姜小祥,劉 溶,沈 磊,翟剛毅

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

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一種相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)回波信號(hào)的實(shí)時(shí)模擬方法

姜小祥,劉 溶,沈 磊,翟剛毅

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

論述了相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)回波信號(hào)的一種實(shí)時(shí)模擬方法。介紹了雷達(dá)回波和差波束模擬的原理以及基于FPGA芯片的實(shí)現(xiàn)。該方法基于線性調(diào)頻脈沖信號(hào),根據(jù)波束指向和目標(biāo)實(shí)際位置的差值實(shí)時(shí)產(chǎn)生和差通道數(shù)據(jù),為雷達(dá)后端的信號(hào)處理提供零中頻I、Q信號(hào),在雷達(dá)前端設(shè)備不具備的條件下對(duì)系統(tǒng)后級(jí)進(jìn)行分析調(diào)試和檢驗(yàn)。

相控陣?yán)走_(dá);目標(biāo)回波;回波模擬;和差波束

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)回波信號(hào)模擬主要是當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)在不具備實(shí)際接收前端的情況下模擬相控陣?yán)走_(dá)回波和差通道數(shù)據(jù),對(duì)雷達(dá)的信號(hào)處理、目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤等分系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證和聯(lián)合調(diào)試。本文描述的模擬雷達(dá)回波和差波束信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)回波信號(hào)的模擬并實(shí)時(shí)輸出零中頻I、Q數(shù)據(jù),直接與信號(hào)處理設(shè)備對(duì)接。該模擬數(shù)據(jù)可直接用于信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理的流程中。該方法為雷達(dá)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用,成為雷達(dá)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)、評(píng)估的重要技術(shù)手段。

為保證模擬信號(hào)輸出的實(shí)時(shí)性,本文描述的模擬雷達(dá)回波和差波束信號(hào)的方法基于FPGA芯片,硬件資源需求少,可實(shí)時(shí)完成多組和差波束數(shù)據(jù)的模擬。該方法避免了常用方法中FPGA與DSP間的數(shù)據(jù)傳輸開銷,降低了處理時(shí)間及系統(tǒng)復(fù)雜度,充分發(fā)揮FPGA執(zhí)行硬件時(shí)序快速高效的特點(diǎn),滿足了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的實(shí)際工程需求。

1 點(diǎn)目標(biāo)回波原理

(1)

角度測(cè)量是相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基本任務(wù)[3]。相控陣的和差單脈沖測(cè)角方法可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)向和跟蹤。和差測(cè)角主要通過(guò)比較兩個(gè)波束回波的幅度與相位判斷目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的方向及偏離大小。工程上,在目標(biāo)測(cè)角和跟蹤時(shí),通過(guò)查找和差比值表,由和差比值R可以得到偏角大小,并根據(jù)和差波束間的相位得到目標(biāo)方向[4]:

(2)

綜上所述,在模擬和差通道數(shù)據(jù)時(shí),根據(jù)目標(biāo)實(shí)際方向和波束指向的偏角大小逆向查表可得到和差比R,和波束數(shù)據(jù)乘以比值R即可得到差波束數(shù)據(jù)。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)方案

目標(biāo)回波和差波束信號(hào)模擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。首先,FPGA接收波束控制模塊送來(lái)的雷達(dá)當(dāng)前工作參數(shù)和多個(gè)波束指向參數(shù),并將波束指向與目標(biāo)的方位、仰角、距離、速度等參數(shù)進(jìn)行匹配和裝訂;然后根據(jù)目標(biāo)距離、速度和信號(hào)幅值表,模擬和波束∑信號(hào);其次根據(jù)目標(biāo)實(shí)際位置與波束指向的方位角度差△A和仰角差△E查表可得到△A/∑和△E/∑;最后,將和波束∑信號(hào)與△A/∑和△/E∑加權(quán)得到△A差波束和△E差波束信號(hào),從而完成和差波束實(shí)時(shí)模擬。

圖1 目標(biāo)回波和差波束模擬框圖

2.2 I、Q數(shù)據(jù)產(chǎn)生

線性調(diào)頻的I、Q信號(hào)是通過(guò)FPGA的DDS-IP核實(shí)現(xiàn)。已知系統(tǒng)工作時(shí)鐘fclk,考慮FPGA資源與產(chǎn)生信號(hào)精度和雜散要求,頻率累加器與相位累加器位數(shù)為16位,產(chǎn)生中頻為F0、帶寬為B、脈寬為T0的線性調(diào)頻脈沖信號(hào),起始頻率fstart和頻率步進(jìn)量fstep計(jì)算公式如下[5]:

(3)

(4)

在FPGA軟件編程時(shí)只需計(jì)算起始頻率fstart和頻率步進(jìn)量fstep即可。FPGA將目標(biāo)的距離R、徑向速度vr轉(zhuǎn)換成距離單元延遲τ和多普勒頻率fd。結(jié)合線性調(diào)頻的帶寬B、脈寬T、重復(fù)周期PRT等參數(shù)產(chǎn)生I、Q數(shù)據(jù)。根據(jù)目標(biāo)距離R對(duì)產(chǎn)生的I、Q信號(hào)的幅值進(jìn)行衰減,即遠(yuǎn)距離的目標(biāo)產(chǎn)生的信號(hào)幅度弱,近距離目標(biāo)產(chǎn)生的信號(hào)幅度強(qiáng)。

