李華敏,王 瑛,李曉松

(1.解放軍91550部隊,遼寧 大連116023;2.中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

多站連續(xù)波(Continuous Wave,CW)測量系統(tǒng)是由多套分布在遠端站點的CW雷達組成,經(jīng)合理布站在飛行試驗空域建立起高精度測量帶。試驗任務(wù)前,各CW雷達必須保證設(shè)備技術(shù)性能達標和系統(tǒng)上下行信號協(xié)調(diào)。無論CW雷達是在內(nèi)場設(shè)備維護保養(yǎng)還是在遠端站點任務(wù)準備,都需要為CW雷達系統(tǒng)提供目標聯(lián)試信號,用于檢測雷達跟蹤測量動態(tài)性能。實際上,在雷達設(shè)備的研制過程和設(shè)備調(diào)試維修中,也希望有一種能夠模擬目標飛行的動態(tài)信號生成設(shè)備,模擬產(chǎn)生目標回波作為雷達系統(tǒng)捕獲、跟蹤和測量性能檢測信號,以及時發(fā)現(xiàn)雷達系統(tǒng)問題和隱患,特別是對多站連續(xù)波測量系統(tǒng)的聯(lián)試更具有意義[1]。在雷達跟蹤測量性能測試中,使用真實目標為雷達提供回波信號是不切實際的,為了滿足單站CW雷達動態(tài)性能檢查和多站連續(xù)波測量系統(tǒng)動態(tài)模擬聯(lián)試需求,CW雷達目標動態(tài)信號模擬器的研制十分必要。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案與原理

多站連續(xù)波測量系統(tǒng)由3套多站制CW雷達組成,各部CW雷達分別以主站、副站1、副站2模式工作。CW雷達目標動態(tài)模擬器(簡稱模擬器)以本地站址為參考點,將事先給定的彈道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目標模擬的控制信息;模擬器以時統(tǒng)信號為基準,由模擬信息控制生成目標回波射頻信號。各CW雷達站間的時間同步通過中心時統(tǒng)DC碼實現(xiàn),站內(nèi)的雷達設(shè)備和模擬器時間同步在本地時間基準上。在指控中心T0信號控制下,各CW雷達站啟動模擬程序,生成射頻信號饋送給雷達接收;雷達解調(diào)得到的距離、速度、角度等信息,通過數(shù)傳設(shè)備送往指控中心;指控中心接收處理各雷達站的數(shù)據(jù),形成測量方案顯示出模擬目標的運行軌跡。

CW雷達與模擬器設(shè)計為有線射頻閉環(huán)方式工作,雷達發(fā)射機送來的信號耦合至模擬器接收端;模擬器對該信號模擬處理后,從其射頻輸出口饋送至雷達高頻接收機。CW雷達模擬器主要工作是從雷達的上行信號中解調(diào)出測量信號,根據(jù)彈道數(shù)據(jù)對其進行測距信號延時和多普勒頻移處理,生成攜帶目標運動信息的射頻信號饋入雷達,使雷達實現(xiàn)對目標動態(tài)模擬跟蹤測量。

2.2 CW雷達模擬器組成

CW雷達模擬器的硬件部分由功分器、信號處理分機、信道分機、頻率源等設(shè)備組成,其組成框圖如圖1所示。

圖1 CW雷達模擬器組成框圖Fig.1 Block diagram of CW radar simulator

模擬器與雷達間的射頻信號交換是通過功分器耦合實現(xiàn)的。模擬器信道分機將接收到的雷達上行信號轉(zhuǎn)換為中頻(收)信號,為其信號處理分機提供中頻目標信號;同時,信道分機將信號處理分機輸出的中頻(發(fā))信號變換為射頻信號,為雷達提供目標回撥射頻信號。

信號處理分機以CPCI工控計算機為平臺,硬件設(shè)備主要由調(diào)制器單元、信號處理板、計算機主板等組成。調(diào)制器單元負責(zé)調(diào)制度大小的調(diào)整、信號的輸出、站型選擇等;信號處理板負責(zé)距離和速度信號的模擬處理;CPCI工控計算機負責(zé)完成信息處理和監(jiān)控以及雷達監(jiān)控分系統(tǒng)的通信;高穩(wěn)頻率源為信道分機和信號處理分機提供高穩(wěn)定度的頻率信號基準。

模擬器監(jiān)控軟件運行在CPCI工控計算機上,根據(jù)彈道數(shù)據(jù)文件產(chǎn)生固定格式的距離、速度、加速度、角度、角速度等數(shù)據(jù),并將目標距離、速度、加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到信號處理分機,用于距離和速度模擬;將角度、角速度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到伺服天線控制單元(ACU),用于角度模擬控制。雷達ACU接收角度控制量,驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動,并將當前角度、距離和速度等信息通過雷達監(jiān)控分系統(tǒng)送往指控中心。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

多站制CW雷達模擬器信號流程如圖2所示。

圖2 模擬器信號流程圖Fig.2 Flow chart of simulator signal

模擬器研制過程中有3個關(guān)鍵技術(shù)重點:一是多站工作模式;二是距離變化與速度相關(guān)性模擬;三是模擬目標遠近對應(yīng)信號電平強弱的模擬。

