一种应答式目标模拟器的设计与实现

赵一倩 屈卫东 邓江生

(上海交通大学电子信息与电气工程学院1，上海 200240;海军航空仪器计量站2，上海 200436)

0 引言

雷达是采用多种高科技的产物。随着计算机技术、固态技术、信号处理技术、光电子技术以及器件、材料、结构、工艺的发展，各种类型的雷达应运而生［1］。为了对被试雷达进行干扰试验模拟，全面评价雷达抗干扰能力，需要模拟在各种战情下的目标回波信号［2］。由于雷达信号模拟器通过模拟的方法产生雷达回波信号［3］，因此，采用雷达仿真技术在地面模拟雷达目标的回波信号和干扰信号，准确评估雷达设备的技术指标就显得十分必要。本文设计了一种应答式目标模拟器。

1 目标模拟器组成和结构

应答式目标模拟器不但可检测各个分系统工作状态是否正常，而且还可以测试雷达的性能指标，如测量目标参数(距离、速度、角度等)的精度、目标参数的分辨率和整个雷达数据率，以实现各个系统软件功能输出、目标航迹建立和目标的跟踪功能等。目标模拟器引入雷达发射的激励信号进行时序同步和频率测试，叠加延时和频移后产生符合设置的模拟目标信号再反馈给雷达，以实现各种工作方式下的目标模拟。

目标模拟器主要由目标模拟单元、显示单元、天线系统等组成，其各模块名称及配套设备组成分别如表1和表2所示。表1中，U1～ U4、U6属于目标模拟单元。表2中，每根射频电缆长度为8 m，每根测试电缆长度为1.5 m。

表1 目标模拟器组成表Tab.1 Compositions of the target simulator

表2 目标模拟器配套设备组成表Tab.2 The supporting equipments of target simulator

2 目标模拟单元的模块化设计

目标模拟器的核心部件为目标模拟单元。目标模拟单元研制采用模块化设计，由频率源、微波接收、微波发射、中频处理和控制等模块组成。各模块的主要功能介绍如下。

目标模拟单元的频率源模块进行频率调谐，生成高稳定频率信号和高纯度、低相噪频谱;控制模块建立相关运动目标数据模型，完成各模块接口驱动和系统间的通信，实时处理和刷新目标各种运动数据，生成系统测试信号，显示实时的目标参数;接收发射模块进行运动目标回波生成处理和变频处理;中频处理模块生成目标信号的运动回波，经上变频后送出回波信号。

2.1 频率源模块设计

频率源主要用于产生模拟器所需的各基准信号和本振信号，其频率点可由软件控制，经上/下变频后与雷达工作频率点相对应。

频率源由微波固态器件、高精度频率综合器、数字微波锁相环、高速数字器件等通用器件构成。频率源采用恒温晶体源锁相倍频技术，产生微波宽带数控频率信号。频率源中频部分采用高速专用数字集成电路组合，自带微处理器模块;频率源的射频部分采用全微波固态器件。由于频率源使用模块化的结构，各功能相同的模块通用，故可灵活组成试验系统，并可根据特殊要求扩展使用，以满足实际需要［4］。

频率源工作原理如图1所示。

图1 频率源工作原理图Fig.1 Principle of the frequency source

2.2 微波收发模块设计

来自机载雷达的RF信号经过接收通道两次下变频后变成中频信号，通过中频处理器后叠加目标多普勒频率。该信号通过发射通道的两次上变频后形成RF发射信号并发射给雷达。微波收发模块原理如图2所示。

图2 微波收发模块框图Fig.2 Block diagram of the microwave transceiver module

2.3 中频处理模块设计

中频处理模块框图如图3所示。目标信号模拟器的中频处理部分由Fd信号发生器、距离/时钟产生器、数字延时线等组成。中频处理模块可以完成目标参数的生成、运动速度和信号强度的控制等功能。

图3 中频处理模块框图Fig.3 Block diagram of IF processing module

Fd信号发生器原理框图如图4所示。

图4 Fd信号发生器原理框图Fig.4 Block diagram of Fd signal generator

由图4可知，频率、工作模式和相位控制由一个与微处理器兼容的接口来进行，可选用8位并行口或串行口来控制。频率相位寄存器存放固定频率所对应的相位增量;调相增量寄存器存放相位调制增量值;相位增量和相位调制增量经相位累加器相加，再查表得到数字调相信号，经D/A、低通即得到中频调相输出信号。

中频处理的技术指标是决定整机性能的关键部分。系统采用先进的直接数字合成技术(direct digital synthesis，DDS)和数字射频存储技术(digital RF memory，DRFM)形成中频数字延时单元，使应答系统采用数字方式生成目标信号。这样既与雷达信号保持相参特性，又为计算机控制目标的运动参数创造了有利条件。同时，也使系统结构更紧凑，整机质量更轻，满足内、外场使用时简便灵活的要求［5－7］。

