)。

CW雷達(dá)測(cè)速是通過測(cè)量收、發(fā)信號(hào)的載波多普勒頻移實(shí)現(xiàn)的,因此速度模擬就可以通過改變轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的載波頻率實(shí)現(xiàn);而加速度模擬時(shí),只要控制載波在一定范圍內(nèi)按照給定的速度掃描即可實(shí)現(xiàn)。在信號(hào)處理模塊中,載波由直接數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生,通過改變DDS頻率控制字和頻率變化速率,改變轉(zhuǎn)發(fā)載波的頻率和掃描速率,其精度可以達(dá)到很高[5]。

4.3 監(jiān)控軟件

模擬器監(jiān)控軟件運(yùn)行在CPCI工控計(jì)算機(jī)上。作為CW雷達(dá)模擬器的監(jiān)控管理控制程序,它主要完成對(duì)信道分機(jī)和信號(hào)處理分機(jī)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制及管理;接收CW雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)的彈道數(shù)據(jù),管理系統(tǒng)模擬所需的彈道數(shù)據(jù);接收雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)或指控中心的模擬啟動(dòng)命令;負(fù)責(zé)彈道數(shù)據(jù)本地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,具備模擬數(shù)據(jù)處理、各分機(jī)參數(shù)狀態(tài)監(jiān)控、模擬演示、訓(xùn)練等功能。

5 結(jié)語

多站制CW雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)模擬器設(shè)計(jì)兼顧了兩組頻點(diǎn)3個(gè)工作站型,為多站連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)目標(biāo)模擬聯(lián)試提供了目標(biāo)動(dòng)態(tài)信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備。在單套雷達(dá)設(shè)備聯(lián)調(diào)中,模擬器提供目標(biāo)飛行動(dòng)態(tài)的回波信號(hào),使雷達(dá)形成上、下行信號(hào)閉環(huán),距離模擬誤差小于7 m,速度模擬誤差小于0.01 m/s,滿足CW雷達(dá)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試要求。在多站連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)模擬聯(lián)試中,遠(yuǎn)端站點(diǎn)的CW雷達(dá)接收同步時(shí)間信號(hào)和啟動(dòng)命令,模擬器為對(duì)應(yīng)CW雷達(dá)提供目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波信號(hào),實(shí)現(xiàn)了多站測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模擬聯(lián)試。

設(shè)計(jì)中采用固態(tài)化、數(shù)字化與軟件化技術(shù),設(shè)備的集成度高,減少了器件之間的相互連接。模擬器可方便地介入或脫離雷達(dá)系統(tǒng)工作,在雷達(dá)動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)和多站連續(xù)波測(cè)量系統(tǒng)模擬聯(lián)試中起到了重要作用。

[1]劉嘉興.飛行器測(cè)控通信工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.LIU Jia-xing.Spacecraft TT&C and Communication Engineering[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010.(in Chinese)

[2]Texas Instrument Corp.TMS320C6713 data sheet[M].Texas:Texas Instrument Corporation,2001.

[3]Bassem R Mahafza.雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].2版.陳志杰,羅群,沈齊,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2008.Bassem R Mahafza.Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB[M].2nd ed.Translated by CHEN Zhi-jie,LUO Qun,SHEN Qi.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008.(in Chinese)

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