鄧倩嵐 陸忠杰 辛 康

（1．上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海201109；2．上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

1 引 言

雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器作為導(dǎo)彈半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，主要用途為產(chǎn)生包含雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)距離、速度等特征信息的回波信號(hào)，用于在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬雷達(dá)導(dǎo)引頭飛行工作狀態(tài)，考核驗(yàn)證導(dǎo)引頭工作性能指標(biāo)［1-3］。雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器屬于型號(hào)專用測(cè)試設(shè)備，其量值準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到雷達(dá)導(dǎo)引頭地面試驗(yàn)是否準(zhǔn)確和可靠。為解決某型脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)及量值溯源問(wèn)題，本文提出采用軟件無(wú)線電技術(shù)［4］，使用頻譜儀、示波器及計(jì)算機(jī)組成校準(zhǔn)裝置硬件系統(tǒng)，使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字正交解調(diào)及參數(shù)提取算法，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的峰值功率、多普勒頻率及延時(shí)等參數(shù)的校準(zhǔn)。

2 目標(biāo)回波模擬器工作原理

目標(biāo)回波模擬器主要功能是根據(jù)直波信號(hào)產(chǎn)生包含雷達(dá)目標(biāo)距離、速度等特征信息的回波信號(hào)，并能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)回波信號(hào)的頻率、延遲時(shí)間、功率幅度進(jìn)行控制，以模擬實(shí)際環(huán)境中雷達(dá)導(dǎo)引頭所接收到的目標(biāo)回波信號(hào)［5］。本文被校雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器采用脈沖多普勒體制，其直波信號(hào)形式為脈沖線性調(diào)頻信號(hào)［6］，如式（1）所示：

式中：P（t）——寬度為τ幅度為1的單個(gè)脈沖；T——脈沖重復(fù)周期；Ut——脈沖幅度；f0——載波頻率；φ0——載波信號(hào)初相；k——斜率，即載頻隨時(shí)間的變化率。

目標(biāo)回波模擬器對(duì)上述直波信號(hào)進(jìn)行幅度衰減、延時(shí)及多普勒頻率偏移后形成回波信號(hào)，如式（2）所示：

式中：Ur——回波信號(hào)脈沖幅度；fd——彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的多普勒頻率；τ0——距離延時(shí)。

雷達(dá)導(dǎo)引頭根據(jù)多普勒頻率fd提取彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信息，由距離時(shí)延τ0提取彈目相對(duì)距離信息。式（2）所示回波信號(hào)的脈沖幅度、多普勒頻率及延時(shí)參數(shù)即為目標(biāo)回波模擬器所需校準(zhǔn)參數(shù)。

3 目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)裝置研建

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波模擬器的校準(zhǔn)，本文研建了一套脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)裝置。該裝置由FSU26頻譜儀、DPO7104示波器及計(jì)算機(jī)組成，校準(zhǔn)裝置硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)裝置硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of target echo simulator calibration device

圖1中，被校目標(biāo)回波模擬器回波信號(hào)輸出端口連接到FSU26頻譜儀的射頻輸入端口，使用頻譜儀將目標(biāo)回波模擬器輸出的回波信號(hào)下變頻到404．4MHz中頻，頻譜儀中頻輸出端連接到DPO7104示波器通道1，使用示波器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣及A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號(hào)，將被校目標(biāo)回波模擬器輸出的同步脈沖信號(hào)連接到DPO7104示波器通道2作為觸發(fā)同步信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB總線與示波器相連，在計(jì)算機(jī)中使用Lab-VIEW軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器中的數(shù)字中頻信號(hào)讀取、數(shù)字正交解調(diào)及參數(shù)提取算法，從而完成參數(shù)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，為利用頻譜儀的下變頻功能，應(yīng)將頻譜儀的頻率跨度設(shè)為0Hz，中頻帶寬設(shè)置應(yīng)大于回波信號(hào)帶寬，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)失真的解調(diào)，根據(jù)帶通采樣定理，示波器的采樣率設(shè)置應(yīng)大于兩倍的回波信號(hào)帶寬。

