姜小祥,劉 溶,沈 磊,翟剛毅

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

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一種相控陣雷達目標回波信號的實時模擬方法

姜小祥,劉 溶,沈 磊,翟剛毅

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

論述了相控陣雷達目標回波信號的一種實時模擬方法。介紹了雷達回波和差波束模擬的原理以及基于FPGA芯片的實現(xiàn)。該方法基于線性調頻脈沖信號,根據(jù)波束指向和目標實際位置的差值實時產生和差通道數(shù)據(jù),為雷達后端的信號處理提供零中頻I、Q信號,在雷達前端設備不具備的條件下對系統(tǒng)后級進行分析調試和檢驗。

相控陣雷達;目標回波;回波模擬;和差波束

0 引 言

相控陣雷達目標回波信號模擬主要是當雷達系統(tǒng)在不具備實際接收前端的情況下模擬相控陣雷達回波和差通道數(shù)據(jù),對雷達的信號處理、目標的檢測跟蹤等分系統(tǒng)進行功能驗證和聯(lián)合調試。本文描述的模擬雷達回波和差波束信號的方法實現(xiàn)了雷達回波信號的模擬并實時輸出零中頻I、Q數(shù)據(jù),直接與信號處理設備對接。該模擬數(shù)據(jù)可直接用于信號處理和數(shù)據(jù)處理的流程中。該方法為雷達的設計和驗證節(jié)省了大量的時間和費用,成為雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理試驗、評估的重要技術手段。

為保證模擬信號輸出的實時性,本文描述的模擬雷達回波和差波束信號的方法基于FPGA芯片,硬件資源需求少,可實時完成多組和差波束數(shù)據(jù)的模擬。該方法避免了常用方法中FPGA與DSP間的數(shù)據(jù)傳輸開銷,降低了處理時間及系統(tǒng)復雜度,充分發(fā)揮FPGA執(zhí)行硬件時序快速高效的特點,滿足了相控陣雷達系統(tǒng)的實際工程需求。

1 點目標回波原理

(1)

角度測量是相控陣雷達接收系統(tǒng)應實現(xiàn)的一個基本任務[3]。相控陣的和差單脈沖測角方法可實現(xiàn)多目標測向和跟蹤。和差測角主要通過比較兩個波束回波的幅度與相位判斷目標偏離等信號軸的方向及偏離大小。工程上,在目標測角和跟蹤時,通過查找和差比值表,由和差比值R可以得到偏角大小,并根據(jù)和差波束間的相位得到目標方向[4]:

(2)

綜上所述,在模擬和差通道數(shù)據(jù)時,根據(jù)目標實際方向和波束指向的偏角大小逆向查表可得到和差比R,和波束數(shù)據(jù)乘以比值R即可得到差波束數(shù)據(jù)。

2 設計與實現(xiàn)

2.1 設計方案

目標回波和差波束信號模擬設計實現(xiàn)框圖如圖1所示。首先,FPGA接收波束控制模塊送來的雷達當前工作參數(shù)和多個波束指向參數(shù),并將波束指向與目標的方位、仰角、距離、速度等參數(shù)進行匹配和裝訂;然后根據(jù)目標距離、速度和信號幅值表,模擬和波束∑信號;其次根據(jù)目標實際位置與波束指向的方位角度差△A和仰角差△E查表可得到△A/∑和△E/∑;最后,將和波束∑信號與△A/∑和△/E∑加權得到△A差波束和△E差波束信號,從而完成和差波束實時模擬。

圖1 目標回波和差波束模擬框圖

2.2 I、Q數(shù)據(jù)產生

線性調頻的I、Q信號是通過FPGA的DDS-IP核實現(xiàn)。已知系統(tǒng)工作時鐘fclk,考慮FPGA資源與產生信號精度和雜散要求,頻率累加器與相位累加器位數(shù)為16位,產生中頻為F0、帶寬為B、脈寬為T0的線性調頻脈沖信號,起始頻率fstart和頻率步進量fstep計算公式如下[5]:

(3)

(4)

在FPGA軟件編程時只需計算起始頻率fstart和頻率步進量fstep即可。FPGA將目標的距離R、徑向速度vr轉換成距離單元延遲τ和多普勒頻率fd。結合線性調頻的帶寬B、脈寬T、重復周期PRT等參數(shù)產生I、Q數(shù)據(jù)。根據(jù)目標距離R對產生的I、Q信號的幅值進行衰減,即遠距離的目標產生的信號幅度弱,近距離目標產生的信號幅度強。

