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国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表l 距离分辨力和脉冲宽度对应关系6 表2f i f o 端口对应关系 1 2 】2 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1合成阵列示意图【7 图2 空间几何关系9 图3s a r 发射和接收信号1 0 图4 直接数字频率合成法原理框图1 3 图5 直接数字波形合成法原理框图1 3 图6 基带信号示意图1 4 图7 基带信号产生原理1 7 图8f p g a 内部数据总线连接示意图1 8 图9 模拟器系统设计框图1 8 图1od a c 时钟与数据时序2 3 图1 1d a c 前端p c b 布线。2 3 图1 2f l a s h 的页内结构【13 1 2 3 图1 3f l a s h 的块结构 1 3 】2 4 图1 4e c c 字节组成2 4 图1 5e c c 算法结构【13 1 。：二2 5 图1 6f l a s h 基本操作时序【1 1 1 2 6 图1 7f l a s h 编址示意图2 7 图1 8u s b 芯片工作方式2 7 图1 9 液晶显示效果2 9 图2 0 波形数据加载界面。3 1 图2 l默认参数加载界面3 2 图2 2 工作参数加载介面3 2 图2 3 连机时数据传输3 3 图2 4 异步读u s b 时序 1 2 】。3 4 图2 5写f l a s h 时序】3 4 图2 6 异步写u s b 时序【1 2 1 3 5 图2 7 读f l a s h 时序【1 1 1 3 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 图2 8 独立工作时数据传输路径3 6 图2 9 双缓冲方式一3 6 图3 0f p g a 内部缓冲结构3 7 图31 正交调制模型4 0 图3 2 测试系统测试框4 3 图3 3 i 、q 路锯衡基带信号4 4 图3 4 i 、q 路线性调频基带信号4 4 图3 5加载线性调频信号输出中频信号波形4 5 图3 6 中频信号频谱4 5 图3 7 射频信号频谱4 6 图3 8 模拟器内部结构4 8 图3 9 信弓模拟模块4 8 图4 0 模拟器前面板4 9 图4 l 脉压效果图5 0 图4 2 点目标成像图5l 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：曼旦选搓垫墨遮垃堑塞理 学位论文作者签名： 二垒兰立盈日期：绷年，f 月，4 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 墨曼回达搓拯墨遮i 土童塞理 学位论文作者签名：一丛三盂红 日期：九力y 年，f 月，丫日 作者指导教师签名：主坦竺日期：怠叼各年t 1 月7 甲日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 合成孔径雷达( s a k ) 是一种高分辨率成像雷达，采用相干雷达系统和运动中的 单个天线模拟真实线性天线阵列，可以获得高分辨率的地物图像【1 1 。由于其全天时、 全天候、高分辨率的特点在军事和民用领域得到了越来越广泛的应用。 1 1 研究背景及意义 合成孔径雷达( s a r - - 二- - s y n t h e t i ca p e r t u e rr a d a r ) 通过距离向的脉冲压缩和方位 向的匹配滤波可以获得距离向和方位向二维的高分辨率图像，另外它还具有可见 光、红外传感器所不具备的全天候工作能力以及穿透一定覆盖物的能力。这些特 点使它在灾害检测、环境检测、海洋观测、农作物估产、森林调查、测绘和军事 等方面的应用具有独特的优势。 合成孔径雷达系统是利用目标与雷达的相对运动，通过单一阵元来完成空间 采样的，以单阵元在不同相对空间位置上所接收的回波时间采样序列去取代由阵 列天线所获取的波前空间采样集合【3 】。利用目标与雷达相对运动形成的轨迹来构成 一个合成孔径以取代庞大的阵列实孔径，从而保持优异的角分辨力。其方位分辨 力与波长和斜距无关，是雷达成像技术的一个飞跃，这在军事上具有巨大的吸引 力。一个典型的应用就是超宽带( u w b ) s a r ，它能够穿透叶簇、浅地表探测隐 蔽目标，使得目标的跟踪不受环境及周围障碍物的影响。 随着s a r 成像基础研究逐步完善，大量的星载、机载s a r 系统研制成功与应 用，并且由于多频、干涉、多极化等技术的采用，使s a r 的研究更加深入和实用。 在s a r 的研究过程中，由于其成像原理复杂，数据获取困难及成像设备庞大、昂 贵，成像和误差校正处理有很大难度和复杂度，因此，在s a r 系统设计、成像算 法研究等领域需要各种符合特定参量要求的s a r 原始回波数据。