摘 要：詳述了多體制雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)思想及其實(shí)現(xiàn)方法，該模擬器采用嵌入式計(jì)算機(jī)PC104和高速大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA相合的方法，能夠模擬多種雷達(dá)體制的目標(biāo)回波信號(hào)和雜波信號(hào)，該模擬器和接收、天饋、信號(hào)處理、終端數(shù)據(jù)處理組成雷達(dá)仿真系統(tǒng)對(duì)干擾機(jī)偵察設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，也可作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于信號(hào)處理機(jī)的調(diào)試、測(cè)試和評(píng)估，在同一硬件平臺(tái)上，通過(guò)軟件加載來(lái)滿足各種不同體制的雷達(dá)目標(biāo)、雜波模擬。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)模擬器;PC104;FPGA;干擾機(jī)

中圖分類號(hào)：TN955文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-041-03

Design and Realization of Multi-system Radar Emulator

SUN Shize，DU Chunpeng

(East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei，230031，China)

Abstract：The design and implement of multi-system radar emulator is explained in this paper.The simulator adopts the method of embedded PC104 and the large-scale and programmable logic FPGA.That simulator can simulate the target of various radar echo signal and clutter signal.The closed loop consists of simulator，signal processor and data processor.This method is easy to debug and evaluate the radar system.It can test and evaluate the disturbance equipment as the experiment device.It meets various radar target and clutter simulation by using the software setting on the general hardware platform.

Keywords：radar emulator;PC104;FPGA;distarbance equipment

1 引 言

隨著雷達(dá)技術(shù)和電子對(duì)抗技術(shù)的飛速發(fā)展，伴隨著各種新體制雷達(dá)的出現(xiàn)，現(xiàn)代電磁信號(hào)環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，在新一代雷達(dá)偵察設(shè)備的研制和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不能完全依靠外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備，這樣成本太高，也不容易現(xiàn)實(shí)，因此，采用雷達(dá)仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬雷達(dá)信號(hào)電磁環(huán)境，準(zhǔn)確評(píng)估雷達(dá)偵察設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，就顯得十分必要。雷達(dá)信號(hào)電磁環(huán)境仿真是用數(shù)學(xué)和物理的方法，通過(guò)對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的模擬生成雷達(dá)偵察設(shè)備所面臨的電磁信號(hào)環(huán)境，模擬戰(zhàn)場(chǎng)電子戰(zhàn)行為，用于監(jiān)測(cè)評(píng)估雷達(dá)偵察設(shè)備的效能，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了達(dá)到仿真實(shí)驗(yàn)效果，雷達(dá)模擬器設(shè)計(jì)包括了除發(fā)射系統(tǒng)和大型天線系統(tǒng)外的所有設(shè)備，他們和干擾偵察機(jī)連在一起就組成了雷達(dá)電子對(duì)抗仿真系統(tǒng)，為電子戰(zhàn)技術(shù)研究和裝備研制提供現(xiàn)代化手段。雷達(dá)模擬器的模擬對(duì)象是雷達(dá)的目標(biāo)和環(huán)境，他能復(fù)現(xiàn)既包括目標(biāo)的幅度信息和又包括目標(biāo)相位信息的相干視頻信號(hào)，能復(fù)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射、空間傳播、反射和接收機(jī)處理的全過(guò)程。雷達(dá)信號(hào)模擬的關(guān)鍵技術(shù)包括兩個(gè)方面:一是環(huán)境模型的確定；二是體系結(jié)構(gòu)的選擇。環(huán)境模型的選擇包括目標(biāo)和雜波模型的選擇，他決定了雷達(dá)信號(hào)模擬目標(biāo)的真實(shí)性和雜波環(huán)境的準(zhǔn)確性；體系結(jié)構(gòu)的選擇決定了雷達(dá)信號(hào)模擬器的精度、速度和復(fù)雜性。本文針對(duì)各種雷達(dá)信號(hào)回波的特點(diǎn)提出了一種基于PC104+FPGA的方式的體系結(jié)構(gòu)，較好地完成了不同體制雷達(dá)的模擬與仿真。最后介紹了這種多體制雷達(dá)信號(hào)模擬器的實(shí)現(xiàn)方案和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本模擬器是為了對(duì)干擾機(jī)性能評(píng)估而研制開(kāi)發(fā)的，模擬器在設(shè)計(jì)上滿足通用性要求，能模擬不同體制雷達(dá)的功能和性能。如連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)，脈沖壓縮信號(hào)，脈沖多普勒雷達(dá)信號(hào)，和差波束相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)，主要信號(hào)方式有單脈沖，連續(xù)波信號(hào)。調(diào)制形式有調(diào)頻(線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻)和調(diào)相(巴克碼和偽隨機(jī)碼)。雷達(dá)視頻模擬器是整個(gè)仿真系統(tǒng)的重要組成部分，模擬器不僅要產(chǎn)生目標(biāo)回波及雜波信號(hào)，還要產(chǎn)生針對(duì)干擾偵察機(jī)的回波信號(hào)及發(fā)射信號(hào)，由于雷達(dá)仿真系統(tǒng)和干擾偵察機(jī)處在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境，經(jīng)過(guò)方向圖調(diào)制的發(fā)射信號(hào)通過(guò)饋線方式傳送給干擾機(jī)，沒(méi)有空間時(shí)間延遲，因此干擾機(jī)的回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)在距離時(shí)間上是重疊的。干擾機(jī)產(chǎn)生的干擾信號(hào)也會(huì)和干擾機(jī)的回波信號(hào)疊加在一起，模擬偵察機(jī)接收的發(fā)射信號(hào)功率受雷達(dá)距離方程調(diào)制，整個(gè)雷達(dá)仿真事件的過(guò)程要受控制臺(tái)預(yù)先設(shè)置的場(chǎng)景控制，各種參數(shù)的設(shè)置要滿足信號(hào)處理性能指標(biāo)要求。

