（信息与通信工程专业论文）在线注入式相控阵雷达目标模拟器关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 雷达目标模拟就是在某种硬件平台上产生或重现目标回波信号和雷达工作模 式的过程，它在雷达系统研制和调试、日常军事训练、雷达教学和雷达操作手培 i ) 1 i 中所起的作用，已成为完成这些任务的有效方式和手段。但由于现有的大多数 雷达目标模拟器都是非注入式的，或者目标回波信号与环境杂波信号都是通过全 微机化的模拟方式产生的，就其模拟的实时性、在线插入特性、杂波环境的真实 性等方面还存在不少缺陷，不能有效地支撑未来雷达系统模拟的应用需求，因此， 研制在线注入式雷达目标模拟器是非常必要的。 本文以在线注入式相控阵雷达中频目标信号模拟器的研制为背景，以雷达目 标回波信号的特性分析、雷达真实回波信号与模拟目标回波信号的有效合成方法、 模拟目标回波信号的实时实现技术和模拟器系统构建方案为重点，对雷达目标回 波信号的时频域特性、信号合成过程的状态模型、在f p g a 中基于c o r d i c 算法 产生线性调频信号的编程实现以及系统整体构建方案等主要问题进行了深入的研 究，得到了很好的信号合成、信号实现和系统构建的解决方案。 本文首先介绍了雷达目标模拟器的应用背景、发展现状和主要实现方式；其 次研究了雷达目标回波信号的分辨特性和起伏特性以及相控阵雷达接收通道和差 信号的具体实现方法；第三提出了雷达真实回波信号与模拟目标回波信号的信号 合成新方法，并作了详细研究；第四在f p g a 中基于c o r d i c 算法编程实现了模 拟目标回波信号的产生过程，并进行了m o d e l s i m 仿真和f p g a 实现；最后根据 前面的分析和研究，将在线注入式相控阵雷达中频目标信号模拟器设计为模拟控 制台、信号模拟器和信号合成器等关键技术模块，给出了该模拟器系统的具体实 现方案，为在线注入式相控阵雷达中频目标模拟器的研制提供了理论指导和设计 借鉴。 主题词：在线注入式相控阵雷达中频目标模拟和差信号建模信号合 成c o r d i c 算法m o d e l s i m 仿真 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t r a d a rt a r g e ts i m u l a t i o ni st og e n e r a t eo rr e p r o d u c et h et a r g e ts i g n a le c h oa n dt h e r a d a rw o r k i n gm o d eo nah a r d w a r ep l a t f o r m i th a sb e c o m ea ne f f e c t i v em e a n st o c o m p l e t et h et a s k ss u c ha sr a d a rs y s t e md e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n g ，d a l l ym i l i t a r y t r a i n i n g ，r a d a rs y s t e mt e a c h i n ga n d r a d a ro p e r a t o rt r a i n i n g h o w e v e r , t h ee x i s t i n gr a d a r s i m u l a t o r sa r em o s t l yo f f - l i n e s ，g e n e r a t i n gb o t ht h et a r g e ta n dc l u t t e re c h o e st h r o u g ht h e f u l ls o f t w a r e s i m u l a t i o n t h es h o r t c o m i n g se x i s ti na r e a so fr e a l - t i m es i m u l a t i o n , o n - l i n ei n s e r t i o na n dc l u t t e r - e n v i r o n m e n ta u t h e n t i c i t y t h e r e b y ，t h e yc a n n o te f f e c t i v e l y s u p p o r tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fp h a s e da r r a yr a d a rs y s t e mi nf u t u r e ，a n dt h e d e v e l o p i n go fo n l i n er a d a rt a r g e ts i m u l a t o ri sn e c