CN101082667A - 一种毫米波捷变频雷达目标模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，包括控制单元、收发单元、多普勒模拟单元、距离模拟单元、幅度模拟单元。雷达信号经收发单元进入多普勒模拟单元，经多普勒模拟单元的下变频器、低通滤波器得到中频信号，再经距离模拟单元得到延迟后的中频信号，接着经多普勒模拟单元的上变频器、带通滤波组得到射频信号，所述上下变频器的本振频率之差模拟了目标的多普勒频移，该射频信号经幅度模拟单元模拟目标回波幅度变化得到发射信号，最后通过收发单元发射。控制单元根据输入的距离、速度、幅度等模拟参数向其它四个单元发出控制信号。雷达信号经该模拟器后，向雷达提供了一个包括多普勒频移、信号幅度起伏以及距离延迟的模拟信号，给雷达跟踪工作性能检测提供评估平台。本发明的模拟器用于对雷达主要性能的室内动态模拟测试，从而减少或部分代替外场试验，提高了试验水平，降低了试验成本。

Description

一种毫米波捷变频雷达目标模拟器

技术领域

本发明涉及对工作频段在毫米波波段、采用捷变频体制的雷达进行半实物射频仿真。为该雷达提供一个在室内进行动态模拟测试，检测其工作性能的评估平台，具体地说，是指一种毫米波捷变频雷达目标模拟器。

背景技术

近年来，工作在毫米波频段的雷达越来越受到重视，在监视和探测、火控和跟踪、精密制导、测量、高分辨率成像、空间技术、气象、环境遥感、障碍物回避等军事和民用领域种得到广泛应用。各种体制的雷达也纷纷投入使用，如目前常用的频率捷变体制作为导弹末制导抗干扰技术已在各种型号的导弹中得到应用。

射频仿真最早应用于导弹武器研制与实验过程，可以在不进行导弹实弹发射的情况下检验导弹系统的各种性能指标。由于仿真试验具有条件可控，可重复性及良好的保密性，在国内外军事领域得到了广泛的应用。

半实物射频仿真，能有效地完成一般直接实物试验很难实现的系统综合性试验，从而获得有关统计学参考意义的逼真数据，用于系统性能的分析、比较、鉴定和评价。实践证明，半实物仿真系统不受环境与条件的限制，而且保密性强，可重复性强，是一种既经济又可靠的实验方法。

对雷达进行半实物射频仿真，主要是模拟目标的距离、回波强度起伏、频移的变化。

目标的距离模拟体现在目标回波幅度衰减效应和雷达收发电磁波的传输延时效应。在半实物仿真应用上，回波幅度衰减效应通常通过一个大动态精密数控电调衰减器实现。延时效应模拟主要有数字储频器技术、延迟线技术。数字储频器的工作带宽取决于A/D、D/A器件的采样频率，一般要求采样率大于雷达信号带宽的二倍。对于采用捷变频体制的雷达，一般载波信号带宽比较大，采用数字储频工程上不易实现；并且由于捷变频雷达信号的作用距离远，其所要求的延迟线长度要求能达到200km。

因为存在相对运动，所以目标回波的载频会出现多普勒频移。从仿真角度考虑，就是目标模拟回波相对于雷达发射信号有一个低频的频移。实现多普勒频移有四种的技术：微波调幅法，微波单边带调制，行波管锯齿波调相，频率综合法。

频率合成技术主要有直接频率合成、锁相频率合成和直接数字合成(DDS)三种方式。DDS技术具有频率分辨率高、频率切换快、相位噪声低、频率稳定度高等优点。因为这些优点DDS在雷达信号模拟中获得了广泛的应用，但是DDS存在难以产生高频率的缺陷，本文采用频谱搬移法提高DDS的工作频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毫米波捷变频雷达目标模拟器。模拟器能够对工作频段在毫米波波段、采用捷变频体制的雷达进行半实物射频仿真，为雷达提供一个在室内进行动态模拟测试，检测其工作性能的评估平台，

