高精度锯齿波调频主动雷达中频模拟器设计

罗睿梅, 杜科, 刘坤

（上海无线电设备研究所,上海 200090）

高精度锯齿波调频主动雷达中频模拟器设计

罗睿梅, 杜科, 刘坤

（上海无线电设备研究所,上海 200090）

在介绍锯齿波调频主动雷达测距原理基础上,分析锯齿波调频主动雷达中频模拟器需具备的功能；着重阐述距离频差模拟方法以及弹目相对速度造成的距离频差细微变化的模拟方法；多普勒频率模拟以及由于发射信号波长变化带来多普勒频率变化的模拟方法；基于D触发器的回波延时产生方法。并利用FPGA和DDS设计实现了高精度锯齿波调频主动雷达中频信号模拟器,该模拟器通过上位机控制软件进行参数设置,可灵活地模拟不同情况下的目标,已经应用于锯齿波主动雷达导引头的调试和测试中。

调频；主动雷达；中频模拟器

0 引言

锯齿波调频主动雷达是根据发射信号和接收信号之间的频率差进行距离测量,与信号幅度关系不大。锯齿波调频主动雷达具有测距精度高、抗干扰能力强等特点,降低了测距系统对测量环境和被测物体反射的要求,近几年被广泛的应用于测距中[1]。

为了对锯齿波主动雷达导引头进行调试和验证,需在实验室内模拟包含目标距离、速度信息的锯齿波调频主动雷达目标回波信号。

本文设计的锯齿波中频模拟器是雷达目标模拟器的一个组成部分,主要负责模拟包含目标的频差信息、多普勒频率、回波延时信息在内的中频信号,其信号经过滤波放大后与从导引头频率综合器引出的本振耦合信号混频,再用已延时后的脉冲信号对射频信号进行调制,形成了与实际情况一致的锯齿波调频主动雷达回波信号。

1 锯齿波调频主动雷达测距原理

锯齿波调频测距的原理是发射信号频率以固定调频斜率变化,通过检测收发信号之间的频率差,求得收发信号之间的延时时间,进而算出雷达与目标之间的距离。设雷达发射的是锯齿波调频信号,雷达发射信号起始为F0,调频带宽为B,调制周期为T,正向调制发射信号。锯齿波调频测距频率差与距离关系图如图1所示,图1中上图表示为收发信号之间频率时间图,下图为频率距离关系图。

图中A表示雷达发射信号,B表示雷达和目标有相对运动情况下的回波信号,C表示雷达和目标无相对运动情况下的回波信号。

发射信号从t1开始调制,在t2时刻收到目标的反射信号,t2=t1+tr,在t2时刻接收机收到的是t1时刻的频率F0,而此时发射信号的频率为F1,所以距离差频信号fc=F0-F1,以此类推可计算出不同时刻收发信号之间的差频。当雷达和目标之间存在相对运动时,即存在多普勒效应时,回波信号在频率方向有一个大小为fd的平移。由此可得出存在相对运动时,雷达导引头处理系统检测到的收发之间的实际频差为

图1 锯齿波调频测距差频-距离关系图

式中：fc为距离引起的频差；fd为多普勒频率,假设多普勒频率为正值。

中频信号模拟器需在中频上模拟目标的主要特征信息,由式（1）可知中频信号模拟器在频率上需模拟由距离引起的频差fc,多普勒频率fd,还需模拟回波的时延tr。因此中频信号模拟器主要具备以下功能：

a）模拟收发信号随距离变化产生的频差fc；

b）模拟回波多普勒频率fd；

c）模拟回波时间延迟tr。

2 锯齿波调频主动雷达中频模拟器功能设计

2.1 距离频差fc模拟

由锯齿波调频测距的原理可知在t2时刻距离频差fc：

式中：u为发射信号的调频斜率,u=B/T；c为光速；R1为t2时刻目标到雷达的单程距离。

若导弹和目标之间是相对静止的,从式（2）很容易计算出目标的距离频差；但在实际情况中,弹目之间通常存在相对速度,因此弹目之间的距离是不断变化的,由此在回波模拟中必须将不断变化的距离考虑进去,才能实现高精度的距离频差模拟。