4 目標(biāo)回波模擬器參數(shù)校準(zhǔn)方法

如圖1所示，被校回波信號(hào)經(jīng)過(guò)頻譜儀下變頻及示波器采樣得到數(shù)字中頻信號(hào)，此數(shù)字中頻信號(hào)為脈沖線性調(diào)頻信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)各參數(shù)校準(zhǔn)，首先應(yīng)對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，本文采用軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)算法，完成信號(hào)的軟件解調(diào)及參數(shù)提取。

4.1 數(shù)字正交解調(diào)算法原理及實(shí)現(xiàn)

采用軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)算法，首先是使用數(shù)字下變頻技術(shù)完成信號(hào)正交分解及低通濾波，得到基帶的復(fù)信號(hào)，然后根據(jù)不同的調(diào)制方式，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而解調(diào)出調(diào)制信號(hào)［7］。數(shù)字正交解調(diào)算法原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字正交解調(diào)算法原理圖Fig.2 Schematic diagram of digital quadrature demodulation algorithm

如圖2所示，cosωcn及sinωcn為本地載波的同相分量及正交分量，LPF為低通濾波器。接收到的數(shù)字中頻信號(hào)分別與cosωcn及sinωcn相乘并進(jìn)行低通濾波完成數(shù)字下變頻形成I、Q兩路正交基帶信號(hào)，解調(diào)算法利用兩路正交基帶信號(hào)計(jì)算出信號(hào)的幅度和頻率。設(shè)接收到的數(shù)字中頻信號(hào)為：

式中：ωc——載波頻率。

將圖2中本地載波頻率設(shè)為ωc，數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)混頻后可得到I、Q兩路正交信號(hào)，得到：

I（n）、Q（n）信號(hào)經(jīng)低通濾波后得到：

通過(guò)對(duì)IL（n）、QL（n）進(jìn)行計(jì)算可分別得到信號(hào)的幅度及瞬時(shí)頻率。由式（2）可知，回波信號(hào)的延時(shí)信息包含在回波信號(hào)幅度即脈沖包絡(luò)中，在提取延時(shí)參數(shù)時(shí)利用式（8）可計(jì)算出回波信號(hào)的脈沖包絡(luò)：

回波信號(hào)采用脈沖線性調(diào)頻體制，IL（n）、QL（n）兩路正交基帶信號(hào)利用式（9）可計(jì)算得到回波信號(hào)的瞬時(shí)調(diào)制頻率及其與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可以評(píng)估回波信號(hào)脈內(nèi)線性調(diào)頻的頻率變化線性度。

本文使用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)算法，算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于載波同步，即本地載波應(yīng)與接收信號(hào)的載波同頻同相［8］。本文利用Lab-VIEW軟件中的單音提取子vi獲取接收信號(hào)載波的頻率及相位，并利用提取的頻率及相位構(gòu)建圖2中本地載波的同相分量cosωcn及正交分量sinωcn，從而解決了數(shù)字正交解調(diào)算法中本地載波的同步問(wèn)題。

4.2 延時(shí)參數(shù)校準(zhǔn)

由式（2）可知，延時(shí)參數(shù)對(duì)應(yīng)于回波信號(hào)的脈沖包絡(luò)延時(shí)，此脈沖包絡(luò)為一周期脈沖信號(hào)，根據(jù)周期脈沖信號(hào)的頻譜可知，脈沖包絡(luò)由基波和各次諧波組成，脈沖包絡(luò)的延時(shí)等于其基波的相位延時(shí)，因此可利用脈沖包絡(luò)的基波相位差計(jì)算回波信號(hào)的延時(shí)參數(shù)，計(jì)算公式如式（10）：

