高志永，魏曉明，臧傳江

（1.解放軍92323部隊，山東 青島266000；2.青島 4308機(jī)械廠，山東 青島266042）

雷達(dá)是電子裝備的重要門類，從問世至今70余年，以其在信息獲取、信號處理、測量評估等方面的獨特優(yōu)勢，在二戰(zhàn)及戰(zhàn)后的各次重大局部戰(zhàn)爭及國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用，雷達(dá)技術(shù)在某種程度上已成為電子科技水平的重要標(biāo)志。

隨著雷達(dá)測試的要求，雷達(dá)信號的模擬仿真技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。雷達(dá)目標(biāo)信號模擬是模擬仿真技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過模擬仿真方法產(chǎn)生包含目標(biāo)信息的回波信號，對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、分析、標(biāo)校和評價，已成為現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的必要手段。

研制完成的雷達(dá)距離校準(zhǔn)儀采用數(shù)字射頻存儲、寬帶微波IQ調(diào)制、小型化寬帶合成本振、微波開關(guān)濾波等新技術(shù)，實現(xiàn)相參雷達(dá)的目標(biāo)回波信號模擬。主要用于雷達(dá)定期標(biāo)校、雷達(dá)維修后的目標(biāo)探測功能的檢驗及標(biāo)定，以及雷達(dá)的科研生產(chǎn)測試，具有一定的通用性。

1 工作原理

雷達(dá)距離校準(zhǔn)儀采用標(biāo)準(zhǔn)上架式臺式結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮到儀器的高可靠性、可擴(kuò)展性和操作方便性，儀器可分為本振模塊、上下混頻模塊、中頻信號處理模塊、雷達(dá)目標(biāo)模擬模塊、IQ混頻模塊、CPCI主控平臺等部分，其中主控平臺由控制模塊、母板、鍵盤、液晶顯示器、通信接口、系統(tǒng)電源構(gòu)成，其他部分均采用相對獨立的模塊化設(shè)計。各模塊均從儀器后面插入整機(jī)，通過母板獲取電源并完成數(shù)據(jù)交換。圖1是整機(jī)組成框圖。

本振模塊提供用于上下混頻模塊的本振信號，下混頻模塊接收來自輸入天線的射頻信號，輸出下混頻后的中頻信號。中頻處理模塊對中頻信號進(jìn)行濾波放大及功率分配，目標(biāo)模擬模塊實現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)信號的距離與速度模擬。IQ混頻模塊對加入目標(biāo)信息的中頻信號進(jìn)行上混頻，輸出雷達(dá)目標(biāo)模擬信號。所有的控制信息和設(shè)置參數(shù)由主控機(jī)通過CPCI總線發(fā)送到相應(yīng)的模塊，所測得的數(shù)據(jù)通過接口總線匯總到主控機(jī)，由主控機(jī)完成相應(yīng)的處理、顯示。

通過天線接收到的雷達(dá)信號送到雷達(dá)通用目標(biāo)模擬信號發(fā)生器內(nèi)。在本裝置內(nèi)，采用“寬帶混頻接收、大容量高速數(shù)字射頻存儲”的方案，實現(xiàn)對雷達(dá)發(fā)射波形進(jìn)行采集和存儲。按照先進(jìn)先出順序，對存儲數(shù)據(jù)延時后回放，延時大小根據(jù)要模擬目標(biāo)距離確定。目標(biāo)速度模擬通過對雷達(dá)發(fā)射信號頻率進(jìn)行多普勒頻移來進(jìn)行，接收和輸出通道分別對雷達(dá)發(fā)射信號和產(chǎn)生目標(biāo)回波信號進(jìn)行幅度調(diào)理。

雷達(dá)發(fā)射信號通過面板輸入端口、程控衰減、開關(guān)濾波、低噪聲放大后與本振進(jìn)行混頻產(chǎn)生中頻信號，為了保證雷達(dá)發(fā)射信號不失真，接收通道瞬時帶寬大于雷達(dá)實際帶寬。混頻器輸出的中頻信號經(jīng)過濾波后送到數(shù)字射頻存儲模塊。包含有目標(biāo)距離和速度信息的中頻信號經(jīng)過移相功分器分為兩路正交信號，與本振信號進(jìn)行IQ混頻，由于上下混頻采用相同本振源，回放的雷達(dá)目標(biāo)回波信號與雷達(dá)發(fā)射信號相參，控制輸出通道程控衰減器的衰減量，可改變目標(biāo)回波大小，并能方便地實現(xiàn)與雷達(dá)接收機(jī)功率匹配。

2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 數(shù)字射頻存儲與信號回放技術(shù)

