（信号与信息处理专业论文）dsp在机载相控阵雷达信号模拟器中的应用.pdf

电子科技大学硕士论文 a召 s 刀 ac了 r a d a r s ig n a l s im u la to r in th i s th e s is is d e s ig n e d f o r a ir b o r n p h a s e d a r r a y r a d a r s te s t. i n p r a c tic e , r a d a r s c a n n o t b e lo a d e d i; 必乃in g f ig h te r s j u s t in o r d e r to te s t . i n th e s im u la to r, m a th e m a t ic m o d e ls o f ta r g e t s a n d c lu tt e r ， s e t u p . s ig n a l r e c e i v e d 妙a ir b o r n p h a s e d a r r a y r a d a r in r e a l f ig h tin g c a n b e c a lc u la te d o u t in th i s w a y , a n d w a s f e d in to th e r a d a r . t h u s th e r a d a r s y s te m c a n b e te s te d o n g r o u n d c o n v e n ie r 劝之 i n o u r p ro j e c t, 子如 m e th o d w a s a d o p te d n a m e ly , ta r g e t s a n d c lu tte r d a ta 二 c a lc u l a t e d o u t o , j f = l in e in a c o m p u te r, a n d s a v e d in to m e m o r y o f th e s im u la to r . w h e n w o r k i n g a s p s in t h e s im u la to r tr a n s m it d a ta o u t in to th e r a d a r, in p r e c i s e t im i n g s e q u e n c e . b r ief ly , h e re i s th e m a in to p ic s of th i s th e s i s : !.r a d a r 匆u r l m o d e l w a s a n 的re e d灿g e t s , c l u t t e r ) , a n d t h e s im u l a t io n m e t h o d w a s i n t r o咏e d 2 . t a e 3 2 o c 6 0 w a s n e w h 妙sp e e d d s p . i t s th e c o re d e v ic e o f th i s s im u la to r . i t s m a in f e a t u re s in tro d u c e d t a r g e ts / c lu tte r b o a n l s u s in g th i s a s p w e r e d e s ig n e d 3 . p c b 由如 a n d te s t o f t h e ta r g e ts / c l u tte r b o a r d of th e r a d a r s im u la to r w a s c o m p le t e d 胸 ， w o r d s r a d a r s ig n a l s im u la t io n , t a r g e t s, c l u tt e r, d s p (d g ita l s ig n a l p r o c e s s o r ) , s d r a m 电子科技大学硕士论文 第一章绪 论 现代雷达系统日 益复杂，在设计， 调试雷达系统的过程中，不可避免的需要雷达 的回 波信号。 特别是在机载雷达环境下，如何在强地杂波背景下有效的 检测目 标，如 何处 理多普勒模糊和距离模糊等技术要求使得雷达信号处理设备非常复杂。 在这些设 备的系统调试以 及系统维护过程中 都需要雷达回波信号。为了 提高设计效率，人们逐 渐开 始对雷达回波信号模拟技术进行研究以 求用模拟产生的信号代替实际的雷达回波 信号， 把雷达系统设计和维护过 程中 所需的费 用降 到最低。 