李煒杰, 李尚生, 凌 祥, 張琳博

(1 海軍航空工程學(xué)院, 山東煙臺(tái) 264001; 2 91115部隊(duì), 浙江舟山 316000)

一種簡(jiǎn)易彈載雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)*

李煒杰1, 李尚生1, 凌 祥1, 張琳博2

(1 海軍航空工程學(xué)院, 山東煙臺(tái) 264001; 2 91115部隊(duì), 浙江舟山 316000)

為解決導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備陣地中采用實(shí)裝彈載雷達(dá)訓(xùn)練所致的高成本問(wèn)題,介紹了一種簡(jiǎn)易彈載雷達(dá)模擬器的實(shí)現(xiàn)方法。該模擬器采用比相法測(cè)角技術(shù)、數(shù)字下變頻技術(shù)、DSP控制技術(shù)和軟件層次化設(shè)計(jì)技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)了對(duì)回波信號(hào)的角度信息、距離信息和幅度信息測(cè)量功能。模擬器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)成本低,能夠代替實(shí)裝雷達(dá)完成導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備訓(xùn)練,節(jié)約訓(xùn)練成本。

彈載雷達(dá);比相測(cè)向;數(shù)字下變頻;雷達(dá)模擬器;DSP

0 引言

彈載雷達(dá)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的核心部件,現(xiàn)代彈載雷達(dá)由于大量采用高新技術(shù),其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴。受機(jī)內(nèi)關(guān)鍵部件使用壽命限制,彈載雷達(dá)開機(jī)工作時(shí)間有限,若在日常導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備訓(xùn)練中使用實(shí)裝雷達(dá)訓(xùn)練,成本過(guò)高。

文中提出一種簡(jiǎn)易彈載雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)方法,該模擬器具有實(shí)裝彈載雷達(dá)的基本功能,但原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低。模擬器可以代替實(shí)裝雷達(dá)與技術(shù)陣地的地面檢測(cè)設(shè)備對(duì)接,完成導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備訓(xùn)練,在不影響訓(xùn)練效果的前提下,大幅度降低訓(xùn)練成本[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

彈載雷達(dá)模擬器的基本功能是能夠代替實(shí)裝雷達(dá)與地面檢測(cè)設(shè)備對(duì)接,完成導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備階段的所有檢測(cè)項(xiàng)目,且檢測(cè)項(xiàng)目和技術(shù)指標(biāo)與實(shí)裝雷達(dá)完全相同。模擬器設(shè)計(jì)的基本原則是:①與地面檢測(cè)設(shè)備的硬件連接接口形式、接口信號(hào)定義和電特性參數(shù)與實(shí)裝雷達(dá)完全相同,能夠代替實(shí)裝雷達(dá)與檢測(cè)設(shè)備對(duì)接。②與地面檢測(cè)設(shè)備之間的信號(hào)交聯(lián)關(guān)系,各類輸入/輸出指令之間的時(shí)序關(guān)系和邏輯關(guān)系與實(shí)裝雷達(dá)完全相同。③與地面檢測(cè)設(shè)備之間的射頻信號(hào)交聯(lián)關(guān)系與實(shí)裝雷達(dá)完全相同,包括模擬器送到檢測(cè)設(shè)備的雷達(dá)發(fā)射機(jī)耦合輸出信號(hào)、雷達(dá)同步信號(hào),以及檢測(cè)設(shè)備送到模擬器的模擬目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)。各射頻信號(hào)的頻率、調(diào)制方式和調(diào)制參數(shù)等與實(shí)裝雷達(dá)完全相同。④對(duì)地面檢測(cè)設(shè)備輸出的模擬目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)的感知能力與實(shí)裝雷達(dá)相同,能測(cè)量回波信號(hào)和干擾信號(hào)的角度信息、距離信息和幅度信息,并且具有與實(shí)裝雷達(dá)相同的多目標(biāo)分選和識(shí)別能力。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則,模擬器總體設(shè)計(jì)包括射頻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。射頻系統(tǒng)的作用是:①產(chǎn)生