e s s a r y t h ep r o j e c ti sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eo n l i n ei n j e c t i o ni ft a r g e ts i g n a l s i m u l a t o ro ft h ep h a s e da r r a yr a d a r ( p a r ) t h es t u d yi n v o l v e st h et i m e 一丘e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee c h o e s ，s p e c i f i cm o d e l so fs i g n a ls y n t h e s i s ，af p g ar e a l i z a t i o no f l f ms i g n a lb a s e do nt h ec o r d i ca l g o r i t h ma n dt h eb u i l d i n gp r o g r a m so ft h ew h o l e s y s t e m a m o n ga l lt h e s ew o r k , e m p h a s i sa r ep u to nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fr a d a r e c h os i g n a l s ，t h es i g n a ls y n t h e s i sm e t h o d so ft h er e a lr a d a re c h os i g n a la n dt h et a r g e t s i m u l a t i o ns i g n a l ，t h eo n l i n er e a l i z a t i o no ft a r g e te c h os i g n a l sa n dt h eb u i l d i n gp r o g r a m s o fs i m u l a t o rs y s t e m t h em a i n w o r ka n dr e s u l t sa r ec l a s s i f i e da sf o l l o w i n gf i v ep a r t s f i r s to fa l l ，a l li n t r o d u c t i o ni sg i v e no nt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h ea r to ft h e s t a t ea n dm a i nr e a l i z a t i o nm e t h o d so fr a d a rt a r g e ts i m u l a t i o n s e c o n d l y ，a n a l y s i si s f o c u s e do nt h ed i s t i n g u i s h i n ga n df l u c t u a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h et a r g e te c h o e s ，a n d t h er e a l i z a t i o no fs u m - d i f f e r e n c es i g n a l sf o rt h ep a rr e c e i v i n gc h a n n e l s t h i r d l y ，an e w m e t h o di sp r o p o s e df o rt h es y n t h e s i so fr e a lr a d a re c h o e sa n ds i m u l a t e dt a r g e ts i g n a l s f o u r t h l y , t h et a r g e ts i g n a ls i m u l a t i o ni sr e a l i z e db yc o r d i ca l g o r i t h m si nf p g a ，a n d t e s t e du n d e rt h em o d e l s i me n v i r o n m e n t f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ea f o r e m e n t i o n e d a n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h es o l u t i o no ft h eo n l i n ei n j e c t i o ni ft