基于DDS的單脈沖體制雷達目標(biāo)模擬的實現(xiàn)

摘要 目標(biāo)模擬器可以輔助雷達系統(tǒng)進行整機調(diào)試并幫助進行操作培訓(xùn)。利用DDS芯片AD9857設(shè)計了一種單脈沖體制雷達的目標(biāo)模擬器。通過數(shù)字交匯技術(shù)將模擬目標(biāo)和雷達掃描波束進行交匯，計算出DDS芯片的控制參數(shù)。通過DDS芯片直接產(chǎn)生兩路所需的中頻信號，提出利用連續(xù)波校準(zhǔn)和波形存儲技術(shù)，解決差波束正負(fù)號確定的問題。在某雷達調(diào)試過程中，驗證了該目標(biāo)模擬器的有效性。
關(guān)鍵詞 單脈沖；目標(biāo)模擬；比幅測角；和差波束

    單脈沖體制雷達能在一個回波脈沖內(nèi)獲得關(guān)于目標(biāo)位置的全部信息，這使雷達在工作過程中節(jié)約了大量的時間和能量，所以得到廣泛應(yīng)用。單脈沖測角方法主要有3種：幅度比較法、相位比較法和幅度相位比較法。目前多數(shù)相控陣?yán)走_采用的和差波束測角就是一種幅度比較單脈沖測角方法。
    在幅度比較單脈沖中，天線接收的目標(biāo)回波信號在和、差支路中形成和、差信號。和波束回波信號主要用于目標(biāo)檢測和作為相位基準(zhǔn)以確定信號正負(fù)，差波束回波信號主要用于測角。為較好地模擬和差波束的幅度以及之間的相位特性，文中通過數(shù)字交匯技術(shù)、連續(xù)波校準(zhǔn)、波形存儲技術(shù)解決和差波束幅度、差波束正負(fù)號確定的問題。在某雷達調(diào)試過程中，驗證了該目標(biāo)模擬器的有效性。

1 實現(xiàn)過程
1．1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器(DSP)，直接數(shù)字合成器(DDS)，可編程邏輯器(FPGA)的體系結(jié)構(gòu)，并配以必要的相關(guān)電路完成。DSP是系統(tǒng)的控制主機，主要完成目標(biāo)飛行軌跡的建模，目標(biāo)實時與雷達掃描波束的交匯比較，運算目標(biāo)回波的幅度、多普勒頻率，形成DDS的控制字；FPGA為Altera公司芯片，主要完成DSP的地址譯碼、通訊接口、存儲雷達波形、產(chǎn)生DDS串口操作時序；DDS為AD公司AD9857芯片，用于在雷達時序的控制下，將波形數(shù)據(jù)上變頻形成所需的中頻模擬信號。組成框圖如圖1所示。

1．2 工作原理
    外部系統(tǒng)將模擬控制命令和雷達掃描波束通過外部通訊接口輸入FPGA，并產(chǎn)生中斷信號，DSP在這個中斷信號的觸發(fā)下產(chǎn)生硬件中斷，讀取控制命令。當(dāng)DSP收到開始工作命令后，模擬目標(biāo)按照建立的航跡飛行，并與送來的雷達波束進行實時交匯和計算。當(dāng)目標(biāo)與雷達波束交匯成功時，計算交匯的幅度、多普勒頻率、距離等。將算出的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA數(shù)據(jù)鎖存器，DDS時序模塊，距離延遲器等處理后送至DDS芯片。
在雷達時序脈沖信號的控制下，形成動態(tài)目標(biāo)中頻模擬信號送給信號處理器。工作原理如圖2所示。

1．3 數(shù)字波束交匯
    當(dāng)DSP收到開始工作的命令后，模擬目標(biāo)按照建立的航跡飛行，并與送來的雷達波束進行實時交匯。波束交匯示意圖如圖3所示。

    圖3中，①為目標(biāo)中心位置；②為雷達掃描波束中心位置；③為目標(biāo)與波束交匯公共區(qū)域。當(dāng)雷達掃描波束與目標(biāo)交匯成功以后，可以根據(jù)式(1)計算目標(biāo)的幅度
   
