数字阵列雷达回波信号模拟器的设计与实现

陈生泽 辛强

摘 要：研制数字阵列雷达系统的过程中，应在不同目标环境、噪声环境与干扰环境中测试并验证系统数字波束形成处理器与信号处理器两者的性能。但受成本与实验条件以及天气条件等因素的影响，数字阵列雷达系统各性能与指标测试很难在真实的环境中运行，针对这一情况，有必要借助专用信号模拟器。基于此，文章将数字阵列雷达回波信号模拟器作为重点研究对象，阐述了其具体的设计与实现内容，希望有所帮助。

关键词：数字阵列雷达回波信号模拟器；设计；实现；研究

基于雷达技术的发展，其功能不仅局限在测量目标距离、方位与俯仰角方面，还能够对目标速度进行测量，并在目标回波当中获得与目标相关的信息。雷达技术的创新发展也为雷达模拟器研发提出了全新要求。其中，雷达指标与性能测试是研发调试雷达系统的主要内容，但由于雷达整机调试和性能鉴定要选择外场测试方式，借助真实目标来为雷达系统提供所需的性能信号，所以实际的人力物力和财力消耗量极大，甚至还会受天气环境因素影响，直接延长了研发周期。为此，对干燥噪声加以模拟的雷达回波信号模拟器十分關键。

一、阵列天线阵元空域延时模型构建

数字波束形成技术在数字阵列雷达系统中发挥着核心作用，而其理论基础就是军事声纳与雷达自适应阵列天线，借助阵元加权对陈列方向函数加以控制，以保证阵列方向图主波束能够与有用信号的方向对准。其中，主波束就是高增益窄波束，而且会在干扰的方向形成深度较大的零陷，有效地接收有用的信号，进而在强干扰环境下发现并探测目标[1]。

如果接收阵列是均匀的直线阵，且各阵元是各向通性，信号是窄带信号。在远场条件下，阵元所接收回波信号就可以被认定成平行波。此平行波和天线阵列法线的方向会形成 角度的斜射状态，而且平行波与天线阵列不同阵元时间存在差异，因而各个阵元信号接收的偏移相位有所不同，其空域特性十分明显。

而阵列天线方向图就是阵因子与阵元方向图的乘积，在阵元数、阵元方向图与阵元间距已知的情况下只要对幅相权重系数加以改变，即可实现方向图指向与形状的改变。在阵元中复乘累加处理各种权重的基础上，就能够构建指向不同的波束，进而实现自适应目标的跟踪与抗干扰目的[2]。在自适应波束形成器的作用下，能够结合相应的准则与约束条件对最佳的权向量进行选择，以免对目标回波信号功率产生不利的影响，尽可能地降低干扰与噪声的输出功率。

二、硬件电路组成和具体结构

数字阵列雷达回波信号模拟器主要的组成结构就是上位机软件与专用的测试工装电路。其中，上位机软件能够借助串口和FPGA相互连接，向FPGA发送不同类型的控制指令与回波参数指令。随后，控制指令需借助模拟信号处理器的光纤向DBF处理器进行发送，以实现对系统控制的目标。另外，模拟器还能够结合回波参数指令形成回波基带信号，在光纤和DBF处理器的作用下实现通信，对DBF处理器所返回的波束形成结果进行有效地接收，将结果当中固定快拍点去除，经由串口向PC机返回，最终完成测试DBF处理器多波束方向图性能以及抗干扰性能的工作。

其中，模拟器板与DBF处理板应同时与VPX总线型机箱相互连接。在系统整体架构中，VPX机箱发挥着数字版的作用，能够确保电源的稳定性，并具备数据传输的接口[3]。在机箱中，VPX插槽数量为4个，能够保证四个标准VPX板卡同时插入。这种设计方式确保了模拟器平台和DBF处理平台的扩展性，进而以VPB总线为基础，将模拟器板与DBF处理板添加到具体的项目当中，在并行协同作用下，构建数字阵列雷达模拟系统。

