通用搜索雷达模拟器的设计

通用搜索雷达模拟器的设计 1 期第 雷达科学与技术Vol . 4 No . 1 2006 年 2 月 Febr ua r y 2006 R a d a r S c i e n c e a n d T e c h n ol o g y 3 通用搜索雷达模拟器的设计 江建民 , 贺瑞龙 () 中国电子科技集团公司第 38 研究所 , 安徽合肥 230031 摘 要 : 介绍了通过软件和硬件相结合的办法 ,实现多体制多频段搜索雷达信号和处理的模拟 。该模 拟器通过设臵和加载不同体制的雷达参数和软件 ,采用灵活的数字波形产生方式形成数字基带信号 ,经混 频放大形成射频小信号 ,再通过方向图模拟形成不同形式的雷达回波信号 ,从而实现通用搜索雷达的模拟 。 仿真证明该模拟器是可行的 。 关键词 : 杂波模拟 ; 目标回波 ; 数字基带信号 + () 中图分类号 : TN959 . 1 1 文献标识码 : A 文章编号 :167222337 20060120007205 Design of Genera2lPurpose Surv eillance Ra dar Simula tor J IA N G J ia n2mi n , H E Rui2lo ng ( )N o. 38 Resea rch I nst i t ute o f Chi na El ect roni c T ec h nol o g y Cor p orat i on , He f ei 230031 , Chi na Abstract : A simulato r used fo r simulating t he echo and signal p roce ssing of diff erent system , f requency ba nd a nd f unctio n rada r s i s p re sented in t hi s p ap er . The simulato r i s de signed by sof t ware2ha rdwa re mixed mea ns. The general2p urpo se surveilla nce rada r simulato r i s realized a s follo w s :fir stly set ting and loading t he ( ) diff erent pa ra meter s incl uding rada r , ta r get , cl ut t er etc . o n sof t ware , t hen generating t he digital ba seband signal by a f lexible digital wavefo r m generating met ho d , a nd fo r ming t he small R F signal t hro ugh mixing and a mplif ying t he ba seba nd signal , a nd finally o btaining diff erent simulated rada r echo by mea ns of a nt enna p at2 ter n simulatio n of t he R F signal . The simulatio n result s sho w t hat t he radar simulato r i s eff ective. Key words : cl ut ter simulatio n ; ta r get echo ; digital ba seband signal 而且有广泛的实际应用价值 。本文就来研究这个 问题 。1 引言 现 代 雷 达 系 统 越 来 越 复 杂 , 对 雷 达 性 能 的 2 基本模型 , 研制各种各样定量评估变得越来越困难 。因此 的雷达信号模拟器至为必要 。雷达信号模拟是数 杂波模拟 2 . 