邢福成，王 波，孫保良，關(guān)成斌

（1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東 煙臺 264001；2.92155部隊，海南 三亞 572018）

現(xiàn)代雷達承擔著越來越復(fù)雜的重要任務(wù)，隨著功能的不斷完善和強大，進行基于真實回波全功能調(diào)試和訓(xùn)練幾乎是不可能的，也是不經(jīng)濟的，而改變這一狀況就需要仿真近乎實際的波形作為雷達的輸入信號?；诮鉀Q此問題，本文設(shè)計一款中頻雷達模擬器，該模擬器可用于現(xiàn)代雷達實地調(diào)試和訓(xùn)練。

隨著直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct Digital frequency Synthesis，DDS)的日漸成熟，基于DDS的雷達目標模擬器，近年來得到越來越多的研究和應(yīng)用[1-5]，為雷達研制、算法驗證、故障檢測和模擬訓(xùn)練等方面提供了很大的便利。本文設(shè)計的中頻雷達模擬器可以在2種工作狀態(tài)下(聯(lián)機：在計算機控制下；獨立：通過鍵盤輸入)，產(chǎn)生單脈沖雷達的中頻模擬和、差信號[6]。模擬器由軟件和硬件2部分共同完成。軟件部分根據(jù)設(shè)定的目標方程實時產(chǎn)生模擬目標航跡及各種參數(shù)，硬件部分根據(jù)接口電路同步接收的當前天線指向及有關(guān)控制字并解算出硬件電路的控制數(shù)據(jù)，通過變換電路，將各目標參數(shù)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號。本文主要介紹其硬件部分。

1 中頻雷達模擬器總體組成及工作過程

中頻雷達模擬器主要由電源部分、控制部分、DDS信號產(chǎn)生器、模擬信號輸出4部分組成。組成框圖如圖1所示。

圖1 中頻雷達模擬器組成框圖

中頻雷達模擬器工作過程是：模擬器控制部分接收計算機送出的控制字或通過鍵盤輸入控制字，并將控制字接收拆解進行目標計算、輔助板控制以及鍵盤顯示控制。輔助板根據(jù)其輸入信號輸出DDS控制字、多普勒頻率fd、和差方向圖數(shù)據(jù)以及同步脈沖。將DDS 控制字、多普勒頻率fd加到DDS信號產(chǎn)生器，由DDS信號產(chǎn)生器產(chǎn)生單脈沖體制下的一組受到調(diào)制的中頻模擬目標回波信號。調(diào)制信號主要有常規(guī)脈沖、線性調(diào)頻等現(xiàn)代雷達常用的信號形式。該雷達模擬器只產(chǎn)生常規(guī)脈沖和不同調(diào)制度的線性調(diào)頻信號，但可以通過改變程序產(chǎn)生其他信號形式，模擬信號輸出部分通過距離因子衰減器、方位俯仰偏角衰減器等轉(zhuǎn)換，輸出和支路、方位差支路、俯仰差支路，用于模擬單脈沖雷達中頻模擬信號；電源部分將輸入～220 V/50 Hz的市電，轉(zhuǎn)換為模擬器各部分所需要的直流電源。

2 中頻雷達模擬器各部分組成及工作原理

2.1 控制部分

模擬器控制部分組成框圖如圖2所示。模擬器控制部分主要由CPU 板、輔助板組成。CPU 板主要有CPU、接口電路、用于人機界面的鍵盤和LED顯示等組成。

圖2 中頻雷達模擬器控制部分組成框圖

模擬器控制部分的CPU 板采用AT89C51 單片機設(shè)計，其外部時鐘為12 MHz，用于接收計算機的控制字或通過鍵盤輸入的控制字，并將控制字接收拆解進行目標計算、輔助板控制以及鍵盤顯示控制。人機界面采用專用芯片8279 作為CPU接口、外接鍵盤及顯示控制電路。本設(shè)計采用8位LED顯示和4×8 觸摸式鍵盤，觸摸式鍵盤用于輸入控制命令，使中頻模擬器不必與計算機連接也可以與雷達對接，這樣攜帶更方便。LED顯示用于顯示控制命令以及模擬器工作情況[7]。