a r g e ts i g n a ls i m u l a t o ro f p h a s e da r r a yr a d a ri sd e s i g n e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fs u c hk e ym o d u l e sa s t h e s i m u l a t i o nc o n s o l e ，t h es i g n a ls i m u l a t o ra n dt h es i g n a ls y n t h e s i z e r t h es o l u t i o n p r o v i d e sa t h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dd e s i g nr e f e r e n c ef o rf u t u r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：o n l i n ei n j e c t i o n p h a s e da r r a yr a d a ri ft a r g e ts i g n a l s i m u l a t i o ns u ma n dd i f f e r e n c e s i g n a lm o d e l i n gs i g n a ls y n t h e s i s c o r d i ca l g o r i t h mm o d e l s i ms i m u l a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 状态模型和相应的信号合成方法1 9 表4 1r o m 法与计算法的比较3 9 表4 2 两种实现方案的比较4 0 表4 3 迭代过程中旋转角度与弧度单位的对应关系4 6 表4 4 逻辑资源利用表5 1 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2 1典型的线形调频信号。9 图2 2 线形调频信号时域、频域图1 2 图2 3相控阵雷达接收波束的形成1 5 图2 4 和差波束方向图1 6 图3 1信号合成框图18 图3 2 相控阵雷达在线注入式中频目标信号模拟的信号合成过程流程图2 0 图3 t 3雷达模拟器模拟两目标避让时的假想图_ 。2 1 图3 4 分辨体判决流程图2 1 图3 5 雷达模拟器模拟两目标交汇时的假想图2 2 图3 6 信号合成示意图：2 3 图3 7 雷达模拟器模拟目标拦截时的假想图2 4 图3 8雷达模拟器模拟导弹释放诱饵时的假想图2 5 图3 9 可分辨情形下拦截与诱饵释放回波仿真图2 8 图3 1 0 幅度和初相保持不变时两目标的回波信号和相应的频谱图3 0 图3 1 1 幅度和距离保持不变时两目标的回波信号和相应的频谱图3 2 图3 1 2 距离和初相保持不变时两目标的回波信号的频谱图3 3 图3 1 3 两目标回波信号相位特性3 4 图4 1d d s 实现的基本过程3 7 图4 2d d s 的基本工作原理3 7 图4 3d d s 中相位和幅度的对应关系3 9 图4 4 线性调频信号的d d s 产生方法一4 2 图4 5b i t 位数与r o m 寻址范围关系图4 2 图4 6a r c t a n ( 2 一) 旋转过程示意图4 4 图4 7c o r d i c 的流水线阵列结构4 5 图4 8 基于c o r d i c 算法的d d s 总体框图4 7 图4 9 基于c o r d i c 的复线性调频信号中频调制解调仿真程序结构图4 9 图4 1 0c o r d i c 模块信号关系图4 9 图4 11c o r d i c 实现线性调频程序流程图。5 0 图4 1 2c o r d i c 实现线性调频信号部分仿真图5 1 图5 1 在线注入式相控阵雷达中频目标信号模拟系统组成框图5 3 图5 2 模拟系统器模拟工作流程图5 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 3目标模拟控制台原理图5 6 图5 4 雷达波束模拟控制台原理图5 6 图5 5中频信号实现流图5 7 图5 6匹配器工作流程图5 8 图5 7 仿真器工作流程5 9 图5 8 信号产生流程框图6 0 图5 91 路真实回波信号与1 路模拟目标信号的合成原理图6 1 图5 1 0 系统软件模块图一6 2 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：垄终洼蠢担蕉睦霍垫旦拯搓拯墨差缝越苤珏壅 学位论文作者签名：名萁蔫i 蓥l 日期：县呷年 l 月3 - 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：查缦蕉盛担撞隆重达旦握搓拯墨羞焦越苤盈究 学位论文作者签名：箍生达日期：。