為了滿足多站制CW雷達3種站型使用要求,模擬器需要對連續(xù)波測量系統(tǒng)的3個CW雷達上行頻率(fR1,fR2和fR3)信號進行相應(yīng)的變頻處理,進而實現(xiàn)模擬器可以在3種站型下工作。模擬器的信道分機通過對雷達上行射頻信號進行兩次下變頻,變?yōu)閷?yīng)站型的中頻信號送到信號處理分機進行模擬處理,使得模擬器的工作站型與其對應(yīng)CW雷達的工作站型相一致。

CW雷達對目標距離與速度的測量是通過兩種獨立方法實現(xiàn)的,目標距離與速度值之間存在必然的聯(lián)系。模擬器根據(jù)提供的彈道數(shù)據(jù)對解調(diào)信號進行距離延時和速度模擬處理。依據(jù)時間基準和速度模擬信息,通過控制相應(yīng)站型的載波頻率,實現(xiàn)目標速度的模擬。對于距離模擬信息,在時間基準同步下,通過控制側(cè)音信號的相應(yīng)延遲時間,同時進行多普勒補償與修正,實現(xiàn)對距離變化模擬和速度變化的一致性調(diào)整。

目標遠近對應(yīng)信號強度變化的模擬是依據(jù)距離值和自動增益控制(AGC)電平值,通過控制數(shù)控衰減器來模擬目標信號的強弱。模擬處理后的信號調(diào)制在下行中頻載波上,發(fā)送給模擬器信道分機,由信道分機將信號進行兩次上變頻為射頻信號 fT送往雷達。監(jiān)控單元提供角度信息,傳遞給雷達ACU,控制天線按照預(yù)定軌跡運行。

3 信道分機

為了便于信號模擬處理,模擬器信道分機需將接收到的雷達發(fā)射信號轉(zhuǎn)換成“收”中頻信號,提供給信號處理分機;同時將經(jīng)信號處理分機動態(tài)模擬處理后的“發(fā)”中頻信號,變頻轉(zhuǎn)換為射頻信號饋送雷達接收。

模擬器信道分機由接收模塊、發(fā)射模塊、本振模塊、數(shù)控衰減器、監(jiān)控單元和電源等組成。接收模塊主要由預(yù)選器、低噪聲放大器(LNA)、混頻器、AGC放大器等組成,發(fā)射模塊主要由低噪聲放大器(LNA)、混頻器、濾波器、數(shù)控衰減器等組成。監(jiān)控單元完成各模塊狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控,并通過以太網(wǎng)接口與信號處理分機通信。數(shù)控衰減器用于控制輸出信號電平,模擬目標信號的強度。

CW雷達3種站型對應(yīng)的上行信號fr1、fr2、fr3進入信道分機,經(jīng)預(yù)選器、低噪聲放大器進入混頻器。根據(jù)輸入信號的特性選擇頻綜頻率,分別將fr1、fr2、fr3變頻到中頻;該中頻(收)信號 fr經(jīng)過濾波、AGC放大,經(jīng)衰減輸出到信號處理分機。在信號處理分機中,完成目標動態(tài)模擬相關(guān)的信號處理,形成中頻“發(fā)”信號ft送入信道分機經(jīng)過兩次上變頻后輸出,為雷達提供目標回波射頻信號。

4 信號處理分機

4.1 調(diào)制器單元

調(diào)制器單元是模擬器信號處理分機的重要組成部分,受DSP單元的控制,接收模擬測距信號和模擬速度信息,按照不同的站型,將測距音加調(diào)到不同的副載波或者載波上,將速度信息加入載波多普勒頻移存儲器中。

CW雷達有主、副站型之分,信號格式不完全一樣,主站信號為相參轉(zhuǎn)發(fā),兩個副站信號為非相參轉(zhuǎn)發(fā)。對于主站,模擬測量后的測距信號直接調(diào)相(PM)加調(diào)在載波上;模擬的速度信息體現(xiàn)在載波的多普勒頻移上,經(jīng)數(shù)模(D/A)變換后輸出控制載波頻移。對于副站,經(jīng)模擬處理后的測距信號,先分別調(diào)制在兩個不同的帶多普勒的副載波上,再調(diào)制在帶多普勒的下行中頻載波上;模擬的速度信息體現(xiàn)在載波的多普勒頻移上,經(jīng)D/A變換后輸出。調(diào)制度大小的調(diào)整、信號的輸出和站型選擇均在大規(guī)模FPGA數(shù)字芯片中完成。

4.2 數(shù)字信號處理單元

數(shù)字信號處理(DSP)單元是模擬器信號處理分機的重要組成部分,主要完成距離、速度的模擬和中頻信號鎖定等功能。為了提高信號處理實時性,同時兼顧信號軟件化處理算法的復(fù)雜程度,采用TMS320C6713作為模擬器DSP處理核心。該芯片是TI公司推出的高性能浮點數(shù)字信號處理器,采用先進的超長指令字結(jié)構(gòu),內(nèi)部有8個獨立功能的運算器,每周期可以執(zhí)行8個32位指令[2]。

