雷达距离校准仪的设计与实现

高志永，魏晓明，臧传江

（1.解放军92323部队，山东 青岛266000；2.青岛 4308机械厂，山东 青岛266042）

雷达是电子装备的重要门类，从问世至今70余年，以其在信息获取、信号处理、测量评估等方面的独特优势，在二战及战后的各次重大局部战争及国民经济中发挥着重要作用，雷达技术在某种程度上已成为电子科技水平的重要标志。

随着雷达测试的要求，雷达信号的模拟仿真技术也应运而生。雷达目标信号模拟是模拟仿真技术与雷达技术相结合的产物，通过模拟仿真方法产生包含目标信息的回波信号，对雷达系统进行调试、分析、标校和评价，已成为现代雷达系统设计的必要手段。

研制完成的雷达距离校准仪采用数字射频存储、宽带微波IQ调制、小型化宽带合成本振、微波开关滤波等新技术，实现相参雷达的目标回波信号模拟。主要用于雷达定期标校、雷达维修后的目标探测功能的检验及标定，以及雷达的科研生产测试，具有一定的通用性。

1 工作原理

雷达距离校准仪采用标准上架式台式结构设计，考虑到仪器的高可靠性、可扩展性和操作方便性，仪器可分为本振模块、上下混频模块、中频信号处理模块、雷达目标模拟模块、IQ混频模块、CPCI主控平台等部分，其中主控平台由控制模块、母板、键盘、液晶显示器、通信接口、系统电源构成，其他部分均采用相对独立的模块化设计。各模块均从仪器后面插入整机，通过母板获取电源并完成数据交换。图1是整机组成框图。

本振模块提供用于上下混频模块的本振信号，下混频模块接收来自输入天线的射频信号，输出下混频后的中频信号。中频处理模块对中频信号进行滤波放大及功率分配，目标模拟模块实现雷达目标信号的距离与速度模拟。IQ混频模块对加入目标信息的中频信号进行上混频，输出雷达目标模拟信号。所有的控制信息和设置参数由主控机通过CPCI总线发送到相应的模块，所测得的数据通过接口总线汇总到主控机，由主控机完成相应的处理、显示。

通过天线接收到的雷达信号送到雷达通用目标模拟信号发生器内。在本装置内，采用“宽带混频接收、大容量高速数字射频存储”的方案，实现对雷达发射波形进行采集和存储。按照先进先出顺序，对存储数据延时后回放，延时大小根据要模拟目标距离确定。目标速度模拟通过对雷达发射信号频率进行多普勒频移来进行，接收和输出通道分别对雷达发射信号和产生目标回波信号进行幅度调理。

雷达发射信号通过面板输入端口、程控衰减、开关滤波、低噪声放大后与本振进行混频产生中频信号，为了保证雷达发射信号不失真，接收通道瞬时带宽大于雷达实际带宽。混频器输出的中频信号经过滤波后送到数字射频存储模块。包含有目标距离和速度信息的中频信号经过移相功分器分为两路正交信号，与本振信号进行IQ混频，由于上下混频采用相同本振源，回放的雷达目标回波信号与雷达发射信号相参，控制输出通道程控衰减器的衰减量，可改变目标回波大小，并能方便地实现与雷达接收机功率匹配。

2 关键技术的实现

2.1 数字射频存储与信号回放技术

大范围、高精度的目标信号模拟是本项目的关键技术之一。其具体实现框图如图2所示，主要包括A/D转换、降速控制、双端口RAM及管理、升速控制、D/A转换和延迟控制逻辑电路。

对采样频率和存储深度进行计算和优化，以满足瞬时带宽和量化噪声要求。升速电路通过利用FPGA搭建合适的高速数据选择器来实现。延迟控制电路进行存储器写地址和读地址之间的数学运算，实现目标回波距离的模拟。

2.2 多普勒频率源及目标速度模拟技术

雷达目标速度的检测是通过对目标信号的多普勒频移测试来实现的，本项目中采用直接数字频率合成技术来产生多普勒频率，原理框图如图3所示。

为了提高整机的集成度，采用两片电路实现双通道DDS，满足本设计要求的速度范围和速度分辨率要求，可实现频率范围从直流到500 kHz、频率分辨率优于0.01 Hz、相位噪声优于-130 dBc/Hz@10 kHz和近端杂散小于-70 dB的高性能多普勒频率输出，完全能够满足整机性能要求。

为了实现目标速度的模拟，将多普勒源输出频率信号与数字射频存储模块输出的中频信号进行混频，本设计中采用了正交IQ调制技术实现载波与无用边带信号的抑制，如图3中虚线框所示。

通过调整相位偏移寄存器的值，提高边带抑制指标。校准后中频输出信号的载波抑制及镜像抑制指标典型值为-50 dB，达到了比较满意的效果。

2.3 宽带微波IQ调制与校准技术

本设计中要实现频率范围1～18 GHz宽频带IQ混频，具体为采用1 GHz～4 GHz射频 IQ混频和 4 GHz～18 GHz微波IQ混频，能够改善载波泄漏指标。调节IQ调制器的IQ输入差模电压，能够改善镜像抑制指标。本仪器具有1～18 GHz宽带矢量调制功能，具有较大的灵活性。微波IQ调制器的频率范围可达3～20 GHz，IQ调制器校准电路原理框图如图4所示。