这些数据全部通 过雷达载体飞行获得往往不切实际，而且已有的实测回波数据无法代替所有情况 下研究所需要的数据，所以通过模拟来获得所需回波数据是一个重要的途径。回 波模拟器以实测或者理想数据为原型，在其上附加载体飞行过程中的飞行姿态， 就能够模拟真实情况下雷达接收的回波，节省了试验成本，增加了研制的灵活性。 所以，在研制s a r 的过程中，回波信号模拟器是不可或缺的设备，它以灵活的方 式产生各种回波信号，有助于雷达的地面调试，对其设计、调试、性能评估等都 有重要的意义。 本课题旨在研制一种大数据量、高速的s a r 目标模拟器，具有视频、中频和 射频多种回波信号输出。该模拟器具有标准的输入输出接口，可直接应用于s a r 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 系统的研制，调试。 1 2 发展概况 雷达模拟器的发展从雷达产生之后就开始了。最初的模拟器结构简单，功能 单一，只能模拟很小部分雷达的回波，且回波形式简单。随着数字技术的发展， 雷达回波模拟器得到了长足的进步，主要是d d s 等技术的发展，对回波模拟的进 步起到了巨大的作用。 1 2 1 国外发展概况 最早的雷达模拟器是2 0 世纪5 0 年代rk m o o r e 在k a n s a s 大学用水箱和压电传 感器完成的声学仿真器1 2 1 ，它复现了雷达信号的传播、延迟、反射与接收。在后 来的半个世纪里，随着大规模集成电路、计算机技术、数字信号处理技术和雷达 技术的发展，雷达系统模拟领域也有了飞速发展。国外有关雷达模拟器研究的报 导很多，有许多公司专门从事雷达模拟器研究，下面列举几种有代表性的雷达模 拟器产品【3 j ： ( 1 ) 美国k o r e l e c t r o n i c s 公司的数字化雷达环境模拟器d i g i t a l r a d a r e n v i r o n m e n t s i m u l a t o rd r e s ，采用了v m e 总线结构和多处理器结构等最新的计 算机和d s p 技术，系统模块化设计，可以同时产生大量高度逼真的目标、杂波和 干扰回波，能够提供数字、中频、射频形式的雷达回波信号。 ( 2 ) 美国m a l i b u r e s e a r c h 公司开发的用于a n t p q 3 6 和a n t p q 3 7 迫击炮火 控相控阵雷达的雷达环境模拟器r e s ，该设备由一台计算机和雷达信号模拟器构 成。r e s 可以为雷达的调试和测试提供数字、视频、中频、射频形式的信号，其 天线模型包括电扫描和机械扫描等各种扫描技术，模拟的雷达回波环境包括目标、 噪声、杂波( 地、海、气象) 、电子战、欺骗干扰等。 ( 3 ) 美国s e n s i s 公司为a n t p s 5 9 远距离警戒雷达研制的雷达环境模拟器，由 一台s o l a r i ss p a r ev 2 6 工作站和一组雷达模拟器设备组成。可以根据预先设定的雷 达回波环境为a n t p s 5 9 雷达实时提供包含目标、杂波和电子对抗信息在内的射 频信号，以满足雷达工程设计验证、测试和调试的需要。可在实验室、工厂、训 练和外场中建立任意雷达环境，能够根据用户设置可以同时模拟多达3 0 个目标。 目标可以有闪烁、起伏、不同轨迹等特性，可通过设置杂波区、多普勒频移、风 向、起伏、空间分布等参数模拟气象杂波、地杂波、海杂波和干扰：提供天线以逼 真地模拟实战场景。 ( 4 ) h p 公司利用其专用设备和专利产品生产了基于并行f a s s ( f r e q u e n c ya g i l e s i g n a ls i m u l a t o r ) 的x 波段雷达动目标信号模拟器，可以输出9 11 g h z 的2 g h z 带 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 l u l l 宽射频信号，同时产生和、方位差和俯仰差三个通道的目标信号。 ( 5 ) 美国t c s 公司有2 0 多年的雷达环境模拟器研发历史，该公司用l a b v i e w 开发基于p c 机的产品r e s 2 0 0 0 可以为雷达提供包含目标、杂波和干扰信息的数 字、中频、射频测试信号。t c s 在2 0 0 1 年为美国海军s p s 4 9 雷达开发的包括 r e s 2 0 0 0 在内的雷达评估工具r a d a re v a l u a t i o nt 0 0 1 r e t 可以检测和定位雷达运 行故障，模拟杂波和目标信号并以射频信号的方式提供给雷达。r e t 也可以从 s p s 4 9 数据处理链路的各个环节提取原始数据以供保存和分析。 从上面的例子可以看出，国外对雷达信号模拟器的研究做得比较全面，多采 用软硬件相结合的设计方式，系统具有很强大的功能，涵盖范围广，但是系统庞 大，操作复杂。 1 2 2 国内发展情况 国内从9 0 年代开始相继有很多有关雷达信号模拟器的研究报告，有很多单位 研制出了各种类型的雷达模拟器【5 】。 