1 字模拟技术与雷达技术相结合 的产 物 , 它通 过模 杂波模拟可以分两种 , 一种是通过经典的杂 拟的方 法 产 生 雷 达 回 波 信 号 , 以 便 在 没 有 实 际 波起伏模型函数形成杂波 , 用于 雷达 基 本性 能的 雷达的条件下对雷达系统的后级进行调试 。雷达 分析 、调试和性能检验 ; 另一种是通过地理信息系 信号模 拟 器 对 雷 达 调 试 、性 能 评 估 和 设 备 维 护 统 ,结合雷达参数 ,计算雷达杂波的谱分布和幅度 等将起到重要作用 。现有雷达信号模拟器主要有 分布 ,再形成相应 的 杂波 。这种 方式 主 要用 于雷 中频信号模拟器和视频信号模拟器 。这些模拟器 达探测性能的评估和雷达的部署 。 多为单一体制 , 专门用来对某一 种雷 达 进行 测试 根据经典杂波理论 ,雷达杂波分为地杂波 、海和训练 。如果研制出一种能用于多体制多频段雷 杂波 、气象杂波和 仙 波等 。杂波 起伏 调 制函 数包达的射频通用雷达模拟器 ,那么不仅有理论意义 , 3 收稿日期 : ( τ) η的 、随机的散射体回波所合成 ,其中没有一个散射( ) = S T T - 〃G 〃〃 S tR 21/ 2 体回波的幅度可以和总的合成 回波 相比 拟 , 则根 λ (π) e xp j2f d t〃 3 4 (π) 2R据中心极限定理 , 杂波回波的幅 度包 络 服从 瑞利 ( ) ( ) 其中 , S R t和 S T t为雷达的接收和发射射 分布 。雷达分辨率 较低 时的 地 面杂 波 、海杂 波以 τ号 ,为目标的双程延迟时间 , G 为受天线方 及云雨杂波即属于这类杂波 。若以 x 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示瑞利杂 λ影响的单程增益 ,为射频信号波长 , R 为目标 波回波的包络振幅 , 则 x 的概率密度函数为 2 达的距离 , f d 为由相对运动而产生的多普勒 x x)( e xp -x ?0 2 2 μμ2( )η( ) σ f x= 1 为复反射系数 , 它与雷达截面积的关系为 x ?0η συ)(0 = 〃e xp j μ式中 , 是 x 的中值 。 υ( ) , 为反射信号附加的相移 。根据式 4可 式中 当雷达分辨率较高而且掠射角很低时 , 杂波 ( ) ( τ) S R t= Ku t - 〃 的幅度起伏模型可以用对数正态分布表示 。设 x π( ) ( τ) e xp [ j2f -f t - ]0 d 表示杂波回波的包络振幅 , 则 x 的对数 2 正态分 1/ 2 2 λν f , 。式中 , f d K = 0 3 4 布为(π) 2R x2由此可见 , 雷达的点目标回波信号可以 l n 1 x me xp x ?0 表示为发射信号的延迟 , 且在幅度上乘一个 - 2( ) ( ) σf x=2 πσ2 2x因子 K , 在 载频 上 有一 个多 普 勒频 移 f 。在d 0 x < 0 ( ) 6进行模拟时 , 通过控制形成相应数据的时 σ式中 ,是 l n x 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差 , x m 是 x 的中值 。 , 通过控制方向图调制和目标起伏控制时延 也可以根据地理信息系统来形成杂波图和杂 τ 制增益 , 产生数据时一般不考虑式中的、K ,波幅度分布 。地理信息系统是虚拟战场生成系统 视频信号用其正交分量 S 、S 表示 。设相干脉I Q 的主体 ,是通用仿真 环境 的重 要 构件 。该系 统与 达的脉冲重复周期为 T , 则点目标回波的相干 仿真应用系统的场景生成 、态势显示模块相结合 , S 、S 信号可表示为I Q 可生成虚拟战场环境 。