数控移相器原理框图如图5所示。每一级电路由两只单刀双掷开关、延时线构成，通过控制，可以选择不延时或者延时。对于60 MHz中频，第一级的移相为1°，第二级的移相为2°，第三级的移相为4°，第四级的移相为8°。故四阶数控移相器可实现的移相范围为 0～15°，移相分辨率为 1°。

加入中频移相器并进行IQ幅度补偿后，仪器输出信号的载波泄漏及镜像抑制指标改善10～20dB，典型指标达-40dB，满足了仪器的测试需求。

2.4 小型化低相噪宽带合成本振技术

小型化宽带本振源是本项目的关键模块件之一，其性能指标直接影响到整机的技术指标。主要包括参考板、本振板、倍频分频板，提供用于上下变频的本振信号，要求频率范围 1GHz～18GHz，采用锁相频率合成加开关倍频分频滤波技术。

参考模块提供本振板需要的 10MHz、1GHz低相噪参考信号。在本仪器中使用了表面声波压控振荡器及常规锁相电路形式，实现了1GHz低相噪参考信号输出，其相噪为-130dBc/Hz@10kHz。

为了降低电路的复杂度，实现本振频率合成的小型化，本振电路采用了体积与重量都较小的微波宽带VCO进行设计。本振板原理框图如图6所示。本振板输出的5～10 GHz信号经倍频、分频、滤波、放大、稳幅后输出1～20 GHz本振信号，其典型输出功率大于16 dBm。

基于自主创新的电路拓扑结构设计的1～20 GHz宽带本振在不使用YIG振荡器的情况下，已经达到了常规用YIG振荡器及取样环技术所能达到的相噪指标，频率分辨率3.725 Hz，省掉了常规实现方法的小数分频板和YIG驱动板，体积、重量均大幅降低，处于国内领先水平。

3 国内外同类产品对比分析

国外雷达目标模拟信号发生器及相关技术较为成熟，其技术方案从最初延迟线、光纤延迟到现在应用最为广泛的数字射频存储技术等不同阶段，其典型产品有美国郝尔利(Herley)公司研制的变色龙II雷达目标模拟器。

变色龙II雷达目标模拟器采用双数字射频存储通道，每个通道都具有10位幅度分辨率的信号采集与复制功能,射频通道接收载频1～18 GHz雷达发射信号,通过下变频将载频频率搬移到中低频上送数字射频存储通道,将模拟信号转换为数字信号进行存储,主控系统根据要设置的目标距离信息和速度信息控制数字射频存储模块产生距离延时,控制多普勒源产生多普勒频率。并通过上变频将含有目标距离和目标速度信息的基带信号上混频到射频频段回馈给雷达。由于接收下混频和回放上混频均采用同一本振源，使得回放含有模拟距离和速度信息的雷达目标回波信号与雷达发射信号相干。该雷达目标模拟器由两个标准机柜组成，体积与重量庞大，最大模拟目标距离300 km。

国内雷达目标信号发生器仍以专用为主，技术路线也主要基于从中频上进行模拟，并尽量利用雷达中现有的技术。从中频频率和数字信号进行目标距离模拟已成为雷达自检自测试功能，从雷达发射频率实现目标模拟仍以延迟线（包括光纤）方式为主，即通过对雷达发射信号进行不同延迟后，回馈给雷达接收端口来实现目标距离模拟。这种类型模拟器的主要不足是模拟距离不能任意设置，体积比较庞大，难以模拟长距离的目标。

本项目研制的雷达距离校准仪根据具体要求，采用适合现场使用紧凑型一体化结构，频率覆盖范围宽，一台仪器几乎覆盖了多种型号雷达的工作频率范围。

从与国内外同类产品的性能对比中，可知本产品已达到较高水平，跟国外产品的性能指标相当，处于国内领先水平。与国外产品相比，在可扩展性、体积重量方面具有很大优势。

在雷达距离校准仪的设计中，采用数字射频存储、宽带微波IQ调制、小型化宽带合成本振、微波开关滤波等新技术，实现对相参雷达的目标回波信号模拟。主要用于雷达定期标校、雷达维修后的目标探测功能的检验及标定等。可以产生和模拟固定距离静目标、产生和模拟匀速运动动目标、接收端口增益可程控、目标回波信号大小可程控、采用横轴为距离纵轴为幅度笛卡尔坐标图显示方式，实现目标距离动态刷新；产生和模拟雷达目标输出信号与接收雷达发射信号相参，可接收和回放出脉冲体制和连续波体制雷达目标信号，包括脉内调制特征为二相码、四相码、线性调频的雷达目标信号，适应脉冲体制和连续波体制雷达的目标距离和速度探测性能测试。

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