大范圍、高精度的目標(biāo)信號模擬是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。其具體實現(xiàn)框圖如圖2所示，主要包括A/D轉(zhuǎn)換、降速控制、雙端口RAM及管理、升速控制、D/A轉(zhuǎn)換和延遲控制邏輯電路。

對采樣頻率和存儲深度進(jìn)行計算和優(yōu)化，以滿足瞬時帶寬和量化噪聲要求。升速電路通過利用FPGA搭建合適的高速數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)。延遲控制電路進(jìn)行存儲器寫地址和讀地址之間的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實現(xiàn)目標(biāo)回波距離的模擬。

2.2 多普勒頻率源及目標(biāo)速度模擬技術(shù)

雷達(dá)目標(biāo)速度的檢測是通過對目標(biāo)信號的多普勒頻移測試來實現(xiàn)的，本項目中采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)來產(chǎn)生多普勒頻率，原理框圖如圖3所示。

為了提高整機(jī)的集成度，采用兩片電路實現(xiàn)雙通道DDS，滿足本設(shè)計要求的速度范圍和速度分辨率要求，可實現(xiàn)頻率范圍從直流到500 kHz、頻率分辨率優(yōu)于0.01 Hz、相位噪聲優(yōu)于-130 dBc/Hz@10 kHz和近端雜散小于-70 dB的高性能多普勒頻率輸出，完全能夠滿足整機(jī)性能要求。

為了實現(xiàn)目標(biāo)速度的模擬，將多普勒源輸出頻率信號與數(shù)字射頻存儲模塊輸出的中頻信號進(jìn)行混頻，本設(shè)計中采用了正交IQ調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)載波與無用邊帶信號的抑制，如圖3中虛線框所示。

通過調(diào)整相位偏移寄存器的值，提高邊帶抑制指標(biāo)。校準(zhǔn)后中頻輸出信號的載波抑制及鏡像抑制指標(biāo)典型值為-50 dB，達(dá)到了比較滿意的效果。

2.3 寬帶微波IQ調(diào)制與校準(zhǔn)技術(shù)

本設(shè)計中要實現(xiàn)頻率范圍1～18 GHz寬頻帶IQ混頻，具體為采用1 GHz～4 GHz射頻 IQ混頻和 4 GHz～18 GHz微波IQ混頻，能夠改善載波泄漏指標(biāo)。調(diào)節(jié)IQ調(diào)制器的IQ輸入差模電壓，能夠改善鏡像抑制指標(biāo)。本儀器具有1～18 GHz寬帶矢量調(diào)制功能，具有較大的靈活性。微波IQ調(diào)制器的頻率范圍可達(dá)3～20 GHz，IQ調(diào)制器校準(zhǔn)電路原理框圖如圖4所示。

數(shù)控移相器原理框圖如圖5所示。每一級電路由兩只單刀雙擲開關(guān)、延時線構(gòu)成，通過控制，可以選擇不延時或者延時。對于60 MHz中頻，第一級的移相為1°，第二級的移相為2°，第三級的移相為4°，第四級的移相為8°。故四階數(shù)控移相器可實現(xiàn)的移相范圍為 0～15°，移相分辨率為 1°。

加入中頻移相器并進(jìn)行IQ幅度補(bǔ)償后，儀器輸出信號的載波泄漏及鏡像抑制指標(biāo)改善10～20dB，典型指標(biāo)達(dá)-40dB，滿足了儀器的測試需求。

2.4 小型化低相噪寬帶合成本振技術(shù)

小型化寬帶本振源是本項目的關(guān)鍵模塊件之一，其性能指標(biāo)直接影響到整機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。主要包括參考板、本振板、倍頻分頻板，提供用于上下變頻的本振信號，要求頻率范圍 1GHz～18GHz，采用鎖相頻率合成加開關(guān)倍頻分頻濾波技術(shù)。

參考模塊提供本振板需要的 10MHz、1GHz低相噪?yún)⒖夹盘?。在本儀器中使用了表面聲波壓控振蕩器及常規(guī)鎖相電路形式，實現(xiàn)了1GHz低相噪?yún)⒖夹盘栞敵?，其相噪?130dBc/Hz@10kHz。

為了降低電路的復(fù)雜度，實現(xiàn)本振頻率合成的小型化，本振電路采用了體積與重量都較小的微波寬帶VCO進(jìn)行設(shè)計。本振板原理框圖如圖6所示。本振板輸出的5～10 GHz信號經(jīng)倍頻、分頻、濾波、放大、穩(wěn)幅后輸出1～20 GHz本振信號，其典型輸出功率大于16 dBm。