2 田j 7 年月卜e l 作者指导教师签名：盔i 虹叠日期：7 0 。，年1 1 月 e l 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 相控阵雷达是一种先进的雷达系统【1 1 ，与传统的机械扫描雷达相比，具有敏捷 的无惯性波束扫描、灵活的多功能工作方式和强大的多目标处理能力，在军事、 航空、航天、港管、气象等领域获得了广泛应用。相控阵雷达目标模拟就是在计 算机、d s p 或者f p g a 硬件平台上产生或重现目标回波信号和工作模式的过程。 在日常军事模拟训练、模拟作战演习或相控阵雷达的实际研制和应用过程中，均 需要提供各种目标环境用于系统调试、测试，日常功能检验和操作人员培训。依 靠实际目标构成外部目标环境的方法，由于安全因素、组织实现、不可预见和经 费方面均存在诸多弊端，很难满足相控阵雷达系统研制、工作和训练的需要。而 利用相控阵雷达目标模拟器进行模拟训练则以安全、经济、可控、可多次重复、 无风险、不受环境、气候条件和场地限制以及训练的高效率等优势一直受到各国 军方尤其是西方国家的青睐。面对当前世界经济危机、军费压力不断增大、兵器 采办费用不断高涨的情况，致使各国军事作战部门均把模拟训练器视为军事训练 必不可少的工具和手段。本课题研究内容是相控阵雷达模拟器训练系统的重要组 成部分，利用相控阵雷达目标模拟技术仿真各种目标环境，为调试检验雷达系统 和培训雷达操作人员提供了重要的工具和手段。 近几年来，随着武器装备的快速发展，各国先进的相控阵远程预警雷达已经 装备到相应的远程预警部队，由于此类雷达本身科技含量和技术要求高，而且所 要预警的它国目标( 比如说导弹) 在和平时期很少真实地出现在雷达屏幕上，为了增 强对突发情况的预警和处置能力，迫切需要加速培养训练一批能掌握和驾驭这些 新型雷达装备的雷达操作手。但是，目前在预警部队的雷达训练方面，还存在着 一些不可忽视的问题：一是训练器材、经费不足，如果进行实物挂载训练需要大 量的物力和财力；二是和平时期缺乏真实的目标环境，某些特殊的目标环境只有 在突发情况下才会出现，导致雷达操作手缺少紧急情况下的应对经验，丧失最有 利作战机会。然而，利用在线注入式雷达模拟器既可以在节省大量人力、物力和 财力的条件下提高训练效率和训练水平，又可在虚拟战场环境下进行搜索和跟踪 目标、适应各种天气现象的训练，并且不受季节和天气的影响，任何时候均可在 逼真的目标环境下及各种背景杂波条件下进行训练，便预警部队能更好地监控和 处置各种突发事件，具有显著的经济效益和社会效益。为此，进行在线注入式雷 达模拟器的研究，对适应未来信息化条件下的战场目标环境，提高训练效率和训 练水平，具有重要的现实意义。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 现有的大多数雷达目标模拟器都是非注入式的，或者目标回波信号与环境杂 波信号都是通过全微机化的模拟方式产生的，就其模拟的实时性、在线插入特性、 杂波环境的真实性等方面还存在不少缺陷，不能有效地支撑未来相控阵雷达系统 模拟的应用需求。比如非注入式的模拟器需要相应的飞行器载体与之配合，训练 时受到天气条件、人力、财力、物力等因素的影响，离线式全微机化的模拟器完 全离开了雷达工作的真实目标环境，其真实性受到影响。因此，对在线注入式相 控阵雷达目标模拟器系统的研究是非常有必要的。 相控阵雷达目标模拟系统有三种工作方式：在线实时模拟插入工作方式、在 线检测插入模拟工作方式和完全模拟器工作方式。本文主要研究了在线实时模拟 插入工作方式，处于在线实时插入工作方式的系统可以直接将模拟目标信号在线 插入到雷达接收机，在雷达真实回波信号中加入感兴趣的模拟目标。由于该工作 方式是实时在线插入的，所以相控阵雷达的波束扫描位置参数应实时与模拟目标 位置参数进行匹配，达到在线实时模拟的要求。它的工作原理就是在线模拟产生 各种目标中频信号，注入处于工作状态的相控阵雷达系统的中频接收端，以检验 相控阵雷达对各种目标的监视功能，训练执勤人员对异常情况的预警能力和快速 处置能力，同时测试评估相控阵雷达系统的工作状态和各项功能在平时和战时发 生的各种特殊情形，具有重要的理论意义和研究价值。 本课题对在线注入式相控阵雷达目标模拟器系统的设计和实现中的一些关键 技术进行分析和研究，对提高调试检验雷达系统性能和培训雷达操作人员具有一 定意义，对在线注入式相控阵雷达目标模拟器系统的具体实现有一定的理论借鉴 作用。 1 2 雷达模拟的主要方法 目前，雷达目标模拟的基本方法【2 】可分为两种：功能级模拟和信号级模拟。二 者的不同之处在于：功能级模拟只考虑和处理信号的幅度信息，只能描述雷达的 功能，而信号级模拟则同时处理信号的幅度信息和相位信息，复现该信号的发射、 在空间传播、经散射体反射、以及在接收机内进行处理的全过程。只要所提供的 基本目标信号模型足够好，就可以使相应的信号精度很高。换句话说，信号级模 拟的逼真度，主要受雷达目标模型和雷达环境模型的限制。