雷達導(dǎo)引頭DBS回波信號模擬器設(shè)計
摘要:半實物仿真是雷達導(dǎo)引頭研制過程中性能評估及驗證的有效手段,為實現(xiàn)在實驗室內(nèi)對雷達導(dǎo)引頭DBS成像算法的評估驗證,設(shè)計一種基于FPGA和DSP硬件實現(xiàn)的DBS回波信號模擬器,實現(xiàn)了目標(biāo)方位上回波信號的模擬。模擬器的數(shù)據(jù)采集結(jié)果經(jīng)DBS成像處理后,與理論仿真結(jié)果進行對比分析,驗證了所設(shè)計雷達導(dǎo)引頭DBS回波信號模擬器的正確性。該模擬器已成功應(yīng)用于導(dǎo)引頭研制階段DBS成像算法的評估驗證。
關(guān)鍵詞:雷達導(dǎo)引頭;DBS回波信號模擬器;半實物仿真
0 引言
隨著導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,精確制導(dǎo)武器逐步成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要武器之一。精確制導(dǎo)武器的打擊精度主要依賴于導(dǎo)引頭的制導(dǎo)精度,為提高導(dǎo)彈打擊精度,對雷達導(dǎo)引頭的高分辨能力提出了更高的要求。提高距離分辨率可采用寬帶信號處理技術(shù),提高方位分辨率的方法主要有合成孔徑雷達(SAR)成像和多普勒波束銳化(DBS)成像技術(shù)等?;诟邔崟r性及工程實現(xiàn)難度低的優(yōu)勢,目前DBS成像技術(shù)在彈載平臺上獲得了廣泛工程應(yīng)用。
雷達導(dǎo)引頭研制階段對DBS成像算法評估驗證,外場試驗和調(diào)試成本較高,且對于一些邊界條件的驗證也無法實現(xiàn)。在實驗室內(nèi)采用DBS回波信號模擬器可縮短研制周期,降低研制成本。
對常規(guī)雷達導(dǎo)引頭的考核,目標(biāo)模擬器僅需要模擬目標(biāo)的距離信息;對于應(yīng)用DBS技術(shù)的高分辨雷達導(dǎo)引頭,模擬器則需要模擬目標(biāo)的距離和方位信息。為實現(xiàn)不同方位不同距離目標(biāo)回波信號的模擬仿真,本文結(jié)合DBS成像技術(shù)和回波信號模擬理論,設(shè)計了一種基于FPGA和DSP硬件實現(xiàn)的DBS回波信號模擬器,應(yīng)用于雷達導(dǎo)引頭DBS成像技術(shù)的性能評估及仿真驗證。
1 雷達導(dǎo)引頭目標(biāo)回波信號模型
首先簡要介紹目標(biāo)回波信號模擬理論,雷達發(fā)射的脈沖信號照射到目標(biāo),脈沖信號經(jīng)過時間延遲、幅度和相位經(jīng)過目標(biāo)后向散射系數(shù)調(diào)制即得到目標(biāo)的回波信號。
假設(shè)雷達發(fā)射的脈沖是線性頻率調(diào)制脈沖:
式中:A(t)為脈沖幅度;τ為脈沖寬度;ω0為載頻;μ為線性頻率調(diào)制系數(shù);t為時間;rect(·)是矩形函數(shù)。
由此可得目標(biāo)的回波表達式為:
去載頻后得到的視頻回波信號表達式為:
式中:td是雷達與目標(biāo)之間的延遲時間;b為點散射體的幅度,其受空間傳輸距離、單元后向散射系數(shù)及天線方向圖等因素影響;R為目標(biāo)斜距;i為單元距離向指數(shù);j為單元方位向指數(shù);λ為信號波長;exp[-j4πRij(nTx)/λ]為多普勒分量,它決定方位分辨率;n(t)為噪聲信號。
2 回波信號模擬器的設(shè)計
2.1 總體設(shè)計思路
目標(biāo)模擬器主要用于目標(biāo)回波信號的模擬,目標(biāo)模擬需要提供目標(biāo)的電磁特征,包括信號的幅度、相位、頻率、延遲時間及到達角度。模擬器輸出為視頻回波信號,經(jīng)信號源上變頻為射頻信號后輸出。