下列公式计算在t2时刻的由于弹目相对速度v造成的距离频差Δfc。

式中：v为弹目相对速度。

所以由式（2）和（3）所述,当存在弹目相对速度v时,中频信号模拟器应模拟的距离频差为

由于弹目之间以一定的速度相对运动,会产生多普勒效应,即目标回波信号相对雷达发射信号叠加上一个多普勒频率[2],这里假设需模拟的多普勒为正值,当发射频率为固定值时：

式中：fd为多普勒频移；λ为发射信号波长。

由锯齿波调频的原理可知,发射信号频率F0是随着调频斜率u变化的,则在t2时刻发射信号的载波频率Ft2为

根据式（5）,fd随着载波频率的变化而变化,因此在模拟多普勒时,必须考虑载波频率变化的因素。以模拟t2时刻的多普勒为例。

2.3 回波时间延迟tr

回波时间延迟模拟即为对雷达发射脉冲从发射至遇到目标返回雷达接收的时间延迟模拟,延迟时间可由电磁波传播距离公式计算得,以计算t2时刻回波延迟时间为例

3 设计实现

3.1 系统结构设计

根据中频信号模拟器需具备的功能,本系统采用“FPGA+DDS”的设计方案。本方案的核心控制器是FPGA,信号产生模块是DDS。系统结构图如图2所示。

图2 系统结构图

主控计算机用Lab VIEW软件开发控制界面,主要负责和模拟器通信,发送中频信号模拟器需要的弹目速度、模拟弹目距离、发射信号调频斜率、发射信号载波频率、重频周期等参数；控制器FPGA主要负责和上位机通信、DDS控制时序的产生、模拟回波延时功能等；DDS主要负责中频信号的产生；DDS输出的信号是差分信号,因此采用宽带跨导放大器MAX436转为单端,经过带通滤波器滤出中频信号再放大输出[3]。

为保证信号之间的相参性,中频信号模拟器工作所需的时钟和同步脉冲信号都由导引头的频率综合器提供,雷达回波模拟器所需的本振耦合信号也由频率综合器提供。

由于发射信号的调频周期T远大于雷达发射脉冲重复周期Tr,故在一个完整的调频周期内包含若干个脉冲。图3为发射信号与发射脉冲关系图。

图3 发射信号与发射脉冲关系图

为保证发射信号工作与模拟器工作严格同步,导引头在发射信号非调频期发送几个毫秒的空脉冲信号,作为和中频信号模拟器的同步信号,在空脉冲期间,中频信号模拟器做复位清零的工作。发射信号发射空脉冲完毕后发送脉冲串,同时发射信号以一定的斜率开始调频,中频信号模拟器一旦检测到脉冲上升沿到来,即开始工作产生目标特征信息,这样就保证了导引头调频时间和模拟器的工作时间同步。

3.2 回波时间延迟模拟功能实现

回波时间延迟模拟是将导引头同步的脉冲信号作相应的延时。传统的延时方法有采用可编程的延时芯片、模拟延时方法等。本中频模拟器采用一种简单实用的方法―基于移位寄存器原理的D触发器延时电路。

基本的移位寄存器由边沿触发结构的D触发器组成,每次移位时钟的上升沿到来时,D触发器使移位寄存器输入端的信号后左移（或右移）一位,即相当于输入信号被延迟了一个移位时钟周期。所以边沿触发结构的D触发器可以用于脉冲信号的延时。延时电路以边沿触发结构的D触发器为基础,不同数量的D触发器串联而成不同延时量的延时模块。再将这些延时模块通过单刀双掷开关级联起来就组成了延时量可控的延时电路。

用FPGA设计延时电路时,用弹上提供的基准时钟倍频后作为D触发器的触发时钟,如弹上提供40 M Hz时钟,用FPGA中的PLL模块将时钟4倍频至160 M Hz（周期6.25 ns）,故延时电路的模拟延迟时间精度为6.25 ns,距离精度为0.937 5 m,如果模拟20 km的距离,需要215个延时模块即可。

3.3 距离频差模拟实现

中频信号模拟器信号产生模块采用DDS芯片AD9852,AD9852数字直接频率合成器是高度集成化的数字芯片,它采用先进的DDS技术,其内部内置高性能D/A转换器和比较器,当提供给AD9852精确的基准时钟时,并按一定时序对AD9852的寄存器操作,AD9852就会产生单频点、线性调频、调相等多模式信号,在此处只需要产生单一频率的信号。AD9852产生单频点信号只需在相应的寄存器写入控制模式字、频率字,并且各控制字的写入严格遵守DDS的控制时序。