地理信息系统包含多种比( ) ( ) πθ( ) S I k T = uk T 〃co s[ 2f d k T +k T ]例尺的数字地图的地理信息库 及其 管理 系统 , 提 ( ) ( ) πθ( ) = S k T uk T 〃si n[ 2f k T +k T ] Q d 供了完备的信息处理功能 ,包括数据准备 、数据库 θ( ) 式中 , k 表示采样序列 ,k T 为目标回波的 管理 、地 图 显 示 、查 询 量 计 算 、数 据 输 出 等 功 能 。 相位 。 应用地理信息系统来形成杂波 时 , 仿 真 系统 实时 2 . 3 目标功率映射( 地获得地形参数 包括高程 、植被 、地表起伏 、地面 根据单基雷达方程可知 , 雷达接收回波 ) 电磁率和导电率等,结合雷达的频段 、极化 、局部 P为入射角 、雷达架高 , 形成 地面 反 射系 数的 数据 库 ,r 2 进而计算出实际杂波的分布情况 。这样模拟出的 λσP GGFF t t r t rP= r 3 4(π) 4R雷达杂波与实际的雷达杂波回波更为接近 。 式中 , P为雷达发射功率 , G为雷达天线发t t 2 . 2 目标回波的模拟 σ 益 , G为雷达天线接收增益 ,为目标散射截r 2006 年第 1 期江建民 :通用搜索雷达模拟器的设计 9 = 1 。设雷达发射机到接收天线的损F 时 , 取 Ft = 杂波参数库和目标参数库 。雷达参数库是由需验r 耗为 L r ,则雷达天线接收到的目标回波功率 Pr ′ 为 证的实际雷达参数和经适当配臵的新设计雷达的 2 λσ 参数组成 。数字 波 形产 生用 以产 生 发射 信号 、模 P G Gr t t )( P′= 10 r 3 4 (π) 4RL t拟杂波基带信号和模拟目标基带信号 。宽带频综 ( ) 在实验室或微波暗室条件下 , 式 10中的P t 器一般由多频段宽带直接数 字频 率 合成 器组 成 , 可以是实际发射信号功率 , L 为模拟雷达发射机r 以形成各种形式的不同频率的高稳定低噪声射频 到接收天线的损耗 L 同实际距离延时与映射距 r1 信号 。空馈模拟单元包括射频信号回馈和方向图 离延时的损耗 L 之和 。r2 模拟两部分 。 () 由式 10可知 , 模 拟器 产生 的目 标 回波 功率 与目标模拟器的发射功率成正比 ,与距离的 4 次方 成反比 ,与目标截面 积成 正比 。目标 回 波功 率还 受雷达接收天线方向图和模拟器发射天线方向图 的调制 。 2 . 4 方向图的模拟 由于雷达模拟器通常不具备实际天线和远距 图 1 通用搜索雷达目标模拟器的组成 离方向图 ,故雷达模 拟器 的 天线 增益 、天 线副 瓣 、 天线零深 、天线扫描和波束形状 要通 过 天线 方向 数字基带信号的产生图模拟来实现 。计算方向图的软件以函数库形式 3 . 2 放在数据库中 。进 行方 向图 模 拟时 , 用 户按 照需 根 据 数 字 波 形 产 生 的 特 点 , 模 拟 器 拟 采 用要模拟的方向图的各种参数 , 调 用方 向 图模 拟函 () “PC104 + FP GA 组合” 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 如图 2。图中的 数进行计算 , 并把各个时间需衰 减的 数 值返 回到 PC104 是小型嵌入式计算机 ,利用计算机软件可对 程控衰减器 , 然后由主控软件根 据计 算 数值 控制 目标本身 、目标的运动规律 、目标环境和调制方式进 程控衰减器对射频信号进行衰 减 , 最 后 实现 方向 行建模 ,以产生相应的雷达信号数据 。建模参数包 图的模拟 。注意 , 方 向 图模 拟中 是将 空 域模 拟转 括雷达体制 、雷达信号形式 、雷达射频频率 、雷达脉 换为时域模拟 , 以便利用程控衰 减器 进 行方 向图 调制 。模拟器可模拟的方向图有辛格 、高斯 、余割 冲重复频率 、天线方向图以及目标参数 、目标数学 平方方向图和自定义方向图 。 模型 、目标动态 范围 、目 标多 普勒 信 息 、目标 批次 垂直方向图的模拟通过查表的方式完成 , 先 等 。这些数据和 参数 事 先保 存在 计 算机 硬盘 里 。 