北航和航空部6 0 1 所于1 9 9 4 年研制了一种通用型p d 雷达目标模拟器，采用 两台高稳定度且具有外时基功能的频率合成微波信号源作为回波信号和杂波信号 载波源，通过计算机控制视频脉冲延时和多普勒频移，模拟了雷达与目标之间的 不同距离及相对速度。模拟器收发共用一副天线，天线安装在可旋转机构上，以 检测雷达角度跟踪能力。 电子部1 0 所于1 9 9 4 年采用单片t m s 3 2 0 c 2 5 实现的高精度全可编程雷达视频 回波模拟仪，可在视频上模拟正交的带限噪声、杂波( 立方谱、高斯谱和指数谱) 和各种频率的多普勒目标回波信号。 中科大电子工程系于2 0 0 0 年研制的毫米波目标模拟器主要包括主控计算机、 目标模拟器( 基带合成) 、射频分机、运动支架结构和飞行转台等部分，可以为线性 调频连续波( l f m c w ) 和连续波( c 、7 i ，) 体制雷达提供相干的毫米波模拟回波信号 ( 3 5 g i - i z ，带宽 8 0 0 m h z ) ，回波具有1 0 0 d b 动态范围和0 1 d b 步进量。 国内雷达信号模拟器技术的发展，在过去的十几年里有了长足的进步，我国 已经在雷达信号模拟的理论研究、设计实现等方面做了大量的工作，取得了一些 令人瞩目的成果。 从以上的例子可以看出无论国外，国内都将提升系统性能，增大系统的适应 性作为研究的重点，导致研制的产品体积庞大，转移困难，针对性差。能够研制 出体积小，系统灵活，针对性强的设备成为各方面关注的焦点。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 1 主要研究内容及思路 1 3 本文的主要工作 本文以s a r 回波模拟器的设计与实现为对象。首先，对s a r 体制进行简单的 介绍，分析s a r 的回波形式，指出其特点；然后分析系统设计要求，指出设计中 的难点，寻求解决方案；接下来确定系统结构，选定器件，分析器件的性能；最 后进行系统的软硬件设计、调试、改进、测试，给出了测试结果，并简单介绍了 该模拟器在两个雷达系统中的具体应用。 1 3 2 各章节内容安排 根据以上研究内容和思路，本文的主要研究工作如下： 1 s a r 回波的模拟方法( 第二章) 分析s a r 的特点，给出回波信号的构成，介绍基带信号的特点，产生方式及 用于传输的优缺点，进而提出中频信号的优点，介绍中频信号的特点和用途，指 出系统方案设计中的难点。 2 模拟器系统设计与实现( 第三章) 根据系统设计要求，提出设计方案，比较分析各种器件的优缺点，选定型号， 对器件进行深入的分析，对可能存在的设计关键技术进行深入的研究，针对设计 中存在的疑难点给出解决方案。 3 模拟器系统性能分析及测试( 第四章) 对系统设计中存在的误差进行分析，展示误差带来的影响，针对不同的误差 来源，提出解决方法。针对系统进行全面测试，给出测试结果，并对其进行深入 的分析。并进行横向的比较，总结出优势和不足。 4 工作总结和展望 对本文所做的工作进行总结，并指出进一步研究的方向。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章s a r 回波的模拟方法 雷达发展初期及现有的常规雷达，分辨率较低，这类雷达的主要功能是对目 标检测和跟踪，而现代雷达除了要能检测和测量目标坐标之外还要求能够对目标 类型进行分类和识别。合成孔径雷达( s a r ) 是脱离雷达检测和跟踪功能等常规 用途的最成功的一类雷达。用机载和空载雷达进行合成孔径测绘，可以通过对宽 带反射数据采集和相参处理，提高空间分辨力，获得观测对象的清晰图像，提供 对象的丰富信息【- 2 j 。 s a r 的回波信号是一个线性调频信号，呈现出线性变化的特性。本课题的目 的就是模拟s a r 的回波信号，也就是要模拟线性调频信号。 本章具体内容安排如下：2 1 节将介绍s a r 体制，介绍脉冲压缩和合成孔径 的原理；2 2 节将分析s a r 的回波形式，给出数学表征；2 3 节将给出模拟回波信 号的几种方法，在综合比较这些方法的工作特点的基础上确定本课题中要采用的 方案；2 4 节将分析设计中存在的难点；最后给出本章小结。 2 1s a r 体制介绍 s a r 利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨力，利用合成孔径原理获得高的 方位向分辨力，从而获得大面积高分辨率雷达图像。 雷达距离分辨力是依靠天线产生的短脉冲达到的，是由雷达信号形式的固有 特性决定的。简单矩形脉冲条件下由于脉冲宽度受到制约，从而限制了雷达距离 向上的分辨能力的提高，而对于复杂的脉冲压缩信号而言，在宽脉冲内附加频率 或者相位调制，对其进行匹配滤波处理，可将发射脉冲宽度大幅度提高，增大发 射的平均功率，在接收端经过相应的脉冲压缩算法则可获得窄脉冲，进而提高距 离向上的分辨力。雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：4 = 以d 。 ，1 j 雷达方位向分辨力是依靠天线产生的窄波束达到的，而波束的宽度直接由信 号波长和天线宽度决定，所以提高方位分辨力的常规方法就是针对信号波长和天 线尺寸做文章。但是信号波长有着一定的范围，在某些应用场合，天线尺寸也受 着很大的限制，这使得方位相的分辨力的提高有着很大的局限。美国密西根大学 的一批科学家提出了合成孔径的概念，这种概念是基于天线阵元的发射接收可以 通过分时操作完成，可以将接收到的回波数据信息存储，然后对全部数据进行叠 加处理。这就相当于用一个小天线拼接成为一个长的阵列天线。由于测量过程中 要求天线和被测物体是相对运动的，所以这种雷达一般应用在机载和空载领域。 s a r 回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨力由雷达方位向的多谱勒带 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 宽决定：= 。 2 1 1 脉冲压缩( p c ) 原理 雷达的距离分辨力取决于信号的带宽， 收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲， 统，可达到的距离分辨力为： 脉冲压缩雷达采用宽脉冲发射，在接 提高距离分辨力。对于给定的雷达系 4 = 蠢 ( 2 1 ) 式中瓯表示雷达的距离分辨率，b = z x f 表示雷达发射信号带宽，c 表示光速。 对于简单脉冲雷达b = z x f = 1 r ，t 为发射脉冲宽度。因此对于简单系统则有： 4 = 要 ( 2 2 ) 表l 列出了常用雷达的距离分辨力和脉冲宽度的对应关系。在某些应用领域 需要采用高分辨力雷达获取目标对象的信息。 表l距离分辨力和脉冲宽度对应关系 雷达类型脉冲宽度距离分辨力 远程监视 1 u s2 0 0 m 近程监视 0 4 u s5 0 m 目标截获 o 1 o 2 u s2 0 m 跟踪 5 0 n s1 0 m 高分辨力搜索 2 0 n s4 m 在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位上或者频率上进行调制，接收时将 回波信号加以压缩，使其等效带宽b 满足b = a f 1 r 。令= 1 b ，则2 1 式变 为： 4 = 孚 ( 2 3 ) 式中表示经过脉冲压缩之后的有效宽度，用宽度t 的发射脉冲来获取相当 于发射脉冲有效宽度为气的简单脉冲系统的距离分辨力。则他1 f j 2 _ n 的比值称为 压缩比： d ：三：r b ( 2 4 ) 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 即压缩比等于信号的时宽- 带宽积。由于其等效带宽的大幅度增加，发射脉冲 的有效宽度降低，使得可分辨的最小距离明显降低。 假设压缩网络是无源的，则根据能量守恒定律可知： e = p r = r r o ( 2 5 ) 则： 。= 丢= 专 仁6 ， 即输出脉冲峰值功率b 比输入脉冲峰值功率p 增大d 倍。则对于幅度而言其 输出脉冲幅度增大d 倍。 对于信噪比而言，由于输入噪声具有随机特性，压缩之后噪声将保持原有水 平，所以输出信号的功率信噪比与输入信号的功率信噪比的比值将变为： 鼢= 。( ) ，一 ( 2 7 ) 即信噪比提高了d 倍，也就使得脉冲压缩雷达的探测距离提高d 倍。 脉冲压缩信号具有明显的优点： 1 发射信号采用载频按一定规律变化的宽脉冲，使其脉冲宽度与有效频谱宽 度的乘积b r 1 ，可根据要求，独立选择两个参数以获得更好的战术效果。 在发射机峰值功率受到限制的前提下扩大了雷达的作用距离； 2在接收机中设置匹配滤波网络压缩回波信号，以保持良好的距离分辨力； 3 提高系统抗干扰能力。 2 1 2 合成孑l 径( s a r ) 原理 s a r 的原理就是采用单个天线模拟线性天线阵中所有天线的功能。单个天线 分别占据合成阵列空间的位置，如图1 所示。 一日一 ， ：， ( 一一三 一一 、 、 、 、 、 、； 、 p ， 图1 合成阵列示意图1 】 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 合成孔径雷达的工作方式有正侧视、斜侧视、多普勒波束锐化和聚焦定点照 射多种，但是它们基本原理是相同的，我们就以最常见的正侧视为例简单介绍s a r 的工作原理。侧视方式下雷达天线与飞行航线垂直，向下俯视，目标为点目标， 方位向分辨力被定义为飞行航线上的分辨力。 s a r 模拟的阵列天线在理想情况下的输出可以表示为： = 瞽唧m 张 ) 2 亿8 ， 其中表示实际的电压之和；4 ，表示第n 个阵元的幅值；以表示第1 1 个阵元 到目标的距离；n 表示阵元的数量。 则半功率点波瓣宽度为： o o 5 = 孚 r a d ( 2 9 ) 若阵列对目标的斜距为r ，则其横向距离分辨力为： 正：_ t r 朋 ( 2 1 0 ) 我们用一个小天线在直线上移动，每隔一段距离，小天线发出脉冲，并接收 回波，将其存储起来，一直n 4 , 天线的移动距离相当于阵列大天线的长度时，将 存储起来的回波按矢量相加，理想情况下输出为： = n4 e - j v s x p j ( 私z t ) 2 亿11)n=l= 4 e li 了i 以i ( 2 il“i j 其中k 表示合成阵列输出的电压之和，与2 8 式的区别在于回波是由同一个 天线阵元照射产生。 