本发明的模拟器，包括收发单元、距离模拟单元、多普勒模拟单元、幅度模拟单元、控制单元，其中所述收发单元包括天线、环行器、耦合器A、耦合器B、移相器、电调衰减器、合路器、检波器和对消控制器；所述距离模拟单元包括分布反馈(DFB)激光器、光纤延迟阵列、光电转换器、高频预放器、带通滤波器和距离控制器；所述多普勒模拟单元包括下变频器、低通滤波器、单边带滤波器A、混频器A、第一DDS、频综源、第二DDS、混频器B、单边带滤波器B、上变频器、带通滤波组、频综控制器；所述控制单元包括微处理器、输入模块、显示模块。

本发明的模拟器工作原理：雷达信号通过收发单元的天线、环行器进入模拟器，接收信号进入多普勒模拟单元，经过下变频器、低通滤波器得到中频信号，经过距离模拟单元延时进行目标距离仿真，延迟后的中频信号经过多普勒模拟单元的上变频器、带通滤波组得到射频信号，多普勒模拟单元的上/下变频器的本振频率差值模拟目标的多普勒频率，射频信号经过幅度模拟单元模拟目标回波幅度变化，最后发射信号再通过收发单元的环行器、天线发射给雷达。控制单元的微处理器根据输入模块设置的工作参数输出多普勒频率控制信号、对消控制信号、距离控制信号和幅度控制信号，并在显示模块中显示工作状态；其中多普勒频率控制信号控制模拟器的工作频段、目标的多普勒频率变化，对消控制信号给收发单元设置对消状态消除由于天线驻波及环行器耦合产生的2次回波，距离控制信号控制距离模拟单元模拟距离变化，幅度控制信号控制幅度模拟单元模拟回波幅度起伏变化。雷达信号经过模拟器后，给雷达提供了一个包括目标多普勒频率变化、信号幅度起伏以及距离延迟的相参模拟信号。

本发明的优点：(1)不受环境限制，降低成本；(2)保密性强；(3)可重复性强。

附图说明

图1是本发明模拟器的原理框图。

图2是本发明模拟器的收发单元的原理框图。

图3是本发明模拟器的多普勒模拟单元的原理框图。

图4是本发明模拟器的距离模拟单元的原理框图。

图5是本发明模拟器的控制单元的原理框图。

图6是本发明模拟器采用的折叠式光纤延时原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，包括收发单元1、距离模拟单元2、多普勒模拟单元3、幅度模拟单元4、控制单元5。

所述收发单元1包括天线21、环行器22、耦合器A27、耦合器B23、移相器24、电调衰减器25、合路器26、检波器28和对消控制器29；所述距离模拟单元2包括分布反馈(DFB)激光器41、光纤延迟阵列42、光电转换器43、高频预放器44、带通滤波器45和距离控制器46；所述多普勒模拟单元3包括下变频器31、低通滤波器30、单边带滤波器A 32、混频器A 33、第一DDS 341、频综源35、第二DDS 342、混频器B36、单边带滤波器B37、上变频器38、带通滤波器组39、频综控制器300；所述控制单元5包括微处理器51、输入模块52、显示模块53。

所述收发单元1一方面通过天线21接收雷达信号，经过环行器22、合路器26、耦合器A27产生接收信号12给多普勒模拟单元3；另一方面，把幅度模拟单元4产生的发射信号14经过耦合器B23、环行器22、天线21发射给雷达；而耦合器B23、移相器24、电调衰减器25、合路器26、耦合器A27、检波器28、对消控制器29依次连接，且对消控制器29与移相器24和电调衰减器25相连，从而构成频域“背景”全自动矢量对消电路，降低虚假信号的影响。

该模拟器收发共用天线21，收发隔离采用环形器22。理论分析和试验证明环形器的隔离口隔离度再高也无法隔离传输到雷达天线口面上再反射回来的发射信号，这个反射回来的信号经过模拟器距离模拟单元2的2次延迟和经过多普勒模拟单元3的2次多普勒频移会产生虚假信号。雷达是无法判断这2次信号甚至3次、4次信号的真伪。