輔助板采用大規(guī)模可編程邏輯器件(EPLD)EPM7128，最大可用宏單元數(shù)為128個，平均延遲時間為7 ns，從而增強了整個系統(tǒng)的實時處理能力。同時，在模擬器中將計算好的和差波束數(shù)據(jù)保存為.mif文件保存在ROM中，和差波束的模擬通過查表的方式完成。和差波束數(shù)據(jù)可以通過實測雷達天線得到或通過MATLAB仿真得到[8]。根據(jù)目標偏離波束指向的角度計算俯仰支路和方位支路的衰減并控制數(shù)控衰減器，即查表查出天線相應(yīng)位置的幅度值，然后對中頻信號進行幅度控制。進行差(包括方位差、俯仰差)信號模擬時，只需對差通道中頻信號進行差波束數(shù)據(jù)調(diào)制，即查表查出天線相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，對中頻信號的幅度進行相應(yīng)控制即可。

計算機與CPU 板采用串口進行通訊。

計算機與模擬部分采用雙絞線(數(shù)據(jù)信號)和同軸電纜(視頻脈沖信號和高頻脈沖信號) 2種方式進行連接。

2.2 DDS信號產(chǎn)生器

DDS信號產(chǎn)生器主要用來產(chǎn)生常規(guī)脈沖信號或不同調(diào)制度的線性掃頻信號。本設(shè)計采用ADI 公司生產(chǎn)的AD9858是一款高性能DDS 芯片，它包含一個頻率累加器、一個32位的相位累加器、14位的相移調(diào)整控制字、一個變換速度高達1 GHz的10位數(shù)模變換(DAC)。其內(nèi)部 DDS 核結(jié)構(gòu)使得AD9858可以完成很多種信號產(chǎn)生，包括單頻信號、脈沖調(diào)制信號、相位調(diào)制信號、線性/非線性掃頻信號[5，9]等。同時，高達1 GHz的工作頻率使得AD9858最高可以產(chǎn)生高達400 MHz的正弦信號，故AD9858可以用于產(chǎn)生高中頻的寬帶雷達信號。在使用DDS芯片的雷達模擬器中，有一種常用的脈沖調(diào)制方法是在DDS 芯片的輸出端增加1個模擬開關(guān)或數(shù)控衰減器[8]。工作時，DDS 輸出端始終輸出信號——模擬開關(guān)打開時，DDS 輸出端輸出信號送到后級電路；當開關(guān)關(guān)閉時，DDS 輸出端輸出信號被隔斷，從而產(chǎn)生所需要的脈沖。這種方法控制簡單，易于實現(xiàn)，所獲得脈沖相位連續(xù)。缺點是增加了硬件，而且開關(guān)的隔離度、響應(yīng)時間和開關(guān)速度也影響產(chǎn)生脈沖的質(zhì)量。另一種被使用過的脈沖調(diào)制方法是采用控制DDS 芯片內(nèi)部相位累加器的辦法來獲得脈沖信號[3，5]，即在信號產(chǎn)生起始時刻配置DDS 芯片內(nèi)部寄存器，使相位累加器工作，從而產(chǎn)生出期望頻率的信號；在信號結(jié)束時，重新配置DDS 內(nèi)部寄存器，中止相位累加器的工作，使輸出保持在0相位上，而A/D 輸出則變成0 電平，從而產(chǎn)生出期望的脈沖信號。本設(shè)計采用后一種設(shè)計方法，其信號實現(xiàn)方法如下：

1)固定中頻。選擇AD9858的相位控制字，即可產(chǎn)生所需的中頻信號。在距離延遲同步脈沖的啟動下，經(jīng)過脈沖調(diào)制，即可生成未經(jīng)壓縮的脈沖調(diào)制信號。

