易 磊，嚴(yán)宜強(qiáng)，李 淼

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

目標(biāo)模擬器是武器系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的重要組成部分。近年來隨著針對武器裝備實(shí)戰(zhàn)化的要求的提出，帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器被更多地應(yīng)用于武器裝備半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，干擾類型包括速度拖引、距離拖引、噪聲干擾及各種復(fù)合干擾等[1-2]，部分雷達(dá)型目標(biāo)模擬器還具備模擬如地雜波、海雜波、其他干擾源等復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬功能[3]。

隨著目標(biāo)模擬器功能的不斷完善，也需要不斷提升與之相匹配的校準(zhǔn)能力，而目前國內(nèi)尚無針對雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)規(guī)范。帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的輸出信號(hào)中既包含目標(biāo)信號(hào)也包含干擾信號(hào)，行業(yè)內(nèi)通?；跇?biāo)準(zhǔn)儀器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的校準(zhǔn)。目標(biāo)信號(hào)包含距離、速度、幅度等參數(shù)信息：距離參數(shù)通過示波器在時(shí)域測試中獲得，等效計(jì)算到目標(biāo)距離上；幅度參數(shù)通過頻譜分析儀或功率計(jì)直接測試得到；速度參數(shù)通過測試多普勒頻率獲得，等效計(jì)算到目標(biāo)速度上[4]；部分具有多通道相參功能的目標(biāo)模擬器，基于網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)通道間幅相一致性的測試[5]。當(dāng)前目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)的難點(diǎn)主要集中在干擾信號(hào)特性分析上：對于部分干擾模式，如應(yīng)答式干擾或阻塞式干擾，還可以基于頻譜分析儀獲取干擾信號(hào)特征[6]；但對于速度拖引、距離拖引、地海雜波等干擾模式，由于其干擾信號(hào)屬于時(shí)變信號(hào)或時(shí)頻特征信號(hào)，單純地從頻域或時(shí)域分析，難以有效表征干擾信號(hào)特征。目前國內(nèi)外較為常見的作法，是基于假設(shè)檢驗(yàn)的方法，評(píng)估干擾模型結(jié)果與目標(biāo)模擬器實(shí)際輸出結(jié)果的一致性[7-9]，但這種方法只能用于定性分析，無法準(zhǔn)確評(píng)判目標(biāo)模擬器的性能。

本文針對帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器，在分離目標(biāo)信號(hào)與干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上，基于軟件無線電的思想開展校準(zhǔn)技術(shù)研究，通過預(yù)設(shè)模型解算還原干擾信號(hào)的方式，實(shí)現(xiàn)帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)[10-12]。

1 雷達(dá)型目標(biāo)模擬器工作原理

雷達(dá)型目標(biāo)模擬器工作原理如圖1所示，雷達(dá)探測信號(hào)進(jìn)入目標(biāo)模擬器后，經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)為中頻信號(hào)，進(jìn)入基帶信號(hào)產(chǎn)生與正交調(diào)制單元，在原探測信號(hào)基礎(chǔ)上生成了包括目標(biāo)速度信息、距離信息以及干擾信號(hào)與戰(zhàn)場環(huán)境信息在內(nèi)的基帶回波信號(hào)，經(jīng)上變頻單元混頻輸出至發(fā)射天線。

圖1 雷達(dá)型目標(biāo)模擬器原理圖

基帶信號(hào)產(chǎn)生與正交調(diào)制單元是雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的核心模塊，其基于DRFM（數(shù)字射頻存儲(chǔ)器，以下簡稱DRFM）技術(shù)，通過對中頻信號(hào)的高速采樣、存儲(chǔ)、處理和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)中頻注入式雷達(dá)回波信號(hào)的模擬。DRFM中內(nèi)置多種目標(biāo)與干擾信號(hào)模型，可根據(jù)需要生成所需的各種目標(biāo)與干擾信號(hào)，進(jìn)行基帶數(shù)字信號(hào)合成處理，模擬目標(biāo)信號(hào)相對雷達(dá)發(fā)射載頻的幅度、延遲、多普勒頻率的變化，產(chǎn)生單重或雙重欺騙式干擾信號(hào)及各種組合式干擾信號(hào)等[13-15]。