當(dāng)雷達(dá)的同步觸發(fā)到來(lái)時(shí),FPGA啟動(dòng)距離單元計(jì)數(shù)器,以30m為距離分辨率。當(dāng)計(jì)數(shù)器與目標(biāo)距離單元延時(shí)相等時(shí),啟動(dòng)DDS,其起始頻率控制字由fstart和多普勒頻率fd決定,頻率步進(jìn)量為fstep。同時(shí),啟動(dòng)脈沖寬度計(jì)數(shù)器,并對(duì)產(chǎn)生的I、Q信號(hào)進(jìn)行幅度加權(quán)。當(dāng)脈寬計(jì)數(shù)器等于脈寬T時(shí),停止DDS。當(dāng)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的目標(biāo),尤其是兩個(gè)目標(biāo)交匯的特殊情況,則分別產(chǎn)生每個(gè)目標(biāo)的I、Q信號(hào),再將信號(hào)進(jìn)行疊加產(chǎn)生最終的和波束∑信號(hào)。

△A差波束和△E差波束信號(hào)通過(guò)和波束∑信號(hào)與△A/∑和△E/∑加權(quán)得到。和差波束比值是在正弦空間坐標(biāo)下產(chǎn)生的,故需要將目標(biāo)、波束指向的方位、仰角轉(zhuǎn)化為正弦空間坐標(biāo)系。正弦空間是單位球面在陣列平面的投影。修正球坐標(biāo)系(r,Az,El)與正弦空間坐標(biāo)系(r,Tx,Ty)轉(zhuǎn)換關(guān)系如下[6]:

(5)

式中,Az為修正坐標(biāo)下方位角,El為修正坐標(biāo)俯下仰角,r是原點(diǎn)到目標(biāo)的徑向距離,Ep為陣面傾角。

將波束指向的方位、仰角轉(zhuǎn)化為正弦空間坐標(biāo)系Tx0、Ty0,目標(biāo)實(shí)際方位、仰角轉(zhuǎn)化為正弦空間坐標(biāo)系下Tx、Ty,則有

(6)

根據(jù)△Tx、△Ty值與方位、仰角差比和曲線可獲取差波束比和波束的比值△A/∑和△E/∑。方位角、仰角差比和曲線見圖2。因FPGA支持定點(diǎn)數(shù)據(jù),將差比和比值進(jìn)行擬合,得到差比和的比值△A/∑和△E/∑。擬合曲線見圖2。

圖2 方位、仰角和差比值曲線

2.3 隨機(jī)噪聲

噪聲通過(guò)偽隨機(jī)序列的方式產(chǎn)生。8位偽隨機(jī)序列實(shí)現(xiàn)方法如下:

圖3 噪聲產(chǎn)生框圖

2.4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中通過(guò)ChipScope分析工具采集FPGA輸出數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行分析。圖4為波束方位中心指向?yàn)?3.80°、波束仰角中心指向?yàn)?.99°、目標(biāo)實(shí)際方位為14.99°、目標(biāo)實(shí)際仰角0.66°時(shí)和差波束數(shù)據(jù)。

圖4 和差波束I、Q數(shù)據(jù)

圖5 和差波束脈壓結(jié)果

圖5為圖4中信號(hào)進(jìn)行脈壓后的結(jié)果。由圖看出該方法模擬產(chǎn)生的和波束、方位差以及仰角差波束數(shù)據(jù)滿足要求的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了一種相控陣?yán)走_(dá)回波和差波束信號(hào)模擬方法。該方法是基于線性調(diào)頻脈沖信號(hào),實(shí)現(xiàn)了對(duì)相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)回波零中頻信號(hào)的模擬。整個(gè)系統(tǒng)FPGA為核心器件,可實(shí)時(shí)完成和差波束I、Q信號(hào)模擬,硬件資源需求少,實(shí)時(shí)性強(qiáng),處理時(shí)間短及系統(tǒng)復(fù)雜度低。該方法已通過(guò)測(cè)試,滿足雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際工程需求。

[1] 瞿冬霞.LFM脈沖雷達(dá)回波模擬和處理的研究[D]. 南京理工大學(xué)學(xué)位論文,2010:6-8.

[2] 張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:219-226.

[3] 王雪松,肖順平,等.現(xiàn)代雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:191-206.

[4] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:200-237.

[5] 邱軍海,宋杰,關(guān)鍵,唐小明.一種基于FPGA技術(shù)的雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法[J].電子工程師,2006(9):4-7.

[6] 翟剛毅.二維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)內(nèi)嵌式目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2015(1):39-41.

A real-time simulation method of target echo signals for phased array radar

JIANG Xiao-xiang, LIU Rong, SHEN Lei, ZHAI Gang-yi

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A real-time simulation method of the target echo signals for the phased array radar is discussed. The principle of the sum and difference beam simulation of radar echoes and the implementation based on the FPGA are introduced. The data of the sum and difference channels are generated in real-time according to the difference between the beam pointing and the actual position of the target based on the chirp pulse signals, and the back-end equipment of the radar system is provided with zero IF I and Q signals for signal processing. The radar system can be analyzed, debugged and tested without the front-end equipment.

phased array radar; target echo; echo simulation; sum and difference beam

2016-08-30;

2016-09-20

姜小祥(1984-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理;劉溶(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理;沈磊(1983-),男,工程師,碩士,研究方向:數(shù)字電路及T/R組件設(shè)計(jì);翟剛毅(1978-),男,研究員,研究方向:雷達(dá)信息處理。

TN958.92

A

1009-0401(2016)04-0022-03