一種在雷達(dá)平臺上實現(xiàn)模擬目標(biāo)的方法
按照電路實現(xiàn)形式來區(qū)分，目標(biāo)模擬可分為3類：全模擬實現(xiàn)，全數(shù)字實現(xiàn)，數(shù)模結(jié)合實現(xiàn)。全模擬實現(xiàn)信號易受干擾，調(diào)試?yán)щy；全數(shù)字實現(xiàn)存儲量巨大，存在量化誤差。所以，數(shù)模結(jié)合成為模擬目標(biāo)的主流電路實現(xiàn)形式。
目標(biāo)模擬根據(jù)模擬的信號節(jié)點來區(qū)分，可以分為：輻射式與注入式。兩者最根本的區(qū)別在于，前者經(jīng)過天線發(fā)射，而后者不經(jīng)過天線，直接將包含目標(biāo)信息的信號灌回接收系統(tǒng)。注入式模擬信號只受到內(nèi)部熱噪聲影響，信號可重現(xiàn)性良好，所以大部分信號模擬都采用注入方式。注入式目標(biāo)模擬又可分為目標(biāo)基帶信號模擬，中頻視頻信號模擬，高頻信號模擬等。
文中介紹的方案由DSP根據(jù)點跡信息計算控制量，F(xiàn)PGA產(chǎn)生目標(biāo)基帶信號，利用雷達(dá)原有結(jié)構(gòu)調(diào)制發(fā)射信號。整個方案可以總結(jié)為“分立結(jié)構(gòu)+數(shù)模結(jié)合+基帶信號模擬”。
1 模擬目標(biāo)的實現(xiàn)
1．1 總體結(jié)構(gòu)
圖1所示為某雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中虛線框是為實現(xiàn)模擬功能增加的部件，去掉這些部件即是一不包含模擬功能的常見PD雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。點劃線框是為了實現(xiàn)模擬目標(biāo)功能需要進(jìn)行控制的部件。
正常工作時，工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)打到發(fā)射機(jī)端，多普勒調(diào)制開關(guān)短路，120 MHz信號未經(jīng)多普勒調(diào)制，上變頻后脈沖調(diào)制，進(jìn)入發(fā)射機(jī)。接收回波時，高頻信號經(jīng)接收機(jī)放大，下變頻，由信號處理機(jī)檢測出目標(biāo)信息，送數(shù)據(jù)處理機(jī)，進(jìn)行濾波、預(yù)測、跟蹤。
模擬工作時，工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)打到接收機(jī)端，信號不經(jīng)過發(fā)射機(jī)直接注入和差網(wǎng)絡(luò)的一端，信號通過和差網(wǎng)格形成幅度幾乎相等的和差兩路信號送接收機(jī)。DSP計算目標(biāo)信息，并根據(jù)目標(biāo)信息得出各模擬部件的控制量，由FPGA輸出。對原來輸出到脈沖調(diào)制器的調(diào)幅信號和0／π編碼調(diào)相信號延時輸出，延時多少根據(jù)目標(biāo)距離信息決定。多普勒調(diào)制開關(guān)斷開，120 MHz信號包含可編程的多普勒信息，上變頻到發(fā)射頻率后交由接收機(jī)處理。雷達(dá)采用S曲線法測角，因此通過控制和，差增益以及數(shù)控移相器來模擬角度信息。
1．2 信號描述
1．2．1 總站同步信號
圖1中信號(1)為脈沖積累周期信號，信號(2)為脈沖重復(fù)周期信號的調(diào)幅信號，信號(3)為編碼調(diào)相信號，三者時序，如圖2所示。脈沖積累周期由Ⅳ個脈沖重復(fù)周期和準(zhǔn)備時間構(gòu)成。編碼調(diào)相信號與脈沖重復(fù)周期信號的調(diào)幅信號同步，信號(6)與信號(10)是信號(2)與信號(3)的輸出信號，用于調(diào)制發(fā)射波形。正常工作時，信號(6)與信號(10)轉(zhuǎn)自信號(2)與信號(3)，模擬工作時數(shù)據(jù)處理機(jī)將這兩個信號根據(jù)目標(biāo)距離延時后輸出。
1．2．2 模式切換信號
圖1中信號(4)為雷達(dá)工作模式切換開關(guān)，用于控制經(jīng)過脈沖調(diào)制的高頻信號的走向。正常工作時信號輸出到發(fā)射機(jī)，模擬工作時信號直接輸出到和差網(wǎng)絡(luò)形成內(nèi)回路。信號(5)為120 MHz開關(guān)，來選擇是否加入速度多普勒信息。模擬時開關(guān)打開，將多普勒速度調(diào)制到120 MHz上。
1．2．3 模擬目標(biāo)的實現(xiàn)
一個模擬目標(biāo)的參數(shù)包括延時(距離)，多普勒頻率(速度)，和差兩路信號幅度比(角度)，以及和路信號幅度(雷達(dá)截面積)。
信號(6)為延時信號，用于模擬目標(biāo)距離。根據(jù)目標(biāo)距離信息，將總站脈沖重復(fù)信號延時后輸出，延時為