為了模擬目標的距離遠近、速度大小、入射電波與天線電軸的方位、俯仰角度偏離量和接收信號的強度等參數(shù),DSP單元根據(jù)監(jiān)控單元送來的模擬數(shù)據(jù),計算出對接收單元的載波鎖定、測距側(cè)音解調(diào)、距離、速度、角度的具體控制量。模擬距離的變化是通過控制測距信號的時延實現(xiàn)的,最大時延和時延精度控制決定了距離的模擬范圍和距離模擬精度。需要考慮徑向速度多普勒頻移的影響,要從載波鎖相環(huán)解出側(cè)音后,必須加上折算到側(cè)音上的多普勒補償頻率,以使距離與速度保持相關(guān)[3]。

目標距離的模擬首先將雷達的測距信號采樣存入雙口RAM中,根據(jù)目標距離對應(yīng)的時延值控制測距信號的提取,進而達到目標距離的模擬[4]。因為運動目標距離與速度是相關(guān)的,因此對上行測距側(cè)音除了延時處理外,還要加上行多普勒頻移引起的距離的變化量;下行側(cè)音要與副載波一起加下行多普勒頻移修正量,以使距離與速度保持相關(guān)。測距側(cè)音延時處理后,調(diào)制在帶雙向多普勒頻率的中頻載波上,通過信道分機變換為攜帶目標距離信息的射頻信號。

CW雷達測速是通過測量收、發(fā)信號的載波多普勒頻移實現(xiàn)的,因此速度模擬就可以通過改變轉(zhuǎn)發(fā)信號的載波頻率實現(xiàn);而加速度模擬時,只要控制載波在一定范圍內(nèi)按照給定的速度掃描即可實現(xiàn)。在信號處理模塊中,載波由直接數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生,通過改變DDS頻率控制字和頻率變化速率,改變轉(zhuǎn)發(fā)載波的頻率和掃描速率,其精度可以達到很高[5]。

4.3 監(jiān)控軟件

模擬器監(jiān)控軟件運行在CPCI工控計算機上。作為CW雷達模擬器的監(jiān)控管理控制程序,它主要完成對信道分機和信號處理分機狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)視、控制及管理;接收CW雷達系統(tǒng)監(jiān)控臺的彈道數(shù)據(jù),管理系統(tǒng)模擬所需的彈道數(shù)據(jù);接收雷達系統(tǒng)監(jiān)控臺或指控中心的模擬啟動命令;負責(zé)彈道數(shù)據(jù)本地坐標轉(zhuǎn)換,具備模擬數(shù)據(jù)處理、各分機參數(shù)狀態(tài)監(jiān)控、模擬演示、訓(xùn)練等功能。

5 結(jié)語

多站制CW雷達目標動態(tài)模擬器設(shè)計兼顧了兩組頻點3個工作站型,為多站連續(xù)波測量系統(tǒng)目標模擬聯(lián)試提供了目標動態(tài)信號產(chǎn)生設(shè)備。在單套雷達設(shè)備聯(lián)調(diào)中,模擬器提供目標飛行動態(tài)的回波信號,使雷達形成上、下行信號閉環(huán),距離模擬誤差小于7 m,速度模擬誤差小于0.01 m/s,滿足CW雷達動態(tài)性能測試要求。在多站連續(xù)波測量系統(tǒng)模擬聯(lián)試中,遠端站點的CW雷達接收同步時間信號和啟動命令,模擬器為對應(yīng)CW雷達提供目標動態(tài)回波信號,實現(xiàn)了多站測量系統(tǒng)的準動態(tài)模擬聯(lián)試。

設(shè)計中采用固態(tài)化、數(shù)字化與軟件化技術(shù),設(shè)備的集成度高,減少了器件之間的相互連接。模擬器可方便地介入或脫離雷達系統(tǒng)工作,在雷達動態(tài)性能檢測和多站連續(xù)波測量系統(tǒng)模擬聯(lián)試中起到了重要作用。

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[2]Texas Instrument Corp.TMS320C6713 data sheet[M].Texas:Texas Instrument Corporation,2001.

[3]Bassem R Mahafza.雷達系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].2版.陳志杰,羅群,沈齊,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2008.Bassem R Mahafza.Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB[M].2nd ed.Translated by CHEN Zhi-jie,LUO Qun,SHEN Qi.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008.(in Chinese)

[4]張永偉.一種新型雷達模擬器的設(shè)計[J].艦船電子對抗,2008,31(2):56-59.ZHANG Yong-wei.Design of a kind of new radar simulator[J].Shipboard Electronic Countermeasure,2008,31(2):56-59.(in Chinese)

[5]劉琪芳,姚金杰.基于DDS技術(shù)的多普勒信號模擬器設(shè)計[J].計算機測量與控制,2010,18(1):144-149.LIU Qi-fang,YAO Jin-jie.Design of Dopple Signal Emulator Basedon DDS Technology[J].Computer Measurement&Control,2010,18(1):144-149.(in Chinese)