射頻脈沖序列模擬彈載雷達(dá)發(fā)射機(jī)的耦合輸出,送給地面檢測(cè)設(shè)備作為回波模擬器和干擾信號(hào)模擬器的時(shí)間和頻率基準(zhǔn);②接收目標(biāo)模擬器天線輻射的目標(biāo)回波和干擾信號(hào),對(duì)其進(jìn)行混頻和放大處理后轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)送給信號(hào)處理組件,提取模擬目標(biāo)的角度信息、距離信息和幅度信息。射頻系統(tǒng)由天線組件、射頻接收組件和射頻發(fā)射組件組成,如圖1所示。控制系統(tǒng)的作用是接收來(lái)自地面檢測(cè)設(shè)備的控制指令,并根據(jù)模擬目標(biāo)回波和干擾信號(hào)的距離信息、角度信息和幅度信息,確定彈載雷達(dá)模擬器所處的工作狀態(tài)(如搜索狀態(tài)、跟蹤狀態(tài)、檢查狀態(tài)、跟雜狀態(tài)等),向地面檢測(cè)設(shè)備輸出與其工作狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指令和模擬量信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)由高速數(shù)字信號(hào)處理芯片及其外圍電路組成。

2 射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬器射頻系統(tǒng)包括天線組件、射頻發(fā)射組件和射頻接收組件三部分。射頻發(fā)射組件由晶體振蕩器和PIN調(diào)制器組成,產(chǎn)生載頻為f0,脈沖寬度為τ,脈沖重復(fù)周期為T的射頻脈沖序列,模擬彈載雷達(dá)發(fā)射機(jī)的射頻耦合輸出。同時(shí)向控制系統(tǒng)輸出同步脈沖信號(hào),作為測(cè)量模擬目標(biāo)距離信息的延時(shí)基準(zhǔn)?？紤]到模擬器通用性對(duì)大工作帶寬的要求,以及比相測(cè)角系統(tǒng)對(duì)單元天線相位中心穩(wěn)定性的要求[2],模擬器天線組件采用兩個(gè)寬帶平面螺旋天線,與射頻接收組件一起組成比相測(cè)角系統(tǒng),測(cè)量模擬目標(biāo)的角度信息。

假設(shè)兩個(gè)相距為d的天線,接收來(lái)波方向θ的信號(hào)時(shí),兩天線接收信號(hào)的相位差為:

(1)

式中λ為工作波長(zhǎng)。當(dāng)天線間距d和工作波長(zhǎng)λ固定時(shí),來(lái)波方向θ和相位差φ之間的關(guān)系是固定的,通過(guò)測(cè)量相位差φ就可以實(shí)現(xiàn)角度信息測(cè)量。

2.1 射頻接收組件設(shè)計(jì)

模擬器天線組件和射頻發(fā)射組件比較簡(jiǎn)單,不作為文中的重點(diǎn)。下面主要介紹射頻接收組件的設(shè)計(jì)。

模擬器射頻接收組件由兩路相同的超外差式接收通道組成。為了提高接收系統(tǒng)靈敏度,降低鏡頻噪聲的影響,接收通道采用二次變頻的設(shè)計(jì)方案[3],原理框圖如圖2所示。

接收機(jī)由射頻放大模塊、第一混頻器、高中頻濾波放大器、第二混頻器和主中放模塊等組成[4]。經(jīng)混頻、放大處理后的兩路中頻信號(hào)攜帶模擬目標(biāo)回波的角度信息、距離信息和能量信息。兩路中頻信號(hào)在信號(hào)處理單元進(jìn)行中頻采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后由信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行DDC(數(shù)字下變頻)處理、視頻積累、恒虛警處理、接收機(jī)增益控制、延時(shí)信息提取、相位信息檢測(cè),提取模擬目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)的距離信息、角度信息和幅度信息。DDC處理將中頻數(shù)字信號(hào)與數(shù)字本振信號(hào)混頻,生成含有視頻分量的同相和正交兩通道信號(hào),通過(guò)低通濾波器和低頻抽樣,獲得I、Q兩路中頻信號(hào)。視頻積累處理采用512點(diǎn)的滑動(dòng)積累器實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)積累,以提高系統(tǒng)靈敏度和測(cè)角、測(cè)距精度。恒虛警處理采用前、后單元快速恒虛警設(shè)計(jì),降低接收系統(tǒng)檢測(cè)的虛警概率。接收機(jī)采用質(zhì)心測(cè)距法對(duì)固定及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)距,采用雙波門設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)及干擾信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)和目標(biāo)分選處理。接收機(jī)通過(guò)在波門內(nèi)進(jìn)行信號(hào)幅度檢測(cè),并根據(jù)幅度信息對(duì)接收機(jī)增益進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的歸一化處理,增大接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍。