将计算好的各个高度的幅度数值保存在控制计算 仿真系统工作时 , 先通过软件设 臵和 软 件调 度将 机里 ,要进行高度模拟时 ,先查表查出相应高度的 数据打包传送到 F P GA 进行综合处理 。对于调频 衰减值 ,然后进行衰减 ,以达到模拟垂直方向图的 信号或编码信号将进行反调 制和 信 号扩 展 , 形成 目的 。进行发射方向图的模拟应该与接收方向图 目标回波基带信号 ; 然后根据方 位码 和 雷达 重复 模拟同步 ,利用定时系统的方位 信号 对 发射 方向 频率 ,实时输出 I 、Q 数字基带信号 ; 最后由超高速 图方位和接收方向图方位进行幅度调制 。 D/ A 转换器形成所需要的雷达回波信号 。 3 模拟器的设计 3 . 1 系统的组成 通用搜索雷达模拟器由参数数据库 、数字波 形产生 、宽带频综器 、空 馈模 拟 单元 、高 速大 容量 数字信号处理单元和定时控制单元组成 ,如图 1 所 图 2 可编程数字基带信号的生成示 。参数数据库包括场景设臵参数 、雷达参数库 、 编程逻辑器件不仅能使系统 设计 小 型化 、集方向图或和差方向图 。和差波束测高体制目前比 ,而且具有用户可编程特性 。图 4 简和高可靠 较流行 。对和波束 ,要对和通道进行和波瓣调制 , 以实现时域上的天线幅度波瓣模拟 。对差通道就 出了模拟器的高速信号处理 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。 必须既有衰减器模拟幅度波瓣 , 又有 移 相器 模拟 相位波瓣 ,此时和差信号的形成框图如图 3 所示 。 如果只要模拟差波瓣相位方向图两个主瓣内的相 π 位 ,那么只要一 个 0/移 相器 就 够了 。而若 要在 方位和俯仰均形成差波束 , 则必 须在 方 位和 俯仰 图 4 模拟器的高速信号处理 分别进行幅度调 制和 相 移 。另 外 , 为 了 使差 波瓣 的某一主瓣的相位波瓣与和波瓣主瓣的相位波瓣 基本一致 ,还需进行和差通道配相 。衰减器衰减量 4 通用雷达模拟器 Δυ 所导致的相位变化量 可由差通道移相器调整 , 以 通用雷达模拟器的控制计算机根据设臵此作为基本相位 , 而后再进行差波瓣左右主瓣 相种雷达体 制 、雷 达 参 数 、目 标 运 动 参 数 和 杂 π Δυ πΔυ位的 0/移相 , 即 / +。因此 , 和通道的移 相器布 ,实时计算出每一时刻模拟目 标和 模 拟杂 就需要控制精度较高的移相器 。为满足要求 , 移相即时时延和多普勒频率 , 对基带 信号 波 形进 器的位数至少应在 6 位以上 。 制 ,形成 I/ Q 数字目标信号和杂波信号 ,然后 多普勒调制信号延时并输出至 D/ A 变换器 , 正交 I/ Q 调制器合成一路中频信号输出 , 最 频综器混频形成相应频率的射频信号 。数字 产生远比模拟 电 路可 靠 , 也容 易 编程 和加 载 时 ,模拟目标信号的多普勒调制 和距 离 延时 数字域上实现 。控制计算机计算并控制目标 信号的强弱 。回波信号的幅度根据目标运动 度和方向以及雷达参数的变 化计 算 产生 ; 目 离则根据距离方程计算出相 应的 延 时 ; 多普 图 3 和差信号的形成 率体现在目标回波的相位变化和相参回波脉 的产生上 。和差多通道方向图调制放在射频 3 . 4 高速数字信号处理 拟 ,故雷达目标回波经 D/ A 后只需对一路信 鉴于通用雷达模拟器要模拟的雷达工作模式 行上混频 。多频段宽带频综器产生的射频小 众多 、参数变化范围较大 ,故对不同工作模式和系 经耦合器或空馈进入方向图 模拟 单 元 , 形成统参数进行模拟时将采取不同 的结 构 , 无疑 增加 收方向图或和差方向图调制的接收信号后送 了模拟器设计的 复杂 性 。因 此 , 硬件 应 尽量 采用 带接收机 。接收机对其进行混频和数字采样 模块化插件 ,而模块化插件资源丰富 ,在硬件不变 至信号处理 。最后由信号处理而形成雷达数 的条件下 ,通过改变软件设臵即 可完 成 不同 的信 号处理任务 。 波信号的终端输出 。信号处理机的可编程软 过模拟器控制计算机实现上传和下载 。 