2 校準(zhǔn)裝置研建

目標(biāo)模擬器最終輸出的微波信號(hào)分兩路：其中一路進(jìn)入變頻單元下變頻為中頻信號(hào)，然后進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集單元，將中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，最后基于基帶數(shù)據(jù)的分析、解算，評(píng)價(jià)目標(biāo)信號(hào)與干擾信號(hào)的性能[4]；另一路直接進(jìn)入信號(hào)分析儀，完成部分目標(biāo)模擬器性能參數(shù)的校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)系統(tǒng)中微波源的輸出信號(hào)用來模擬雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)，該信號(hào)饋送至目標(biāo)模擬器的射頻輸入端，脈沖源的輸出模擬發(fā)射機(jī)的脈沖調(diào)制信號(hào)，目標(biāo)模擬器參照設(shè)定要求生成帶干擾的回波信號(hào)，按照不同頻段分兩路輸出。

信號(hào)分析儀用于在頻域分析目標(biāo)模擬器輸出的回波信號(hào)，完成目標(biāo)特性的分析，涉及功率、頻率、調(diào)制等參數(shù)；測控單元包括雙路變頻單元、快速測頻機(jī)、捷變頻頻綜、高速數(shù)據(jù)采集單元、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)單元等，主要實(shí)現(xiàn)雙頻段的下變頻，并將下變頻后的信號(hào)按工作流程要求送至高速數(shù)據(jù)采集單元；高速數(shù)據(jù)采集單元用于在時(shí)域采樣速度拖引信號(hào)、距離拖引信號(hào)和噪聲信號(hào)等干擾信號(hào)，瞬時(shí)帶寬可達(dá)1 GHz，能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)干擾工作周期內(nèi)的大容量采樣數(shù)據(jù)；工控機(jī)內(nèi)置I/O、RS485、LVDS、光纖卡及GPIB等板卡，用于整個(gè)裝置的功能設(shè)置、通信控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算分析、報(bào)告生成等。

帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)系統(tǒng)基于軟件無線電思想，通過采樣、數(shù)據(jù)分析可以獲取目標(biāo)信號(hào)脈沖延遲、PRF(脈沖重復(fù)頻率，以下簡稱PRF)和脈沖前后沿等參數(shù)數(shù)據(jù)。將采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)設(shè)干擾信號(hào)模型分析，可以得到干擾信號(hào)的拖引周期、駐留時(shí)間、拖引速度、拖引多普勒頻偏、距離拖引時(shí)延等參數(shù)，對照相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，可判斷目標(biāo)模擬器的技術(shù)狀態(tài)是否滿足要求。

3 數(shù)據(jù)采樣與存儲(chǔ)

3.1 數(shù)據(jù)采樣平臺(tái)

校準(zhǔn)系統(tǒng)中的基帶處理單元部分基于QPlat平臺(tái)，QPlat平臺(tái)是在集成了XILINX公司的system generator與ISE開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，結(jié)合了部分系統(tǒng)API函數(shù)開發(fā)的專用數(shù)據(jù)采樣平臺(tái)，便于以模塊化與可視化的方式進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采樣的靈活配置與實(shí)時(shí)控制?；鶐幚韱卧M(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以看做是被校準(zhǔn)目標(biāo)模擬器DRFM的逆運(yùn)算，當(dāng)被測對象開始釋放回波的時(shí)候同時(shí)也向校準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)送同步信號(hào)，校準(zhǔn)系統(tǒng)自動(dòng)接收同步信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)信號(hào)，基帶處理單元負(fù)責(zé)存儲(chǔ)回波信號(hào)數(shù)據(jù)，時(shí)標(biāo)以同步信號(hào)為準(zhǔn)，同步信號(hào)可以是幀同步信號(hào)也可以是脈沖信號(hào)，校準(zhǔn)系統(tǒng)可以同時(shí)使用多個(gè)同步信號(hào)來保證數(shù)據(jù)流的時(shí)標(biāo)對齊，并引入修正參數(shù)實(shí)時(shí)修正因校準(zhǔn)電纜、接頭等因素引入的時(shí)標(biāo)誤差。

3.2 數(shù)據(jù)采樣

數(shù)據(jù)采樣采用數(shù)字正交采樣技術(shù)，該技術(shù)可以完整保留信號(hào)復(fù)包絡(luò)的幅度、相位等信息，其原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字正交采樣原理圖

雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為一個(gè)窄帶信號(hào)，假設(shè)為：

經(jīng)AD采樣后，變成數(shù)字信號(hào)：

通過混頻技術(shù)，可得到信號(hào)的正交變量，數(shù)字信號(hào)正交混頻的I路可表示為

Q路可表示為

兩路信號(hào)經(jīng)正交混頻后，進(jìn)行低通濾波，濾除多余的頻率后，抽取輸出IQ信號(hào)。

時(shí)域信息由數(shù)據(jù)采樣和存儲(chǔ)的節(jié)拍決定，如信號(hào)不延遲，采樣到的數(shù)字序列信號(hào)在存儲(chǔ)器中無操作，如圖3中1所示；信號(hào)延遲t，采樣到的數(shù)字序列信號(hào)在存儲(chǔ)器進(jìn)行空間移位操作，直到第m個(gè)空間取出，如圖3中2所示；如信號(hào)延遲t+Δt，采樣到的數(shù)字序列信號(hào)在存儲(chǔ)器進(jìn)行空間移位操作，直到第m+m'個(gè)空間取出，如圖3中3所示。

其中：

圖3 數(shù)字序列在存儲(chǔ)器中的操作圖

式中：R——目標(biāo)與雷達(dá)的距離；

c——光速；

t_clock ——時(shí)鐘周期。

當(dāng)X0從m中取出時(shí)，信號(hào)產(chǎn)生延遲mt_clock=t，由于施加了干擾，X0從m+m'中取出，信號(hào)延遲（m+m'）t_clock=t+Δt，根據(jù)Δt的變化可以解算出距離拖引干擾信號(hào)的干擾拖引周期、干擾駐留時(shí)間、拖引時(shí)延、拖引速度等參數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)信號(hào)流程如圖4所示，經(jīng)過離散后的數(shù)字信號(hào)以定義好的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在基帶處理單元中的閃存陣列中，系統(tǒng)采樣率最低2 MHz，最高可達(dá)2.4 GHz，可以滿足不同目標(biāo)模擬器測量準(zhǔn)確度的要求。由于采樣率和采樣時(shí)長的不同，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件的大小也不同，如果是低采樣率的數(shù)據(jù)文件，可以直接調(diào)用主板機(jī)資源進(jìn)行處理，如果采樣率過高，或是采樣時(shí)長過長，就需要通過光纖將采樣數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)中，充分利用上位機(jī)資源進(jìn)行分析解算，這樣的數(shù)據(jù)處理方法可以縮短解算時(shí)間，提高系統(tǒng)效率。

圖4 數(shù)據(jù)信號(hào)流圖

4 基于固有模型的參數(shù)解算

4.1 干擾信號(hào)模型分析

以速度拖引干擾為例，已知目標(biāo)回波模型為：

式中：Ar——目標(biāo)回波信號(hào)的幅度；

f0——載頻頻率；

fd——多普勒頻率；

c——光速；

R(t)=R0-vt——目標(biāo)與雷達(dá)徑向距離；

R0——目標(biāo)與雷達(dá)初始距離；

v——目標(biāo)與雷達(dá)相對速度。

速度拖引干擾（VGPO）也稱速度波門拖引干擾，其干擾模型[16]為：

式中：As——速度拖引干擾的幅度；

f0——載頻頻率；

fd——多普勒頻率；

c——光速；

Δfd(t)——多普勒頻移。

其中vf為勻速拖引時(shí)的速度。

帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器按上述模型生成目標(biāo)與干擾信號(hào)，由上述公式知道，目標(biāo)與干擾均是時(shí)間t的函數(shù)，根據(jù)仿真或試驗(yàn)需要，設(shè)置幅度A、目標(biāo)與雷達(dá)初始距離R0、目標(biāo)與雷達(dá)相對速度v、拖引速度vf等參數(shù)，在干擾模擬源的DRFM中按照上述函數(shù)關(guān)系，采用FPGA實(shí)時(shí)計(jì)算，即可生成目標(biāo)信號(hào)Sr(t)與干擾中頻基帶信號(hào)Ss(t)。

4.2 信號(hào)解算

信號(hào)解算基于Matlab實(shí)現(xiàn)，以速度拖引干擾為例，通過讀入預(yù)先定義好的Dat格式數(shù)據(jù)文件，以1 ms時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)篩選，形成離散的數(shù)據(jù)序列，對關(guān)心的關(guān)鍵數(shù)據(jù)段和數(shù)據(jù)起始點(diǎn)進(jìn)行選取，匹配預(yù)設(shè)的速度拖引干擾數(shù)據(jù)模型，借助FFT工具包，就可以解算出目標(biāo)信號(hào)與干擾信號(hào)。

