王雄志， 高野軍， 黃 怡， 鄧若漢

(1.上海無線電設備研究所， 上海 200090； 2.上海目標識別與環(huán)境感知工程技術研究中心， 上海 200090； 3.北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076)

一種多通道調相回波信號模擬技術

王雄志1,2， 高野軍3， 黃 怡1,2， 鄧若漢1,2

(1.上海無線電設備研究所， 上海 200090； 2.上海目標識別與環(huán)境感知工程技術研究中心， 上海 200090； 3.北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076)

介紹了一種適用于PD引信的多通道調相回波信號模擬技術及應用系統(tǒng)。針對引信比幅比相復合探測的特點，通過對引信載頻與DDS產生的帶有相位信息的多路中頻信號進行上下變頻實現(xiàn)目標回波的多普勒頻率和相位特性模擬。通過發(fā)射檢波同步處理方法和視頻延時實現(xiàn)目標回波的距離延時模擬。通過四個獨立目標回波輸出通道實現(xiàn)比幅比相的模擬，模擬系統(tǒng)用于引信目標方位識別的功能測試。

引信； 目標回波； 相位特性模擬； 方位識別

0 引言

PD引信(脈沖多普勒引信)是經典的脈沖多普勒雷達探測原理應用于導彈引爆系統(tǒng)的一種近程雷達[1-2]，是導彈的關鍵分系統(tǒng)之一。新體制引信結合偽碼調相與旁瓣抑制的特性，具有良好的方位識別探測性能，其回波的相位特性是關鍵參數(shù)。因此，在采用室內點目標閉環(huán)模擬測試方法驗證引信目標方位識別功能時[3]，回波模擬系統(tǒng)需要模擬多通道幅度、相位獨立可調的目標回波信號。

針對該引信目標回波的模擬系統(tǒng)設計的難點，本文提出一種數(shù)字化調制方法，主要解決多路目標回波信號的幅度、延時、相位等問題。該方法通過高速數(shù)字電路控制DDS調節(jié)頻率和相位[4-5]，并與具有偽碼調相的引信載頻進行上下變頻，模擬彈目相對速度和目標方位。用引信發(fā)射經視頻同步提取和動態(tài)數(shù)控延時回放的方法，模擬彈目相對距離。通過控制多路并行數(shù)控衰減器衰減量的變化, 模擬彈目交會時回波強度及彈目交會時間。

1 多通道調相回波信號模擬系統(tǒng)

1.1 工作原理

將目標看作是點目標時，引信回波信號是點目標反射信號，包括彈目相對速度、距離等信息等。因此目標反射信號表示為

(1)

式中：k為包括目標雷達截面(RCS)、發(fā)射功率和雷達距離因子在內的加權系數(shù)；τ為電磁波從引信到目標的往返延時；Pτ0為寬度為τ0，幅度為1，重復周期為T的脈沖；δ(t)為狄拉克函數(shù)；T為脈沖重復周期；N為脈沖個數(shù)；“*”為卷積算子符號。

考慮目標與引信的相對運動，式(1)可寫為

f(t)=kcos(ω+ωD+φ)t

(2)

式中：ωD為目標與引信的相對運動形成的多普勒角頻率；φ為目標與引信的相對位置形成的相位。多普勒角頻率與引信彈目相對速度有關,相位與引信彈目相對距離有關。

目標回波信號模擬系統(tǒng)是引信測試系統(tǒng)的重要組成部分，用于提供引信在彈目交會時的射頻回波激勵信號。根據(jù)式(2)，回波信號模擬與被測引信相關性較大，由于引信基于無線電比相原理來確定目標方位角信息，因此需要模擬雙通道目標回波用于比相回波激勵信號，每通道回波模擬不僅要進行速度和距離模擬，還需要進行回波相位模擬。