在数字延时线中，除使用高速A/D、D/A集成器件和双口存储器件外，还采用了模/数混合电路，以确保生成低杂散的相参模拟动目标信号。该模拟信号也同时满足雷达数据处理机解算距离模糊和速度模糊的需求。

数字延时线由混频器、A/D变换器、数据存储器(RAM)、D/A变换器、控制器和时钟电路组成。数字延时线框图如图5所示。

图5 数字延时线框图Fig.5 Block diagram of digital delay line

根据数字延时线的特性，其适用于雷达系统性能测试。雷达的发射信号由雷达激励源的信号提供，或通过空间辐射，由喇叭耦合获得。RF信号通过下变频器变成参考频率，与一本振信号混频后变成适合于A/D变换的低中频信号;经A/D变换后的低中频信号存储在存储器中，经距离延时和D/A变换后恢复成模拟信号;然后再与一本振混频后恢复成中频信号。这样就完成了对雷达发射信号的存储、延时控制。

3 控制模块设计

控制模块采用高速差分传输、高速双口RAM、大规模集成控制电路、高精度数模转换、高速数据传输与储存等技术，具有控制灵活、响应快速、转换精度高等特点。

控制模块由目标控制单元、多普勒频移控制器、距离产生器、幅度控制器及频综控制器等部分组成。控制模块工作框图如图6所示。

图6 控制模块框图Fig.6 Block diagram of control module

3.1 目标控制单元

目标控制单元对双口RAM送来的数据与指令进行译码、格式转换、存储、计算等实时处理，并将实现模拟器各项功能所需的各项指令和参数实时送往相应的控制器。目标控制单元采用大规模集成电路和实时全译码方式，大大提高了系统的可维护性和灵活性。

3.2 多普勒频移控制器

多普勒频移控制器根据目标控制单元送来的指令，对Fd信号发生器进行实时控制，使DDS产生的多普勒频移能在0～±1 MHz范围内使用，其分辨率能达到1 Hz。

3.3 距离产生器

距离产生器根据目标控制单元送来的指令，对数字延时线进行实时控制。距离产生器使用CPLD大规模集成电路，根据指令值对延时数据进行实时计算与实时传送。由于采用了20 MHz的时钟频率，使得延时线刷新时间小于10 ms，距离分辨率小于7.5 m。

3.4 频综控制器

频综控制器根据目标控制单元送来的指令，对频率综合器进行实时控制，使本机频综调谐在与雷达载频频率相应的工作频率上。

4 模拟器天线系统设计

辐射天线系统是目标模拟器信号传输以及角度信息模拟的关键组成部分，其功能是在雷达系统处于工作状态时，接收雷达发射机发射出的RF信号，并传送给目标模拟器。目标模拟器处理后通过空间辐射回传给雷达天线。

目标模拟器可移动式天线支架用于波源辐射器，将天线按所要求的高度固定在可移动的支架上。在使用中，主要是弥补旋转天线角度范围的局限性。

喇叭天线指标有:频段X波段;增益20 dB;极化方式，即圆极化、垂直极化;输出同轴接头SMA(阴)。

5 结束语

系统集成后，对整个雷达目标模拟器进行了功能联合测试，测试结果良好。在经过近50台(套)雷达的实际测试使用后确认，该模拟器能精确完成脉冲体制多批次目标的径向速度、距离的精确模拟。

本文完成了辐射式多目标雷达模拟器发射机系统的设计和集成，发射机采用模块插件形式，实现了X波段的射频信号发射功能。目标模拟器工作性能稳定、信号控制动态范围大、谐波抑制和抗干扰能力强、结构紧凑，具备较好的功能扩展性。

［1］张啸，高新义，李迎纲.一种雷达模拟目标实现的方法［J］.现代电子技术，2011(2):17 －18.

［2］郑灼洋，纪要，罗杰，等.一种相参雷达评估系统的设计及实现［J］.舰船电子对抗，2011，34(3):93 －96.

［3］ Mitchell R L.雷达系统模拟［M］.陈训达，译.北京:科学出版社，1982.

［4］王凡.X波段机载相控阵雷达目标模拟器射频前端研究［D］.成都:电子科技大学，2007.

［5］王江展，白雪，潘志明.DRFM在机载PD雷达宽带目标模拟器设计中的应用研究［J］.信息化研究，2010，36(12):16 －19.

［6］肖开健，井伟，肖战牛.基于DDS的单脉冲体制雷达目标模拟的实现［J］.电子科技，2011，24(11):13 －15.

［7］王展，李双勋，刘海涛，等.雷达多目标模拟器DRFM单元设计［J］.计算机测量与控制，2009，17(8):1616 －1619.