基于自主創(chuàng)新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的1～20 GHz寬帶本振在不使用YIG振蕩器的情況下，已經(jīng)達(dá)到了常規(guī)用YIG振蕩器及取樣環(huán)技術(shù)所能達(dá)到的相噪指標(biāo)，頻率分辨率3.725 Hz，省掉了常規(guī)實現(xiàn)方法的小數(shù)分頻板和YIG驅(qū)動板，體積、重量均大幅降低，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3 國內(nèi)外同類產(chǎn)品對比分析

國外雷達(dá)目標(biāo)模擬信號發(fā)生器及相關(guān)技術(shù)較為成熟，其技術(shù)方案從最初延遲線、光纖延遲到現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字射頻存儲技術(shù)等不同階段，其典型產(chǎn)品有美國郝爾利(Herley)公司研制的變色龍II雷達(dá)目標(biāo)模擬器。

變色龍II雷達(dá)目標(biāo)模擬器采用雙數(shù)字射頻存儲通道，每個通道都具有10位幅度分辨率的信號采集與復(fù)制功能,射頻通道接收載頻1～18 GHz雷達(dá)發(fā)射信號,通過下變頻將載頻頻率搬移到中低頻上送數(shù)字射頻存儲通道,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲,主控系統(tǒng)根據(jù)要設(shè)置的目標(biāo)距離信息和速度信息控制數(shù)字射頻存儲模塊產(chǎn)生距離延時,控制多普勒源產(chǎn)生多普勒頻率。并通過上變頻將含有目標(biāo)距離和目標(biāo)速度信息的基帶信號上混頻到射頻頻段回饋給雷達(dá)。由于接收下混頻和回放上混頻均采用同一本振源，使得回放含有模擬距離和速度信息的雷達(dá)目標(biāo)回波信號與雷達(dá)發(fā)射信號相干。該雷達(dá)目標(biāo)模擬器由兩個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜組成，體積與重量龐大，最大模擬目標(biāo)距離300 km。

國內(nèi)雷達(dá)目標(biāo)信號發(fā)生器仍以專用為主，技術(shù)路線也主要基于從中頻上進(jìn)行模擬，并盡量利用雷達(dá)中現(xiàn)有的技術(shù)。從中頻頻率和數(shù)字信號進(jìn)行目標(biāo)距離模擬已成為雷達(dá)自檢自測試功能，從雷達(dá)發(fā)射頻率實現(xiàn)目標(biāo)模擬仍以延遲線（包括光纖）方式為主，即通過對雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行不同延遲后，回饋給雷達(dá)接收端口來實現(xiàn)目標(biāo)距離模擬。這種類型模擬器的主要不足是模擬距離不能任意設(shè)置，體積比較龐大，難以模擬長距離的目標(biāo)。

本項目研制的雷達(dá)距離校準(zhǔn)儀根據(jù)具體要求，采用適合現(xiàn)場使用緊湊型一體化結(jié)構(gòu)，頻率覆蓋范圍寬，一臺儀器幾乎覆蓋了多種型號雷達(dá)的工作頻率范圍。

從與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能對比中，可知本產(chǎn)品已達(dá)到較高水平，跟國外產(chǎn)品的性能指標(biāo)相當(dāng)，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。與國外產(chǎn)品相比，在可擴(kuò)展性、體積重量方面具有很大優(yōu)勢。

在雷達(dá)距離校準(zhǔn)儀的設(shè)計中，采用數(shù)字射頻存儲、寬帶微波IQ調(diào)制、小型化寬帶合成本振、微波開關(guān)濾波等新技術(shù)，實現(xiàn)對相參雷達(dá)的目標(biāo)回波信號模擬。主要用于雷達(dá)定期標(biāo)校、雷達(dá)維修后的目標(biāo)探測功能的檢驗及標(biāo)定等。可以產(chǎn)生和模擬固定距離靜目標(biāo)、產(chǎn)生和模擬勻速運(yùn)動動目標(biāo)、接收端口增益可程控、目標(biāo)回波信號大小可程控、采用橫軸為距離縱軸為幅度笛卡爾坐標(biāo)圖顯示方式，實現(xiàn)目標(biāo)距離動態(tài)刷新；產(chǎn)生和模擬雷達(dá)目標(biāo)輸出信號與接收雷達(dá)發(fā)射信號相參，可接收和回放出脈沖體制和連續(xù)波體制雷達(dá)目標(biāo)信號，包括脈內(nèi)調(diào)制特征為二相碼、四相碼、線性調(diào)頻的雷達(dá)目標(biāo)信號，適應(yīng)脈沖體制和連續(xù)波體制雷達(dá)的目標(biāo)距離和速度探測性能測試。

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