被測引信具有偽碼調相特性，將偽碼調相的引信連續(xù)波載頻信號作為回波信號模擬的輸入信號，與DDS產生的中頻本振信號下變頻后再上變頻，變頻過程中加入固有的多普勒頻率、相位，用于相對速度和回波相位信息模擬。

原理框圖如圖1所示。引信載頻信號f0下變頻到中頻fI,1，DDS芯片產生中頻信號fI,2、fI,2+fD，然后通過下變頻器將fI,1、fI,2產生fI,1-fI,2信號。fI,1-fI,2信號與fI,2+fD再通過上變頻器產生fI,1+fD信號，然后進一步上變頻至信號f0+fD，得到具有彈目多普勒頻率調制的有用信號。通過高速數(shù)字電路FPGA發(fā)送控制字給DDS，模擬彈目交會時多普勒實時變化，完成相對速度的模擬。

圖1 DDS應用電路原理框圖

將引信發(fā)射信號檢波，得到同步的時域脈沖信號，如圖2所示，經數(shù)控延遲機后驅動高速PIN開關對微波連續(xù)波的調制，實現(xiàn)精密延時控制和信號回放，用于距離模擬。

圖2 發(fā)射檢波同步提取電路原理框圖

針對比相測角引信的回波需求，僅僅模擬彈目相對速度和彈目相對距離信息是不夠的，還需模擬回波信號的相位信息。如圖3所示，射頻微波信號與中頻信號通過上下變頻調制多普勒頻率，由DDS產生兩路相位同步的信號，通過調節(jié)其中一路的初始相位，可以改變輸出的兩路微波信號的相位差，得到符合引信比相測角的雙路回波信號。

圖3 微波相位調制電路原理框圖

采用多通道DDS和多路并行延時電路的方法實現(xiàn)多通道獨立控制。以上具有所有目標回波信息的模擬信號再經過數(shù)控衰減得到多通道輸出信號。

1.2 系統(tǒng)構成

多通道調相回波信號模擬系統(tǒng)主要由射頻前端變頻模塊、DDS中頻、檢波延時模塊、高速PIN開關組合、衰減控制組合、DSP控制模塊和計算機組成，如圖4所示。

圖4 多通道調相回波信號模擬系統(tǒng)結構框圖

引信載頻信號與DDS進行變頻，在此過程中，得到多路加入多普勒頻率調制信號的微波信號。引信發(fā)射信號經檢波、延時后作為引信發(fā)射同步驅動視頻脈沖。射頻和視頻分別進入高速PIN開關組合，調制后信號分多路輸出至衰減控制組合，得到4路目標回波，其中兩路作為比幅測角模擬回波，另外兩路作為比相測角模擬回波。

計算機生成回波參數(shù)數(shù)據(jù)包，下傳到數(shù)字電路DSP控制系統(tǒng)實現(xiàn)對DDS產生的多普勒頻率、相位，檢波延時模塊的延時以及衰減組合的參數(shù)設定，完成引信回波信號模擬。

1.3 系統(tǒng)功能模塊

(1) 變頻模塊

由圖3可以看出，模擬信號主要是在引信載頻上做調制完成回波模擬，因此引信載頻連續(xù)波必須滿足兩個條件：

a) 一是具有偽碼調相特性的調制信號；

b) 二是載頻信號和引信發(fā)射機信號具有相關性。

變頻模塊需兩級變頻：第一級變頻，由載頻連續(xù)波(f0)與DDS產生的第一路中頻(fi)進行下變頻，得到共用的微波連續(xù)波(f0-fi)，并將(f0-fi)信號濾波放大功分成多路(圖4中分成四路)；第二級變頻，將多路微波連續(xù)波信號再與對應DDS中頻信號進行上變頻，完成多普勒頻率調制。