现在，雷 达信号 模拟技术 逐步 取得发展， 成为雷达技术的一个重要分支，而雷达信号 模拟器的 研制成为国内 外 军事 研究领域的热门方向. 雷达信号模拟是计算机技术和雷达技术相结合的产物， 雷达信号模拟器的结构 一般既包括软件，又包含硬件。 通过计算机软件建立的信号模型便于修改以 适用于不 同的 雷达环境。而硬件模块用来把计算机产生的数字信号经过相应的处理后实时的提 供给雷达。在本项目中， 模拟器首先根据雷达工作参数预先设定并计算目 标，杂波数 据， 然后将这些数据加载到模拟器硬件电路中， 硬件电路实时合成视频， 射频， 数字 的雷 达回波信号，并将其输出至雷达的各个分机。 这样， 满足了雷达各部分的调试的 需要。 雷达的回波信号中一般包括下面三个组成部分:一是有用的雷达目 标回波，它 相对 雷达来说可以是运动的，也可以是固定的; 其次是地面， 海面以及空中的云，雨 等背 景形成的杂乱回 波: 再有就是天电 干扰， 热噪声等形成的噪声。 后两种是我们不 希望的干扰成分。 对于机载雷达而言， 由于飞机本身相对于地面处于运动状态， 地面， 海面，空中 静止不动的的物体 相对与雷达有径向 速度， 其回 波信号的多普 勒效 应非常 明 显， 使得杂波的功率谱变得非常复杂。 同时相控阵的 波束形状会随波束指向 变化而 变 化， 这也增加了 杂波谱的复杂性. 另外由 于雷达高 速掠过不同的 地形， 其回波的 起 伏现象也变得比地面雷达时剧烈得多。正是这些因素，使得无论是机载雷达信号处理 系统还是机载雷达模拟器都比 地面雷达环境下复杂。对于本课题的机载火控雷达，目 标一般是敌方的飞机， 导弹等高速目 标，杂波主要考虑地面海面的静止物体的信号反 射， 可以通过频谱分析将目 标从杂波中区别开来。 近年来，为了在强杂波背景中提取 微 弱目 标信息， 广泛采用了 频域的检测与处 理技术。 在频域处 理中， 雷达杂波的 功率 电子科技大学硕士论文 谱是影响处理器设计和性能的主要因素，具有特殊的意义。我们依据杂波的形成原因 将它分成主瓣杂波，副瓣杂波与高度线杂波等。 我们在对机载相控阵雷达模拟器进行研究时， 采用了相干视频信号模拟方法在 视频上模拟目 标的多普勒频率。为了 简化硬件设备， 通过用精密衰减器模拟天线子波 束衰减的方法在一个通道中由目 标的 和信号 ( e) 产生方位差信号 ( d a)以 及俯仰 差( 刀) 信 号。 由 于 本 课 题中 机 载 相 控 阵 雷 达的 回 波 信 号 模 拟的 计 算 量 很 大， 甚 至 不能有流水线延时，目 前实现实时计算极其困难，因此我们采用了离线计算的方法， 即主 控机根据雷达参数建立目 标， 杂 波的 数学模型， 根据数学模型先将数据算好。 模 拟器工作时，主控机先通过 p c i 总线将目 标，杂波数据传递到模拟器目 标康波上的 大容量存储器中， 模拟器再把这些数据按照精确的时序变换为数字， 视频， 射频信号 实时传递给雷达。这种方法以大存储容量为代价减轻了 计算量的压力，能够为机载相 控阵雷达提供实时的雷达回波信号， 满足了 雷达调试的需要。 根据系统方案，在系统硬件的设计中，我们需要高性能，高速度的处理器，以 及 大容量的存储器。 因 此在模拟器中， 我们采用了美国t i 公司的数字信号处理器( d s p ) c 6 2 0 1 b为承 担控制任务的 芯片，其工作频率 达到了2 0 0 m h z 。 该芯片 支持定点运算， 可寻址空间达到 4 g 。其时钟周期为5 n s ， 运算速度达到 1 6 0 0 mi p s o 至于大容量的存 储器，我们选用的是同步动态存储器 ( s d r a m) s d r a m有别于以 往的r a m，具 有时钟频率高，传输速度快，价格低廉等优点，同时在使用上与以往的r a m有着很 大的区别， 需要一个时钟信号， 而各控制信号的时序有着极为严格的要求， 但是， c 6 0 以 其独到的无缝接口 技术解决了 这一问 题。同时也简化了 硬件上逻辑控制的设计。 在主控计算机与模拟器之间， 我们采用了p c i 总线技术。 p c i 总线是一种高性能 的局部总线，传输速率快。 p c i 总线规范很全面但很复杂，要求也很严格， 近年来出 现了大量的p c i 专用接口 芯片，为开发与调试p c i 总线产品带来了方便。 本文主要对机载相控阵火控雷达模拟器的理论背景，以及原理实现，硬件调试 进行了 探讨。全文共分五章，第一章即本章，绪论;第二章对脉冲多普勒雷达进行简 要 的 介 绍， 并 对其回 波信号 ( 着重对目 标和杂 波 信号 ) 进行了 分 析: 第三 章依 照机 载相 控阵火控雷达模拟器的主要性能指标，作者和课题组一起制订了 视频分机的总体方 案;第四章介绍了模拟器目 标/ 杂波板硬件的工作流程，实现原理，以及使用芯片的 背景资 料( 着重介绍了 德州仪 器公 司的t m s 3 2 0 c 6 0芯片 ) ， 作者 进一步完成了 模拟器 目 标/ 杂波板硬件原理图设计，印制电 路板的布局布线以及调试工作; 第五章介绍了 电子科技大学硕士论文 作者对模拟器目 标/ 杂波板和一块 p c i 卡的调试工作，并编写程序验证了模拟器目 枷 杂波板和p c i 卡能够正常工作。 