一种相控阵雷达目标回波信号的实时模拟方法

姜小祥,刘 溶,沈 磊,翟刚毅

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)



一种相控阵雷达目标回波信号的实时模拟方法

姜小祥,刘 溶,沈 磊,翟刚毅

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

论述了相控阵雷达目标回波信号的一种实时模拟方法。介绍了雷达回波和差波束模拟的原理以及基于FPGA芯片的实现。该方法基于线性调频脉冲信号,根据波束指向和目标实际位置的差值实时产生和差通道数据,为雷达后端的信号处理提供零中频I、Q信号,在雷达前端设备不具备的条件下对系统后级进行分析调试和检验。

相控阵雷达;目标回波;回波模拟;和差波束

0 引 言

相控阵雷达目标回波信号模拟主要是当雷达系统在不具备实际接收前端的情况下模拟相控阵雷达回波和差通道数据,对雷达的信号处理、目标的检测跟踪等分系统进行功能验证和联合调试。本文描述的模拟雷达回波和差波束信号的方法实现了雷达回波信号的模拟并实时输出零中频I、Q数据,直接与信号处理设备对接。该模拟数据可直接用于信号处理和数据处理的流程中。该方法为雷达的设计和验证节省了大量的时间和费用,成为雷达信号处理和数据处理试验、评估的重要技术手段。

为保证模拟信号输出的实时性,本文描述的模拟雷达回波和差波束信号的方法基于FPGA芯片,硬件资源需求少,可实时完成多组和差波束数据的模拟。该方法避免了常用方法中FPGA与DSP间的数据传输开销,降低了处理时间及系统复杂度,充分发挥FPGA执行硬件时序快速高效的特点,满足了相控阵雷达系统的实际工程需求。

1 点目标回波原理

(1)

角度测量是相控阵雷达接收系统应实现的一个基本任务[3]。相控阵的和差单脉冲测角方法可实现多目标测向和跟踪。和差测角主要通过比较两个波束回波的幅度与相位判断目标偏离等信号轴的方向及偏离大小。工程上,在目标测角和跟踪时,通过查找和差比值表,由和差比值R可以得到偏角大小,并根据和差波束间的相位得到目标方向[4]:

(2)

综上所述,在模拟和差通道数据时,根据目标实际方向和波束指向的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。

2 设计与实现

2.1 设计方案

目标回波和差波束信号模拟设计实现框图如图1所示。首先,FPGA接收波束控制模块送来的雷达当前工作参数和多个波束指向参数,并将波束指向与目标的方位、仰角、距离、速度等参数进行匹配和装订;然后根据目标距离、速度和信号幅值表,模拟和波束∑信号;其次根据目标实际位置与波束指向的方位角度差△A和仰角差△E查表可得到△A/∑和△E/∑;最后,将和波束∑信号与△A/∑和△/E∑加权得到△A差波束和△E差波束信号,从而完成和差波束实时模拟。

图1 目标回波和差波束模拟框图

2.2 I、Q数据产生

线性调频的I、Q信号是通过FPGA的DDS-IP核实现。已知系统工作时钟fclk,考虑FPGA资源与产生信号精度和杂散要求,频率累加器与相位累加器位数为16位,产生中频为F0、带宽为B、脉宽为T0的线性调频脉冲信号,起始频率fstart和频率步进量fstep计算公式如下[5]:

(3)

(4)

在FPGA软件编程时只需计算起始频率fstart和频率步进量fstep即可。FPGA将目标的距离R、径向速度vr转换成距离单元延迟τ和多普勒频率fd。结合线性调频的带宽B、脉宽T、重复周期PRT等参数产生I、Q数据。根据目标距离R对产生的I、Q信号的幅值进行衰减,即远距离的目标产生的信号幅度弱,近距离目标产生的信号幅度强。