當雷達的同步觸發(fā)到來時,FPGA啟動距離單元計數(shù)器,以30m為距離分辨率。當計數(shù)器與目標距離單元延時相等時,啟動DDS,其起始頻率控制字由fstart和多普勒頻率fd決定,頻率步進量為fstep。同時,啟動脈沖寬度計數(shù)器,并對產生的I、Q信號進行幅度加權。當脈寬計數(shù)器等于脈寬T時,停止DDS。當存在兩個或兩個以上的目標,尤其是兩個目標交匯的特殊情況,則分別產生每個目標的I、Q信號,再將信號進行疊加產生最終的和波束∑信號。

△A差波束和△E差波束信號通過和波束∑信號與△A/∑和△E/∑加權得到。和差波束比值是在正弦空間坐標下產生的,故需要將目標、波束指向的方位、仰角轉化為正弦空間坐標系。正弦空間是單位球面在陣列平面的投影。修正球坐標系(r,Az,El)與正弦空間坐標系(r,Tx,Ty)轉換關系如下[6]:

(5)

式中,Az為修正坐標下方位角,El為修正坐標俯下仰角,r是原點到目標的徑向距離,Ep為陣面傾角。

將波束指向的方位、仰角轉化為正弦空間坐標系Tx0、Ty0,目標實際方位、仰角轉化為正弦空間坐標系下Tx、Ty,則有

(6)

根據(jù)△Tx、△Ty值與方位、仰角差比和曲線可獲取差波束比和波束的比值△A/∑和△E/∑。方位角、仰角差比和曲線見圖2。因FPGA支持定點數(shù)據(jù),將差比和比值進行擬合,得到差比和的比值△A/∑和△E/∑。擬合曲線見圖2。

圖2 方位、仰角和差比值曲線

2.3 隨機噪聲

噪聲通過偽隨機序列的方式產生。8位偽隨機序列實現(xiàn)方法如下:

圖3 噪聲產生框圖

2.4 測試結果

測試過程中通過ChipScope分析工具采集FPGA輸出數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)導入Matlab進行分析。圖4為波束方位中心指向為13.80°、波束仰角中心指向為0.99°、目標實際方位為14.99°、目標實際仰角0.66°時和差波束數(shù)據(jù)。

圖4 和差波束I、Q數(shù)據(jù)

圖5 和差波束脈壓結果

圖5為圖4中信號進行脈壓后的結果。由圖看出該方法模擬產生的和波束、方位差以及仰角差波束數(shù)據(jù)滿足要求的。

3 結束語

本文描述了一種相控陣雷達回波和差波束信號模擬方法。該方法是基于線性調頻脈沖信號,實現(xiàn)了對相控陣雷達目標回波零中頻信號的模擬。整個系統(tǒng)FPGA為核心器件,可實時完成和差波束I、Q信號模擬,硬件資源需求少,實時性強,處理時間短及系統(tǒng)復雜度低。該方法已通過測試,滿足雷達系統(tǒng)的實際工程需求。

[1] 瞿冬霞.LFM脈沖雷達回波模擬和處理的研究[D]. 南京理工大學學位論文,2010:6-8.

[2] 張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:219-226.

[3] 王雪松,肖順平,等.現(xiàn)代雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:191-206.

[4] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].3版.西安:西安電子科技大學出版社,2004:200-237.

[5] 邱軍海,宋杰,關鍵,唐小明.一種基于FPGA技術的雷達線性調頻信號的實現(xiàn)方法[J].電子工程師,2006(9):4-7.

[6] 翟剛毅.二維旋轉相控陣雷達內嵌式目標模擬器設計與實現(xiàn)[J].雷達與對抗,2015(1):39-41.

A real-time simulation method of target echo signals for phased array radar

JIANG Xiao-xiang, LIU Rong, SHEN Lei, ZHAI Gang-yi

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A real-time simulation method of the target echo signals for the phased array radar is discussed. The principle of the sum and difference beam simulation of radar echoes and the implementation based on the FPGA are introduced. The data of the sum and difference channels are generated in real-time according to the difference between the beam pointing and the actual position of the target based on the chirp pulse signals, and the back-end equipment of the radar system is provided with zero IF I and Q signals for signal processing. The radar system can be analyzed, debugged and tested without the front-end equipment.

phased array radar; target echo; echo simulation; sum and difference beam

2016-08-30;

2016-09-20

姜小祥(1984-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理;劉溶(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理;沈磊(1983-),男,工程師,碩士,研究方向:數(shù)字電路及T/R組件設計;翟剛毅(1978-),男,研究員,研究方向:雷達信息處理。

TN958.92

A

1009-0401(2016)04-0022-03