2006 年第 1 期江建民 :通用搜索雷达模拟器的设计 11 拟脉冲多普勒体制雷达 , 又能模 拟连 续 波体 制雷该通用雷达模拟器可用于雷达自上而下进行 达 ,还能模拟相控阵体制的雷达 ,能模拟各种分布 , 以便对所设计雷 达进 行 深入 的分 的系统设计中 杂波 、噪声和起伏目标 ,其所模拟的雷达的作用距 析和研究 ; 也可用于在雷达设计 过程 中 不断 对设 离 、天线扫描范围 、扫描速度 、脉冲重复频率 、数据 计进行优化和完善 ; 还用于对新 设计 雷 达的 性能 量和脉冲宽度等参数还可在一定范围内改变 。 进行检验 ,对雷 达进 行全 方 位的 测试 、分 析 、试验 和评估 ;最后 , 还 可 结合 数字 地图 , 验 证 雷达 探测 性能 ,实现雷达网的优化配臵 。总之 ,通用雷达模 5 结束语 拟器具有广泛的实用价值 。 本文介绍的通用搜索雷达模拟器采用软硬件 相结合的方法 , 通过设臵和加载 不同 体 制雷 达的 参数和软件 , 实现多 种搜 索雷 达 的模 拟 。由 嵌入 参考文献 : 式计算机产生雷达目标回波数 据 , 经 数 字基 带调 [ 1 ] 熊光楞 ,等 . 先进仿真技术与仿真环境 [ M ] . 北京 : 国 制 ,再据雷达的工作时序和方位信息实时输出 ,最 防工业出版社 , 1997 . 后经 D/ A 变换形成所需要的雷达模拟信号 。系统 [ 2 ] 潘志 明 , 殷 成 志 . 雷 达 目 标 回 波 信 号 仿 真 实 现 方 法采用了高速数字处理芯片 、大规 模可 编 程逻 辑器 () [J ] . 电子工程师 , 2003 ,29 7:56258 . [ 3 ] 丁鹭飞 ,耿富录 ,等 . 雷达原理 [ M ] . 西安 :西安电子科 件以及高速大容量 SD RA M , 减小了体积 ,提高了 技大学出版社 , 2001 . 可靠性 。该模拟器已通过论证和仿真实验 。图 5 Lo mba r do P , Pa stina D. Bea mfo r mer A rchitect ure s [ 4 ] 和图 6 分别示出了模拟器结合数字地图形成的模 fo r Active Pha sed2A r ray Rada r A ntenna s [ J ] . IE E E 拟杂波输出和实际雷达 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 得 到的 杂波 输出 , 可 Transactio ns o n A ntenna s and Prop agatio n , 1999 , 47 见两者基本吻合 , 验证了该通用 搜索 雷 达模 拟器 () 3:4322442 . 具有较高的可信度 。[ 5 ] Mo niri M R , Nayebi M M , Sheikhi A . A Multicha n2 nel A uto2Regressive GL R Detecto r fo r Air bo r ne Pha sed A r ray Rada r Applicatio ns [ J ] . IE E E Tra nsac2 () tio ns o n A ntenna s and Propagatio n , 1999 , 47 3:2062 211 . 作者简介 : 江建民 男 ,1973 年 11 月出生于安徽 省枞阳县 ,1995 年毕业于四川大学电 子与信息 工程专业 , 现为中国电 子 科 技集团公司第 38 研究所高级工程师 , 主要从事雷达总体研究和雷达系统建 图 5 模拟器模拟的杂波输出 模仿真工作 。 贺瑞龙 男 ,1938 年生 ,1963 年毕业于电子科技大学 雷达系统工程专业 , 研究员 , 中国电子科技集团公司第 38 研究所科技委主任 ,中国电子学会雷达分会主任委员 ,曾任 38 所总工程师 、电科院雷达与探测技术专家组组长等职 , 长期从事雷达总体工程研 究工作 , 曾 获国家科技进步一 、 二 、三等奖多项 ,并获“全国五一劳动奖章”。 图 6 某雷达实际检测的杂波输出