电子科技大学硕士论文 第 一，击广 早雷达回波模型 本项目 的模拟器中，主要针对的是p d雷达，因此在本章中作者将要对p d雷达 做一简单介绍。要对雷达回波进行模拟，就需要以 雷达回波的数学模型为依据，建立 仿真模型并确定其算法。 在模拟与仿 真工作中 最重要的 一个步 骤就是建 立模型。 一 脉冲多普勒雷达 ( p d雷达) 简介 利用目 标与雷达之间的相对运动而产生的多普勒效应进行目 标信息提取和处理 的脉冲雷达叫做多普勒雷达，如果这种雷达发射的是脉冲调制的射频信号，则称之为 脉冲多普勒雷达，简称为p d雷达。 这种雷达具有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷 达的速度分辨力， 有更强的抑制杂波的能力，因而能在较强的杂波背景中分辨出 动目 标回波。 p d雷达应具备如下三点特征: 1 ， 具有足够高的脉冲重复频率 ( p r f ) ，以 至不论杂波或所观测的目 标都没有速 度模糊。 2 .能实现对脉冲串 频谱单 根谱线的多普勒滤 波， 即 频域滤波. 3 ，由于p r f 很高， 通常对所观测的目 标产生距离模糊。 而关于p d雷达的一个得到广泛认同的定义为:能实现对雷达信号脉冲串 频谱单 根谱线 ( 频域滤波) ，与有对目 标进行速度分辨能力的雷达， 就可称为p d雷达。 脉冲多普勒技术目 前在气象探测，空中交通管制，地面防空带戒， 低空探测， 导弹制导，机载火控， 特别是机载预警和火控等各种雷达中 广泛应用，目 前世界上先 进战斗机火力控制雷达几乎毫无例外地都采用了p d体制。 在机载雷达环境下，如何在强地杂波背景下有效的检测日 标，我们有必要对雷 达回 波信号 进行分析， 使模拟产生的 信号能 够代替实 际的雷达回 波信号。 电子科技大学硕士论文 二.点目 标回波模型 这里所指的目 标仅限于点目 标。在讨论雷达回波散射体的时候，点目 标是一个 基本而又非常重要的研究对象。 在一般情况下， 我们可以 假设雷达环境中的散射现象 发生在一些离散的散射中心，从而可以 把雷达回波看作是多个点散射体回波信号的叠 加。 相千视频 信号既包含相位又 包含振幅信息。目 标模拟采用相干视频信号 模拟的方 法。为了实现相干视频模拟， 把雷达方程用复信号表示为: id , ( t ) = (d r ( t 一 t ) ; 2 1 y _ ， 兮丁万 u y ( 4 ; r ) r j ( 2 - 1 ) 其 中 中 : ( ) 与 。 ， ( ， ) 分 别 为 雷 达 发 射 和 接 收 的 高 频 信 号 间 ， g为 受 天 线 方 向 图 影 响 的 单 边 功 率 增 益 ，兄为 波 长 y为复反 射系数， 它与雷达截面积口的 关系为: 公为目 标的双程延迟时 为目 标到雷达的距离 : = 万 e x p ( j o ) 式中0 表 示反 射信号附 加的 相移。 ( 2 - 2 ) 式( 2 - 1 ) 只适用于相对雷达静止的目 标，当目 标与 雷 达 有相 对运 动时，r、g、y都 是时 变的。 如果 运动速 度比 较慢， 即 满足 恒定多 普 勒简 化条 件时， 可以 把式 ( 2 - 1 ) 改 写为: 了 g 胜 les.wesell (v r ( t ) = (d r ( t 一 t ) e x p ( j 2 r f d t ) 护 ( 4 yr ) s r 4 ( 2 - 3 ) 式 中 九表 示 由 于 相 对 运 动 而 产 生 的 多 普 勒 频 移 。 因 为 雷 达 发 射 信 号 一 般 为 窄 带 信 号 ， 可 用 复 函 数 表 示 为 。 : = u ( t ) e x p ( j 2 7r f t ) ， 其 中 儿是 载 频 ， “ ( ) 是 复 包 络 ， 可 表 示 为 u ( t ) = a ( t ) e j e (t) ， 所 以 式 (2 - 3 ) 又 可 表 示 为 : 电子科技大学硕士论文 ， ; ( ) = u (t - z ) e x p j 2 7r f (t - z 、, 1 2 、 ，. 。， 、 兄 】 _ )j e x p (j t lrj d t) (4 )3 r q冲j ciy ( 2 - 4 ) 设 “ 点 目 标 ， 以 恒 定 的 径 向 速 度 临 近 雷 达 ， “ 光 速 ， 贝 ” a d = 2 v f 0c， 当 v -0 ( 2 - 7 ) 式中6是口的平均值。