校準(zhǔn)系統(tǒng)在分析模擬源實(shí)際輸出的目標(biāo)信號(hào)與干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過得到Δfd(t)、Δ(t)在時(shí)間軸上的變化曲線，即可解算出拖引周期、保持時(shí)間、多普勒頻偏、拖引速度及距離時(shí)延等參數(shù)，如圖5所示。

圖5 速度拖引干擾多普勒曲線變化示意圖

4.3 校準(zhǔn)結(jié)果

選取一臺(tái)典型的帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器進(jìn)行校準(zhǔn)，并對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，這里給出捕獲時(shí)間、拖引時(shí)間、保持時(shí)間與關(guān)機(jī)時(shí)間的不確定度評(píng)定過程如下：

分析上述參數(shù)的測量結(jié)果的影響因素，有部分因素影響較小，如AD轉(zhuǎn)換信噪比、轉(zhuǎn)換速率、量化靈敏度等，這里不予考慮；AD芯片采集過程中的窗口值，在單次采集過程中是保持不變的，因此對于上述延時(shí)類參數(shù)的測量結(jié)果不會(huì)引入不確定度分量；被校目標(biāo)模擬器性能穩(wěn)定，多次校準(zhǔn)結(jié)果一致性較好，因此不考慮測量結(jié)果重復(fù)性的影響。綜合考慮，上述參數(shù)測量結(jié)果的主要不確定度分量有如下5個(gè)方面：

1）AD采集時(shí)序引入的不確定度分量u1；

2）連接電纜延遲補(bǔ)償測量結(jié)果引入的不確定度分量u2；

3）脈沖重復(fù)頻率（PRF）起始點(diǎn)定位準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u3；

4）脈沖上升下降沿坐標(biāo)定位準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u4；

5）模型解算取樣周期引入的不確定度分量u5。

AD采集時(shí)序引入的不確定度分量取決于參考時(shí)鐘，本系統(tǒng)參考時(shí)鐘源于外部微波信號(hào)源提供的10 MHz參考信號(hào)，其頻率準(zhǔn)確度為3×10-8，AD時(shí)鐘為2.4 GHz，服從均勻分布，因此引入的不確定度分量為：

連接電纜延時(shí)數(shù)據(jù)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B測得，測試頻率孔徑設(shè)置為40 MHz，服從均勻分布，參照E8363B技術(shù)手冊，延時(shí)數(shù)據(jù)引入的不確定度分量為：

脈沖重復(fù)頻率（PRF）起始點(diǎn)定位準(zhǔn)確度與脈沖上升下降沿坐標(biāo)定位準(zhǔn)確度引入的不確定度分析方法相同，在脈沖前后沿模數(shù)轉(zhuǎn)化量化過程中，設(shè)置采樣率為10 MHz，最大量化差異為一個(gè)采樣點(diǎn)，服從均勻分布，其引入的不確定度分量為：

模型解算取樣周期，是參照校準(zhǔn)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求與計(jì)算時(shí)間綜合確定，算法最小時(shí)間單元為100 000/采樣率，服從均勻分布，在采樣率設(shè)置為10 MHz的情況下，計(jì)算模型解算取樣周期引入的不確定度分量為：

上述分量相互獨(dú)立互不相關(guān)，取k=2,計(jì)算擴(kuò)展不確定度為：

其他參數(shù)的不確定度評(píng)定參照上述方法進(jìn)行，這里給出一個(gè)典型的帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器主要參數(shù)的校準(zhǔn)結(jié)果，如表1所示。

表1 帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文介紹了一種帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)方法，該方法基于軟件無線電的思想，通過對中頻注入信號(hào)的數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)、分析，參照固有的干擾信號(hào)模型解算出目標(biāo)模擬器的目標(biāo)特性參數(shù)和干擾信號(hào)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了帶干擾雷達(dá)型目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)。該方法靈活性高、擴(kuò)展性好，可應(yīng)用于較為復(fù)雜的目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)目前僅開發(fā)了針對固有模型的干擾信號(hào)分析，對包含如像地雜波、海雜波以及復(fù)雜電磁環(huán)境在內(nèi)的干擾信號(hào)，尚未實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能，這也是該系統(tǒng)后續(xù)功能擴(kuò)展的方向。