在模擬器設(shè)計(jì)上不同體制雷達(dá)的目標(biāo)、雜波類型參數(shù)有所不同，要結(jié)合具體雷達(dá)的參數(shù)設(shè)置，例如PD體制的雷達(dá)目標(biāo)、雜波產(chǎn)生要比常規(guī)體制脈沖雷達(dá)的目標(biāo)、雜波產(chǎn)生復(fù)雜得多，要考慮距離和速度模糊問(wèn)題，模糊的目標(biāo)在不同CPI間距離位置不同，多譜勒頻率也會(huì)在不同的濾波器中出現(xiàn)，信號(hào)處理根據(jù)這些差異解出目標(biāo)的真實(shí)距離和速度。雷達(dá)視頻模擬器需要設(shè)置的參數(shù)很多，如雜波的種類、雜波的分布類型、雜波的區(qū)域、雜波的中心頻率等。目標(biāo)的類型、速度、RCS截面積，天線方向圖，天線轉(zhuǎn)速等，天線轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了一個(gè)波束寬度內(nèi)要產(chǎn)生的目標(biāo)回波數(shù)。雷達(dá)視頻模擬器參數(shù)設(shè)置和整個(gè)雷達(dá)仿真系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，只有設(shè)置正確信號(hào)處理才能得到正確的處理結(jié)果。

3 目標(biāo)回波模擬

目標(biāo)回波信號(hào)的模擬采用相干視頻信號(hào)模擬的方法，目標(biāo)回波位置是通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的延遲檢測(cè)來(lái)確定的。目標(biāo)信號(hào)形式，目標(biāo)類型、截面積、目標(biāo)的距離、方位中心點(diǎn)通過(guò)控制臺(tái)發(fā)送給模擬器，模擬器每幀接收一次數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算重復(fù)周期、天線方向圖波瓣寬度和天線掃描周期的關(guān)系在下幀目標(biāo)相應(yīng)的距離和方位上產(chǎn)生帶方向圖調(diào)制具有一定寬度的脈沖串回波。再在幅度上乘以目標(biāo)功率因子u，相位上乘以多譜勒頻移fd，就形成了相干視頻回波信號(hào)。

設(shè)相干脈沖雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期為Ｔ，則點(diǎn)目標(biāo)回波的相干視頻SI，SQ信號(hào)可表示為：