    其中，(sinA，sinE)為目標(biāo)方位和高低角的正弦；(sinAt，sinEt)為雷達波束方位和高低角的正弦，(sinθA0.5，sinθE0.5)為半功率波束方位和高低角的正弦，N為目標(biāo)幅度量化值。
1．4 和差波束幅度的實現(xiàn)
    如上所述，當(dāng)目標(biāo)與掃描波束交匯成功，通過公式計算圖3中③的區(qū)域目標(biāo)的幅度，該幅度即為和波束的幅度。然后根據(jù)公式計算出目標(biāo)中心位置①與掃描波束中心位置②之間的角度偏差
    △φ=arcsin(sinAt)-arcsin(sinA)       (2)
    式中，△φ為目標(biāo)中心位置與掃描波束中心位置之間的角度偏差；sinA為目標(biāo)方位角的正弦；sinAt為雷達波束方位角的正弦。
    再根據(jù)目標(biāo)①與雷達掃描波束②之間的角度差，運用單脈沖測角差斜率反算出差波束幅度
    F(△)=Km·F(∑)·△φ·md             (3)
    式中，F(xiàn)(△)為波束交匯差幅度；F(∑)為波束交匯和幅度；Km為單脈沖測角差斜率；md為修正因子。
1．5標(biāo)差波束的正負(fù)號的實現(xiàn)
    AD9857作為一款窄帶正交數(shù)字上變頻器件，基本滿足一般雷達的中頻信號要求。但該芯片在上電初始化時無法設(shè)置波形輸出的初始相位，以及多個芯片同時工作時，芯片之間沒有相位同步信號，每次上電后各自的初始相位不同。這給正確模擬差波束相對于和波束的相位關(guān)系帶來了困難。
    為正確模擬差波束相對于和波束的相位關(guān)系，主要采取兩種措施：
    (1)兩路DDS芯片上電后，由外部系統(tǒng)通過外部通訊接口發(fā)送校準(zhǔn)工作命令，當(dāng)DSP芯片收到該命令后，置DDS芯片為中頻連續(xù)波模式輸出中頻連續(xù)波給信號處理器進行校準(zhǔn)，把兩路芯片的相位校準(zhǔn)在一起。
    (2)通過步驟(1)的方法可以去除兩路芯片之間的相位差。為正確表示差波束相對于和波束的相位關(guān)系，通過在原始雷達信號上加一個初始相位的方法來實現(xiàn)，當(dāng)正號時設(shè)為初始相位為0°，當(dāng)負(fù)號時設(shè)置為初始相位為180°。設(shè)雷達基帶信號為
   
    式中，A為信號的幅度；φ(t)為雷達基帶信號波形相位；θ0為雷達基帶信號波形初始相位。
    用Matlab進行仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

    將初始相位為0°，和初始相位為180°的波形如圖6分別存于FPGA芯片，當(dāng)差波束為正號時選擇初始相位為0°的波形輸出，當(dāng)差波束為負(fù)號時選擇初始相位為180°的波形輸出。

2 試驗情況
    該方法產(chǎn)生的和差信號在單脈沖體制雷達中進行實際應(yīng)用，取得了良好的效果。圖7為校準(zhǔn)時輸出的兩路連續(xù)波信號，圖8為工作時輸出的和差中頻調(diào)頻脈沖信號。

3 結(jié)束語
    在雷達的研制、調(diào)試和操作使用過程中，目標(biāo)模擬回波信號已得到廣泛應(yīng)用，它可以縮短雷達的研制周期，減少雷達的研制和雷達操作手的培訓(xùn)費用。提出的一種基于DDS芯片AD9857對單脈沖體制雷達目標(biāo)模擬的實現(xiàn)方法，產(chǎn)生的和差波束信號，具有良好的和、差支路的相位和幅度特性，能準(zhǔn)確地進行目標(biāo)檢測和比幅測角，可以滿足單脈沖體制雷達的調(diào)試和功能檢測的需要。