合成半功率点波瓣宽度近似为相同长度的实际阵列的一半，即： o s2 去r a d ( 2 1 2 ) 厶是合成孔径的有效长度，是目标仍在天线波瓣宽度之内时飞机飞过的距离。 参数“2 的出现是由于天线移动过程中发射接收都会出现相移，而实际阵列系统 则只有接收时才有相移，所以减半。则合成阵列天线比相同长度的实际线性阵列 天线的分辨力好两倍。假设单个天线的水平孔径为d 。，则合成孔径长度为： 厶= 筹 ( 2 1 3 ) 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 方位向分辨力变为： 蟊= 岛尺 ( 2 1 4 ) 综合以上几个公式可以得到： 1 磊= 妄巩 ( 2 1 5 ) 二 从式2 1 5 可以看出，方位向分辨力与距离无关，也不随波长而改变，而且小 的单个天线更能实现高的分辨力，这是由于天线越小，波束宽度越宽，照射的范 围就越大，合成的天线长度就越长。 合成孔径的概念就是用单个小天线来模拟长的阵列天线，由于在运动过程中 不断的接收和存储回波，所以要求s a r 具有大的存储容量，可以累积更多位置的 回波信号，所以我们要完成的模拟器也就有着同样的大数据量存储的要求。下面， 我们将针对雷达回波信号进行分析，解析回波信号的特点。 2 2s a r 回波 以上定性的分析了脉冲压缩技术和合成孔径技术将会带来的距离向和方位向 上的分辨力的改进，下面，我们将定量对其进行分析。分析s a r 点目标回波时， 只讨论正侧视。 正侧视表示s a r 波束中心和s a r 平台运动方向垂直，如图2 所示。 y l s a r ( a ) 正磁圈( b ) 侧说掰 图2 空间几何关系 选取直角坐标系x y z 为参考坐标系，x o y 平面为地平面；s a r 平台距地平 面高h ，沿x 轴正向以速度v 匀速飞行；p 点为s a r 平台的位置矢量，设其坐标 为( x ，y ，z ) ；t 点为目标的位置矢量，设其坐标为( 姊， ，z r ) ；由几何关系，目标与 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 s a r 平台的斜距为： 同= 厄i 万瓦雨而 ( 2 ，6 ) 由图可知：) ，= 0 ，z = 办，勿= 0 ；令x = 1 ，s ，其中1 ，为平台速度，s 为慢时间变 量( s l o wt i m e ) ，假设_ = w ，其中s 表示s a r 平台的x 坐标为坼的时刻；再令 ，= 撕研，r 表示目标与s a r 的垂直斜距，重写2 1 6 式为： 两i = r ( ) = 扩再而了 ( 2 1 7 ) 尺( j ；，) 就表示任意时刻s 时，目标与雷达的斜距。一般情况下，1 ，i s 一f r ， 于是2 1 7 式可近似写为： 踯= 乒丽导( 蚋) 2 ( 2 1 8 ) 可见，斜距是s 和r 的函数，不同的目标，r 也不一样，但当目标距s a r 较远 时，在观测带内，可近似认为r 不变，即，= r o 。 在图2 ( a ) 中，l s a r 表示合成孔径长度，它和合成孔径时间t s a r 的关系是 l s a r = v t s a r 。( b ) 中，秒为雷达天线半功率点波束角，秒为波束轴线与z 轴的夹角， 即波束视角，r m i n 为近距点距离，r m a x 为远距点距离，w 为测绘带宽度，它们 的关系为： r m i n = h - t g ( o 一厶) r m a x = h t g ( o + ) w = r m a x r m i n ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) s a r 在运动过程中，以一定的p r t ( p u l s er e p i t i t i o nt i m e ，脉冲重复周期) 发射 和接收脉冲，天线波束照射到地面上近似为一矩形区域，如图3 所示。区域内各 散射元( 点) 对入射波后向散射，这样，发射脉冲经目标和天线方向图的调制， 携带目标和环境信息形成s a r 回波。从时域来看，发射和接收的信号都是时间序 列。 缈型一一 n 发射蹙型门一。一门 一r n 援收型门厂厂 ：几 第l o 页 国防科学技术大学研冗生院硕士学位论文 图3 表示s a p , 发射和接收信号的时域序列。发射序列中，t ，为c h i r p 信号持 续时间，下标，表示距离向( r a n g e ) ；p r t 为脉冲重复周期；接收序列中， r 。：型鳖坠型表示发射第f 个脉冲时，目标回波相对于发射序列的延时；阴影部分 ” c 表示雷达接收机采样波门，采样波门的宽度要保证能罩住测绘带内所有目标的回 波。 