由 雷达方程知道，回波功率p与雷达截面积口成正比， 其 统 计 特 性 也 服 从 指 数 分 布 ， 将 式( 2 - 7 ) 中 6 换 成 p, v 换 成户 即 可 得 到p 的 分 布 。 而 回 波 振 幅 a 的 分 布 则 与 复 反 射 系 数 y 的 分 布 相 同 ， 由 式( 2 - 2 ) ， 得 到 尸= q , 所以 y 服从 瑞利 分布: p ex 下-0 ，-2 p ( y ) = 一 共) l 2 y , - ) ( 2 - 8 ) 式( 2 - 7 ) 与 式( 2 - 8 ) 的 对 应 关 系 为 2 y , ， 二 (5 。 将 : 换 成 .4 ， y 。 换 成 凡即 可 得到a的分布。 第二 类 ( s w e r l i n g i i 型) : 目 标快起 伏，目 标回 波在同 一次 扫 描的 脉 冲与 脉冲 之间 都是不相关的。6的 概率密 度与式 ( 2 - 7 ) 相同。 第 三类 ( s w e r l i n g i i i 型 ) : 目 标慢 起 伏， 与1 型相同， 但雷 达 截面 积的 概率 表达式与式 ( 2 - 7 ) 不同， 如式 ( 2 - 9 ) 所示。 电子科技大学硕士论文 _ ， _ 、4 62 6 1 pl u) =2 e x p 一 ， 二 60 -/ 口 _0 ( 2 - 9 ) 同 样，由雷达方程可得回波功率尸的概率密度函数与式 ( 2 - 9 ) 相同，回波振幅 a的概率密度函数为: 9 a 3 a 2 、 p k - 一 2 a 4 e x p l 一 2 a .2 ) ( 2 - 1 0 ) “ (2- 10 ， 与 式 2-9 ， 的 对 应 关 系 为 : 粤一 ; 第四 类 ( s w e r l i n g i v型) : 目 标快起伏，与 i i型相同，雷达截面积的概率密 度函 数分布与式 ( 2 - 9 ) 相同。 以上这四种起伏类型适用于不同的雷达环境类型。第 i , i i型为瑞利型振幅统 计特性，适用于在雷达分辨单元内有大量独立随机起伏的散射体，且没有一个散射体 起主要作用的 情况。比 如飞机等许多复杂目 标就属于这一类型。第i i i , i v 型适用于 在雷达分辨单元内 存在一 个起决定性作用散射体的 情况。 此时该散射体与其他独立散 射体的合成信号的统计特性基本上由 该散射体决定。比如镜面型散射体就属于这种情 况。无论上述四种起伏模型中的哪一种， 带入雷达方程的雷达截面积是平均值6, 它近似等于每个独立散射体的雷达截面积平均值之和。 四.脉冲多 普勒雷达地面杂波的分析 多普勒雷达的基本特点之一，是在频域一时域存在着分布相当宽广和功率相当 强的背景杂波中检测出 有用的信号。这种背景杂波通常被称为脉冲多普勒杂波。 小的目 标回波在时域上可能被埋没在强的背景杂波中， 但在频域上可能是相互分 开的，杂波频谱密度的形状和强度决定着雷达对具有不同多普勒频率目 标的检测能 力。 机载雷达的地面杂波频谱可分为电 平较高的主瓣杂波和电 平较低的旁瓣杂波两个 区域。其中，主瓣杂波区在频谱上的 位置是由 天线主波束在空间的指向与雷达速度矢 apt 之 间 的 夹 角w所 决 定 的 。 频 谱 宽 度由 角 度w和 主 波 束 的 宽 度b y 等 决 定 。 设， 雷 达 电子科技大学硕士论文 载 机 的 飞 行 速 度 为v r 机的飞 行速 度为v t 、 见下图: 、 雷 达 波 束 宽 度为。 。 、 波 束 方向 与 飞 行 方向 夹 角 为v/、目 标 目 标飞行 方向 与 雷 达和目 标间 视 线的 夹角为必 。 主瓣照射区域 图 2 -1 地面上某一点 a与机载雷达之间的相对速度正比于雷达平台运动方向 上的速度 v r 与 到a 点的 视线之间的 夹角尹的 余弦。 当 雷 达 平台 作 水平飞 行时，由 于 这个角 度 y/可 能 在0 0 ( 前向 地 平) 到 1 8 0 0 ( 后向 地 平) 之间 变 化 ， 所以 其 相 对 速 度 是 在 一 v r 与 + v r 之间 变化。 假设雷达发射信号 波长为a ， 则 机载连续波多 普勒雷达的 地面杂 波 频 谱 的 频 率 范 围 是 处 在 一 夸 -f7 +之 间 。 对于地面雷达而言， 它的地面杂波频谱仅分布在零频附近的小范围区域内。 在p d 雷达处于运动的状态之下， 例如具有 “ 机载” 和 “ 下视” 特点的机载 p d雷达，当该 雷 达相 对于 地面以 速度v r 运动时， 其 杂 波频谱 就被 这 种相 对 运动速 度所展宽。 机 载下视p d雷 达与 地面间 存在 着相对 运动， 再 加上雷 达天 线方向 图 的 影响， 使 p d雷达地面杂波的频谱发生了 显著的变化。这种显著的变化，就使地面杂波被分为 主 瓣 杂 波 区 ， 旁 瓣 杂 波 区 和 高 度 线 杂 波 区 。 设 f 为 发 射 机 载 频 ， f 为 脉 冲 重 复 频 率， .f ， 为 主 瓣 杂 波 的 多 普 勒 频 移 ， 乞 为 旁 瓣 杂 波 的 多 普 勒 频 移 范 围 ， 寿 为 假 设 载 机 不 电子科技大学硕士论文 动，由于目 标机运动投影到波束主瓣方向的多普勒频率。见下图: 、包 络 线s in 三 f . - 2 l f . - f . f f + f , f + 2 f . f /主 瓣 杂 波 动目标谱瓣 旁瓣杂 接 收 r a 释 关 - f , -f t f f + f r + f , + f 图 2 -2 1 .主瓣杂波 机载下视p d雷达天线的主波束， 在某一时刻照射地面时是照射一个地面区域， 在此区域内各同心圆环带地面有着不同的 仰角。因 此，相对雷达的 载机运动而言，那 些不同的环带地面具有不同的径向 速度并分别相应的产生杂波，这些杂波的总和构成 了 主 瓣杂 波。 假设 天线主波束的 宽度为b g 、 天 线电 轴指向 与载机速度矢 量 之间的 夹 角为w、 载机 运动 方向 上的 速 度为v r 、 则p d雷 达天 线主 波束中 心位置的 多 普勒 频 率关 “ _ 2 v , c o s y r ，其边沿位置与中心位置之间的最大多普勒频率差值为 o f .， 二 资 b e sin q/ 。 机载 p d雷达的主瓣杂波的强度与发射机功率、天线主波束的增益、地物对电 磁波的反射能力、载机与地面之间的高度等因素有关， 其强度可以比雷达接收机的噪 声 强 度 强7 0 - 9 0 d b 。 机 载p d 雷 达 的 主 波 束 杂 波 的 频 谱 与 天 线 主 波 束 的 宽 度氏、俯仰 1 0 电子科技大学硕士论文 角v/、 载机 速度v r 、 发 射信号 波长兄、 发 射脉 冲重复 频 率以 及回 波 脉 冲串 的 长 度， 天线扫描的周期变化，地物的变化等因素有关。 2 . p d雷达天线若千个旁瓣杂波束照射到地面上时产生的回波就构成旁瓣杂波。 雷达天线的的旁瓣波束增益通常要比它的主波束增益低的多。因为旁瓣杂波的强度也 与载机的高度，地物的反射特性，载机的速度，天线的参数等因素有关， 所以旁瓣杂 波 频 谱 也 可 以 用 + 2 v r- , 来 描 述 。 然 而 ， 当 ， 。 雷 达 不 运 动 时 ， 旁 瓣 杂 波 与 主 瓣 杂 波 在 一 一 - 一 一 一兄 一 一 一一 ， 、 ” “ 一 一 曰一 一 j 刀一卜协二一啊小认一阵 频域上相重合: 当p d雷达运动时， 旁瓣杂波与主瓣杂波就分别分布在不同的频域上。 。 。 ， 用 多 普 勒 频 移 j al = 士 斗来 描 述 机 载 p 。 雷 达 的 地 面 杂 波 时 ， 因 为 主 波 束 的 “ “ ha几- 一一 - 一 一”一 ” 一 一一 、 一 俯仰角与旁瓣波束的俯仰角是不等值的，所以 在频域上的主瓣杂波与旁瓣杂波是不同 的。此外，因为在某一时刻主波束与旁瓣波束的俯仰角数值不相等，往往使它们所探 测到的地物也不相同，回波也就不相同;即使地物相同，由于主波束增益与旁瓣波束 增益不相同，他们的回波强度也有显著的差别。 3 高 度线杂波 当机载下视雷达做平行于 地面的 运动时，与速度矢量成w角的地面回波多普勒 平率儿c o s 班。当天线方向图中的某个旁瓣垂直照射地面时，是属于 y / = 9 0 0 和儿= 0 的 情 况。 通 常 ， 把 机 载 下 视p d雷 达 的 地 面 杂 波 中 儿= 0 位 置 上 的杂波叫做高度线杂波。高度线杂波与发射机泄漏相重合，且高度线杂波距离雷达很 近 ( 只 有h的 距离) ， 加之垂直反 射强， 所以 在任何时 候， 在零多普勒频率处总有一 个较强的杂波出现。 五. 雷达杂波模型 对雷达杂波的分析与建模，一般都是从其统计特性与功率谱特性入手。目a s 最常 见的幅度分布模型有高斯模型 ( 包络为瑞利分布) 、韦布尔模型、 对数正态模型、莱 电子科技大学硕士论文 斯模型、1 1 丁模型，功率谱模型有高斯谱模型及 1 1 + ( .f i f . ) 模型。 1 . 雷达杂波幅度分布模型 如果不考虑地面的强反射体，则地面杂波是由大量在空间连续分布且相互独立的 反射体回 波合成的， 在这些反射体中 没有一个占 主导地位， 此时杂波的 幅度分布模型 即为高斯型， 其包络服从瑞利分布: “ _ _ (。 ， 、 6、 z 6 ) ( 2 - 1 1 ) 在雷达分辨力较低时的海面杂波以 及气象杂波、体杂波也属于这种杂波类型。 当雷达分辨力较高而且掠角很低时，杂波的幅度分布可以用对数正态分布来表 示， 其包络的 概率密度函数如式 ( 2 - 1 2 ) 所示。 in u 一 in u , 2 a - 2 ( 2 - 1 2 ) 1!ij 2一 式 中 o 为 正 态 分 布 的 标 准 差 ， u 。 为 对 数 正 态 分 布 的 均 值 。 韦布尔分布类型杂波的特性介于瑞利杂波与对数正态杂波特性之间。这是一种 更能精确表示杂波分布的模型。 其包络的概率密度函数如式 ( 2 - 1 3 ) 所示。 ( 2 - 1 3 ) lweeeeeeeesj 、忿1子，了 封一v 2尹twe.t、 reseewetj xp e 、lllj 材一v 了r1.、 泞一v 一一 u p 式中刀 ，v 分别是 韦 布尔 分布的 形 状和强 度的 标 度参量。 电子科技大学硕士论文 2 .雷达杂波功率谱模型 一般地面雷达杂波功率谱模型最常用的有以下两种; 其一是高斯模型，其归一化功率谱表达式如式 ( 2 - 1 4 )所示。 w ( f ) ( 2 - 1 4 ) 式中，a 是个常数，它的取值为1 .6 6 5 ，以 使得 其二是归一化功率谱满足表达式 ( 2 - 1 5 ) 叫 .f 二 份 一l 1 十 ( f / 儿 别 ( 2 - 1 5 ) 式中，n 为正整数，n = 3 即为立方谱，n = 2 即为平方谱。 在第三章设计机载相控阵雷达信号模拟器方案时，我们对杂波模型进行了 简化处 理。 在方案中 我们仍然采用高斯白 噪声通过低通滤 波器再作零记忆非 线性变换的方法 来模拟杂波， 但是与地面雷达时不一样， 此时的主瓣杂波与副瓣杂波是分开模拟的， 先把每一种天线指向下的杂波谱形状计算出来，求出合理的滤波器系数。以上的这些 过程实际上的是非实时的， 模拟器实时工作时，只是把预先计算好的杂波数据实时地 送往雷达。 电子科技大学硕士论文 第三章机载相控阵雷达信号模拟器的指标 及系统实现 本课题的名称是机载相控阵火控雷达视频信号模拟器，可模拟雷达的目 标回 杂波，噪声及干扰，用于机载相控火控阵雷达地面调试. ，. 一模拟器技术指标: 1 二功能与指标: 可模拟雷达的目 标回波、杂波、噪声及千扰，用于机载火控相控阵雷达地面调 波试 ( 1 ) 目 标模拟: 目 标个数:最多可模拟同时存在的三个目 标， 但仅存在于两个不同的距离 单元，即三个目 标中有两个同距离，同方向，仅多普勒频率不同 ( 这种情况 实际中不存在) 。 在天线输出方式中，只模拟一个目 标。 目 标 类型: s w e r l in g 1 , s w e r l i n g 1 1 型。 r c s 从。 .0 1 - 5 。 平方 米。 信号波形:h p r f时为常规脉冲， l p r f时为线形调频信号。 时为巴 克码和线形调频信号， h p r 尸时:波形为常规脉冲，有多 种p r f 且帧间随机跳变，参数如下: p r f ( 幻七) 1 8 5 . 1 8 51 7 5 .4 3 8 1 6 6 . 6 7 脉宽 1 . 8 1 0 2 4 1 . 9 1 0 2 4 2 . 0 相参积累数1 0 2 4 电子科技大学硕士论文 h 办 认 少 时: 波形为 1 3 位巴克码和时带积为4 0的线形调频信号。有 8 种 p r f ，且帧间随机跳变，参数如下: 尸 尺 了( l x s ) 2 8 . 73 0 . 1 3 2 . 93 4 . 2 3 7 . 1 3 9 . 94 1 . 3 4 2 . 7 发射脉宽 ( l s ) 9 . 19 . 19 . 19 . 1 9 . 19 . 19 . 19 . 1 脉 压 后 ( f ts ) . 0 . 70 . 70 . 70 . 7 0 . 70 . 70 . 70 . 7 脉 压 后 ( lx s ) . 0 . 3 50 . 3 50 . 3 50 . 3 50 . 3 50 . 3 50 . 3 50 . 3 5 相参积累数2 5 6 点 ( 跟踪) ，1 2 8 点 ( 搜索) *巴克码* 线性调频 l p r f时:波形为时带积等于4 0 的线形调频信号: 尸r f ( h z ):1 0 0 0 发射脉宽 ( u s ):4 0 脉压后 ( u s ) : 1 相干累积:1 6 点 目 标轨迹:由 计算机设置， 其轨迹是以 雷达作为原点的。 信号 动态范围 : l 0 0 d b 幅 度 变化规 律: 按1 澎变化 ( 1 展和1 / r 2 为 可 选项) 。 ( z ) 杂 波模拟: 杂波源模拟:地杂波 ( 海杂波和气象杂波为可选项) 。 杂波统计分布:瑞利分布 ( 对数正态分布和韦伯尔分布为可选项) 。 谱分布:主杂波，副瓣杂波 ( 可包含高度线杂波) 。 杂波波形:模拟杂波时不考虑发射信号波形，均认为是常规脉冲。 ( 3 )噪声 模 拟: 噪 声为高 斯白 噪声 2 .信号输出形式 ( 1 ) 数 字 输出 : 包 括e 、 a a 、 a ,6 通 道 的 1 和q两 路 信 号 ， 共 六 路 输出 电子科技大学硕士论文 ( 2 ) 视频输出:将上述六路信号经d /a变换后输出; ( 3 ) 射 频 输出 : 包 括艺 、 a a 、 刀 三 个 射 频 通 道 : ( 4 )天线输出:仅一个目 标的艺信号经一个喇叭辐射输出，天线输出不含 杂波， 噪声及干扰等。 二. 模拟器总体方案 1 .系统构成: 机载相控阵 雷达处于运动平台 上， 地面上静止不 动的 景物相对于雷达有径向 速 度，再加上相控阵的波束形状随波束指向变化而变化以 及雷达高速掠过的地形不断 变化，杂波的频谱将被展宽，即使雷达高速掠过的是均匀的 平原地带，也使得机载 雷达回波信号的模拟非常困难。 一般将机载雷达地面杂波分成主瓣杂波，副瓣杂波 与高度线杂波来模拟。 按照模拟器的技术要求，本人和课题组的老师同学一起考虑并制定了模拟器的 整体方案。 单脉冲跟踪雷达采用和差波束来对目 标进行跟踪， 这种雷达系统的天线在一个 角平面内 有四个部分重叠的子波束，四个子波束分别对接收到的目 标回波进行幅度 调制， 可以 得到四路信号，雷达将这四路信号进行和差处理，由差信号的大小可以 得到目 标位置 ( 方 位角、 俯 仰角 ) 与 天线中 心指向 的 偏离 误差， 所以 可以 调整 天线指 向， 实现对目 标的 跟踪。 从波束截面图方向 看，四 个波束的中 心位置如图 3 -1 所 示 ， 其 中 原 点 为 天 线 轴向 ， a 轴 为 方 位 角 方 向 ， 刀 轴 为 俯 仰 角 方向 。 设由四个波束接收到的目 标信号为 a l , a 2 . a 3 , a 4 ，那么和信号e 、方位差 信号 a 、 俯仰差 信号a p 可以 分别表示为: e=a1 +a2+ a a=a2 十a4 p = a 1 十 a 2 a 3 + a 4 一 a 一 a 3 一 a 3 一 a 4 )图3 -1 以 两个 波束为例， 将两个子波束、 和波束、 差波束的 方向图 表示于图3 -2 . 电子科技大学硕士论文 本|leses力川.1们w束 八曰、波 差 、，户 c 了.、 四个信号之和e不携带方位信息，但其 幅度最大，故用于提取目 标的距离，径向 速度等信息。 我们在对机载相控阵雷达信号模拟器 进行设计研究时，采用了 相干视频信号模 c a ) 两 个 子 波 束( b ) 和 波 束 图3 -2 拟方法在视频上模拟目 标的多普勒频率。为了简化硬件设备，通过用精密衰减器模 拟天线子波束衰减的方法在一个通道中由目 标的和信号 ( e) 产生方位差 ( a a ) , 俯 仰差 ( 刀) 信号， 只 需一 个艺 通 道就可 模拟目 标的e, d a, 刀信号。 杂 波 和 差 波 束由 e 、 d a ,胡 三个 通 道 分 别 模 拟。 因此，我们采用五通道方案。模拟器由 三个杂波支路和两个目 标支路组成，三 个 杂 波 支 路 分 别 模 拟 杂 波的e , a a, 0 / 3 信 号 。 两 个目 标 支 路 分 别 模 拟 一 个目 标 回波信号 但是实际上只做一个目 标支路，以后可以 扩展到两个目 标支路) 。a a, 举 信 号由 e 信 号 经 过 衰 减网 络 及 和 差 网 络 而 产 生 。 对 于 天 线 的 输出 方 式， 通 过 发 射喇叭 把目 标散射信号 馈出。发 射喇叭 在计算机控制下作二维运动，以 模拟目 标的 任意运动情况。 由 于机载相控阵雷达回波信号模拟的计算量很大，甚至不能有流水线延迟，目 前实现实时计算极其困难。 对此我们采用了 离线计算的方法，即计算机根据雷达参 数建立目 标、杂波的数学模型， 根据数学模型预先将数据算好，再把计算得到的数 据加载 到模拟器的各存储器中，由 模拟器根据雷 达的工作参数取出 数据合成视频信 号后实时输出。 这种方法以 大 存储容量为 代价减轻了 计算量的压力， 能 够为机载相 控阵雷达提供实时的雷达回波信号， 满足了雷达调试的需要。 z .工作原理: c u 数据计算: 对于雷达杂 波的模拟，需要模拟其幅度分布与功率谱分布。 在这里仍然采用了 地面雷达杂波模拟的方法，即把高斯白噪声通过低通滤波器使数据满足功率谱特 性， 然后再经过零记 忆非线形 变换使数 据满足1隔 度分布。 这种方法又可以 分为实时 1 7 电子科技大学硕士论文 的在线产生与非实时的离线产生两种。由 于天线指向不同空域时杂波谱是不一样 的， 而且尸 r f不同，谱也不同，所以 采用这种方法必须将各种情况下的谱形状全 部计算出 来。对于在线模拟， 需要存储的是各种情况下的滤波器系数，而离线模拟 需要存储的是事先计算好的各种情况下的杂波数据。经过仔细分析后，我们认为在 线产生不可取，首先是计算速度的问题，计算数据量很大，难以作到实时计算;其 次是即使采用实时计算，其存储容量也很大，因为天线主瓣波束很窄，而对 h p r f情况下的尸 r f很高，即此时主瓣杂波谱只占p r f ， 的很小一部分，这时需 要阶数很高的滤波器才能保证足够的分辨率，以 确保对主瓣杂波谱有足够的采样 点。 