雷达目标模拟的核心 是构建和重现各种雷达目标回波信号，雷达目标回波信号可以认为是由发射波形 经过延迟、多普勒频移和幅度衰减后的复现波形所构成，雷达目标环境的全部信 息内容都是作为发射波形的调制而存在的。同功能级模拟相比，信号级模拟是一 种更为复杂的模拟方法，但是信号级模拟可以解决的问题比功能级模拟多得多。 雷达模拟器的种类按其频段可分为射频信号模拟器、中频信号模拟器、视频 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 信号模拟器等。通过一定的变频处理过程，雷达视频信号模拟器产生的视频信号 可以被转换成雷达中频信号和雷达射频信号。由于本文研究的是在线注入式相控 阵雷达中频目标模拟器，该模拟器产生中频目标回波信号直接注入到相控阵雷达 的中频接收端，与雷达真实回波信号进行合成后输入到雷达处理终端，由于雷达 的许多功能是由雷达信号处理机完成的，这就要求雷达中频目标信号模拟器能够 模拟多种参数的目标回波信号，以便能够适应调试和测试具有非常复杂功能的信 号处理终端的多种需要。雷达中频目标信号模拟器现在大多采用数字方法实现， 并且利用通用微机的强大计算能力和良好的人机接口界面，完成多种目标回波信 号产生、回波信号传输、模拟目标信号和真实回波信号合成等处理过程的协同与 控制。 雷达模拟器实现方法按照软硬件实现手段进行分类【3 】，可分为软件模拟、硬件 模拟以及软硬件相结合三种类型。软件模拟( 即软件仿真) 可以充分利用计算机强大 的计算能力和良好的人机界面，完成多种目标、杂波、干扰等数据的产生和参数 设置，具有灵活、可复用等优点，缺点是通常不具有实时性，不能直接用于雷达 系统的实时调试和测试。全硬件模拟( 即实物仿真) 一般采用波形存储与重放技术， 将计算机仿真产生或真实环境采集的待测雷达的目标及杂波背景数据，预先存入 存储器中。这种方法具有实时性好，可以直接与雷达系统接口等优点，缺点是硬 件量大、通用性差，通常只能提供单一形式的信号输出，不能满足参数复杂多变 的情况。现代雷达信号模拟器大多数采用软硬件相结合( 即半实物仿真) 的方法，使 系统既能够适合现代复杂多变的雷达信号回波环境模拟，又具有良好的实时性， 可以配合雷达系统完成实时调试与测试。 1 3 雷达模拟器研究现状 关于雷达模拟器，国外的研究起步较早，最早的雷达模拟器是2 0 世纪5 0 年 代r k 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f 4 】，它复现 了雷达信号的传播、延迟、反射与接收的过程。随着大规模集成电路技术、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拶4 d ，有许多公司专业从事雷达模拟器研 究，下面列举几种有代表性的最新雷达模拟器产品，并做简要介绍【1 2 】： ( 1 ) k o re l e c t r o n i c s 公司研制了许多种雷达环境模拟器( r a d a re n v i r o n m e n t s i m u l a t o r ) ，它们大多基于d r f m 和d s p 合成器同时可以根据客户需求采用许多 不同的信号处理技术，由于雷达环境模拟器( r e s ) 采用v m e 总线结构，因此以工 业标准、高速、模块化的解决方案解决了与复杂的雷达系统实时接口的问题。这 种结构也扩充了系统的兼容性。能够提供射频、中频和数字i & q 信号直接注入到 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 雷达总线，并且这些直接注入式雷达模拟器普遍适用于多种雷达系统。这些模拟 器处理或接收目标几何特性和束内计算都是实时的，同时能够产生大量的高保真 目标、干扰和雷达波束的杂波回波信号，以及包括多普勒模拟，幅值控制f 距离， r c s 和闪烁效应) ，同样雷达信号的调匍j ( j e m ，r s m 等) 都可以应用到对上百种 目标的模拟中尤其是对复杂目标的模拟，这些r e s 设计采用先进的a s i c ，f p g a ， d s p 和d d s 技术来对高保真的信号进行获取、调制和产生，外加以开放性v m e 总线结构标准连接的p o w e r p c 处理器，通过微处理器和d s p 技术增强了系统的性 能，可以根据需要灵活扩充系统。主机采用基于奔腾处理器的i b mp c 兼容机，主 机用户界面采用了图形化用户乔面( g u i ) ，可以完成杂波环境的设置以及维护功能 ( 如内嵌测试) 。g u i 允许操作人员利用工具库中的目标、杂波、天线方向图等组 件方便地定义雷达回波环境，可以通过用户定义表输入或修改保存到库中的数据 文件，主机同时可以检测并控制雷达环境模拟过程。美国k o re l e c t r o n i c s 公司还 可以为陆基、天基和海基雷达系统的联合运行提供单个r e s 来进行操作。 ( 2 ) m a l i b ur 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 ) 由一台计算机和雷达信号模拟器硬件系统构成。 