雷达发射序列的数学表达式为： s ( t ) = p ( t - n p r t ) ( 2 2 2 ) p ( f ) = r e c f ( 匀e 瞄产p 尼哪 ( 2 2 3 ) ， 式中，r e c t ( ) 表示矩形信号，耳为距离向c h i r p 信号的调频斜率，六为载频。 雷达回波信号由发射信号波形，天线方向图，斜距，目标r c s ，环境等因素 共同决定，若不考虑环境因素，则单点目标雷达回波信号可写成： _ o ) = 仃w p ( t 一，p r t 一乙) ( 2 2 4 ) 式中，仃为点目标的雷达散射截面，w 表示点目标天线方向图双向l 晤度加权， 表示载机发射第n 个脉冲时，电磁波在雷达与目标之间传播的双程时间， 乙：2 r f ( s ；r ) ，代入2 2 4 式 “归妻w 似竺型罕墼业) 月= r e x p j z r k r o - - n p r t 一2 r ( s ；r ) c ) 2 】 ( 2 2 5 ) e x p 一竿r ( s ；r ) 】e x p j 2 z f 。( t n p r t 一) 】 2 2 5 式就是单点目标回波信号模型。其中，e x p j n k , 一疗p r t - 2 r ( s ；r ) c ) 2 】 为c h i 印分量，它决定距离向分辨率，e x p 一，t 4 7 r ( j ；r ) 】为d o p p l e r 分量，它决定 方位向分辨率。 距离向变量s 远大于方位向变量t ( 典型相差1 0 5 量级) ，于是一般可以假设s a r 满足“停一走一停 模式，即s a r 在发射和接收一个脉冲信号中间，载机未发生 运动。为了理论分析方便，称s 为慢时间变量( s l o w t i m e ) ，称t 为快时间变量( f a s t t i m e ) 于是，一维回波信号可以写成二维形式，正交解调去除载波后，单点目标的回波 第11 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 可写成： ( s ，f ；，) = o r r e c t ( t - 2 r ( s ；r ) c ) e x p j 万k r ( f 一2 r ( s ；，) c ) 2 】 t r ( 2 2 6 ) ，喇( 熹) e x p 一_ ，。了4 z 尺( 妒) 】 1s a ra 回波在方位向( 慢时间域) 是离散的，j = 刀朋丁+ y ，其中v 是s a r 的速 度，是0 时刻目标在参考坐标系中的x 坐标。为了作数字信号处理，在距离向( 快 时间域) 也要采样，假设采样周期为t r ，则f = m z ，方位向发射n 个脉冲，距离向 采样得到m 个样值点，则s a r 回波为一n x m 矩阵，k 个理想点目标的回波经采 样后的表达式为： s t ( m ) ：ko e x p j 硝伽) 一等望”e x p h 4 ，n r 、 n ；纠 k = l oi t o f ( 聊) 一掣】 t r ；lr ( 珂；尼) - - x ( 尼) i t s 甜( 2 2 7 ) l n = l ，2 ，3 ；m = 1 ，2 ，3 m 距离向信号是典型的c h i r p 信号，相关算法是在频域利用f f t 进行的，方位 向的处理是s a r 成像处理算法最核心的部分。正侧视点目标( 图2 ) 情况下，回波经 距离压缩后在方位向也是一c h i r p 信号，因此其压缩处理同距离压缩处理类似，只 ， ，。2 是压缩因子不同，调频斜率吃= 一告。 几 所以我们设计的模拟器实际上就是模拟带有目标信息的线性调频信号，提供 给信号处理网络进行处理。 2 3 信号模拟 信号的模拟方法可分为模拟和数字两类。模拟技术是基础，是发展最早的方 法，取得了巨大的成果，但是随着数字技术和大规模集成电路技术的飞速发展， 数字技术逐渐取代模拟方式，成为主要方式。数字技术与模拟技术相比具有一系 列的优点，能够获得高稳定度、高质量的信号，可以有效地缩小设备量，又具有 高稳定性和可维护性，提高了系统的可编程能力。 雷达信号模拟器主要分为两种类型，一是计算机结合d a 信号卡的雷达信号 模拟器，这种模拟器先由计算机提供原始数据，通过总线发送给信号卡，信号卡 则根据要求，利用d s p 和f p g a 运算好所需要的数据，形成波形数据模拟回波信 号，由于该方案搭载计算机进行数据交换，所以没有数据存储的问题，但是该系 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 统采用了计算机来完成部分工作，限制了系统的高频工作能力，降低了系统的便 携性；第二种为脱机工作的雷达信号模拟器，脱离计算机的控制，实现单板工作， 该方案要实现实时的s a r 目标信号模拟，就必须有大容量的数据存储及高速的信 号处理功能，所以硬件设计复杂，但是脱机工作具有很大的灵活性，自由的可控 性，具有很大的应用前景。 脱机工作产生信号的数字方法主要包括两种，直接数字频率合成法( d d f s ， 通常将d d f s 称为d d s ) 和直接数字波形合成法( d d w s ，也就是波形存储直读法) 【7 】 o l 、直接数字频率合成法：通过相位累加、幅度查表以及数模变换来生成模拟 信号。