經混頻模塊后信號分成多路，因此需要考慮通道間的隔離度的影響。同時，需對DDS的初始相位進行校準。

(2) 高速PIN開關組合

高速PIN開關組合采用開關截取的方法，利用引信發(fā)射同步脈沖信號調制微波連續(xù)波信號，模擬引信發(fā)射的窄脈沖回波。

(3) 檢波延時模塊

檢波延時模塊將引信發(fā)射信號檢波，提取引信發(fā)射時序，經放大整形后輸入CPLD，進行邏輯組合處理，完成各種目標特性的組合。然后經過精密延時器、窄脈沖調制驅動電路后輸出給高速PIN開關，完成延時控制和窄脈沖調制功能。

(4) 衰減控制組合

衰減控制組合完成輸出通道分配以及回波信號強度控制功能。衰減控制組合采用大動態(tài)、低插損、高精度的溫補型數(shù)控PIN衰減器來實現(xiàn)。

(5) DSP控制模塊

DSP控制模塊接收目標回波特征數(shù)據(jù)完成多普勒頻率、相位控制字、目標特性選擇、延時控制、衰減控制等參數(shù)設定，并根據(jù)測試進程完成特殊參數(shù)模型的模擬回放。

(6) 計算機

人機交互平臺，通過操作界面下傳回波參數(shù)數(shù)據(jù)包，完成回波模型的設置。

2 多通道調相回波信號模擬參數(shù)

2.1 回波相位編碼的相關性

由于引信與模擬系統(tǒng)間的傳播延遲以及模擬系統(tǒng)固有的傳輸延遲比模擬的最小距離延遲大得多，必然不能在同一個脈沖周期內應答回波[4]，采用延遲到下個周期后形成回波的方法來實施。由于確知引信發(fā)射的偽碼，引信發(fā)射偽碼序列產生相位超前于引信發(fā)射偽碼的偽碼信號，進而調制引信載頻信號，再由發(fā)射同步檢波的脈沖序列延遲后可以保證回波相位編碼的一致。

2.2 通道間回波相位差

目標回波模擬系統(tǒng)每個通道的相位受四個方面的影響：

a) 引信載頻輸入的初始相位變化；

b) 所有微波器件的固有相位變化；

c) 可調模塊的動態(tài)相位變化；

d) 外部連接電纜的相位變化。

它們對最終輸出的目標回波信號的相位都有影響，進而影響引信的測試。因此，必須提高系統(tǒng)相位穩(wěn)定度。針對引信載頻的初始相位、微波器件和外部連接電纜的固有初始相位，采取引信自校準測試模式，即外接自校準設備，對初始相位校零，將零偏相位記錄，并存儲在測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，需要測試時，可以將數(shù)據(jù)對應寫入相位控制選項?？烧{模塊的動態(tài)相位變化控制需要進行動態(tài)分析?？烧{部分為DDS直接相位調節(jié)和數(shù)控衰減變化引起的相位變化。

DDS芯片是調節(jié)相位的主要部分，本文選四通道同步時鐘的AD9959芯片。該芯片有四路帶10位DAC的DDS通道，最高取樣頻率為500 MSPS；大于65 dB的通道隔離度；32位頻率分辨率；14位相位失調分辨率；10位輸出幅度可縮放的分辨率；具有增強數(shù)據(jù)吞吐量的串行I/O口(SPI)。

AD9959內置多器件同步功能，各通道可以獨立編程，非常適合用于多通道相位可調的多普勒產生器。針對DDS相位調節(jié)，采取相位模塊化相對標校的方法控制，即由DDS產生一路基準多普勒信號，利用內部同步鎖相去掉初始相差，其他幾路與基準路進行相移，即得到所需的相位差。

對于衰減器動態(tài)衰減引起的相位變化，采用衰減與相位線性擬合關聯(lián)的方法控制。衰減器采用大動態(tài)、低插損、高精度的溫補型數(shù)控PIN衰減器，由12位二進制碼進行控制，動態(tài)范圍0～60 dB，精度為±1.0 dB，分辨率優(yōu)于0.1 dB。對于衰減的控制采用分段數(shù)組線性曲線擬合的方法。即將衰減分為若干區(qū)段，區(qū)段內用兩點直線擬合。用該方法同樣可以將相位變化隨著衰減的變化進行線性曲線擬合，由DSP同時控制，這樣使相位隨衰減的誤差變化減到最小。