SI(kT)=u(kT)cos[2πfdkT+θ(kT)][JY](1)

SQ(kT)=u(kT)sin[2πfdkT+θ(kT)][JY](2)



式中，k表示采樣序列，θ(kT)為目標(biāo)回波的初始相位。

對(duì)干擾機(jī)目標(biāo)回波的模擬要和發(fā)射機(jī)映射功率相關(guān)，根據(jù)單基雷達(dá)方程可知，雷達(dá)接收回波功率PR為:



PR=PTG2λ2σ(4π)3R4L[JY](3)



式中，PT為雷達(dá)發(fā)射功率，Ｇ為雷達(dá)天線發(fā)射增益，σ為目標(biāo)散射截面積，Ｒ為目標(biāo)距離，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，L為天線傳輸損耗。

由上式可知，模擬器產(chǎn)生的干擾機(jī)目標(biāo)回波功率與目標(biāo)模擬器的發(fā)射功率成正比，與距離的4次方成反比，與目標(biāo)截面積成正比，此外目標(biāo)回波功率還受雷達(dá)接收天線方向圖和模擬器發(fā)射天線方向圖的調(diào)制。

此外，目標(biāo)回波幅度具有一定的起伏特性，通常將雷達(dá)目標(biāo)分為Swerling(Ⅰ~Ⅳ)四種模型，也就是根據(jù)目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS)的概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)將目標(biāo)區(qū)分這四種類型。典型的SwerlingⅠ型和SwerlingⅡ型目標(biāo)，其RCS的概率密度函數(shù)都是指數(shù)分布：



P(σ)=1e -σ/[JY](4)



其中，為目標(biāo)起伏全過(guò)程的平均值。SwerlingⅠ型和SwerlingⅡ型目標(biāo)的信號(hào)幅度都是瑞利分布，其區(qū)別在于SwerlingⅠ型為慢起伏，即從一次掃描到下一次掃描是不相關(guān)的，而脈沖間是相關(guān)的；SwerlingⅡ型為快起伏，即脈沖與脈沖間的起伏是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。

Swerling Ⅲ型和Swerling Ⅳ型目標(biāo)，其RCS為χ2分布：



P(σ)=4σ2e -2σ/



其中，也是目標(biāo)起伏全過(guò)程的平均值。Swerling Ⅲ型和Swerling Ⅳ型目標(biāo)回波的振幅特性為Rice分布，而Swerling Ⅲ型為慢起伏，Swerling Ⅳ型為快起伏。目標(biāo)起伏模型的數(shù)據(jù)庫(kù)可以在初始化階段由計(jì)算機(jī)直接調(diào)入FPGA輸入緩存內(nèi)。模擬器根據(jù)終端發(fā)送的目標(biāo)類別調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

4 雜波模擬

雜波信號(hào)是雷達(dá)回波信號(hào)的重要組成部分，對(duì)雜波進(jìn)行模擬，首先要選取雜波模型。由于實(shí)際影響雜波統(tǒng)計(jì)特性的因素很多，所以無(wú)法從理論上預(yù)測(cè)雜波的統(tǒng)計(jì)特性，實(shí)際上環(huán)境雜波信號(hào)的數(shù)學(xué)形式與目標(biāo)的信號(hào)形式是一樣的，只是幅度的起伏特性和強(qiáng)度不同，以及多普勒頻譜的變化范圍不同而已。雜波起伏調(diào)制函數(shù)包含兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是雜波幅度起伏模型函數(shù)，另一個(gè)是雜波多普勒頻率起伏模型函數(shù)。在早期的雷達(dá)系統(tǒng)中，由于雷達(dá)的分辨率較低，雷達(dá)雜波被認(rèn)為是大量近似相等的獨(dú)立單元散射體的回波相互疊加。雜波的幅度分布特性近似服從高斯分布模型。但是，現(xiàn)代雷達(dá)的分辨率越來(lái)越高，使得相鄰散射單元的回波在時(shí)間性和空間上均存在一定的相關(guān)性，因而上述假設(shè)已經(jīng)不成立，而且許多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也已經(jīng)證實(shí)，在低仰角或高分辨率雷達(dá)情況下，雜波分布的統(tǒng)計(jì)特性明顯偏離高斯分布特性。所以，現(xiàn)代雷達(dá)環(huán)境雜波的幅度分布特性，用非高斯分布模型來(lái)模擬能更精確地描述實(shí)際雷達(dá)回波的統(tǒng)計(jì)特性。