式中：φ0,f0——延時(shí)為0時(shí)脈沖包絡(luò)基波的相位和頻率；φτ——延時(shí)為τ時(shí)脈沖包絡(luò)的基波相位。

脈沖包絡(luò)的基波相位及基波頻率使用Lab-VIEW軟件中的單音提取子vi從由式（8）計(jì)算得到的脈沖包絡(luò)中獲取。校準(zhǔn)時(shí)，首先設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器延時(shí)為0，使用軟件獲取此時(shí)脈沖包絡(luò)的基波相位φ0及頻率f0，然后設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器延時(shí)為τ，并提取此時(shí)脈沖包絡(luò)的基波相位φτ，最后使用式（10）計(jì)算得到延時(shí)參數(shù)值。延時(shí)參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面如圖3所示。

4.3 多普勒頻率校準(zhǔn)

被校目標(biāo)回波模擬器通過(guò)對(duì)式（1）所示直波信號(hào)的載頻增加一個(gè)值為fd的頻偏實(shí)現(xiàn)彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的模擬，此頻偏fd即為多普勒頻率。由式（1）、式（2）可知，多普勒頻率為回波信號(hào)和直波信號(hào)的載頻之差，因此可通過(guò)獲取加載多普勒頻率前后的信號(hào)載頻并將前后獲取的兩個(gè)載頻相減得到多普勒頻率實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。本文使用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)從示波器獲取的數(shù)字中頻信號(hào)的FFT變換得到信號(hào)的頻譜，并從信號(hào)頻譜中提取載頻，通過(guò)合理選擇軟件的窗函數(shù)及增加示波器采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)減小FFT變換的頻譜泄漏及柵欄效應(yīng)影響，從而提高頻率測(cè)量準(zhǔn)確度。校準(zhǔn)時(shí)，首先設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器多普勒頻率為0，使用軟件獲取此時(shí)信號(hào)的載頻f0，然后設(shè)置被校目標(biāo)回波模擬器多普勒頻率為fd，并提取此時(shí)信號(hào)的載頻f1，最后將提取的兩個(gè)載頻相減得到多普勒頻率測(cè)量值。多普勒頻率參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面如圖4所示。

圖3 延時(shí)參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面Fig.3 Delay parameter calibration software interface

圖4 多普勒頻率參數(shù)校準(zhǔn)軟件界面Fig.4 Doppler frequency parameter calibration software interface

4.4 脈沖幅度參數(shù)校準(zhǔn)

脈沖幅度參數(shù)即式（2）所示回波信號(hào)的脈沖峰值功率。脈沖峰值功率測(cè)量可使用峰值功率計(jì)實(shí)現(xiàn)，但是由于峰值功率計(jì)受寬帶噪聲影響導(dǎo)致其測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍較小，不能滿足被校目標(biāo)回波模擬器的指標(biāo)要求，因此本文使用頻譜儀實(shí)現(xiàn)被校目標(biāo)回波模擬器的脈沖峰值功率校準(zhǔn)。脈沖峰值功率定義為脈沖調(diào)制信號(hào)峰值處的電平值，因此按照定義可以對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行峰值檢波并在檢波包絡(luò)上進(jìn)行采樣得到峰值功率測(cè)量結(jié)果。由頻譜儀的構(gòu)成原理可知，其視頻輸出功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的檢波［9］，因而可以使用頻譜儀直接測(cè)量脈沖調(diào)制信號(hào)的峰值功率。測(cè)量時(shí)頻譜儀中心頻率設(shè)為載波頻率，掃頻寬度設(shè)為0，檢波器設(shè)為峰值檢波，此時(shí)頻譜儀顯示的是幅度為脈沖包絡(luò)的時(shí)域信號(hào)，選擇視頻觸發(fā)功能并設(shè)置合適的觸發(fā)電平使信號(hào)穩(wěn)定的顯示在頻譜儀上，為避免信號(hào)失真頻譜儀的分辨率帶寬應(yīng)足夠大以使信號(hào)的大部分頻率分量通過(guò)，掃描時(shí)間的設(shè)置應(yīng)大于脈沖重復(fù)周期以使至少一個(gè)周期的脈沖信號(hào)顯示在頻譜儀上，使用峰值標(biāo)記功能直接讀取脈沖峰值功率測(cè)量結(jié)果。如圖5所示，使用頻譜儀測(cè)量脈寬為100μs、周期為1ms、載頻為1GHz的脈沖調(diào)制信號(hào)的峰值功率測(cè)量結(jié)果。由于測(cè)量時(shí)頻譜儀分辨率帶寬可調(diào)，能有效抑制頻譜儀的底部噪聲，增加其測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，因而可滿足被校目標(biāo)回波模擬器的指標(biāo)要求。

