劉舉 劉志林 費(fèi)曰振 郝露華

摘? 要：基于虛擬儀器技術(shù)，提出了一種通用的模擬雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，使用Python語言設(shè)計(jì)控制程序控制AV1443矢量信號(hào)源，利用MATLAB仿真各類雷達(dá)信號(hào)得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，通過LAN網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)寫入AV1443信號(hào)源中進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生，并通過一個(gè)具體示例展示該雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)形式對(duì)于雷達(dá)信號(hào)模擬器模塊化設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;雷達(dá)信號(hào)模擬;矢量信號(hào)源;復(fù)合調(diào)制

Abstract：Based on the virtual instrument technology，a general analog radar signal generating system is proposed. The control program is designed with Python language to control the AV1443 vector signal source. After simulating various radar signals with MATLAB，the corresponding data is obtained，and the signal is written into the AV1443 signal source through LAN network for playback，so as to realize the generation of radar signal with a specific example shows the application of the radar signal generating system. This design form has a good reference for the modular design of radar signal simulator.

Keywords：virtual instrument;radar signal simulation;vector signal source;composite modulation

0? 引? 言

現(xiàn)如今，雷達(dá)對(duì)抗裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中是奪取戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的關(guān)鍵因素之一，各國不斷地投入資金和人力來研究、制造各種性能更加先進(jìn)的雷達(dá)及雷達(dá)對(duì)抗裝備。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)及雷達(dá)對(duì)抗裝備普遍具有工作頻帶寬、信號(hào)樣式復(fù)雜和信號(hào)處理方法先進(jìn)等特點(diǎn)，它們?cè)趹?zhàn)場(chǎng)中成體系的運(yùn)用和對(duì)抗使得戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在電子對(duì)抗中，雷達(dá)經(jīng)常會(huì)作為輻射源使用，而不同的對(duì)抗環(huán)境對(duì)輻射源的要求差別較大，因此，一套能適應(yīng)多種對(duì)抗環(huán)境的雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。本套系統(tǒng)的主要儀器AV1443矢量信號(hào)源由中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所提供，具有頻帶寬、信號(hào)樣式豐富、精度高和可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能滿足產(chǎn)生各種復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)的需求。本單位根據(jù)實(shí)際對(duì)抗需要，設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)控軟件，使其能夠產(chǎn)生所需的雷達(dá)信號(hào)，從而應(yīng)用于多個(gè)對(duì)抗場(chǎng)景中。

1? 設(shè)計(jì)原理

首先對(duì)需要產(chǎn)生的雷達(dá)脈沖信號(hào)進(jìn)行編碼，“1”表示高電平，“0”表示低電平，根據(jù)典型雷達(dá)信號(hào)樣式，可設(shè)定每位編碼代表脈寬為0.05 μs。信號(hào)樣式編碼后，利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出相應(yīng)的I/Q數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過Simulink仿真、重采樣和濾波后，輸入到AV1443矢量信號(hào)源，其D/A模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為I/Q兩路基帶模擬信號(hào)輸出，其I/Q調(diào)制模塊則對(duì)I/Q兩路基帶信號(hào)進(jìn)行正交載波的調(diào)制，將信號(hào)中心頻率搬移至所需頻段，最后輸出雷達(dá)信號(hào)[1，2]。

在系統(tǒng)構(gòu)成上，利用脈沖信號(hào)源、AV1443矢量信號(hào)發(fā)生器作為硬件平臺(tái)，利用標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫NI-VISA作為控制接口，基于Python 3.7語言的進(jìn)行控制軟件開發(fā)，由控制軟件調(diào)用MATLAB仿真計(jì)算得到的外部I/Q數(shù)據(jù)，通過LAN網(wǎng)絡(luò)寫入AV1443矢量信號(hào)源的I/Q存儲(chǔ)器，由信號(hào)源發(fā)出真實(shí)的雷達(dá)信號(hào)。

1.1? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于AV1443矢量信號(hào)源的雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)連接圖如圖1所示。用一臺(tái)性能較好的臺(tái)式機(jī)作為雷達(dá)基帶信號(hào)的產(chǎn)生器，利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能和Simulink仿真模塊，完成基帶或中頻模擬信號(hào)的計(jì)算和輸出，送入AV1443矢量信號(hào)源后經(jīng)過載頻調(diào)制后輸出射頻信號(hào)。其主要的工作過程如下：在工控機(jī)控制界面上設(shè)置雷達(dá)信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給信號(hào)仿真機(jī)，信號(hào)仿真機(jī)通過對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到基帶信號(hào)I/Q數(shù)據(jù)后，通知工控機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算完成，工控機(jī)通過調(diào)用信號(hào)仿真機(jī)的計(jì)算結(jié)果，將結(jié)果寫入AV1443矢量信號(hào)源，待結(jié)果寫入完成后，工控機(jī)調(diào)用程控播放功能，結(jié)合脈沖發(fā)生器的控制，使AV1443矢量信號(hào)源產(chǎn)生射頻輸出信號(hào)。