该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，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；支 持l f m n l f m ，p s k 等多波形编码方式，支持f m c w ，脉冲宽度范围0 1 u s 3 0 0 s ， p r f 范围10 0 h z 2 0 0 k h z ，多普勒分辨力1 h z 。 ( 3 ) s e n s i s 公司的雷达环境模拟器( r e s ) 是一种基于场景的雷达模拟，它可提供 详细的工程设计验证、测试和调试雷达主机的雷达信号和数据处理器。它可根据 雷达所设定的波形的类型、波束转向角、幅值和天线结构，提供了一个真实的回 波信号。该公司为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 s s p a r c v 2 6 工作站和一组雷达模拟器硬件设备组成，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。雷达环境模拟器可在实验室、工 厂、训练和外场中建立任意雷达环境；可以根据用户设置同时模拟多达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、海杂波和干扰等。 ( 4 ) 具有代表性的雷达模拟器仿真软件是美国c a m b e r 公司开发的用于a w g 9 ( f 1 4 ) 、a p g 6 5 ( a v 8 b i i + ，f a 1 8 ) 等近2 0 种雷达的系统模拟与仿真软件r a d a r t o o l k i t 。c a m b e r 公司于2 0 0 1 年用r a d a rt o o l k i t 为r a y t h e o n 公司a i r b o m es t a n d o f f r a d a r ( a s t o r ) 研制了目标产生器和雷达模拟器( t o a r s ) 。它提供了陆地环境、海 洋环境、气象环境、照射模式、目标模型、敌我识别等模块；可以模拟的雷达效 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 果包括雷达高度姿态、距离大气衰减、天线方向图、旁瓣、折射与地球球面影 响、地形目标的遮挡效应、海面状态、海岸增亮、地形目标外形效果、表面反 射散射、闪烁、干扰等；可以模拟的雷达参数与信号处理效果包括信号频率、天 线( 扫描快慢、波束方向图、扫描范围) 、雷达分辨力、距离范围、脉冲宽度、p r f , 接收机噪声、扫描转换效应、几何扭曲、频带宽度、发射功率、接收机增益、干 扰、稳定性等等。 ( 5 ) h p 公司利用其专用设备和专利产品生产了基于并行p a s s ( f r e q u e n c y a g i l es i g n a ls i m u l a t o r ) 设备的x 波段雷达动目标信号模拟器，可以输出射频范围 9 1 1 g i - i z 、带宽2 g h z 的射频信号，同时产生和、方位差和俯仰差三个通道的目 标回波信号。 ( 6 ) 美国t c s 公司在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 d ) 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。 综合看来，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，使系统具有很大的灵活性，同时又可以满足信号实时输出的需要； 设计上采用微处理器和d s p 技术提高了系统的实时计算性能；采用工业标准的总 线结构以及模块化设计使系统具有良好的通用性、兼容性以及可扩展性。 从8 0 年代初开始，我国陆续从国外引进了雷达模拟器，但到8 0 年代末这批 引进的模拟器己先后进入更新期，在系统维修、软件更新等方面都存在很大困难。 9 0 年代初我国有关院校和科研单位先后开始了雷达模拟器的研制。近年来，出现 了不少关于雷达模拟器的研究成果【1 2 讲】，分析国内外雷达模拟器的研究现状，可 将这些雷达模拟器大致分为四大类： ( 1 ) 非注入式产生高频模拟信号的雷达模拟器，如r e s 2 0 0 0 等； ( 2 ) 全微机化的雷达模拟器，如c a m b e r 公司为a w g 9 但1 4 ) 、a p g 6 5 ( a v 8 b i i + ，f a 1 8 ) 等开发的雷达模拟器仿真软件； ( 3 ) 采用真雷达显示器和雷达信号发生器板的雷达模拟器，如m a l i b ur e s e a r c h 公司开发的用于a n t p q 3 6 、a n t p q 一3 7 追击炮火控相控阵雷达的雷达环境模拟 器等； ( 4 ) 采用微机生成雷达视频信号，用真雷达显示器进行显示的雷达模拟器。 