圖5 脈沖峰值功率測(cè)量結(jié)果Fig.5 Pulse peak power measurement results

5 校準(zhǔn)裝置驗(yàn)證

為了對(duì)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，本文使用81101A脈沖源和E8257D微波源組成信號(hào)發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖線性調(diào)頻信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)，驗(yàn)證框圖如圖6所示。

圖6 校準(zhǔn)裝置驗(yàn)證框圖Fig.6 Calibration device verification block diagram

如圖6所示，設(shè)置E8257D微波源產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，同時(shí)設(shè)置E8257D微波源為外脈沖調(diào)制，使用81101A脈沖源輸出的脈沖信號(hào)對(duì)E8257D微波源產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制從而產(chǎn)生被測(cè)脈沖線性調(diào)頻信號(hào)。被測(cè)信號(hào)的延時(shí)參數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)81101A脈沖源延時(shí)設(shè)置進(jìn)行模擬，多普勒頻率及脈沖幅度通過(guò)調(diào)節(jié)E8257D微波源頻率及電平進(jìn)行設(shè)置。

校準(zhǔn)裝置延時(shí)參數(shù)驗(yàn)證使用標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜實(shí)現(xiàn)，首先使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜的延時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，然后將標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜連接到圖6所示微波源輸出端及頻譜儀輸入端之間，使用校準(zhǔn)裝置測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)延遲電纜的延時(shí)量，將校準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)定值進(jìn)行比對(duì)完成延時(shí)參數(shù)驗(yàn)證。多普勒頻率參數(shù)驗(yàn)證使用矢量信號(hào)分析儀實(shí)現(xiàn)，使用矢量信號(hào)分析儀測(cè)量E8257D微波源頻率變化前后被測(cè)信號(hào)頻譜的偏移量，將測(cè)量得到的偏移量與校準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)完成多普勒頻率參數(shù)驗(yàn)證。脈沖幅度參數(shù)驗(yàn)證使用測(cè)量接收機(jī)實(shí)現(xiàn)，由脈沖峰值功率定義可知峰值功率與未調(diào)制時(shí)的載波功率相同，因此驗(yàn)證時(shí)設(shè)置E8257D微波源輸出連續(xù)波信號(hào)作為被測(cè)，分別使用測(cè)量接收機(jī)及校準(zhǔn)裝置測(cè)量連續(xù)波信號(hào)的功率，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)完成校準(zhǔn)裝置脈沖幅度參數(shù)驗(yàn)證。通過(guò)上述驗(yàn)證試驗(yàn)表明本文研建的校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)滿足某型脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的校準(zhǔn)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出采用軟件無(wú)線電技術(shù)建立校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)某型脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)裝置由頻譜儀、示波器等校準(zhǔn)儀器與計(jì)算機(jī)組成，使用GPIB總線實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信，使用LabVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)校準(zhǔn)軟件完成校準(zhǔn)儀器的自動(dòng)控制及測(cè)量，減少手動(dòng)操作引入的測(cè)量誤差。利用頻譜儀和示波器實(shí)現(xiàn)被校信號(hào)射頻到中頻的轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換，使用軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的參數(shù)提取和校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器的便捷、快速、準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，進(jìn)一步保障了該類(lèi)專用測(cè)試設(shè)備試驗(yàn)、驗(yàn)證和生產(chǎn)、維護(hù)保障等的綜合質(zhì)量。

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