2.3 回波延時及發(fā)射時序

回波延時采用視頻延時方法，發(fā)射時序則采用檢波后邏輯組合的方法實現(xiàn)。兩者結合適用于脈沖體制、脈沖多普勒體制、偽隨機碼脈沖多普勒體制等無線電引信，應用于無線電引信綜合測試。視頻延時電路，相對微波延時電路簡單，容易實現(xiàn)，可以實現(xiàn)延時隨時間變化，即可模擬彈目交會時導彈由遠到近快速接近目標的距離動態(tài)變化過程。引信發(fā)射微波脈沖檢波經組合邏輯電路后，經過可控延時后調制引信載頻，將微波延遲轉化為視頻脈沖延時，大大簡化了電路設計。

在高速和超高速數(shù)字電路中，DTL、TTL、HTL和CMOS等集成電路都難以滿足應用要求，而ECL電路提供了解決問題的途徑。ECL電路具有速度快、邏輯性強、扇出能力高、噪聲低、引線串擾小和自帶基準源等優(yōu)點，因此能提供納秒開關時間的實用電路。基于ECL電路原理，目前廣泛應用于高性能數(shù)字電路和系統(tǒng)中的可編程精密延遲器件有DS1023系列，可以配置為數(shù)控延時線或脈沖寬度調制器。采用多片DS1023級聯(lián)使用，分別對每片進行獨立配置，用于完成精密回波延遲與回波脈寬的參數(shù)控制。

3 結論

本文介紹了一種應用于引信方位識別測試的多通道調相回波模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，分析了回波模擬原理，設計了整個模擬系統(tǒng)框架，提供了在引信方位識別功能測試中針對比相測角的一種數(shù)字回波相位差調節(jié)控制方案和相位校準方法，并對引信目標信號模擬過程中遇到的發(fā)射相干載波提取、偽碼相關性、高精度回波延時等技術問題的解決方法做了簡要介紹。

[1] 雷達系統(tǒng)編寫組.雷達系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社， 1980：28-35.

[2] M. M. 柯甘(著)，華恭，興華(譯).雷達引信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社, 1980：90-96.

[3] 梁棠文. 防空導彈引信設計及仿真技術[M]. 北京: 宇航出版社, 2000：75-78.

[4] 王濤. 偽碼調相PD引信體目標模擬系統(tǒng)設計[J]. 制導與引信， 2003, 24(2)： 13-17.

[5] 楊俊嶺, 李綱. DDS 芯片及其在雷達回波生成系統(tǒng)中的應用[J].現(xiàn)代雷達, 2003, 25(8): 47-50.

The Echo Signal Simulation Technology of the Multi-channel Phase Modulation

WANGXiong-zhi1,2，GAOYe-jun3，HUANGYi1,2，DENGRuo-han1,2

(1.Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China; 2.Shanghai Target Identification and Environment Perception Engineering Technology Research Center, Shanghai 200090, China;3.Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China)

Introduces a kind of echo signal simulation technology by multi-channel phase modulation for PD fuze and application system. When fuze has compound detection by comparing amplitude and phase, achieves the Doppler frequency and phase characteristics of target echo simulation through up and down converter by converting DDS with phase information of multiple intermediate frequency signal to fuse carrier frequency, realizes range characteristis of target echo simulation by transmitting the detection synchronous processing method and video delay, simulates the target echo amplitude and phase comparing by four independent output channels for functional test for fuze target position recognition.

fuze; target echo; phase characteristic simulation; position recognition

1671-0576(2016)04-0017-05

TJ430.6

A

2016-07-20

王雄志(1982-)，男，工程師，主要從事仿真與自動化測試技術研究。