当雷达的同步触发到来时,FPGA启动距离单元计数器,以30m为距离分辨率。当计数器与目标距离单元延时相等时,启动DDS,其起始频率控制字由fstart和多普勒频率fd决定,频率步进量为fstep。同时,启动脉冲宽度计数器,并对产生的I、Q信号进行幅度加权。当脉宽计数器等于脉宽T时,停止DDS。当存在两个或两个以上的目标,尤其是两个目标交汇的特殊情况,则分别产生每个目标的I、Q信号,再将信号进行叠加产生最终的和波束∑信号。

△A差波束和△E差波束信号通过和波束∑信号与△A/∑和△E/∑加权得到。和差波束比值是在正弦空间坐标下产生的,故需要将目标、波束指向的方位、仰角转化为正弦空间坐标系。正弦空间是单位球面在阵列平面的投影。修正球坐标系(r,Az,El)与正弦空间坐标系(r,Tx,Ty)转换关系如下[6]:

(5)

式中,Az为修正坐标下方位角,El为修正坐标俯下仰角,r是原点到目标的径向距离,Ep为阵面倾角。

将波束指向的方位、仰角转化为正弦空间坐标系Tx0、Ty0,目标实际方位、仰角转化为正弦空间坐标系下Tx、Ty,则有

(6)

根据△Tx、△Ty值与方位、仰角差比和曲线可获取差波束比和波束的比值△A/∑和△E/∑。方位角、仰角差比和曲线见图2。因FPGA支持定点数据,将差比和比值进行拟合,得到差比和的比值△A/∑和△E/∑。拟合曲线见图2。

图2 方位、仰角和差比值曲线

2.3 随机噪声

噪声通过伪随机序列的方式产生。8位伪随机序列实现方法如下:

图3 噪声产生框图

2.4 测试结果

测试过程中通过ChipScope分析工具采集FPGA输出数据,并将数据导入Matlab进行分析。图4为波束方位中心指向为13.80°、波束仰角中心指向为0.99°、目标实际方位为14.99°、目标实际仰角0.66°时和差波束数据。

图4 和差波束I、Q数据

图5 和差波束脉压结果

图5为图4中信号进行脉压后的结果。由图看出该方法模拟产生的和波束、方位差以及仰角差波束数据满足要求的。

3 结束语

本文描述了一种相控阵雷达回波和差波束信号模拟方法。该方法是基于线性调频脉冲信号,实现了对相控阵雷达目标回波零中频信号的模拟。整个系统FPGA为核心器件,可实时完成和差波束I、Q信号模拟,硬件资源需求少,实时性强,处理时间短及系统复杂度低。该方法已通过测试,满足雷达系统的实际工程需求。

[1] 瞿冬霞.LFM脉冲雷达回波模拟和处理的研究[D]. 南京理工大学学位论文,2010:6-8.

[2] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006:219-226.

[3] 王雪松,肖顺平,等.现代雷达电子战系统建模与仿真[M].北京:电子工业出版社,2010:191-206.

[4] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社,2004:200-237.

[5] 邱军海,宋杰,关键,唐小明.一种基于FPGA技术的雷达线性调频信号的实现方法[J].电子工程师,2006(9):4-7.

[6] 翟刚毅.二维旋转相控阵雷达内嵌式目标模拟器设计与实现[J].雷达与对抗,2015(1):39-41.

A real-time simulation method of target echo signals for phased array radar

JIANG Xiao-xiang, LIU Rong, SHEN Lei, ZHAI Gang-yi

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A real-time simulation method of the target echo signals for the phased array radar is discussed. The principle of the sum and difference beam simulation of radar echoes and the implementation based on the FPGA are introduced. The data of the sum and difference channels are generated in real-time according to the difference between the beam pointing and the actual position of the target based on the chirp pulse signals, and the back-end equipment of the radar system is provided with zero IF I and Q signals for signal processing. The radar system can be analyzed, debugged and tested without the front-end equipment.

phased array radar; target echo; echo simulation; sum and difference beam

2016-08-30;

2016-09-20

姜小祥(1984-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理;刘溶(1986-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理;沈磊(1983-),男,工程师,硕士,研究方向:数字电路及T/R组件设计;翟刚毅(1978-),男,研究员,研究方向:雷达信息处理。

TN958.92

A

1009-0401(2016)04-0022-03