在本发明中采用频域“背景”全自动矢量对消电路消除二次虚假、干扰信号，如图2所示。耦合器B23、移相器24、电调衰减器25和合路器26构成对消支路。模拟器发射信号14经过耦合器2分为三路，第一路直接输出提供输出监测信号；第二路通过环形器22发射出去，再由天线21反射回来进入环形器22，从而进入合路器26，同时还有一部分直接由环形器22进入合路器26，两部分合成形成虚假信号；第三路进入对消支路，经过电调衰减器25调节信号幅度、移相器24调节信号相位，形成和虚假信号幅度相等、相位相反的对消信号。二者在合路器26矢量叠加，就能大大降低虚假信号的影响。

在使用该模拟器时应该首先设置电调衰减器25、移相器24，过程如下：该模拟器上电后，控制单元5输出对消控制信号9给对消控制器29，对消控制器29根据指令，控制电调衰减器25调节对消信号的幅度，控制移相器24调节对消信号的相位。虚假信号和对消信号经过合路器26合成后，经过耦合器A27、检波器28，形成直流电平，对消控制器29对其采样，通过幅度、相位的循环变化经多次叠代，找到最小值，对消控制器29把电调衰减器25、移相器24此时对应的设置固定，即对消完毕。此时控制单元5控制显示模块53显示对消完毕信号。

进入工作状态，此时移相器24和电调衰减器25的设置不变，则可以大大消除虚假信号的影响。工作状态时对消控制器29对电调衰减器25、对消移相器24的控制不变。

所述多普勒模拟单元3把接收信号12经过下变频器31、低通滤波器30变为中频信号10，提供给距离模拟器单元2，延迟后的中频信号11再经过上变频器38、带通滤波组39变为射频信号13输入到幅度模拟单元4，同时由于下变频本振信号17和上变频本振信号18存在频率差，于是完成多普勒频率的模拟。频综控制器300接收控制单元5给出的多普勒频率控制信号7，根据指令输出频段选择信号15控制频综源35工作在雷达载波工作频段；同时，频综控制器300输出通带选择信号16控制带通滤波组39的通带中心频率为雷达载波频率；频综控制器300控制第一DDS341、第二DDS342的输出频率，二者差值为要模拟的多普勒频率。

多普勒模拟工作原理如下(以连续波为例，归一化幅度)：

接收信号12的表达式为：V_A1＝COS(2πf_S1t+Φ_S)，f_S1为基带信号频率，Φ_S为相位。

下变频本振信号表达式为：V_B1＝COS(2πf_L1t+Φ_L1)，f_L1为本振频率，Φ_L1为本振相位。

下变频器输出信号表达式为：COS(2πf_S1t+Φ_S1)·COS(2πf_L1t+Φ_L1)

取上边频(f_S1+f_L1)，经低通滤波得到中频信号10表达式为：

V_A2＝COS[2π(f_S1+f_L1)t+Φ_S+Φ_L1]

上变频本振信号18表达式为：V_B2＝COS(2πf_L2t+Φ_L2)，f_L2为本振频率，Φ_L2为本振相位。

上变频后取下边频经带通滤波，得到射频信号13表达式为：

V_C＝COS[2π(f_S1+f_L1)t+Φ_S+Φ_L1-2πf_L2t-Φ_L2]

＝COS[2π(f_S1+f_L1-f_L2)t+Φ_S+Φ_L1-Φ_L2]

令(f_L1-f_L2)＝f_d，Φ_L1_Φ_L2＝ΔΦ，则表达式变为：

V_C＝COS[2π(f_S1+f_d)t+Φ_S+ΔΦ]

可见，射频信号13与接收信号12之间只差一个f_d，即多普勒频移通过这套模拟电路被加到雷达信号上。在V_C表达式中存在一个附加相移ΔΦ，从电路图中可见混频器A33、混频器B36的本振取自同一个频综源35，所以ΔΦ实际上是第一DDS341和第二DDS342之间的相差。而第一DDS341和第二DDS342时基信号取自同一个时基，并且初始相位可以设定，改变输出频率时相位连续，理论上可以做到ΔΦ＝0，所以模拟器在模拟多普勒频移的同时保持输出信号的相位信息不变。