非高斯幅度概率密度分布的常用模型主要有韋伯爾分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和K分布三種形式。目前有兩種產(chǎn)生方法具有代表性，其一是球不變隨機(jī)過(guò)程法(SIRP)，這種方法的基本思路是：產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)的高斯隨機(jī)過(guò)程，然后用具有所要求的概率密度函數(shù)(pdf)的隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制。這種方法受所求序列的階數(shù)及自相關(guān)函數(shù)的限制，同時(shí)計(jì)算量非常大，不易形成快速算法。其二是零記憶非線性變換法(ZMNL)，這種方法的基本思路是：首先產(chǎn)生相關(guān)的高斯隨機(jī)序列，然后經(jīng)某種非線性變換得到需要的相關(guān)非高斯隨機(jī)序列。這種方法比較經(jīng)典，硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，首先通過(guò)偽隨機(jī)碼序列電路產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)變量，通過(guò)設(shè)定相關(guān)系數(shù)線性濾波器變換后，經(jīng)指定的非線性設(shè)備就可以產(chǎn)生不同分布非高斯序列，具體實(shí)現(xiàn)方法可以參考文獻(xiàn)[7]。

5 硬件組成

為了滿足不同雷達(dá)體制的模擬要求，系統(tǒng)要具有一定的可編程性，本雷達(dá)模擬器采用PC104加FPGA 組合的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

PC104為總線嵌入式單板計(jì)算機(jī)，其主要配置為550 MHz Intel Mobile Pentium Ⅲ CPU芯片，256 MB SDRAM，128 MB FLASH RAM，內(nèi)裝VxWorks 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。主要用來(lái)存儲(chǔ)目標(biāo)、雜波數(shù)據(jù)庫(kù)，和FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及和終端、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)，F(xiàn)PGA采用Altera公司新推出的Stratix 系列大容量的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件。他內(nèi)部集成了大容量存儲(chǔ)器和高速DSP模塊，適用于復(fù)雜運(yùn)算，主要完成不同體制雷達(dá)工作時(shí)序配置，參數(shù)分解，目標(biāo)、雜波生成及相關(guān)運(yùn)算。

由于模擬不同體制雷達(dá)的電路結(jié)構(gòu)不同，全部集成一塊芯片中完成不太現(xiàn)實(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)軟件加載功能，根據(jù)模擬不同雷達(dá)態(tài)勢(shì)加載相應(yīng)的軟件。雷達(dá)參數(shù)設(shè)置主要有：雷達(dá)工作頻段，脈沖重復(fù)頻率，天線轉(zhuǎn)速，天線波束寬度，信號(hào)調(diào)制方式，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，雜波分布類型及區(qū)域，雜波譜寬等，這些參數(shù)在程序初始化階段發(fā)送到模擬器。目標(biāo)航跡位置參數(shù)包括目標(biāo)起伏分布類型、目標(biāo)代號(hào)、目標(biāo)的距離、方位中心點(diǎn)，目標(biāo)RCS標(biāo)志。

6 工作原理及實(shí)現(xiàn)

6.1 數(shù)據(jù)傳輸

PC104和FPGA之間有16位數(shù)據(jù)總線和地址總線，通過(guò)地址譯碼電路，PC104內(nèi)存數(shù)據(jù)被快速寫(xiě)入FPGA命令寄存器和雙口RAM內(nèi)，第一類傳輸數(shù)據(jù)是雷達(dá)工作模式命令參數(shù)，第二類是波形數(shù)據(jù)庫(kù)，包括不同時(shí)寬線性調(diào)頻波形碼數(shù)據(jù)，雜波位置及幅度調(diào)制數(shù)據(jù)，辛格、高斯、余割平方三種類型方向圖調(diào)制數(shù)據(jù)，PD模式距離模糊數(shù)據(jù)表格，這個(gè)過(guò)程在初始化期間完成。在工作過(guò)程中PC104還承擔(dān)目標(biāo)方位、距離信息數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)PAG從輸入緩存RAM內(nèi)讀出目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。在本模擬器的實(shí)現(xiàn)中，PC104除了傳送數(shù)據(jù)外還要和終端、監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行其他通訊任務(wù)。 