由式（4）可知,当存在弹目相对速度时,距离频差由fc和Δfc组成。上位机通过控制界面设置固定的弹目距离和调频斜率参数,根据式（2）计算出fc值,再根据AD9852频率和频率控制字之间的转换关系,把fc转换成相应的频率控制字,最后通过串口发送给模拟器。

距离频差模拟的难点在于Δfc的实现。由式（3）可知,在弹目相对速度v、调频斜率u一定的情况下,Δfc是随时间的累积而变化的,实时计算出的Δfc要不停的写入DDS寄存器,只有解决同时计算Δfc和写入Δfc之间的时序问题,才能保证输出信号的频率精度,从而保证模拟的距离精度。

本文的设计思想：以同步脉冲作为基准信号,首先在FPGA中利用时钟测出重频周期Tr,并在空脉冲期间对数据清零程序复位,在脉冲低电平期间在FPGA中计算出一个脉冲周期产生的距离频差值k[k=（2vu/c）Tr],当每个脉冲上升沿到来时计算随同步脉冲变化的累积距离频差值K=k+ik（i=0,…,N）,其中N为整个调频周期内脉冲的个数,N=T/Tr,同时把计算出的Δfc和fc值发送给DDS频率寄存器模块。这样就巧妙的实现了计算Δfc和发送Δfc同步。图4为Δfc实现流程图。

图4 Δfc实现流程图

3.4 多普勒模拟实现

由于多普勒频率值相对发射信号的频率要低得多,直接对发射信号进行多普勒调制很难实现。所以在中频上产生多普勒频率,再与导引头本振耦合信号混频来实现多普勒频率模拟。本设计产生的中频信号频率为60 MHz。由公式（9）可知,模拟多普勒由两部分组成fd和Δfd组成。在发射起始频率和弹目相对速度一定的情况下,fd为定值,可由上位机计算出相对应的中频信号和fd对应的DDS频率寄存器值,由上位机通过串口发送至模拟器。Δfd的实现过程与距离频差变化值Δfc实现过程一致。在此不再赘述。

4 结束语

本文对高精度的锯齿波调频主动雷达中频信号模拟器的原理进行了研究；介绍了硬件实现中频信号模拟器的过程；该中频信号模拟器对由于弹目速度产生的距离频差和由于波长变化产生的多普勒变化进行了模拟,真实地模拟了目标的特征信息,对锯齿波主动雷达导引头的调试和验证具有重要意义；而且该中频信号模拟器通过上位机控制软件设置载频、调频斜率等调频参数,可用于多种锯齿波主动雷达导引头的调试设计,具有很强的实用性。

[1] 郭渭荣,栗苹,陈慧敏.锯齿调频连续波建模与仿真[J].红外与激光,2009.

[2] 刘晓宁,卢岩辉,吉峰.主动雷达导引头目标回波模拟器[J].制导与引信,2008.

[3] 王静,陈伯孝.基于DDS的末制导雷达中频模拟器设计[J].制导与引信, 2008.

Design of the High Precision of Intermediate Frequency Simulator for Sawtooth FM Active Radar Seeker

LUO Rui-mei, DU Ke, LIU Kun
（Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

According to the introduction of the principle of the measuring distance with sawtooth FM.Analyses the function of the intermediate frequency simulator of active radar which must have.Describes in details the method of the simulation of rang-frequency and the method of the compensating error because of the velocity between seeker and targets；the method of the simulation of Doppler frequency and the method of the compensating error because of the vary of the signal carrier's wavelength；the method of the time delay based on D register and the distance warp because of high velocity.The IF simulator used FPGA and DDS,and it can simulate flexibly the different targets controlled by computer；it is also successfully used in the debug of the sawtooth FM active radar seeker.

frequency modulation；active radar；intermediate frequencysimulator

TJ765.3

A

1671-0576（2014）02-0006-05

2014-03-28

罗睿梅（1976-）,女,高级工程师,硕士研究生,主要从事雷达导引头测试设备研究。