模拟器板的主要组成就是母板与子板，两者在FMC接口插槽的作用下实现连接，而FMC接口主要的功能就是将模板之间所存在的 管脚、子板光纤收发器以及FPGA芯片差分数据信号进行连接处理。

在本文的数字阵列雷达回波信号模拟器设计过程中，可以实现前端80个天线陈元接收回波基带信号的模拟，并且在方向图扫描验证的基础上，在和DBF处理器间需处于持续地回波基带数据发送，接收并处理波束形成数据。因为波束停留时间不长，所以此模拟器设计的重点问题就是在向DBF处理器传送80个天线阵元回波信号予以实时模拟，并实现数据接收与处理目标。若始终沿用板间传输协议将难以与设计要求相适应，最重要的是数据会借助并行通道传输，使得设计成本和复杂度明显提高。为此，可以对光纤加以利用，以保证模拟器与DBF处理器数据的传输速度不断提高，加快传输的速度并增加传输的距离，确保数字光纤通信更加高效和可靠[4]。

三、数字阵列雷达回波信号模拟器实现方案

在数字阵列雷达回波信号模拟器设计的过程中，在模拟方面应涵盖干扰与噪声80通道回波基带数字信号，借助光纤和DBF处理器实现通信。与此同时，还应当对信号处理器部分功能进行模拟，实现系统工作与睡眠等控制指令发送目标。与此同时，还能够接收并处理波束形成数据，对DBF处理器多波束方向图性能与抗干扰性能加以验证。而且，DBF处理器波束形成数据能够在后续信号处理器性能测试中合理地运用。

针对数字阵列雷达各个天线单元所接收回波信号而言，其空域相位延时也不同。而且模拟目标运动均匀，因而回波信号具有明显的多普勒频率特征。由于目标与雷达存在特定距离，所以回波信号也必然在时域方面存在延时问题。除此之外，在雷达工作过程中，各脉冲间隔所发送的都是二相编码信号，使得所模拟的目标回波信号是二相编码信号[5]。

为确保对不同阵元接收回波基带信号进行有效模拟，将FPGA内嵌方式引入其中，完成了目标和干扰回波波形设计任务。通过DDS软核的使用，实现了频率与相位偏移值的动态化配置，优化了灵活性能，且编程控制更加容易，能够综合考虑用户的实际要求发挥调频功能与调相功能，进而形成形式复杂的波形信号。

结束语：

综上所述，通过对阵列雷达回波信号模拟器的设计，能够对干扰噪声环境中的多通道回波基带信号进行模拟，在多个角度下模拟目标回波信号。而根据所模拟的回波信号样本分析，模拟目标回波信号将时域波形特征真实地展现出来，使得各个天线单元接收信号出现了空域延时的情况。在DBF处理器波束形成数据的基础上，能够在信号处理器性能测试中合理地运用。通过上文对数字阵列雷达回波信号模拟器阵列天线阵元空域延时模型构建、硬件电路组成、具体结构的研究，提出了数字阵列雷达回波信号模拟器实现方案，以供参考。

参考文献：

[1]谢星星.数字阵列雷达回波信号模拟器的设计与实现[D].南京理工大学，2014.

[2]杨申昊.阵列雷达回波信号模拟器的软件设计[D].西安电子科技大学，2014.

[3]蔡信.三种工作模式下多通道雷达回波信号模拟器的设计与实现[D].南京理工大学，2014.

[4]沈先军.多通道基带回波模拟器单元级回波仿真与验证[J].电子信息对抗技术，2015（4）：75-80.

[5]刁丹丹，刘玉杰，王晓东， 等.基于DDS技术的三坐标雷达目标模拟器[J].现代雷达，2014（6）：79-81.

作者简介：

陈生泽，男（1993.5），汉族，甘肃武威人，大学本科，助理工程师，研究方向：毫米波雷达发射机设计

辛强，男（1988.3），汉族，四川乐山人，硕士，助理工程师，研究方向：毫米波雷达发射机设计