从上面几类模拟器可以看出，现有的大多数模拟器存在下列不足： ( 1 ) 非注入式产生高频模拟信号的雷达模拟器所能模拟的目标种类和范围有 限，成本比较高； ( 2 ) 全微机化的雷达模拟器所模拟的目标和环境的真实性不高，脱离了真正的 雷达系统，所模拟的目标和环境与实际相差大； 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 3 ) 采用真雷达显示器和雷达信号发生器板的雷达模拟器是离线式的，相控阵 雷达的前端不能处于正常工作状态，模拟突发事件的能力有限，训练效果不够明 显： ( 4 ) 采用微机生成雷达视频信号，用真雷达显示器进行显示的雷达模拟器，所 模拟的目标信号的真实性不强，相控阵雷达前端在该系统中没有正常工作。这些 模拟器就其模拟的实时性、在线插入等方面还存在不足之处。为了有效地支撑未 来相控阵雷达系统的模拟应用需求，所以有必要对在线注入式相控阵雷达中频目 标模拟系统进行研究，以解决当前模拟器中所存在的不足。 控阵雷达作为一种新体制雷达，与常规雷达相比具有灵活的波束指向、强大 的数据处理能力和丰富的调度策略等优势。因此本课题所进行的在线注入式相控 阵雷达中频目标模拟器系统的研究要考虑到将来接入相控阵雷达系统接收端的各 种情况，具有一定的灵活性和通用。 在线注入式相控阵雷达中频目标模拟器的研究、设计和实现是一个复杂的综 合性课题，西方军事强国在相控阵雷达目标模拟器领域已展开多年的研究工作， 已经设计和实现了各种各样的具有代表性的雷达目标模拟器【4 】【5 】【6 1 1 7 1 8 1 1 9 1 1 0 】【1 1 1 。从大 多数雷达目标模拟器的技术层面上看，目标信号和环境信号的产生技术相对成熟， 且为满足相控阵雷达接收端特点的和差信号建模也初步取得成效。但是，在相控 阵雷达目标模拟器与相控阵雷达系统的交互性方面还有很大欠缺，采用相控阵雷 达真实回波信号与模拟器产生目标信号相互合成的方法还很少涉足。尽管相控阵 雷达真实的回波信号与模拟器产生的模拟目标信号进行合成的难度很大，但是对 于真实模拟目标特性和环境特性却有突破性的意义。更真实地模拟目标信号，提 高相控阵雷达的探测预警能力是现代高技术局部战争中必须研究和解决的问题。 论文以相控阵雷达真实回波信号为基础，首先分析目标回波信号的时频域特性、 真实回波信号与模拟目标信号的空间位置关系，然后研究基于f p g a 的在线注入 式相控阵雷达中频目标模拟器的设计方法和实现技术，具有一定的学术价值和借 鉴意义。 1 4 本文的主要内容和结构安排 论文对在线注入式相控阵雷达中频目标模拟器系统的关键技术进行了分析、 建模和仿真，提出了一种利用相控阵雷达真实回波信号与模拟器产生的模拟目标 信号进行合成形成半真实的雷达回波信号再注入到雷达接收端的新方法，在f p g a 中基于c o r d i c 算法对模拟器要产生的模拟目标信号进行了编程、仿真与验证，最 后给出了在线注入式相控阵雷达中频目标模拟器系统的整体构建方案，其主要内 容安排如下： 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章对相控阵雷达的中频目标回波信号进行了分析，研究了线性调频回波 信号的基本模型，分析了目标回波起伏特性；针对相控阵雷达和差通道的接收要 求，本章还对中频回波信号进行了和差建模研究【1 3 1 ，研究了模拟产生和信号、方 位差信号和俯仰差信号的具体方法。 第三章研究了在雷达真实回波信号中注入模拟目标信号时两信号的具体合成 方法，建立了模拟目标信号和真实回波信号的合成状态模型【2 7 】；针对信号合成过 程中存在的特殊情景，分为可分辨和不可分辨两种情形进行了仿真，验证了假设 的合理性，合成方法的有效性。 第四章研究了一种基于c o r d i c 算法的在线注入式相控阵雷达目标模拟器目 标回波信号的实现方法。应用c o r d i c 算法进行线性调频信号的具体数值的计算， 让它取代传统d d s 中r o m 查找表来实现相位幅度转换，通过对v h d l 程序的 m o d e l s i m 仿真和f p g a 实现表明，基于c o r d i c 算法的d d s 实现线性调频信 号具有高效率、高稳定性和强实时性等特点，能更好地应用于在线注入式相控阵 雷达中频目标模拟器中。 第五章研究了在线注入式相控阵雷达目标模拟器系统的整体构建方案，将整 个系统细分为四个主要模块：模拟控制台模块、中频模拟器模块、信号合成器模 块以及软件模块，给出了各个模块之间的相互关系，并给出了各个模块的具体实 现方法，对今后系统的实际研制有一定的理论指导意义。 第六章对全文进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章相控阵雷达目标回波特性分析 2 1 引言 雷达发射信号的形式多种多样，可根据具体的雷达工作状态和用途发射不同 形式的信号，与此相对应的雷达模拟器也应该可以产生各种形式的模拟目标信号。 