模擬器主要由DSP,F(xiàn)PGA以及D/A模塊實現(xiàn),通過計算機控制界面輸入雷達導(dǎo)引頭的特性參數(shù),由DSP處理模塊完成時間延遲和多普勒頻率的計算。通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)下發(fā)到FPGA,由FPGA模塊完成對雷達發(fā)射信號的調(diào)制運算。發(fā)射信號的波形數(shù)據(jù)用Matlab仿真產(chǎn)生,在FPGA設(shè)計時通過IP核調(diào)用存入ROM中。D/A模塊主要完成輸出信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換。模擬器硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示。
模擬器設(shè)計n個通道,模擬n個方位,每個通道上可設(shè)置m個不同距離的目標(biāo),即實現(xiàn)n×m個點陣目標(biāo)的模擬。通道i的信號設(shè)計框圖如圖2所示,其中多普勒頻移fd1及距離延時控制由DSP處理模塊根據(jù)計算機控制界面輸入數(shù)據(jù)計算得到;距離延時控制實現(xiàn)計算機控制界面輸入的距離信息的轉(zhuǎn)換,其他目標(biāo)的位置通過固定延遲1,2,…,m來控制,最后通過求和即可實現(xiàn)同一方位不同距離目標(biāo)回波信號的疊加。不同通道信號產(chǎn)生框圖如圖3所示。
2.2 目標(biāo)信號、噪聲產(chǎn)生模塊的設(shè)計
信號的波形數(shù)據(jù)用Matlab仿真產(chǎn)生,在FPGA設(shè)計的時候通過IP核調(diào)用存入ROM中,為了完成多種回波信號的模擬,分別將脈沖信號、線性調(diào)頻信號和非線性調(diào)頻信號存于3個ROM中,如圖4所示,控制模塊用于接收DSP的控制信號,選通相應(yīng)的發(fā)射信號。
在雷達系統(tǒng)中存在著許多噪聲源,包括外部噪聲與接收機噪聲,它們的和形成了回波巾總的噪聲。通常,可將噪聲看作高斯白噪聲。實際上,所有情況下的噪聲都看作是在接收信號s(t)上進行相加的高斯白噪聲。本設(shè)計疊加了高斯白噪聲。
2.3 多普勒頻率的設(shè)計思路
對模型進行簡化,假設(shè)俯仰角β=0,那么:
由上式可知,在方位角α確定時,fd也是一個定值,這種定值的設(shè)計在FPGA中是通過DDS混頻來實現(xiàn)的。多普勒頻率調(diào)用Xilinx的IP核DDS產(chǎn)生。
3 模擬結(jié)果分析
模擬器參數(shù)設(shè)置:導(dǎo)彈平臺速度為300 m/s;目標(biāo)所在方位角分別是59°,60°,60.5°,61°;選用8μs非線性調(diào)頻信號;設(shè)置四個通道,每個通道上五個目標(biāo)距離間隔為150 m;對模擬器進行試驗驗證,試驗過程中采集的回波數(shù)據(jù)如圖5所示,1路為幀同步信號,2路和3路分別為I,Q兩路信號。
將試驗時采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab,進行脈壓和FFT處理,結(jié)果如圖6所示。
選擇同樣的參數(shù),用Matlab模擬回波信號,并且進行信號處理,得到FFT處理后的灰度圖如圖7所示。
經(jīng)過仔細(xì)對比,理論仿真與采集數(shù)據(jù)的處理結(jié)果基本一致,從而驗證了所研制模擬器的正確性。由于噪聲的緣故,在0通道會積累一定的幅度,從圖7可以看出來。
4 結(jié)語
目標(biāo)回波信號模擬器是雷達導(dǎo)引頭研制和調(diào)試階段的必備工具。本文設(shè)計的目標(biāo)回波信號模擬器,實現(xiàn)了不同方位不同距離目標(biāo)回波信號的模擬仿真,并通過與理論仿真結(jié)果對比分析,驗證了模擬器設(shè)計的正確性。該模擬器已成功應(yīng)用于導(dǎo)引頭研制階段評估驗證DBS成像算法,并獲得了較好的效果。