相控阵雷达多通道回波模拟设备设计

中国电子科技集团公司第二十研究所 于佳兴

随着国际形势的恶化国防军工类科技研发面临着时间紧、任务重的挑战，以雷达为代表的武器装备在信息化战争中扮演着远程警戒、跟踪制导等重要角色。现代雷达多采用相控阵体制，它的研发过程一直以来伴随着周期长，系统复杂，研发困难等问题。FPGA具有实时性高，并行性好的特点。根据雷达信号处理的原理，基于FPGA设计雷达回波模拟设备，可加速雷达的研发。FPGA中的dds核可以实时产生波形，多通道并行处理的方式，可产生不同子阵接收到的模拟回波。雷达回波模拟设备可以在阵面研发完成前作为阵面的的替代设备完成预处理、信号处理、中心机的功能开发及验证工作。

1 模拟设备工作流程

雷达的工作流程是，阵面根据目标方位发射信号，阵面接收到回波后，预处理进行波束形成下发数据到信号处理分机，信号处理分机进行脉冲压缩、相参和检测，中心机根据检测结果调整采样波门和波形选择。采用模拟器后，模拟器根据接收到的中心机的波形信息产生波形，根据采样波门与距离真值产生距离时延，并将数据下传到预处理，预处理将结果信号处理，信号处理将结果发给中心机，中心机将最新的波形信息和采样波门上传到模拟器。模拟设备工作流程如图1所示。

图1 模拟设备工作流程图

模拟器在雷达中作为模拟回波的产生设备通过接收中心机上行的波形参数，产生模拟回波下发。之后的处理过程与雷达处理过程一致，所以能够替代完成功能的开发和验证。

1.1 模拟器组成

模拟器整机由机箱和板卡组成，对外接口为光纤，具备24发24收的光纤，可实现24通道或48通道的回波设计，程序包括协议解析模块，参数配置模块，dds产生模块，多通道发生模块。其中协议解析模块是解析中心机发来的协议，aurora协议，参数配置模块，根据解析得到的参数，产生包括距离速度等信息的dds配置参数；dds模块根据参数配置模块产生的参数选择dds输入、控制波形的时序；多通道发生模块，根据dds产生的波形，根据不同子阵对应目标的角度信息，产生不同通道的波形。

1.2 dds实时波形产生

根据波形信息在FPGA dds中提前存储初相参数，根据时钟将初相值与步进值相加，dds选择streaming模式，根据频率将初相和初相与步进的和输入dds，并根据速度实时计算多普勒频率，并与初相相加作为每个重频新的初相。

初始相位步进：

步进值：

多普勒频率计算：

其中v代表速度，fc代表载频，c代表光速，B代表带宽，fs代表采样率，T代表脉冲宽度。

模拟回波距离的表示方法，通过计算距离真值在光速下需要的时间，得到对应采样率下，需要的距离单元，计算该距离单元与采样起始的差值s，重频触发开始后计数，计满差值s开始发送波形数据。

1.3 多通道并行产生回波

采用fpga中的cordic、乘法器等ip核实现不同通道间回波角度差异。计算中cordic产生sin/cos值时，默认输入范围是（-1，1）或者（-pi,+pi）。由phase format决定，但还存在coarse rotation勾选选项决定范围是否用满，勾选则粗精度范围是（-1，+1）或（-pi,+pi），不勾选为细精度（-1/4，+1/4）或（-pi/4,+pi/4）超过这个范围输出的结果有误，cordic输入3位符号位或整数位，输出为2位符号位或整数位，当cordic输入值较大时，即在输入范围（-1，+1）或（-pi,+pi）之外时，判断最后一位符号位或整数位，如果为1，则前两位补两个1，如果为0，则前两位补两个0，截掉后两位。做加减法时，符号位或整数位需要对齐，需要补位时，若首位为1，则前面补n个1，相应的后面截n位，若首位为0，则前面补n个0，相应的后面截位。使用乘法器同样需要截位如数据fix32_30与fix32_29相乘时，结果为fix64_59，如果还需保持32位，3位符号位或整数位数据，需要截取[61,20]。

不同通道（不同子阵）根据目标与波束的角度差和固定参数同时计算角度信息，并跟dds产生的数据作乘法。公式如下：

echo为dds产生的波形数据，zt(1,1)，zt(1,2)代表与子阵有关的固定值，bs_theta,theta分别为波束与目标的方位角，bs_phi,phi代表波束与目标的俯仰角。

2 实验结果

当模拟器接收到中心机波形参数为线性调频信号，目标与波束方位角度差为0°，俯仰角度差为0°时产生波形如图2所示。

图2 目标与波束方位角度差为0°俯仰角度差为0°时产生的波形图

从上到下分别代表四个象限某个子阵模拟回波信号，可见目标与波束指向没有角度差，四个象限数据相位一致。

当模拟器接收到中心机波形参数为线性调频信号，目标与波束方位角度差为1°，俯仰角度差为0°时产生波形如图3所示。

图3 目标与波束方位角度差为1°俯仰角度差为0°时产生的波形图

可见因为目标与波束指向有角度差，导致四个象限回波数据有相位的差异。

基于FPGA的回波模拟设备具有实时性高等特点，可以为雷达研发过程中除阵面外其他分机并行研发提供模拟回波，此外，还可以作为信号处理等分机功能验证的设备，能够多方面缩短雷达的研发周期。