本文所研究的雷达模拟器的应用对象主要为一些物理形态比较简单的目标，在下 文中，将其视为点目标进行研究和分析。因此，与之相对应的雷达回波也相对简 单，线性调频信号是宽带相干信号中最简单的一种信号，并且线性调频信号作为 雷达发射信号能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率，所以本文以线性调频信 号为雷达发射信号进行研究。 2 2 目标回波信号描述 目标是雷达检测的物体，或者是所感兴趣的对象。由于本文所研究的雷达模 拟器的应用对象主要为一些物理形态比较简单的目标，并且雷达工作在搜索与跟 踪状态时分辨率比较低，所以将其视为点目标进行研究和分析j 对点目标而言， 目标回波信号就是雷达发射信号经过时间延迟、多普勒频移和幅度衰减所得到的 信号。 2 2 1 线性调频信号的时域描述 假设相控阵雷达发射信号的一般形式为： 啪) = 击删( 争e 州2 万( f o f + 净 ( 2 1 ) 其中：f o 为中频载波，r e c t ( ) 为发射信号的矩形包络，t 为脉冲宽度，k = b t 为线性调频信号斜率，线性调频信号如图2 1 所示。于是，发射信号的瞬时频率为 f o k t ( - t 2 r t 2 ) 。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 频率。 二r j 一歹 i 酮 z 。 i l i r l i 一黝一 页率。 j ? 4 ， 时间 b 0 1 。 i 一鼢 【a ) ( b ) ( a ) u p - c h i r p ( b ) d o w n - c h i r p 图2 1 典型的线形调频信号 当目标与雷达有相对运动时，其目标回波信号可表示为： ：2三 品( ) = 彳g ( f ) y ( f ) 南】2 品。一r ( f ) 】 ( 2 2 ) 其中：彳为电平衰减系数，g ( t ) 为目标方向上的单程功率增益，五为波长，f o ) 为目标的双程延时时间，厂( ，) 为目标的复反射系数( 厂= 叮) 。由于本雷达模拟器 主要是对高空低速目标的模拟。因此模拟目标的运动速度相对比较慢( 1 ，c ) ，即 满足以下条件【2 8 】 ( 1 ) 恒定多普勒简化； ( 2 ) “点目标”以恒定的径向速度接近雷达。则目标和雷达问的距离为 足( f ) = r w( 2 3 ) 此时目标的双程延迟时间f 为时间的函数，即 f ( f ) ：巡巡：2 ( r o - v t ) ：堡一丝 ( 2 4 ) c 十v cccc 其中c 为光速，将式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) ，且将( 2 1 ) n 时代入( 2 2 ) 可得： 刁： !f 一( 堡一丝) s g ( t ) 利沙似旆】2r e c t ( q e x p 2 万c j p 一三拿生+ 等，+ k ( f - 堡+ 丝) ： cc 2 ( 2 5 ) 其中等= f 是目标的双程延迟时间，2 c v f o = 石是由于相对运动目标回波产生 的多普勒频移，并且当目标朝接近雷达的方向运动时五取正值。这样，令 第9 页 国防科学技术大学研冤生院硕士学位论文 ，2 1 a g ( d 厂 赢】2 = e ，于是回波信号又可写成 品o ) = 眈c _ g t f - - * 】e x p 一j 2 x f o f 】e x p 2 万( 兀+ 石) 妇e x d j d r k ( _ a ，t - r ) 2 ( 2 6 ) 其中口：1 + 2 _ v ，因所要模拟的目标运动速度慢，即，c ，因此口：1 + 堡1 于 是回波模型可简化为： & o ) ：眈c f 【竽】e x p 卜j 2 万f o f e x p j 2 万( 石+ 厶) 力e x p j 2 z k ( ，t - r ) 2 ( 2 7 ) 因此，由式( 2 7 ) 可知目标的回波幅度为e = 彳g ( f ) 八d 瓦i 毛瓦】- ，瞬时频率 为坼去舡p 肿+ 华肛岈琊叫。 由文献 2 9 】可知，多普勒频率石对去斜率的影响是很小的，因此去斜率后的瞬 时频率可以表示为：z = f o + 力。彳为电平衰减系数，g ( t ) 为目标方向上的单程功 率增益，五为波长，r ( f ) 为目标的双程延时时间，7 p ) 为目标的复反射系数 ( 7 = 孑p ) 。由此可见，回波信号的幅度取决于以下几个因素：天线增益g ( r ) ， 目标距离r ，目标的等效雷达截面积仃，信号综合损耗a ( 包括距离损耗、大气损 耗等) 。其中，目标的等效雷达截面积与目标起伏特性有关，为施威林第一、二、 三、四类起伏模型中的某一种，在2 3 节中进行详细论述。 2 2 2 线性调频信号的频域描述 为了方便研冗，忽略系数司将( 2 1 ) 式改写成： 矗( t ) = e x p j 2 万( + t k t 2 ) 】( - t 2 t t 2 ) 对式( 2 8 ) 作傅立叶变换可得到线性调频脉冲信号的频谱