t=2r／c (1)
其中r為模擬目標(biāo)的距離，將光速c代入式(1)得
t=r／150 (2)
延時t的單位為μs。同時延時的還有圖1中信號(10)，信號(10)是將總站編碼調(diào)制信號延時后的信號，在時序上與信號(6)對齊。信號(6)與信號(10)構(gòu)成了脈沖調(diào)制器的輸入，這兩個信號將調(diào)制載波，輸出到和差網(wǎng)絡(luò)。信號(6)，信號(10)輸出波形及時序，如圖3所示。
圖1中信號(7)為多普勒調(diào)制信號，用于模擬速度。該信號為一模擬信號，輸入到多普勒調(diào)制模塊。多普勒調(diào)制模塊包含一個電調(diào)移相器，將120 MHz連續(xù)波按輸入信號控制移相后輸出，輸入信號從O V開始，0 V移O相位，輸入12 V移2π相位，最終將多普勒頻率調(diào)制到了120 MHz上。特定速度的遞增電壓值為
P=6△ψ/π （3）
其中△ψ為在相鄰兩個脈沖間隔內(nèi)，即一個脈沖重復(fù)周期Tr內(nèi)由于速度產(chǎn)生的相位變化，其大小為
根據(jù)式(7)計算出的信號(7)，F(xiàn)PGA根據(jù)信號(7)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬信號。其波形及時序見圖3，圖中為了清晰起見，只描繪了短碼情形。信號(8)，信號(9)與信號(12)分別控制和差通道信號幅度與差路相位來實現(xiàn)角度模擬。雷達(dá)采用S曲線測角，正常工作時，這3個控制量固定。模擬目標(biāo)工作方式下，輸入到接收機(jī)的和差兩路信號幅度相等。此時，控制差路信號增益，產(chǎn)生不同的和差通道幅度比，來模擬波束內(nèi)的相對角度?？刂撇盥废辔?，來模擬目標(biāo)相對于波束中心的左右偏極性。對于頻掃雷達(dá)而言每個頻點都對應(yīng)了一個中心角和一條s曲線，要模擬某個角度，首先找到覆蓋該角度的頻點，然后查S曲線，得出差和增益比為
其中θ為欲模擬角度，θc為查得頻點的中心角，Sc為該頻點的s曲線，對于負(fù)比值(左偏)的目標(biāo)還要控制移相器進(jìn)行180°的移相來實現(xiàn)。兩路增益具體值的選擇有兩個原則：一是保證和差兩路信號不飽和；二是和增益要固定。前者能保證進(jìn)入信號處理機(jī)的信號不失真，后者保證進(jìn)入信號處理機(jī)用于檢測雷達(dá)截面積的信號幅度只受信號(11)控制，這樣在需要模擬目標(biāo)等效截面積時只需要控制信號(11)即可。
信號(11)為激勵幅度控制，該信號用于模擬目標(biāo)的雷達(dá)截面積?？紤]施威林起伏，由文獻(xiàn)知，4種起伏模型是由兩種脈間相關(guān)性與兩種概率密度函數(shù)兩兩組合而成，兩種相關(guān)性即快變化與慢變化的模擬可以由激勵衰減器控制字的快慢變化來實現(xiàn)，此處給出雷達(dá)截面積兩種隨機(jī)分布的實現(xiàn)。
I、Ⅱ類施威林模型的截面積服從參數(shù)為σ指數(shù)分布，σ是不起伏的雷達(dá)截面積，根據(jù)文獻(xiàn)，可得其雷達(dá)截面積為
其中，F(xiàn)-1 1為指數(shù)分布的分布函數(shù)的反函數(shù)，u是0到1上的均勻分布隨機(jī)變量，可以用混合同余法獲得其隨機(jī)序列。
Ⅲ、Ⅳ類施威林模型服從參數(shù)m=2，β=σ／2的愛爾朗分布，根據(jù)文獻(xiàn)，可得其雷達(dá)截面積為
u1與u2分別服從0到1上的均勻分布，且相互獨立。
根據(jù)文獻(xiàn)，雷達(dá)回波信號幅度可寫為
Ki為第i個頻點照射時的雷達(dá)模擬常數(shù)，可以通過試驗獲得。具體方法為：在一定距離處模擬目標(biāo)，設(shè)置激勵衰減控制字產(chǎn)生可控的和通道幅度，從信號處理機(jī)獲得雷達(dá)截面積，再反推出雷達(dá)模擬常數(shù)。有了雷達(dá)模擬常數(shù)，根據(jù)式(12)就可以計算出帶有起伏的和路信號幅度。
2 結(jié)束語
運(yùn)用上節(jié)結(jié)果，在某雷達(dá)平臺上實現(xiàn)了模擬目標(biāo)航跡，下圖為雷達(dá)處于模擬工作下的顯控截圖。文中針對具體雷達(dá)系統(tǒng)，提出了以“分立結(jié)構(gòu)+數(shù)模結(jié)合+基帶信號模擬”為特點的雷達(dá)目標(biāo)模擬方案。該方案利用了原有雷達(dá)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，將各獨立部件耦合到原有雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)件中去。實際證明，該方案能較好的實現(xiàn)模擬目標(biāo)功能，節(jié)約了綜合成本，增加了雷達(dá)系統(tǒng)檢測的手段。
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