二维旋转相控阵雷达内嵌式目标模拟器设计与实现

翟刚毅，姜小祥，刘溶，朱庆彬(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)



二维旋转相控阵雷达内嵌式目标模拟器设计与实现

翟刚毅，姜小祥，刘溶，朱庆彬
(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:论述了二维旋转相控阵雷达目标回波信号的一种模拟方法。介绍了雷达回波信号模型，给出了目标各种航路的产生方法，设计了一种内嵌式目标模拟器，能够实时产生和差波束回波信号输入到雷达处理通道中，实现雷达系统在不具备实际接收前端的情况下对雷达后级的调试，为雷达系统的性能验证提供有效的手段。

关键词:二维旋转相控阵雷达;回波信号模型;内嵌式目标模拟器;和差波束

0　引言

雷达目标模拟器通过模拟的方法产生目标回波信号，在雷达系统不具备实际接收前端的情况下为雷达后级提供回波信号，以便对雷达后级进行调试。这为雷达系统的研究、设计和验证节省了大量的费用，使得雷达系统的性能得到保证，成为雷达系统分析、设计、试验、评估等各个方面的重要技术手段［1］。

二维旋转相控阵雷达方位上采用机械旋转扫描和相位扫描相结合，俯仰上采用相位扫描，与四面阵相控阵雷达相比既具有扫描的灵活性又具有成本的经济性。但是，这也带来了模拟器运算速度、实时性等设计的复杂度。

本文描述的雷达目标模拟器是嵌入在雷达处理机柜中，与雷达的波束调度和波控紧密结合，在雷达系统不具备接收前端的情况下为后级算法测试验证提供回波信号。

1　目标模拟原理

1.1运动点目标回波信号

雷达发射波形st(t)为线性调频矩形脉冲信号，可表示为［3］

式中，B为信号带宽，T为脉冲宽度，f0为载波频率。则在距目标距离为R、径向速度为vr的点目标回波信号可表示为［3］

其中为信号幅度，G为天线增益，λ为波长，γ为复反射系数;τ=2R c为目标的双程延迟时间表示多普勒频移，当目标飞向雷达站，多普勒频率为正值。

可见，点目标回波信号可近似表示为发射信号的延迟，在振幅上乘以一个比例因子K，在频率上有多普勒频移。

1.2和差通道信号

角度测量是相控阵雷达接收系统应实现的一个任务［2］。相控阵的和差测角可实现多目标测向和跟踪，其中比幅和差测角［4］应用最为广泛。比幅和差波束采用两个相同且彼此部分重叠的波束，通过比较两个波束回波的强弱判断目标偏离等信号轴的方向。

图1　波束

设天线方向性函数为F(θ)，图1中等信号轴OA的指向为θ0，θt为目标偏离等信号轴θ0的角度，则和差幅度比值可近似为［4］

从式(3)可以看出，差和幅度比正比于目标偏角。工程上，在目标测角和跟踪时，通过查表法，由和差比值r可以得到偏角大小，从而得到目标方向。模拟器在模拟和差通道数据时同样根据目标方向、偏角大小逆向查表可得到和差比r，和波束数据乘以比值r即可得到差波束数据。由于该方法实现简单、运算速度快，在工程上有广泛的应用。

综上所述，若要在硬件上实现回波信号，必须先求得回波的参数:时延τ、目标的多普勒频率fd、幅度系数K以及和差比r。

1.2目标航迹仿真

根据目标运动特点，将整个航迹分段考虑为直线机动段、水平面内的圆弧机动段和垂直面内的圆弧机动段，再将各段端点进行切线连接，形成光滑的航迹。用直线运动模拟目标直线飞行，用水平圆周运动模拟目标水平机动，用垂直圆周运动模拟垂直机动。模拟100批次目标，目标的运动态势见图2、图3，其中空中运动目标20批，海面运动目标20批，固定目标60批。图3中星状目标是固定目标。

图2　空目标航迹图

图3　海目标航迹图

2　模拟器设计与实现

2.1设计方案

目标模拟器分为两个部分:目标航迹产生和回波数据产生，如图4所示。PowerPC处理器产生目标航迹数据，FPGA来实现目标回波信号产生。PowerPC采用vxworks嵌入式实时操作系统，支持浮点运算和多任务运行，适合目标航迹运算。FPGA实现的延时模块可以满足模拟器的距离误差要求。FPGA根据信号类型、脉宽、重复周期、带宽等参数产生I、Q信号，利用FPGA的DDS核实现数字多普勒调制，形成正交双路多普勒数据。FPGA内部可配置BLOCK RAM可存储目标参数。FPGA具有并行处理的优势，实时地产生雷达多批目标回波信号。该方案充分发挥软件编程控制灵活和FPGA执行硬件时序快速高效的特点，满足了雷达系统的实际工程需求。