1.2? 控制軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件組成如圖2所示?；赑ython語言的軟件開發(fā)環(huán)境配置的Python版本號(hào)為3.7。開發(fā)工具有Anaconda3、PyQt5、PyCharm、NI-VISA1800、NI-VXI1600，其中Anaconda3是集成工具包，PyQt5是圖像界面開發(fā)工具包，PyCharm是一款Python集成開發(fā)工具，NI-VISA1800是美國國家儀器公司開發(fā)的一種屏蔽了底層硬件異質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫。在開發(fā)過程中，可以充分利用Python語言簡(jiǎn)潔易懂、圖形化用戶界面編寫容易的特點(diǎn)進(jìn)行用戶界面的開發(fā)。Simulink是MATLAB中一種可視化仿真工具，利用其操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿真和分析，本系統(tǒng)中Simulink就用于基帶信號(hào)的建模和計(jì)算，最終得到我們需要的中頻數(shù)據(jù)。

1.3? 基于驅(qū)動(dòng)程序的信號(hào)源控制模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)源的I/O函數(shù)庫是實(shí)現(xiàn)儀器功能的控制函數(shù)和參數(shù)的集合，信號(hào)源在出廠時(shí)附帶了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。為兼顧控制軟件的通用性，本系統(tǒng)采用一種標(biāo)準(zhǔn)化的NI-VISA函數(shù)庫作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。遠(yuǎn)控軟件建立在信號(hào)源驅(qū)動(dòng)程序之上，用戶通過主控軟件設(shè)置信號(hào)參數(shù)，參數(shù)通過調(diào)用I/O函數(shù)庫的指令形式發(fā)送至信號(hào)源，完成遠(yuǎn)程控制信號(hào)源產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)的任務(wù)[2]。本系統(tǒng)軟件控制的流程如圖3所示。

系統(tǒng)軟件的主要功能是初始化儀器、生成并讀取波形文件以及對(duì)相參、時(shí)鐘、輸出功率、觸發(fā)源、中心頻率等參數(shù)的設(shè)置。其中，波形回放功能在任意波的產(chǎn)生中起著至關(guān)重要的作用，它能通過調(diào)用波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)，對(duì)txt和WAV等格式的波形文件進(jìn)行回放。因此，用戶只需編輯波形文件的數(shù)據(jù)，然后通過波形回放功能即可產(chǎn)生所需的任意波。

2? 對(duì)一種復(fù)合調(diào)制雷達(dá)信號(hào)的模擬與分析

利用本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)可以生成復(fù)合調(diào)制信號(hào)，對(duì)該復(fù)合調(diào)制信號(hào)模型進(jìn)行Simulink仿真后，可以將得到的信號(hào)數(shù)據(jù)送入AV1443矢量信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行播放，向外發(fā)射真實(shí)的復(fù)合調(diào)制信號(hào)，為進(jìn)一步研究這類雷達(dá)信號(hào)特性提供真實(shí)場(chǎng)景。

以常見的線性調(diào)頻信號(hào)和相位編碼信號(hào)為例，來研究這兩種信號(hào)復(fù)合調(diào)制后的信號(hào)特性。線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為：

由仿真結(jié)果可以看出，無論是在時(shí)域上還是頻域上，復(fù)合調(diào)制信號(hào)都結(jié)合了兩種單一調(diào)制信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。

線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬較大，進(jìn)行脈壓處理后有較大的輸出旁瓣，但其匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感，因此線性調(diào)頻信號(hào)主要適用于多普勒頻率變化范圍較大且對(duì)旁瓣要求不高的場(chǎng)合;相位編碼信號(hào)則具有很強(qiáng)的時(shí)延和多普勒分辨能力，且較容易實(shí)現(xiàn)波形捷變，但當(dāng)回波信號(hào)的多普勒頻移與匹配濾波器失諧時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的功能，因此相位編碼信號(hào)主要適用于目標(biāo)多普勒頻率變化不大的場(chǎng)合[3]。復(fù)合調(diào)制信號(hào)將會(huì)綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在多普勒頻移較大的時(shí)候仍然具有較強(qiáng)的旁瓣抑制能力，這樣就能提升雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)信號(hào)的能力。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了基于AV1443矢量信號(hào)源的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)與通常的雷達(dá)信號(hào)系統(tǒng)相比主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

一是通用性，該系統(tǒng)能根據(jù)用戶需要設(shè)置信號(hào)的輸出功率、中心頻率和調(diào)制方式等參數(shù)，且能實(shí)現(xiàn)全頻帶帶寬覆蓋。

二是能通過軟件定義系統(tǒng)功能，系統(tǒng)升級(jí)更加方便，容易集成其他功能模塊（如功放、發(fā)射分系統(tǒng)等）到系統(tǒng)中，擴(kuò)充系統(tǒng)功能。

三是在雷達(dá)研發(fā)和試驗(yàn)階段的測(cè)試中能有效利用矢量信號(hào)源，降低了開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐梅.基于儀表的多通道雷達(dá)信號(hào)模擬器研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 張艷艷.雷達(dá)相位編碼信號(hào)的研究和應(yīng)用 [D].西安：西安交通大學(xué)，2007.

[3] 皇甫堪，陳建文，樓生強(qiáng).現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：劉舉（1994—），男，漢族，湖北仙桃人，技術(shù)人員，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗。