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南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 摘要 雷达目标模拟器主要用于对包含目标信息的雷达回波信号进行模拟。本文介绍了 雷达目标模拟器的一般模拟方法和多种实现手段，重点研究和分析了雷达目标模拟器 的回波模型、工程实现方法和系统性能。 本文首先回顾了目标模拟器的发展，介绍了实现模拟的技术手段和模拟器的系统 结构，然后分析了雷达回波信号模型，最后，根据雷达系统的具体要求，提出了雷达 多目标模拟器的软硬件实现方案。该方案利用高速数字信号处理器( d s p ) ，可以对五 个不同运动轨迹的目标进行实时模拟。本文还对模拟器的实时产生的数据和计算机模 拟的数据进行了对比分析。结果表明该目标模拟器能够正确完成所有功能。 关键词：雷达目标模拟器雷达回波数字信号处理 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 t h er a d a rs i m u l a t o ri su s u a l l yu s e df o rs i m u l a t i n gr a d a re c h ow h i c hc o n t a i n sr a d a r t a r g e t si n f o r m a t i o n b a s e do i lt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so far a d a rs ”t e m ，w em a i n l y d i s c u s s e dt h er a d a re c h o s i g n a lm o d e l s ，r a d a rs i m u l a t o rs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n di t s e n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o nm e t h o d i nt h i st h e s i s ，w ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h er a d a rs i m u l a t o rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h er a d a r e c h om o d e l sa n dt h e i rr e a l i z a t i o nm e t h o d sw e r es t u d i e d ，e s p e c i a l l yo nr a d a rt a r g e t sa n d l a u dc l u t t e r f i n a l l y , t h ee n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o ns c h e m eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e r a d a rs i m u l a t o rw a sp r e s e n t e db a s e do nt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so far a d a rs y s t e m i nt h i s s c h e m e ，h i 曲s p e e dd i g i u ds i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) w e r ec o m b i n e df o rr a d a re c h o s i m u l a t i o na n df i v ei n d e p e n d e n tt a r g e t sc o u l db es i m u l t a n e o u s l yr e a l - t i m es i m u l a t e d m o r e o v e r ，t h ed a t eg e n e r a t e db yt h er a d a rs i m u l a t o ra n dt h a tg e n e r a t e db yc o m p m e rw e r e c o m p a r e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h er a d a rs i m u l a t o rc a nr e a l i z ea l l 也ef u n c t i o n sc o r r e c t l y k e yw o r d ：r a d a rt a r g e ts i m u l a t o r , r a d a re c h o ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i i 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 1 绪论 1 1 雷达目标模拟简介 “雷达”一词源于r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g 的缩写r a d a r ，原意是“无线电探 测和测距”，即用无线电方法发现目标测定它们在空间的位置。随着雷达技术日新月 异的发展，雷达的任务不仅仅包含测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目 标的速度以及其他有关目标的信息。但雷达发射的信号本身并不包含任何信息，只有 当雷达发射的信号碰到目标后，目标对这个信号进行调制并反射( 反射信号称为回 波) ，此时的回波中才包含目标的信息，对回波进行处理就可得到有关目标的信息。 雷达目标模拟主要用于复现蕴含雷达目标信息和杂波信息的雷达回波信号f l 】脚。 在现代雷达系统的研制和调试过程中，对雷达性能和指标的测试是一个重要的环 节。如果雷达的整机调试和性能鉴定都采用外场试飞，即用真实目标( 如飞机) 给雷达 提供测试信号，不仅需要花费大量的人力、财力和物力，而且也使系统的研制周期加 长，甚至在某些情况下( 如恶劣天气) 是不可能实现的。因此，我们采用了雷达目标模 拟技术。 雷达目标模拟技术是系统模拟技术与霄达技术相结合的产物，雷达目标模拟技术 模拟的对象是雷达的目标和环境，模拟的结果是复现蕴含雷达目标及目标环境信息的 雷达回波信号。实际上，这些雷达回波信号可以认为是由发射波形经过延迟和多普勒 频移后的复现波形所构成。模拟技术广泛用于对雷达某分系统的调试、性能评价，是 雷达前端不具备的条件下对系统后级进行分析调试以及对雷达整机性能和指标的检 验。采用雷达目标模拟技术，可以缩短雷达的研制周期，减少雷达的研制费用、雷达 操作手的培训费用等。实时雷达信号模拟的应用贯穿于雷达的研制、调试和操作使用 的各个阶段。 1 2 雷达目标模拟器的发展概况 随着军事技术的发展，现代雷达系统面临低空、超低空突防、反辐射导弹( a r m ) 、 综合电子干扰( e c m ) 和隐身目标等四大威胁，不仅强度进一步提高，而且有综合化 的趋势，因此，雷达面临的挑战是十分严峻的。作为重要军事装备的雷达，要克敌制 胜，必须先发制人，争取主动。为了适应这种新形势，在微电子技术、现代数字信号 处理技术和计算机技术高速发展的基础上，雷达信号模拟技术得以迅猛发展，并使其 在雷达系统研制过程中发挥越来越重要的作用1 1 “。 目前美国已有两百多家公司在研制模拟器，每年投资十多亿美元( 其中用于研制 南京理工大学硕士学位论文霄达多目标模拟器 军用模拟器的经费占7 0 - 8 0 ) 。美国国防部所属的三军都成立了人机环境研究所从事 试制军用训练模拟器工作。一些技术发达国家都普遍地使用雷达信号模拟器。凡是用 雷达作为探测手段的武器系统，一般都配有比较先进的雷达信号模拟器，以便逼真地 模拟实际工作情况。我国第一台雷达模拟器是在七十年代诞生的，二十多年来已研制 并装各部队的有包括对空中、地面和海上各种目标实施警戒、侦察、跟踪、校对和雷 达对抗等用途的雷达的各种模拟器材。 1 3 雷达目标模拟器实现的主要技术途径 对雷达信号回波的模拟，其实就是将目标的信息在雷达信号上得以体现。通常来 说，目标回波信号主要包括三种信息：幅度信息，这是由距离、目标雷达反射截面积 ( r c s ) 、天线方向图调制等因素变化带来的；频域信息，即目标多普勒频率；以及时 域信息，即反映目标远近的距离延迟。现在的方法是在蜃达发射信号的基础上直接弓l 入上述三种信息来产生目标回波信号。在三种信息的处理上，目前都有相应的技术途 径，如幅度模拟可由大动态的程控衰减器实现，目标多普勒频率可通过直接式数字合 成器( d d s ) 实现，也可以通过高速的数字信号处理系统的运算实现。相对幅度和频率 信息的实现而言，距离延迟的实现在过去相对较难。以往的方法是采用声表面波延迟 的方法来实现，但信号质量较差，带宽较窄。现在实现的方法较多，可以在数字信号 处理系统中通过延时控制来实现：在光纤通讯的迅速发展过程中，组合光纤直接延迟 法在实践中也得到了应用，但也还存在若干问题。数字射频存储器( d r f m ) 技术的不 断进步，其信号质量已有很大的提高m 1 。下面，就将对这些技术途径作一个简介。 1 3 1 数字式射频存储器 八十年代人们就研制出一种数字式动目标模拟器，该模拟器是基于数字式射频 存储器( d r f m ) 和采样定理的推广而提出的。它的特点是在接收到某一频率的输入信 号后，经过一段可控的数字延迟，在输出端可获得在同一频率之上叠加一个多普勒频 移的输出信号。d r f m 技术能够将接收到的雷达射频信号相位( 频率) 实时存储起来， 经过一段时间延迟与变换后，再向雷达发射回去。采用d f r m 技术进行距离延迟模 拟可以产生相参信号。 2 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 图1 3 1 数字式射频存储器原理图 图1 - 3 1 中通过下变频把输入的射频带通信号转换成基带( d 砷订工作频带) 信号， 然后经a d 变换器变成数字形式并存在高速随机 豫存储器( r a m ) 中。当取出时， 从r a m 中读出的数字信号经d a 变换器变成模拟基带信号，然后模拟信号再经上交频 变成射频带通信号，以产生输入信号的复制信号。通过控制器可实现d r f m 的各种工作 方式的选择，以完成各种不同的应用要求 1 3 2d d s 技术 d d s 技术是随着数字技术的快速发展而迅速发展起来的新技术，对频率合成技 术的发展产生了很大的影响。d d s 主要由相位累加器、s i n 查找表和d a 变换器等 组成，其结构如图1 3 2 所示”1 【l6 】： 图1 3 2d d s 原理示意图 相位累加器把代表频率信息的输入相位增量m 在系统时钟厶的控制下进行累 加，在输出端形成线性递增的相位值( o 2 ，r ) 。通过r o m 构成的s i n ( 正弦) 查找表 把由相位累加器输出的相位值转换成数字化输出的s i n 波形幅度，经d a 变换及低 通滤波后即可得到s i n 信号的模拟输出。 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟罂 d d s 的输出频率、频率分辨率主要取决于系统时钟厶，相位增量k 和相位累加 器的位数n ，而输出信号的杂散谱主要取决于d d s 的相位截断和d t a 变换器的位数 及线性度等。 d d s 输出信号频率0 和频率分辨率f 可表示为： 厶= ( k 2 ”k 0 k 2 ”- 1( 1 1 ) f = ( 1 1 2 ”况 ( 1 2 ) 采用d d s 技术的多普勒频率模拟器原理图如图1 3 3 所示。 图】。3 3 基于d d s 的多酱勒频率模拟器结构 其工作原理：输入的6 0 m h z 中频信号经频率变换后( 先进行1 6 分频，再进行1 3 倍频) 产生z - = 4 8 7 5 m h z 的信号，用功分器把该信号分为两路，其中一路经整形后产 生用于d d s 系统的时钟信号，另一路与由d d s 输出的经滤波后频率为，2 的信号 起送往混频器，混频器输出信号经放大、滤波( 只通过和频分量) 后即得到所需的输出 信号： 乙= z + ，2 = 工+ 厶 ( 1 3 ) 采用这种方法的模拟器输出信号具有良好的相参性。且无论用高稳定度或较低稳 定度的 均可保证多普勒频移的控制精度在1 h z 以内不变。此模拟器主要用于中频 模拟目标的多普勒信息。 如上所述：利用d d s 技术能成功地模拟出雷达目标信号中的多普勒参数，而数 字射频存储( d r f m ) 技术不仅具有射频存储功能，而且由于其频率复制精度已达到 h z 量级，储频时间近似于无限长，因此对线性调频、相位编码、连续波信号等可以 长时间内相干复制，于是人们利用它们各自的优点，将d d s 技术与d r f m 技术相结 4 南京理工大学硕士学位论文雷达多日标模拟器 合构成了一种雷达目标回波的模拟器【3 1 。这种模拟器的原理图如图1 3 4 所示： 图1 3 4 雷达目标模拟器框图 在该目标模拟器中，d r f m 技术可以将雷达脉冲信号按要求进行精确复制，特别 是能够将雷达的一些脉内调制特性( 如线性调频方式和相位编码方式) 无失真地拷贝 下来，产生的输出信号相对输入的波形除加入时间延时外，其它与输入信号完全一致。 而d d s 技术将中频基准信号经相应变频后作为时钟信号，通过数字方式控制下产生 一个相对于输入信号频移为厶的输出信号。该信号对d r f m 输出端的信号进行多普 勒调制，最终产生一个包含距离延时和多普勒频移参数的回波信号。d r f m 技术与 d d s 技术相结合为目标模拟器的性能指标的提高提供了一种有效的手段。 1 3 3 光纤延迟线 在现代光纤通讯的迅速发展过程中，利用光纤延迟线实现霄达目标相干模拟的设 计方法在实践中也得以运用。光纤延迟线是利用微波信号调制激光源一般是激光二极 管，使其输出光信号，输出光信号能对微波频率进行调制。由于它是将雷达发射脉冲 信号直接调制到光载波上，通过光纤延迟后再解调为雷达目标回波信号，故这种方法 是完全相干的，且不引入系统的相位噪声 1 4 1 。其示意图如下： 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟墨 光纤 延迟量f 图1 3 5射频光纤延迟示意圈 图1 3 6 基于光纤延迟线的雷达目标模拟器 雷达相干目标模拟器接收雷达的射频发射信号 。此信号经放大稳幅后经射频 开关分成4 路到4 路光调制器，并被调制到光载波上。分别接四种不同长度的光纤传 输，再经光耦合器合成为1 路光信号送入光调制器，变换后的雷达射频信号再经放大 成等幅射频信号，为此一个光纤4 单元延时组件，再接三个光纤4 单元延时组件，通 过合理安排光纤长度和切换控制，即可完成2 5 6 个步进时延。延时后的霄达射频信号 和雷达相干目标模拟器提供的本振无混频，滤波后产生矗一无信号，此信号经放大 后与五十f d 混频，滤波后可得，o + 厶信号，即加上目标多普勒频率偏移的雷达回波 信号，最后经放大以及程控衰减器对其幅度进行控制。 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 1 3 4 基于数字化设计的目标模拟器 现代雷达信号模拟器的设计都偏重于数字化设计，随着数字计算机的发展和总线 技术的成熟，可以实现高速的数据吞吐量，完成各种体制雷达的信号模拟。根据与通 用计算机的不同结合方式，基于数字化的雷达信号模拟器大致可分为以下几种类型 【1 1 】： 1 脱机工作雷达信号模拟器 脱机工作雷达信号模拟器脱机计算机的控制，可以实现单板工作，但是该方案要 实现实时的目标信号、杂波、干扰等雷达视频信号模拟，硬件设计较为复杂。当今雷 达所处的环境恶劣，要接收到各种人为和自然的干扰，处理的数据量非常大，这对脱 机工作雷达信号模拟器的存储器提出了很苛刻的要求。由于本文所讨论的模拟器即属 于此种类型，这里就不加以介绍了。 2 计算机和d a 插卡结合雷达信号模拟器 采用通用计算机计算目标、杂波、干扰强度，形成数据文件，通过d m a 数据直 接输出到d a 插卡，形成视频模拟信号。该方案解决了系统扩充和数据存储量的限制， 但是采用d m a 数据传输，受到数据传输速率的限制，难以达到数据传输的实时性。 当模拟信号路数较多时，模拟信号时间量化变粗。 用通用计算机代替这些专用的数字设备产生回波信号。由此产生了一种通用雷达 信号模拟器【l ”。其结构如图1 3 7 所示。 系统工作流程如下：首先，p c 机根据用户设定的参数产生模拟回波数据文件， 存于p c 机的硬盘；其次，p c 机通过程序把硬盘上的回波数据调入内存；第三步， p c 机运行数据调度程序，把内存中的数据调入数据调度板上的双口缓冲存储器；第 四步，数据调度板上的地址发生器将数据从缓冲存储器的另一口读出，送d a c 产生 视频回波信号，并经混频、滤波电路产生中频回波信号。在本系统中，计算机与外缓 冲存储模块之间的数据传输方式为d m a 方式，d m a 方式的优点是传输速度快，且 除了一些必要的开支外，实际传输不需要c p u 的干预，它可以较好地缓解数据传输 的瓶颈问题，使得数据库数据能够实时传送到机外缓冲模块。如果采用一般的存储器 映射方式或总线传输方式则很难做到数据的实时传输。在软件实现中，由于采用通用 计算机完成模拟回波的所有工作，所以没有一般定点计算的误差问题。这种以通用计 算机为核心的模拟器方法简单、灵活，但由于计算机本身受速度限制，无法满足目标 回波的实时性，只能做到准实时性。 南京理工大学硕士学位论文 雷达多目标模拟器 图1 3 7 信号模拟器的结构 3 计算机和d s p 组合雷达信号模拟器 采用计算机和高速数字信号处理芯片( d s p ) 相结合的方法设计的多目标雷达视 频信号模拟器【2 5 】【2 6 1 该模拟嚣利用计算机软件对雷达系统耳标环境和目标运动规律 进行建模，产生相应的雷达信号数据，通过通用的总线，如c o m p a c tp c i 总线，采用 d m a 方式，将数据传送到d s p 存储器中，再由d s p 对数据进行综合处理，实现各 种类型雷达回波信号和各种杂波干扰信号的实时模拟，最后经高速d a 变换器产生 所需雷达回波信号，达到对雷达目标及其环境实时模拟的目的i n 。其系统硬件框图 如图1 3 8 所示。 图1 3 8 雷达信号模拟器的系统硬件框图 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 该系统硬件采用先进的t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 作为数字信号处理器，其内置的 p c i 接口搭建基于c o m p a c tp c i 总线的数据传输通路，用a l t e r a 公司的f p g a 芯片 e p l c 6 作为系统的逻辑控制单元，同时利用f p g a 内部存储单元，与t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的 1 6 位m i f b 外围总线，与雷达信号处理机控制单元进行高速数据交换，本系统还可以通 过u s b 接口与普通的p c 进行通信，增加本雷达模拟器的通用性、灵活性。计算机是 通用的c o m p a c tp c i 总线的工业计算机，通过计算机产生雷达目标回波干扰及杂波数 据通过总线传送到数字信号处理器，信号处理器主要完成数据的再处理，将数据打包， 通过e m i f a 总线，将数据发给f i f 0 1 和f i f 0 2 并通过d m a 模数转换器，将数据转换 成i 、q 双支路的雷达回波幅度以及i 、q 双支路的角度或者俯仰数据。d s p 通过e m i f b 总线，与f p g a 通信，接收雷达信号处理机控制信号。 以上回顾了十多年来雷达目标模拟器和雷达信号模拟器的发展，从这些模拟器的 发展可以看出，计算机技术及数字技术的发展和应用对模拟器的发展起了很大的作 用，使模拟器的体积越来越小，精确度、稳定性、可靠性越来越高，通用性越来越强。 当然，模拟器具体采用什么类型的结构体系来实现与很多因素有关，如模拟回波的信 号形式( 视频、中频、射频) 、信号的带宽、调制方式以及目标模型、环境模型的复杂 程度、成本要求等。 南京理工大学硕士学位论文雷达多且标模拟爨 2 多目标模拟器的设计方案及工作原理 2 1 多目标模拟器的设计任务 本文主要讨论的是为某型号相控阵测量雷达设计的一多目标模拟器，主要用于该 雷达的多目标跟踪测量方式的检验、操作训练和任务前演练。此模拟器模拟的对象是 多个运动目标，模拟的关键是目标的实时性和真实性，也就是说必须能模拟出各个目 标的各种实时的运动姿态，以便检验雷达对各种不同运动姿态的目标的运动特征( 如 距离、速度、加速度) 的测量与跟踪。要模拟目标的运动姿态，首先必须建立目标运 动模型。 2 2 目标模拟器接收信号的模型嘲 由于该目标模拟器采用软硬结合的方法实现，能够模拟多种复杂调制下的雷达多 目标相干叵i 波信号。这里我们讨论线性调频脉冲体制的雷达回波信号。”目标模拟器接 收来自被检验雷达所发射的脉宽为霸的线性调频信号。其表达式为： c c o s ( 2 柞砌2 慨) ( 2 1 ) 黼，e 倒书 0 r v 是成立的，所以： ，( r ) 。型：堡一丝：。一丝 cccc ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 把( 2 8 ) 代入( 2 5 ) 式司得o s 肋= 撑c 等+ 剥2 v , 1 c o s 2 矾卜+ 期+ 叫h + 期讽) 泣， 令塾+ 1 ：岱，型矗：六，则s ，( f ) 的表达式为： s t ) = r e c l 与 j c o s 2 石瓴+ 厶 _ 2 矾r 】+ 鼢k 吖】2 + m 。 ( 2 1 。) 如果发射信号时宽为兀，那么由目标运动引起的回波信号在时间轴上的最大伸缩 时差为： 又若发射信号的带宽为b 或 & = 等不 在l i b 秒内回波的复包络无明显变化，即： 出= 等冰刍 b l _ c ( 2 1 1 ) 埘 则运动“点目标”回波复包络时间比例的变化就可略去不计，可认为1 + 等* 1 ， 所以式( 2 1 0 ) 可表示为： 南京理工太学硕士学位论文雷达多目标模拟器 s r ( ) = 理4 字i c o s 2 矾。一z ) + 2 矾r 】+ 万p r 】2 + 。0 l 10 j 同理由于厶= 竺 五，所以点目标回波的表达式可表示为： s ，o ) = 聊i 字b 2 厅伉+ 厶一r ) + 勋。一r ) 2 + 中。 ( 2 1 2 ) l 1 0 j 由设计的要求可知，模拟的动目标可认为是点目标，其最大运动速度p o = l o l g n s ， 则寺詈等等= 1 5 x 1 0 4 ，而b 矗= 5 “0 6 2 5 l o 。6 = 1 2 5 ，所以b 瓦 寺得到满足， 前面推导出的“点目标”回波的模型同样适用于该目标模拟器所需模拟的回波信号。 即目标模拟器所需模拟的回波模型为： s ，o ) ：，叫字l c o s 2 石+ 厶x f r ) + 女丌( r r ) 2 + m o ( 2 1 3 ) l 1 0j 比较式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 ) 可以看出：目标回波信号中载波的频率相对于模拟器接收 的信号的载波频率产生了频移办( 兀反映了目标与雷达之间存在相对运动) ，我们称 厶为多普勒频移。目标回波信号相对于接收到的雷达信号除了频移之外还存在着时 间延迟f ，这反映了动目标与雷达之间的位置( 距离) 关系。因此式( 2 1 3 ) 所示的目标 回波模型能反映出目标的运动特性，完全可以满足雷达对目标的跟踪测量。式( 2 1 3 ) 所示的回波信号包含两方面的信息，一方面是来自雷达发射信号的信号形式，另一方 面是反映目标运动特性的多普勒频率及时延。 要模拟出式( 2 1 3 ) 所示的回波信号。首先必须接收霄达的发射信号，然后进行多 普勒调制、时延等回波信号处理。在实际目标模拟中，实现模拟主要通过两类参数： 电参数和空间参数。电参数包括回波的频率、幅度、极化等信息，而空间参数则是指 目标的角度、距离( 时延) 信息。由于本文所讨论的模拟器不要求具有模拟目标角度信 息的能力，故这里不作叙述。目标回波信号的幅度信息主要是由距离、目标雷达反射 截面积( r c s ) 、天线方向图调制这三种因素变化带来的。回波频率的信息主要是多普 勒所带来的。时延信息反映了目标的距离。以上这三种信息可以称为目标的信号特征， 在这三个信号特征的处理上，目前都有相应的技术途径。如幅度模拟可由大动态程控 衰减器实现，目标多普勒频率可通过直接式数字合成器( d d s ) 实现，这在实践中已有 成功应用的先例。距离延迟的实现相对困难，过去常采用的方法是声表面波延迟。在 高速数字信号处理发展的今天，后两项都可以用数字信号处理技术来实现，本论文所 南京理工大学硕士学位论文 雷达多目标模拟嚣 讨论的就是采用d s p + f p g a 的方法来实现。 2 4 多目标模拟器的工作原理 多目标模拟器首先将天线接收到的雷达信号s ( f ) 下变频到中频，该中频信号一路 送到脉冲检波器，检波输出与雷达发射脉冲周期相同的脉冲信号，将此脉冲信号输入 定时、同步器产生同步信号供多目标模拟器内部定时、运算用。另路中频信号送v q 正交解调器，产生两路正交的i 、q 信号以满足多h 勒调制的需要。在本目标模拟器 中，采用了两级下变频，其中经第一级下变频后，由第一中频信号经过整形、检波后 提供脉冲周期信号，第二级变频后，将第二中频信号送入i q 正交解调器。在下面的 推导中，将两级下变频看过一级，因为这并不影响最终的结果。 若雷达发射信号的载频为，0 ，脉宽为瓦，随机初相为m 。，则目标模拟器接收到 的信号在有效区间( 0 蔓f 蔓死) 内为： s o = c o s ( 2 舐r + 臃2 + 瓯) ( 2 。1 4 ) 将式( 2 1 4 ) 的信号s o ) 与锁相源输出的频率为 的信号下混频，得到频率为 的 中频信号： s ( ，) = c d s 【2 万抚一无y + 砌2 + m 。j = e o s ( 2 n f d + k n 2 + 中。) 该中频信号放大后，一路送检波器检波后输入到定时同步器， 正交解调器产生正交的两路i 、q 信号s ，e ) 和( f ) 。 设晶振产生的中频信号为正，则正交检波的过程为： s o ) = c o s ( 2 匆：f + 耐2 + m 。) 2 e o s ( 2 n f d ) = c o s ( 4 奶r + 七耐2 + m 。) + c o s 晦硝2 + m 。) ( t ) = c o s ( 2 n f d + k n t 2 + 。) - 2 s i n ( 2 n f d ) = s i n ( 2 斫f + 腩2 + 巾。+ s i n 睡硝2 + o 。) 1 ，q 解调后的信号( 2 1 6 ) 式和( 2 1 7 ) 式经低通滤波后为： 岛( f ) = c o s 蛔2 + 中。) ( 2 1 5 ) 另一路则送到 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 1 3 南京理工大学硬士学位论文雷达多目栝模拟器 o ) = s i l l ( 七硝2 + o 。) ( 2 1 9 ) 式( 2 1 8 ) 与式( 2 1 9 ) 即为正交解调后的i 、q 信号。 i 、q 信号输送到a d 转换器经a d 转换后存贮在存储器中。数字信号处理器( d s p ) 根据各目标运动参数的设置，实时计算出每一路目标在即时时间点上的距离拖延f 和 多普勒频率厶以及多普勒信号如和9 脚，并对存贮的i 、q 数字信号进行调制。设 d s p 根据设置的运动参数算得的两路正交多普勒信号为： = e o s ( 2 n f a t ) ( 2 2 0 ) q 掰= s i n ( 2 n f d t ) ( 2 2 1 ) 多普勒正交信号与存贮的正交i 、q 数字信号的调制过程为： 墨，( r ) = s j o ) 助= c o s ( k 珂2 + 中。) c o s ( 2 矾f ) s ：o ) = s ，矗) q r a = c o s ( k n f 2 + 。) s i n ( 2 移，t ) $ 2 1 ( f ) = ( f ) _ 妇= s i n ( k r a 2 + 。) c o s ( 2 n f 。t ) $ 2 2 ( f ) = o ) 幽= s i n ( k z a 2 + o 。) s i n ( 2 f d t ) 将s ，。( r ) 减去s ：o ) 得s ，e ) ： s ，e ) = s ，( f ) 一s ：o ) = c o s 任靠2 + 中。) c o s ( 2 刃o f ) 一s i n ( k i n 2 + o 。) s i n ( 2 n f ) = c o s ( 2 矾r + 七耐2 + 中。) ( 2 2 2 ) 将s ：o ) 加s ：，( r ) 得( f ) ： s 口，o ) = s ：。) + s ：啡) = c o s o 厨2 + 巾。) s i n ( 2 耐：f ) + s i n g 面2 + 西。) c 。s ( 2 n f u t ) = s i n ( 2 n f a t + k i n 2 + o o ) ( 2 2 3 ) s ，o ) 和( r ) 为具有多普勒调制的数字信号，该信号存贮在f i f o 存储器内，延 时f 之后将送至d a 转换器，该数字信号转换为模拟信号之后送i q 调制器进行正交 调制，产生中频模拟回波信号。其调制过程为： s ( f ) = s ，( t ) e o s ( 2 n f ，t ) - s 。( t ) s i n ( 2 n f f f ) ：c o s ( 2 7 九f + k 府2 + 。) c o s ( 2 矾，) 一s i n ( 2 n f d t + k 廊2 + o 。) s i n ( 2 n f j t ) j 4 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 = c o s 2 疗( f d + 正，+ 七珂24 - m oj ( 2 2 4 ) 式( 2 2 4 ) 所表示的信号经上变频后将成为目标模拟器最后将发射出去的目标回波信 号。 为了模拟回波信号的强弱，我们将根据d s p 算得的实时距离拖延f 转换为相应 的控制信号控制电控衰减器，达到控制发射信号强弱的目的。 以上是目标模拟器总体组成及工作原理介绍，下面将分别对目标模拟器的硬件和 软件的设计做作详细介绍。 南京理工大学硕士学位论文冒达多目标模拟器 3 目标模拟器硬件的设计 3 1 概述 多目标模拟器的结构图就其硬件组成可分为两大部分：第一部分为微波收发系 统，主要完成雷达信号的接收与转发。第二部分为数字信号处理系统，主要完成数字 波形实时存储及调制，输出具有多普勒调制及时延调制的目标回波信号。 3 2 微波收、发系统的设计 多目标模拟器的微波收发系统的主要任务是完成雷达系统发射信号的接收与转 发。在模拟器接收时间内，由控制器来控制信号使接收开关置开启状态。雷达发射信 号被天线接收经过限幅器进入低噪声放大器l n a ，放大后进入第一下变频器，与第 一本振混频产生第一中频8 3 0 m h z ，经过滤波放大进入第二下变频器与第二本振混频， 产生第二中频7 0 m h z ，经滤波得到7 0 m h z 脉冲调制二中频信号。该信号加至i q 解 调器的输入端，与高稳定的7 0 m h z 本振相乘，经低通滤波器滤波，解调出正交i ，q 基带信号。正交i q 基带信号由数字部分进行多普勒调制和距离拖延后去调制高稳定 的7 q 耽融中频载波，调制后的7 0 m h z 中频与第二本振上变频至8 3 0 m h z ，再经放大 滤波与第一本振上变频至射频，经滤波放大p i n 脉冲调制从发射天线发射出去。 3 2 1 射频接收单元 首先计算射频接收单元所接收的雷达射频信号的功率。雷达发射的射频信号在到 达接收单元之前总损耗可由下式表示6 1 ： 三= l s + 工f + 工r + 三r ( 3 1 ) 其中，l 。为空间路径损耗。 厶= 9 2 4 4 + 2 0 l o g f o ( g h z ) + 2 0 1 0 9 d ( b n ) ( 3 2 ) 式中， 接收信号的频率，d 为模拟器与雷达的距离。 把d = 4 0 0 m 和f o 代入式( 3 2 ) 得空间路径损耗： l s = 1 0 0 d b ( 3 3 ) 同时馈线损耗工f = 2 4 d b ，其他损耗( 如接头等) 岛= l d b ，收发开关损耗 l 。= 1 5 d b ，限幅器损耗为1 5 d b ，而且天线增益g = l s d b ，则到达接收单元前的总 1 6 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 损耗： 三= 1 0 0 + 2 4 + 1 一1 8 = 1 0 7 d b ( 3 4 ) 若雷达末级未开启时天线口的发射功率为+ 5 0 d b m ，则到达模拟器l n a 的信号 功率为： 一1 5 出一1 劣2 5 d b一1 0 凹一2 5 出 图3 2 1 射频接收单元原理图 b = - 1 0 7 + 5 0 = - 5 7 d b m ( 3 5 ) 若雷达末级开启时到达模拟器输入端最大功率为+ 4 0 d b m ，经限幅器衰减 1 0 1 5 d b m ，到达接收机l n a 前的电平为从一6 0 d b m 变为+ 1 0 d b m ，动态范围7 0 d b ， 接收机输入端必须加固定衰减器实现。 射频接收单元的原理图如图3 2 1 所示，它由p i n 收发开关、限幅器、低噪声放 大器，下变频器、滤波器和一本振频率综合器组成。图3 2 1 中p i n 收发开关损耗均 为1 5 d b ，限幅器损耗l d b ，低噪声放大器增益约为2 5 d b ，下变频器损耗l o d b ，滤波 器损耗2 5 d b ，则射频接收单元的增益约为： g i = - 1 ，5 一l + 2 5 - 1 0 2 5 = 1 0 d b ( 3 6 ) 则射频接收单元输出的一中频信号功率约为： p 矗= 一5 7 + 1 0 = - - 4 7 d b m ( 3 7 ) 这里下变频采用双平衡混频器，滤波器采用声表面滤波器。由于信源的频率带宽 为f o 5 0 m h z ，i 本振的带宽也要达到5 0 m h z 。 1 7 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟器 3 2 2 射频发射单元 射频发射单元的原理图如图3 2 2 所示，由上变频器、滤波器、衰减器、功率放 大器、p i n 调制器和一本振频率综合器组成。 2 d b4 0 d b 一2 5 d一1 0 d b一2 d b 图3 2 2 射频发射单元原理圈 按照任务书的要求，模拟器盼输出功率2 0 0 r o w ，即为2 3 d b m 。进入衰减器的调 制信号功率o d b m ，衰减器损耗2 d b ，上变频器损耗1 0 d b ，滤波器损耗2 5d b ，p i n 调制器接入损耗2d b ，则要求射频发射单元的总增益： g ，2 + 1 0 + 2 5 + 2 + 2 3 = 3 9 5 矗8( 3 8 ) 取g ，= 4 0 d b ，这个增益由功率放大器来完成。 3 2 3 中频单元 首先要确定中频的频率和带宽，为了使脉冲包括检波波形恢复较好，要求脉冲周 期内有6 1 0 个高频振荡周期，输入信号脉冲的前后沿为t r = 3 0 n s ，则有， 矗6 一l o t r ( 3 9 ) 6 1 0 3 0 x 1 0 4 2 0 0 3 0 0 m h z ( 3 1 0 ) 如果直接在2 0 0 - 3 0 0 m h z 提取和调制载波，频率较高，实现有一定难度，稳定度 也不容易做高。因此设计采用二次交频的方案。在一中频放大后信号检波解决波形恢 复，二中频后进行载波提取i 、q 调制与解调。一中频选8 8 0 m h z 。二中频选7 0 m h z 。 中频带宽选取决定于对脉冲上沿的要求，任务书中确定了输入信号脉冲的前后 沿为t r = 3 0 n s ，一中频带宽按下式计算， l = 0 7 t r = o 7 3 0 x1 0 。9 = 2 3 m h z ( 3 1 1 ) 这里取中频带宽为2 5 m h z 。一中频带宽较宽，保证了检波后方波信号有较好 的前后沿( 5 0 n s ) ，用它作为d s p 同步时间基准，生成开关闭塞脉冲和p i n 调制的 脉冲信号。 南京理_ 工丈学硕士学位论立雷达多目标模拟器 二中频带宽要保证线性调频的带宽1 0 m h z ，目o - e p 频带宽大于1 0 m h z ，这里取 二中频带宽1 2 m h z 。中频单元的原理图如图3 2 3 所示，它包括中频放大器、滤波器、 衰减器、功分器、检波器、下变频器和二本振频率综合器。 5 5 d b一2 5 d s - 2 d b一3 d bo d b m 图3 2 3 中频单元原理图 一中放输入端信号：- 5 5 5 d b m 检波器输入端：o d b m 一中放的增益：g = - 5 5 5 + 2 5 + 2 + 3 = 6 3 d b = 7 0 d b 考虑到增益余量：g n = 7 0 d b 输入信号已接近0 d b ，可设置一级放大器作缓冲之用，g = 1 0 d b 。 3 2 4 调制与解调单元 经过中频放大的7 0 m h z 线性调频信号分成两路，同相等幅送入两个乘法器上( 混 频器) ，7 0 m h z 频综经过正交功分器后得到两个幅度相等、相位正交的两个信号，也 分别加到两个乘法器上，相乘后经低通滤波得到等幅正交的i 、q 两路基带信号。将 正交的i 、q 信号通过a d 变换后加到d s p ，经过时延和多普勒处理，得到五路不同 时延和不同多普勒频率的模拟回波信号，分别加到5 个正交调制器上，得到7 0 m h z 的调制信号，经合路器后加至上变频得到中频调制信号，然后送入射频发射单元。在 这里i 、q 相位和幅度平衡很重要。 3 2 5 本振单元 本系统中共有三个本振，本振l 和本振为两级变频提供信号，本振i i i 为i 、q 解调提供信号。本振i 采用高稳定的c 波段频率综合器，本报i i 频率为7 6 0 m h z ，本 振i 频率为7 0 m h z 。这里的晶振采用恒温晶振。 南京理工大学硬士学位论文雷达多目粝旗拟器 3 3 数字信号处理系统的设计 多目标模拟器中数字信号处理系统在检波脉冲的作用下，完成对模拟部分送来的 正交她基带信号的采集，数据存放在l o 个存储器中，该数据分别与d s p 送来的5 个目标的多普勒信号进行数字正交调制，调制器由乘法累加器完成。该调制器产生的 新数字正交调制信号送f i f o 存储器进行距离拖延，拖延时间f 由d s p 运算得到。最 终数据送d a 转换成模拟信号，经过低通滤波器后变为所需要的新的正交i q 基带信 号，再送给模拟部分。5 个目标的工作信息可以通过面板键盘和远端控制计算机通信 得到，d s p 根据这些信息实时完成5 个目标的多普勒调制信号和距离拖延的运算，同 时d s p 还根据5 个目标距离远近完成衰减器控制电压：数字部分还根据目标所在位 置给出消隐脉冲，防止重复触发。 3 3 1 数字信号处理系统的框架 数字信号处理的方法大体上可归纳为三类：软件实现法、硬件实现法、软、硬结 合实现法。目前应用最广泛的一种是软硬结合实现法，这种方法是利用高速的硬件系 统再配以相应的算法软件，使硬件功能得到最大发挥，提高了系统的灵活性。 我们所要设计的多目标模拟器需实时模拟五路目标在各种状态下的运动，所以所 需的数字运算量大、运算精度高，为此我们考虑采用通用d s p 芯片和可编程逻辑器 件作为数字信号处理系统的核心。设计一软、硬结合的数字信号处理系统。该数字信 号处理系统的原理框图如图3 3 1 所示。 i q 4 0 b l h z 视频脉冲1 1q电衰 图3 3 1目标模拟器信号处理系统原理圈 南京理工大学硕士学位论文雷达多目标模拟纂 该数字信号处理系统的工作流程：在系统前端检波产生的视频脉冲经过差分传输 给f p g a 后，作为两路高精度的a d 转换器的启动脉冲，a d 启动后将采样两路正 交的视频信号( i q 信号) ，然后将采样得到的数据存储在双端口存储器中，数字信号 处理器回s p ) 根据设置的目标运动模式和初始参数完成对各个目标的多普勒频率和距 离拖延量f 的运算。在可编程逻辑控制器( f p g a ) 的控制信号作用下数字调制器从双端 口存储器中读出a d 采样后数据，并将该数据与计算得到的两路正交多普勒信号进 行调制，然后将运算结果存入f i f o 存储器，d s p 还将目标的距离拖延量f 送入f p g a ， 由其输出相应的距离拖延脉冲，在此脉冲的作用下，f i f o 存储器输出经过距离拖延 的目标回波的数字视频信号，然后荐将其送入d a 转换器。此外f p g a 还将根据目 标的距离拖延量化值控制另一路d ，a 转换器，转换成模拟电压去控制电调衰减器， 完成对回波信号弱强的控制。 3 3 2 数字信号处理系统的组成 根据前面看到的本系统的原理框图，该数字信号处理系统可大致分为以下六大部 分：数据采样部分、数字信号处理部分、存储器部分、多普勒调制和距离拖延部分、 模数转换部分、逻辑定时控制部分。这样的划分使得各个部分的功能都很清晰，下面 我们主要讨论各个部分的详细设计。 3 3 2 1 数据采样部分 数据采样部分的设计应该考虑a d 的选择。主要考虑a d 的输入信号电平范围、 转换精度、动态范围、输入输出阻抗、采样频率的因素。这里，数据采样部分由输入 信号电平转换电路、输入阻抗匹配电路、高速高精度a d 转换电路、数据锁存及其 它外围电路组成 1 “。 本系统中a d 面对的是i q 解调器解调输出的两路i 、q 视频信号，由于该信号 包含了雷达信号的形式，而且之后要通过数字调制器进行多普勒数字调制。因此采样 时刻得到的波形数据直接影响到后级模拟器的发射波形。这里必须根据输入信号的形 式，选择恰当分辨率、速度、精度