图4　模拟器框图

2.2工作过程

系统工作时，模拟器接收雷达控制分系统工作方式、波束指向(方位、俯仰)等数据。模拟器首先判断雷达工作方式，搜索方式下产生和波束数据，跟踪方式下产生和差差数据。根据系统要求，模拟器需产生10个搜索波束数据以及一个跟踪波束数据。

系统确定工作方式后判断天线方位，PowerPC在正北方向更新下一周期的目标航迹参数(时延、多普勒频率以及幅度)，并发送至FPGA的blockRAM中。FPGA直接从blockRAM中获取目标参数与雷达控制系统发送过来的波束指向信息(方位、俯仰)进行匹配，并判断是否有目标落在该波束指向区域内;如果有，则根据该目标距离延时、多普勒速度、回波的幅值产生和通道的I、Q数据。

跟踪工作方式下，在产生和通道数据的同时，根据目标方向、偏角大小查表可得到方位上和差比值rA;根据目标仰角、偏角大小查表可得到俯仰上和差比值rE。和通道数据乘以rA和rE即可得到方位差和仰角差通道数据。

2.3目标航迹产生

通过Matlab仿真模拟多个目标的航迹数据，并将数据存入文件。目标模拟器开机时，将目标航迹信息读入PowerPC内存中。

系统上电后，PowerPC判断伺服方位，只要天线到达正北位置，PowerPC会自动更新下一周期的目标航迹，并将数据发送给FPGA。

2.4回波数据产生

目标回波产生由FPGA接口模块来实现。FPGA接收雷达控制分系统发送的工作方式、波束参数以及伺服等数据，同时接收PPC发送来的目标航迹，存入block RAM中。

根据block RAM中目标航迹参数，结合雷达工作方式、波束指向，判断该波束的指向信息与目标的方位、仰角是否匹配，如一致则根据目标的参数产生回波数据。

FPGA将根据目标的距离延时、幅度、多普勒速度，结合带宽B、脉宽T、重复周期PRT等参数产生I、Q数据。当波束指向内只有一个目标时，则当主触发到来时启动目标延时计数器、脉冲重复周期计数器。当延时计数器满时，启动DDS产生I、Q数据。DDS的初相由多普勒频率和距离决定，同时启动脉冲宽度计数器，当脉宽计数器满的时候停止DDS，当脉冲重复周期PRT计数器满时即可产生一个PRT的I、Q信号。复位各个计数器，进行下一个PRT的数据的产生。

如存在两个或两个以上的目标，尤其是目标交汇的特殊情况，则需要多个数据通道。每个通道分别产生每个目标的I、Q数据，再将各通道数据进行叠加。

2.5数据传输

FPGA接口模块产生回波信号的同时还负责与其他分系统的通讯。FPGA接口模块与控制分系统、信号处理机之间以及模拟器内部PowerPC采用自定义的RocketIO进行光纤通信。线速均为3.125 Gps，协议格式为SOF +数据/空闲码+ EOF，RocketIO K码格式如表1。

表1　RocketIO K码格式

3　结束语

整个系统以PowerPC和FPGA为核心器件，具有小型化、性能可靠、成本低廉、结构紧凑及设计灵活等特点。本目标模拟器实现了对相控阵雷达目标回波信号的模拟，能够满足二维旋转相控阵雷达信号处理、数

据处理以及整机工作方式等调试、测试和检验需求。

参考文献:

［1］刘宝光.机载雷达目标模拟与系统仿真技术研究［D］.南京航空航天大学学位论文，2011.

［2］张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术［M］.电子工业出版社，2006.

［3］徐安林.在线注入式相控阵雷达目标模拟器关键技术研究［D］.国防科学技术大学学位论文，2009.

［4］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.3版.西安电子科技大学出版社，2004.

Design and realization of an embedded target simulator for 2D rotating phased array radar

ZHAI Gang-yi，JIANG Xiao-xiang，LIU Rong，ZHU Qing-bin(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:A method of simulating radar echo signals is discussed for the 2D rotating phased array radar.The echo signal model is introduced，and the method of generating target tracks is given.An embedded target simulator designed can generate the sum and difference beams in real-time and input them in the processing channel，and that makes it possible to test the radar system with no actual receiving front-end involved，which provides an effective means for the performance evaluation of radar system.

Keywords:2D rotating phased array radar; echo signal model; embedded target simulator; sum and difference beams

作者简介:翟刚毅(1978-)，男，高级工程师，硕士，研究方向:雷达信息处理;姜小祥(1984-)，男，工程师，硕士，研究方向:雷达信息处理;刘溶(1986-)，男，工程师，硕士，研究方向:雷达信号处理;朱庆彬(1984-)，男，工程师，硕士，研究方向:雷达信号处理。

收稿日期:2014-12-28;修回日期:2015-01-08

文章编号:1009－0401(2015)01－0039－03

文献标志码:A

中图分类号:TN958.92