所述距离模拟单元2的分布反馈(DFB)激光器41把中频信号10变换为光信号，经过光纤延迟阵列42，再由光电转换器43转换为电信号，经过高频预放器44、带通滤波器45得到延迟后的中频信号11，距离控制器46接收控制单元5的距离控制信号6，根据指令控制半导体光放大器SOA的通断，选择不同延时量的光纤段，完成不同距离模拟。

光纤延迟具有的主要优点：

a.光纤延时器的衰减与信号频率和延时大小几乎无关。光纤延迟损耗很少，例如9μm单模光纤传输损耗＜0.4dB/Km，每Km的延迟时间为5μs。

b.光纤延时器对于不同频率的信号的延时几乎相同。

c.光纤重量轻、体积小、结构细微、柔软、有弹性，例如1个3″×0.5″的卷盘可绕1Km光纤，所以可以在体积很小的情况下得到很大的延时量。

d.光纤具有良好的温度的稳定性可以保证不同温度下的延时的准确性。其温度膨胀系数为10^-7/℃，如延时100μs，温度变化40℃，则延时时间变化不超过0.4ns。

光纤延迟与光电转换器之间的光接头选用FC/ATC接头，其反射损耗为-55dB，可保证二次延迟产生的虚假信号在-55dB以下。

如图4所示，为了测试雷达的跟踪性能，要求延迟线阵列不同延时段的切换速度要快，因此采用SOA作光开关的光纤延迟阵列，其优势在于SOA的高速开关特性，开关速度可达1GHz以上，系统的开关时间仅受限于电控信号的速度，因此整个系统响应速度可达到80MHz。

光纤延迟阵列中较大的延时部分，如NT＝51.2μs对应的延时分别为24.3μs，所需要的光纤长度相应较长为10.2km，体积较大，需占用较大空间，为解决这个问题，本发明采用了折叠式光纤延时方案，如图6所示。利用反射镜，使光信号在光纤中传输两次，从而只用L/2长的光纤可以实现L长的延时。

每个SOA由电信号控制其开关，距离控制器采用多通道高速数字量输出卡输出开关信号(速度可达到80Mb/s)，同时控制各个SOA的开关，得到合适的光纤延时量。

所述幅度模拟单元4采用大动态精密数控电调衰减器、由控制单元5输出幅度控制信号8控制衰减值模拟目标回波信号的包络起伏。

所述控制单元5包括微处理器51、输入模块52、显示模块53。模拟器操作人员通过输入模块设置模拟器的模拟目标距离、速度、幅度参数，微处理器根据输入模块的指令给出各种控制信号，并控制显示模块显示模拟器工作状态。

微处理器使用高速和具有超强的数据处理能力的DSP。比如TI公司生产的TMS320VC549-100作为系统控制器。该DSP的字长为16位，MIPS高达100，指令周期为10ns，有一个40位的算术逻辑单元，2个40位的累加器，2个40位的加法器，1个17×17的乘法器和1个40位的桶形移位器，并且有两个缓冲串口(BSP)。17×17的乘法器保证了在一个指令周期内能够完成一次16位的乘法运算，其结果具有32位精度。缓冲串口(BSP)能够有效的降低串口通信对CPU的占用率。