2.2 接收通道設(shè)計(jì)

模擬器射頻接收組件有兩路相同的接收通道,其性能直接影響彈載雷達(dá)模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)。每路接收通道由射頻放大模塊、變頻模塊和主中頻放大模塊等組成,如圖3所示。

1)射頻放大模塊。對(duì)輸入微波信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大,以提高接收系統(tǒng)靈敏度,由低噪聲放大器、微波濾波器和衰減控制器等組成。衰減控制器是一個(gè)0/20 dB程控衰減器,用以提高接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。綜合考慮接收系統(tǒng)靈敏度、噪聲系數(shù)等指標(biāo),確定射頻放大模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為:①工作頻率f0;②噪聲系數(shù)Nf≤5 dB;③最大增益系數(shù)G≥23 dB;④工作帶寬BW≥200 MHz。

2)變頻模塊。將來(lái)自射頻放大模塊的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到便于處理的中頻信號(hào),由第一混頻器、高中頻濾波器、高中頻放大器、第二混頻器、低中頻濾波器和放大器組成,如圖3所示。為改善接收系統(tǒng)鏡頻抑制和變頻雜散抑制效果,變頻模塊中第一中頻取值fI1=1 760 MHz,第二中頻取值fI2=60 Mz。根據(jù)模擬器接收系統(tǒng)總體指標(biāo),確定變頻模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為:①額定中頻fI=60 Mz;②最大功率增益G≥10 dB;③鏡頻抑制不小于60 dB;④輸出雜散抑制不大于-60 dBc。

3)主中頻放大模塊。對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行高增益中頻放大,以滿足信號(hào)處理單元ADC采樣電路對(duì)中頻信號(hào)的幅度要求,由低噪中頻放大器、主中頻放大器和幅相補(bǔ)償電路組成。幅相補(bǔ)償電路對(duì)兩路接收通道間的幅度和相位進(jìn)行補(bǔ)償,保證兩路接收信號(hào)的幅相一致性滿足回波信號(hào)角度信息測(cè)量精度,同時(shí)對(duì)兩路接收通道進(jìn)行溫度補(bǔ)償,保證回波信號(hào)幅度測(cè)量精度。由精細(xì)步進(jìn)衰減器和移相器組成。根據(jù)模擬器接收系統(tǒng)總體指標(biāo),確定主中頻放大模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為:①中頻頻率fI=60 Mz;②最大功率增益G≥80 dB;③中放帶寬B=2.5 MHz;④增益穩(wěn)定性不大于1 dB。