2)線性調(diào)頻。選擇AD9858的頻率控制字，設(shè)置頻率累加器的起始頻率控制字和結(jié)束頻率控制字，并根據(jù)調(diào)頻斜率設(shè)置步進頻率和步進值，在距離延遲同步脈沖的作用下，即可產(chǎn)生所需要的線性調(diào)頻信號。

3)運動目標。當目標相對雷達作徑向運動時，目標回波產(chǎn)生多普勒的頻移，雷達通過測量多普勒頻率或目標在距離上的時間變化率的方法進行測速，因而目標速度的物理特性模擬就是多普勒頻率的模擬。無論是固定中頻還是線性調(diào)頻信號，通過選擇AD9858的頻率控制字，在原有基礎(chǔ)上，使設(shè)置頻率累加器的起始頻率增加一個多普勒頻率值fd。同樣，在結(jié)束頻率也增加一個多普勒頻率值fd。

2.3 模擬信號輸出

模擬器模擬信號輸出部分主要由3 路功分器、6位數(shù)控衰減器、8位數(shù)控移相器和濾波驅(qū)動等組成，用于產(chǎn)生單脈沖體制下的一組和、差模擬中頻固定目標回波信號，或一組和、差模擬中頻動目標回波信號。原理框圖如圖3所示。

圖3 模擬器模擬信號輸出部分原理框圖

DDS信號產(chǎn)生器輸出的模擬中頻信號送給HE751 六位數(shù)控衰減器，63 dB數(shù)控衰減器的衰減量受控于輔助板控制字，用于模擬距離對回波的影響。輸出目標信號加到功分器，功分器的組成框圖如圖4所示。目標信號經(jīng)二功分器，分成2 路信號分別加到2個型號為MAV-11的放大器上，每個放大器后接一個跟隨器，再將放大跟隨信號分別加到2個二功分器上形成4路信號，1路信號可供監(jiān)測用，其它3 路分別送到和支路、差一支路以及差二支路，用于分別模擬回波信號的和信號、方位差信號、俯仰差信號。

圖4 功分器的組成框圖

功分器輸出目標信號加到和支路送到HE411A電壓控制衰減器(用于調(diào)整和支路、差一支路、差二支路之間的幅度平衡)；再經(jīng)濾波加到驅(qū)動產(chǎn)生單脈沖和信號，壓控衰減器受輔助板和波束數(shù)據(jù)的控制，用于模擬輸出和信號隨角度變化情況。

功分器輸出目標信號加到方位差支路送到HE411A 電壓控制衰減器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的幅度平衡)；再送到8位數(shù)控移相器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的相位平衡)，數(shù)控移相器輸出經(jīng)濾波后加到驅(qū)動產(chǎn)生單脈沖方位差信號，壓控衰減器的控制受輔助板方位差波束數(shù)據(jù)的控制，用于模擬輸出方位差信號隨角度變化情況。

功分器輸出目標信號加到俯仰差支路送到HE411A電壓控制衰減器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的幅度平衡)；再送到8位數(shù)控移相器(用于調(diào)整差一支路、和支路、差二支路之間的相位平衡)，數(shù)控移相器輸出經(jīng)濾波后加到驅(qū)動，產(chǎn)生單脈沖俯仰差信號，壓控衰減器的控制受輔助板俯仰差波束數(shù)據(jù)控制(根據(jù)目標偏離波束指向的角度計算俯仰支路和方位支路的衰減并控制數(shù)控衰減器)，用于模擬輸出俯仰差信號隨角度變化情況。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的中頻雷達模擬器能在計算機或雷達計算機(聯(lián)機)或人工輸入(脫機)控制下，在中頻頻段上產(chǎn)生模擬目標回波的和差三通道信號。因此，可在雷達無須加高壓、無須真實目標配合情況下，對雷達系統(tǒng)進行性能測試、精度檢查。同時，這些模擬信號也可用于測量雷達自動化監(jiān)測、模擬實驗、分系統(tǒng)對接實驗及培養(yǎng)操作人員。因此，該中頻雷達模擬器具有較高的經(jīng)濟意義和工程應(yīng)用價值。

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