本发明模拟器使用方法如下：模拟器开机后，控制单元5输出对消控制信号9给收发单元1设置对消状态消除由于天线驻波及环行器22耦合产生的2次回波，完成后打开雷达电源开始正式仿真。雷达信号通过收发单元1的天线21、环行器22进入模拟器，接收信号12进入多普勒模拟单元3，经过下变频器31、低通滤波器30得到中频信号10，经过距离模拟单元2延时进行目标距离仿真，延迟后的中频信号11经过多普勒模拟单元3的上变频器38、带通滤波组39得到射频信号13，多普勒模拟单元3的上变频器38/下变频器31的本振频率差值模拟目标的多普勒频率，射频信号13经过幅度模拟单元4模拟目标回波幅度变化得到发射信号14，最后发射信号14再通过收发单元1的环行器22、天线21发射给雷达。控制单元5的微处理器根据输入模块52设置的工作参数输出多普勒频率控制信号7、距离控制信号6和幅度控制信号8，并在显示模块中显示工作状态；其中多普勒频率控制信号7控制模拟器的工作频段、目标的多普勒频率变化，距离控制信号6控制距离模拟单元2模拟距离变化，幅度控制信号8控制幅度模拟单元模拟回波幅度起伏变化。雷达信号经过模拟器后，给雷达提供了一个包括目标多普勒频率变化、信号幅度起伏以及距离延迟的相参模拟信号。

Claims (6)

1、一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，其特征在于：

所述模拟器由收发单元(1)、距离模拟单元(2)、多普勒模拟单元(3)、幅度模拟单元(4)、控制单元(5)组成；其中

雷达信号经收发单元(1)得到接收信号(12)并进入多普勒模拟单元(3)，经多普勒模拟单元(3)的下变频器(31)、低通滤波器(30)得到中频信号(10)，该中频信号(10)经过距离模拟单元(2)延时进行目标距离仿真得到延迟后的中频信号(11)，该延迟后的中频信号(11)经过多普勒模拟单元(3)的上变频器(38)、带通滤波组(39)得到射频信号(13)，多普勒模拟单元(3)的上变频器(38)与下变频器(31)的本振频率差值模拟目标的多普勒频率，该射频信号(13)经过幅度模拟单元(4)模拟目标回波幅度变化得到发射信号(14)，该发射信号(14)再通过收发单元(1)的发射给雷达，控制单元(5)分别输出距离控制信号(6)、多普勒频率控制信号(7)、幅度控制信号(8)和对消控制信号(9)到距离模拟单元(2)、多普勒模拟单元(3)、幅度模拟单元(4)和收发单元(1)。

2、根据权利要求1所述的一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，其特征在于：在所述收发单元(1)中，通过天线(21)接收雷达信号，并依次经过环行器(22)、合路器(26)、耦合器A(27)产生所述接收信号(12)；所述发射信号(14)依次经过耦合器B(23)、环行器(22)、天线(21)发射给雷达；耦合器B(23)、移相器(24)、电调衰减器(25)、合路器(26)、耦合器A(27)、检波器(28)、对消控制器(29)依次连接，且对消控制器(29)根据所述的对消控制信号(9)控制移相器(24)和电调衰减器(25)。

3、根据权利要求1所述的一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，其特征在于：在所述距离模拟单元(2)中，所述中频信号(10)依次经过分布反馈(DFB)激光器(41)、光纤延迟阵列(42)、光电转换器(43)、高频预放器(44)和带通滤波器(45)后得到所述的延迟后的中频信号(11)，距离控制器(46)根据所述的距离控制信号(6)控制光纤延迟阵列(42)中的光开关。

4、根据权利要求1所述的一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，其特征在于：在所述多普勒模拟单元(3)中，频综控制器(300)根据控制单元(5)发出的多普勒频率控制信号(7)输出频段选择信号(15)控制频综源(35)工作在雷达载波工作频段；同时，该频综控制器(300)输出通带选择信号(16)控制带通滤波组(39)的通带中心频率为雷达载波频率；该频综控制器(300)控制第一直接数字合成器DDS(341)、第二直接数字合成器DDS(342)的输出频率，输出频率经过混频器(33，36)、单边带滤波器(32，37)得到存在一定频率差的下变频本振信号(17)和上变频本振信号(18)。

5、根据权利要求3所述的一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，其特征在于：所述的光开关采用半导体光放大器SOA。

6、根据权利要求3所述的一种毫米波捷变频雷达目标模拟器，其特征在于：所述的光线延迟阵列中较大的延时部分采用了折叠式光纤延时方案。

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