合理選擇射頻接收組件3個(gè)模塊的技術(shù)指標(biāo),使彈載雷達(dá)模擬器的接收靈敏度不低于-96 dBm,采用射頻前端衰減控制和接收通道增益控制技術(shù),使模擬器接收動(dòng)態(tài)范圍不低于80 dB,滿足模擬器總體指標(biāo)要求。圖4所示為采用ADS仿真軟件對(duì)射頻接收組件第一混頻器輸出信號(hào)頻譜的仿真結(jié)果,圖5所示為對(duì)射頻接收組件輸出中頻信號(hào)頻譜的仿真結(jié)果[5]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬器控制系統(tǒng)接收來(lái)自地面檢測(cè)設(shè)備的控制指令,根據(jù)模擬目標(biāo)回波和干擾信號(hào)的測(cè)量信息,判斷模擬器所處的工作狀態(tài),并輸出與工作狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指令信號(hào)(航戰(zhàn)指令、高戰(zhàn)指令等)和模擬量信號(hào)(距離電壓和航向電壓),由大規(guī)模FPGA及其外圍電路組成。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)組成,控制系統(tǒng)與射頻接收組件中的信號(hào)處理單元共用一個(gè)FPGA。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由FPGA及ADC轉(zhuǎn)換、脈沖整形、光電隔離與電平轉(zhuǎn)換、DAC轉(zhuǎn)換及RS422串行總線接口等外圍電路組成,如圖6所示。ADC轉(zhuǎn)換電路將接收通道輸出的兩路中頻信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào),由信號(hào)處理芯片F(xiàn)PGA進(jìn)行處理,提取模擬目標(biāo)回波信號(hào)的距離、幅度和角度信息。光電隔離與電平轉(zhuǎn)換電路將來(lái)自地面檢測(cè)設(shè)備的各類控制指令轉(zhuǎn)換為TTL電平形式,或?qū)PGA輸出的TTL電平狀態(tài)指令轉(zhuǎn)換為27V/空、地/空等形式送給地面檢測(cè)設(shè)備。DAC轉(zhuǎn)換器將FPGA輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為兩路模擬量(距離電壓和航向電壓)輸出。RS422串行總線接口電路實(shí)現(xiàn)彈載雷達(dá)模擬器與地面檢測(cè)設(shè)備之間的總線通信。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)。模擬器軟件系統(tǒng)采用多層次體系結(jié)構(gòu),軟件主體分為3層,如圖7所示。最底層是基礎(chǔ)層,包括操作系統(tǒng),系統(tǒng)各硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件和格式化軟件,部分硬件設(shè)備中間件,圖形開發(fā)中間件等。第二層是支撐層,包括各類成熟的公用軟件包或軟件組件。最上層是應(yīng)用層,是滿足特定工作臺(tái)功能及性能指標(biāo)要求的應(yīng)用軟件模塊,包括一個(gè)主控制軟件、9個(gè)工作狀態(tài)軟件模塊和10個(gè)功能軟件子模塊[6]。

主控制軟件模塊用來(lái)循環(huán)檢測(cè)來(lái)自地面檢測(cè)設(shè)備的控制指令和模擬目標(biāo)回波、干擾信號(hào)測(cè)量參數(shù)變化,判斷模擬器的工作狀態(tài),調(diào)用相應(yīng)功能軟件模塊,輸出與之相應(yīng)的狀態(tài)指令和模擬量信號(hào)。彈載雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)有低壓搜索狀態(tài)、檢查I狀態(tài)、檢查II狀態(tài)、低壓跟蹤狀態(tài)、高壓跟蹤狀態(tài)等9個(gè)工作狀態(tài)軟件模塊和航戰(zhàn)指令發(fā)出、高戰(zhàn)指令發(fā)出、俯沖指令發(fā)出、航零指令發(fā)出、航向電壓輸出等10個(gè)功能軟件子模塊。圖8所示為航零指令發(fā)出軟件子模塊流程圖。

4 結(jié)論

彈載雷達(dá)模擬器采用比相法測(cè)角技術(shù)、DSP控制技術(shù)和軟件層次化設(shè)計(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬目標(biāo)回波信號(hào)和電磁干擾信號(hào)的角度信息、幅度信息和距離信息的測(cè)量功能。模擬器可以代替實(shí)裝雷達(dá)與地面檢測(cè)設(shè)備對(duì)接,完成導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備訓(xùn)練。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)成本低,使用壽命長(zhǎng),故障率低等特點(diǎn),具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

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TheDesignofaSimpleMissileBorneRadarSimulator

LI Weijie1, LI Shangsheng1, LING Xiang1, ZHANG Linbo2

(1 Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Yantai 264001, China; 2 No.91115 Unit, Zhejiang Zhoushan 316000, China)

In order to solve the problem of the high cost caused by adopting real missile borne radar in missile technical preparation position, an implementation method about a simple missile-borne radar simulator was put forward. The simulator used phase comparison angle measurement technology, digital down conversion technology, DSP control technology and software hierarchical design technology to achieve the measurement function of the angle information, distance information and amplitude information of echo signal. The simulator had the advantages of simple structure and low cost, which could replace the real radar to complete missile technical preparation training, and saved the training cost.

missile borne radar; phase comparison direction finding; digital down conversion; radar simulator; DSP

TN955.1

A

2016-07-27

電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目基金(CEMEE2016G0201)資助

李煒杰(1992-),男,廣西欽州人,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)探測(cè)技術(shù)。