在时钟信号的控制下，相位累加器首先与频率控制字进行累加得到当前相 位值，然后利用该值寻址r o m 查找已存表，表中存放了圆周函数一个周期步进精 度足够的采样值，读出相应的信号幅值，最后经数模变换和低通滤波输出基带信 号，然后输入到正交调制电路形成所需的模拟信号。其原理如图4 所示。 输也 图4 直接数字频率合成法原理框图 2 、直接数字波形合成法：对信号原始信号波形进行数字量化，得到一系列的 离散数据，按照顺序，预先写入存储器中，信号产生期间，从存储器中按照顺序 依次读出采样值，再进行数模变换，再经低通滤波形成基带信号，再进入正交调 制电路，输出中频信号。其原理如图5 所示。 图5直接数字波形合成法原理框图 出 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由于我们设计的模拟器模拟的是带有回波信息的雷达数据，刁 是简单的线性 调频信号，是在真实测量数据的基础上加以参数限制的回波信号，而且要求通过 模拟器可以设置相应参数，以一定的角度、速度播放出来供给信号处理模块进行 算法调试等工作，即相当于一个不断飞行着的雷达，所以根据这些要求，我们采 用直接数字波形合成技术，输出基带信号。 信号产生过程中，系统存储相应工作状态参数，计算出信号类型及延迟时间 等参数，相对于同步脉冲延时输出信号，延迟时间由雷达的工作方式与作用距离 决定。输出波形示意图如图6 所示，这就是基带信号【8 】。基带信号频率较低，需要 经过正交调制，频谱搬移等措施才能实现中频、射频输出。 同步脉冲 熬带僻号 图6 基带信号示意图 通过以上分析，我们确定了设计的基本思路，就是通过直接数字波形合成法 输出基带信号，再通过正交调制电路输出中频信号。可以看出直接数字波形合成 法电路较复杂、开发周期较长，但这种方法可以利用通用器件实现，产生的信号 谱质优良，信号形式和参数可根据需要实时修改，灵活方便，具有很强的适应能 力。 以上我们提出了i 、q 基带信号以及中频信号的设计思想，同时，还要产生 k u 波段的射频信号，这就要求进行频谱搬移，将中频信号搬移至高频，这部分设 计独立的上变频模块来完成此项工作。 2 4 难点分析 经过以上分析我们确定了采用直接数字波形合成技术产生基带信号，利用基 带信号经过正交调制电路产生中频信号，再通过上变频模块进行频谱搬移，产生 高频射频信号的方案，但是分析设计方案，工作中存在有多个难点。 首先，基带信号的产生：由于s a r 是通过使用单个小天线的移动来模拟合成 大尺寸的合成阵列，所以对于数据存储能力提出了很高的要求。我们要模拟s a r 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的回波信号就必须具有大容量的存储能力。还要考虑到的是具有大的数据存储能 力就必须满足高速的数据传输，一方面利用数据高速输出到d a c 器件以达到宽带 宽的要求，另一方面与计算机进行高速的数据交换，从而节省时间和精力； 其次，基带信号带宽的保证：我们要设计的模拟器将要模拟的信号具有较宽 的信号带宽，为了能够得到这种宽带宽，必须提高系统工作时钟，提高d a c 工作 时钟，这样就回到了上一个问题，通用存储器读写速度不高，如何提高数据从存 储器到d a c 器件之间的传输速率就成为一个难点； 再次，中频信号质量的控制：中频调制过程中存在着i 、q 信号不对称的情况， 这将直接导致输出信号的质量变差，电路中要设计有可调电路完成i 、q 信号幅度 和高度的调整，保证输入到正交调制器的信号的幅相平衡； 最后，如何完成人机接口的设计：因为用户与系统之间要有数据及信息的交 互，那么用户数据的输入就成为设计的重要方面，我们可以使用v c 设计通用界面 完成系统控制，但是这样系统工作的时候就要依赖于计算机，就失去了系统独立 工作的意义，我们必须设计独立的人机交互接口使系统真正的独立工作。 设计中存在的困难很多，需要考虑问题也很多，很复杂，设计中涉及到的工 作包括器件的选型、电路板的制作、芯片的焊接、v e r i l o g h d l 语言编程、单片机 c 语言编程以及v c + + 软件设计，既包括硬件的设计，又包括软件的设计，既有考 验逻辑设计能力的编程操作，又有实际的工程实现。 2 5 本章小结 本章先从基本理论出发，介绍了s a r 的基本原理，然后对雷达回波信号进行 深入的分析，进而确定了s a r 的回波信号是线性调频信号。最后，给出了目前常 用的两种信号模拟方法，针对基带信号的特点确定了直接数字波形合成法为本设 计的方案。分析了设计方案中存在的困难，对设计提出总体的要求，明确设计目 标。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章模拟器系统设计与实现 上一章分析了s a r 的回波特性，讨论了回波信号的特点，提出采用直接数字 波形合成法结合正交调制和射频调制技术产生回波信号是一种有效的方法。