最后选用的是离线产生办法， 这种办法需要直接存储杂波数据，所以 存储容量 会比在线产生还要大。杂波数据与载机高度，载机速度，雷达载频，雷达指向 m 踪 状 态 等 。 雷 达 通 过 接口 电路向 模拟器提供这些参数。 2 .定时信号:包括帧起始信号，发射起始与结束信号，距离门脉冲信号或 与之相干的其他信号。 3 .雷达频率:包括低中频，高中频和射频载频。因 此可以随雷达跳频。 电子科技大学硕士论文 模拟器的总体框图如下图 3 - 3 电子科技大学硕士论文 衣含 不 门二 亡 巴 歹 目四 与熟目 枷杂波支路硬件实现 本章首先介绍了 核心处理芯片 t ms 3 2 0 c 6 2 0 3 b ，然后阐述作者和课题组一起 完成的模拟器目 标/ 杂波板硬件原理设计。作者进一步完成了印刷电路板的布局、 布线，以 及调试工作。 一 t m s 3 2 0 c 6 0 数字 信号 处理 器介绍 数字信号处理器 ( d s p ) 芯片是一种专用微处理器，它位于高性能系统的核 心， 进行实时大量数字技术处理。 这种实时能力使 d s p对用于不允许延迟的应用 领域十分理想。 t m s 3 2 0 系 列d s p 是t e x a s i n s t r u m e n t 推出 的 一系 列 数字信号 处 理芯 片。 大 致有三个阶段。 t m s 3 2 0 c 2 x x x是 早期d s p ， 速度慢， 只 适用于 抵挡的 控制器。 t m s 3 2 0 c 5 x x x 为中 档芯片， 功 耗小， 性 价比 比 较高， 用于一 般复 杂 程 度的 系 统中。 t ms 3 2 0 c 6 x x x 是近期才推出的高性能芯片， 又分为c 6 2 x x 和c 6 7 x x 两系列。 c 6 2 x x 仅支持定点运算， c 6 7 。 兼容 c 6 2 x x的指令， 并且支持浮点运算。我们采用的是 c 6 2 0 1 b芯片。 l . c 6 2 0 1 的特点 .c p u内 含 有 8个并行处理的 运算单元， 指令长达 2 5 6 b i t ， 采用哈佛结 构，即 程序存储器和数据存储器分开设置。 程序存储器为 5 1 2 k b i t ， 或作为外 部存储器的。 a c h e 。 数据存储器为5 1 2 k b i t . .指 令周 期为5 n s ， 时 钟为2 0 0 m h z 。 理 想 情况下， 每次 执 行 8 条指 令， 故可以达到1 6 0 0 m i p s . c 6 x x x( 以下简称c 6 0 )的突破性技术进步在于它的v e lo c i t i v l s i c p u内 核技术。 c 6 2 0 1 的中央处理器包含两组各四个运算单元 ( a组和b组) ， 两组各 1 6 个3 2 位寄 存 器 ( a组 和b组) 。 运算 单 元是 指令的 执行者。四 个 运 算 单元各 有分工。 运算单元从其对 应的寄存器中 取数据进行运算，并且将结果送回 本组寄 存器。 运算单元亦可以 对另一组寄 存器进行 操作。 在理想情况下，两组共8 个运 算单元可以 并行在一个时 钟周期内 执行8 条 指令，故 此大大提高了c 6 2 0 1 的 运算 电子科技大学硕士论文 速度。在实际工作中， 通常无法达到 8条指令并行的理想情况， 根据 t i 公司提 供的经验，一般只能达到5 0 %的并行程度 c 6 0 c p u c o r e p r o g r a m f e t c h c o n t r o l re 睡 s t e r s i n s t r u c t i o n d i s p a t c h c o n t r o l l o g i c i n s t r u c t i o n d e c o d e t e s t d a t a p a t h l 豁 d a t a p a t h 2 l1 1l - e mu l a t i o n 玩 t e r r u p t s a re g i s t e r fi l ea r e g i s t e r fi l e l1 s1 m 1 d1l1 s 1 m 1 di 图4 一1 2 . c 6 2 0 1 的主要部分 除了c p u和内部程序，数据存储器之外， c 6 0还有如下部分。设置每个部 分的寄存器是我们较为关心的内 容，因为 对c 6 0 的设置和控制都是通过向 这些寄 存器写入数据来完成的。 os 个d m a通道可以 在不千扰c p u的情况下用时钟频率 ( 2 0 0 mh z ) 在内 存，外存， h p i 之间传递数据。我们感兴趣的是d ma的辅助通道， 在设计中用 到了 它，作为h p i 口的传输通道，以及b o o t l o a d 的通道。 o h p i 口即h o s t p o rt i n t e r f a c e 提供了 外部主