6.2 目標(biāo)、雜波數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)是最基本的核數(shù)據(jù)，主要是目標(biāo)、雜波的位置信息，因此大量數(shù)據(jù)產(chǎn)生在FPGA內(nèi)完成，F(xiàn)PGA根據(jù)目標(biāo)位置觸發(fā)和工作參數(shù)實(shí)時(shí)產(chǎn)生各種形式的目標(biāo)數(shù)據(jù)，如目標(biāo)方向圖調(diào)制，波束寬度內(nèi)目標(biāo)數(shù)量，目標(biāo)的多譜勒頻率，目標(biāo)類型等，根據(jù)雜波位置參數(shù)在相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生雜波數(shù)據(jù)，包括雜波類型，雜波相關(guān)，雜波譜寬及雜波功率等，使產(chǎn)生的數(shù)據(jù)近似于真實(shí)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。

6.3 信號(hào)輸出

按雷達(dá)定時(shí)信號(hào)要求將I，Q數(shù)字視頻信號(hào)傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器變成接收機(jī)基帶信號(hào)或送數(shù)字視頻信號(hào)到信號(hào)處理機(jī)供調(diào)試使用。雷達(dá)模擬器時(shí)序關(guān)系通過(guò)PC104控制，由可編程器件FPGA產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)。這些時(shí)序、參數(shù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備送往模擬器各個(gè)處理單元，F(xiàn)PGA將產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到輸出緩存，并按雷達(dá)天線掃描方式順序輸出，圖2、圖3、圖4是不同體制雷達(dá)目標(biāo)產(chǎn)生及雜波信號(hào)生成畫(huà)面。

圖2 脈沖壓縮模式非線性調(diào)頻波形產(chǎn)生

圖3 常規(guī)模式目標(biāo)3個(gè)副瓣方向圖調(diào)制波形

圖4 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡、雜波生成畫(huà)面

7 結(jié) 語(yǔ)

該雷達(dá)模擬器采用了軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，通過(guò)嵌入式計(jì)算系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和命令參數(shù)加載到硬件系統(tǒng)后，再由FPGA根據(jù)雷達(dá)的工作參數(shù)實(shí)時(shí)處理，形成所需的目標(biāo)、雜波回波信號(hào)。

系統(tǒng)采用通過(guò)目標(biāo)、雜波模型來(lái)模擬目標(biāo)、雜波數(shù)據(jù)，滿足不同體制雷達(dá)目標(biāo)、雜波數(shù)據(jù)的需求，硬件采樣PC104+FPGA的方法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊在一塊電路板上，通過(guò)軟件配置就可完成不同體制雷達(dá)目標(biāo)、雜波環(huán)境的模擬。對(duì)于干擾偵察機(jī)測(cè)試具有重要的價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］米切爾R L.雷達(dá)系統(tǒng)模擬[M].陳訓(xùn)達(dá)，譯.北京:科學(xué)出版社，1982.

［2］宋海娜.雷達(dá)海雜波建模與仿真技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，2000.

［3］邱克成.通用目標(biāo)環(huán)境模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想[J].雷達(dá)與對(duì)抗，1995(3):1-6.

［4］曹晨.關(guān)于雷達(dá)雜波性質(zhì)研究的若干問(wèn)題[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2001，23(5):1-5.

［5］江緒慶，唐波.一種新型雷達(dá)視頻模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2006，21(2):45-46.

［6］蔣詠梅，陸錚.相關(guān)非高斯分布雜波的建模與仿真[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1999，21(10):27-30.

作者簡(jiǎn)介

孫實(shí)澤 男，1968 年出生，安徽懷寧人，高級(jí)工程師。主要從事雷達(dá)信號(hào)處理研制工作。主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)，雷達(dá)波形仿真，陣列信號(hào)處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。