虽然 这种方法电路复杂，开发周期长，但却具有控制灵活、产生信号质量高、信号形 式易于控制和带宽在一定范围内可控等诸多优点。 本章将详细介绍模拟器的技术实现。具体内容安排如下：3 1 节将给出系统的 典型指标，对系统设计提出具体的参数要求；3 2 节根据模拟器的工作原理，给出 方案设计，通过对系统结构的分析指出关键单元；3 3 节将介绍系统硬件设计，具 体分析每一个重要的设计环节；3 4 节将介绍系统软件的设计，分析软件完成的功 能，给出软件界面；3 5 节将从系统工作原理及工作方式出发，具体分析系统运行 过程中数据的流通和基带信号的产生的过程；3 6 节为本章小结。 3 1 系统典型指标与整体设计 本课题研制的s a r 回波模拟器指标要求如下： 1中心频率( 中频信号) ：4 0 0 m h z ； 2中心频率( 射频信号) ：k u 波段； 3调频带宽：1 0 0 m h z 4脉冲宽度：2 5 - 5 0 u s ( 可调) ： 5信号产生方式：波形存储直读+ 正交调制+ 上变频； 6数据存储总容量达到1 0 g b 以上，能够实现数据的快速更新； 7旁瓣抑制度：小于- - 3 0 d b ； 8杂散抑制度：小于- - 6 0 d b 。 系统应具有数据更新的功能，通过计算机实现快速加载数据，存储到系统中， 当系统启动后，高速输出波形，形成具有调频带宽的中频信号和工作在k u 波段的 射频信号。 以下将针对上述指标要求介绍模拟器的具体设计实现方案。 3 2 1 总体设计 3 2 方案设计 设计采用直接数字波形合成法产生雷达回波的基带信号，从数据存储器件 ( f l a s h ) 中读出波形数据，在f p g a 内部进行调理整合，输出到数模转换( d a c ) 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 器件，完成基带信号的产生，再经过模拟电路的整形，滤波，输出i 、q 信号，经 过正交调制电路输出中频信号，经过上变频模块产生射频信号。这种方法能够充 分利用数字电路产生的信号带宽，采用正交调制的方法利用i 、q 基带信号产生中 频信号【9 】o 完成以上要求的基本设计思路是图5 所示的直接数字波形合成法。其中数据 与d a c 的数据接口存在较大的问题，一边是存储器件，高速的r a m 器件容量低， 大容量的f l a s h 器件速度低；另外一边则是高速的d a c 器件，工作时钟可达到 4 0 0 m s p s 。可以考虑使用速度快的r a m 器件，多片串联，但是按照容量的要求来 取舍的话，串联的数量将会很大，由于板内空间有限，这种方案不适合。那就只 能使用高容量低速的f l a s h 芯片，这就要解决数据输出速度的问题。之前有设计 将数据读入到一个高速的r a m 中，再输出到d a c 器件，但是这种设计一方面复 杂，另一方面r a m 的容量小，数据管脚有限，而且对于f l a s h 器件的数据还要 有编码纠错等操作。考虑到我们的设计中有f p g a 器件，其工作的时钟可达到 8 0 0 m h z 以上，片内资源丰富，所以在f p g a 中设计高速缓冲区，将数据缓冲之后 输出到d a c 。这样，基带信号产生方式将变成图7 所示。 图7 基带信号产生原理 设计中需要对大容量存储器件进行地址管理，还要管理液晶显示，而这种管 理操作可以使用单片机完成，但是液晶显示一般比较耗费时间，而单片机特点又 是顺序执行程序，所以将地址管理和液晶显示管理分开，用两个单片机来完成， 单片机之间的还要设计通信接口，进行必要的数据交换。 计算机上集成了多种外围接口，主要是并行接口( p a r a l l e lp o r t ) ，串行接口 ( s e r i a lp o r t ) 和u s b 接1 2 1 。近年来，以u s b 接1 3 应用最为广泛，主要原因是u s b 接口支持热插拔，即插拔过程中不需要重新启动计算机，而且数据传输速度较其 他两种接口具有很大的优势。u s b 允许3 种数据传输速度，低速( 1 0 ws p e e d ) 传 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 输速度为1 5 m b s ，全速( m l ls p e e d ) 传输速度为1 2 m b s ，而高速( h i g hs p e e d ) 传输速度为4 8 0 m b s 。所以我们选择u s b 接口作为系统和计算机的接口，传输方 式则采用高速通用串行总线( u s b 2 0 ) 协议。 关于系统总线，因为f p g a 的管脚资源丰富，将f p g a 设计作为总线的“枢 纽”，所有的存储器、单片机、d a c 和接口都连接到f p g a 上，通过单片机的命 令控制切换总线的占有权。总线设计如图8 所示。 u s b 尚一f p g a 。 d a c ， ， 叫一 f l a s i - ) ih如 单片机 卅 i 一 i y l 叫一 一叫 、 图8f p g a