CN103616672B - 宽带雷达空间目标特征信号模拟器 - Google Patents

宽带雷达空间目标特征信号模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带雷达空间目标特征信号模拟器，用于解决现有的雷达信号模拟器目标模拟范围窄的技术问题。技术方案是目标特征计算及控制模块根据雷达信号的中心频率控制频率综合器，雷达射频信号通过下变频器变为高速AD工作的中频频率；高速AD将采集到的雷达中频信号变为数据流，在目标特征调制模块内实现高分辨率一维距离像、高分辨率二维图像的调制和模拟。由于使用了目标特征计算及控制模块和目标特征调制模块，宽带雷达信号的适应范围由背景技术的8～12GHz扩大为2～18GHz；并且适应线性调频信号、非线性调频信号、步进调频以及频率编码信号；还能够产生模拟空间目标卫星的目标散射特征和运动特征的雷达回波。

Description

宽带雷达空间目标特征信号模拟器
技术领域
本发明涉及一种雷达信号模拟器，特别是涉及一种宽带雷达空间目标特征信号模拟器。
背景技术
宽带作为雷达领域的新体制雷达，具有非常高的分辨率，一般在10cm～1m左右，因此可以对小尺寸飞行目标进行成像识别，目前已广泛用于军事领域，特别是在威胁目标识别、威胁等级判断、火力拦截评估、空间碎片探测等方面得到了深入应用，特别是用于弹道导弹中段和再入段的战略防御系统的成像识别，配合导弹拦截系统进行导弹拦截。为了模拟空间目标在宽带雷达上的回波特性，用于目标识别的检验和雷达操作手的检验，需要使用宽带雷达空间目标特征信号模拟器。
文献1“刘朝军，基于DDS的宽带雷达回波信号模拟技术研究[J]，系统工程与电子技术，2005，27(9)，1497-1499，1538”公开了一种基于DDS的宽带雷达回波信号模拟器。该模拟器利用AD9857芯片实现10MHz带宽的中频信号模拟，注入某ISAR原型雷达中频通道中实现一维距离像的目标回波模拟。
文献2“刘夷，一种宽带雷达回波信号模拟器设计[J]，雷达科学与技术，2010,08(2):125-128”公开了一种宽带雷达回波信号模拟器。该模拟器采用FPGA+DDS体制实现了200MHz宽带回波生成，但仅限于以点目标回波为例进行说明，并没有涉及空间目标的特征生成和模拟。
文献3“授权公告号是CN102590794B的中国发明专利”公开了一种宽带相参雷达目标模拟器。该模拟器利用DRFM和去斜体制实现了高分辨率一维目标距离像的模拟，主要用于某舰载X波段调频步进频雷达的目标模拟。但仅模拟了一维高分辨率距离像特性，没有涉及实现针对ISAR雷达的高分辨率二维目标图像特性的模拟，也没有涉及空间目标运动特性回波的模拟。
上述文献公开的模拟器在体制上采用去斜体制，用较低的中频带宽(50MHz)经数字变频调制为1300MHz不等的宽带信号，采用该体制处理会带来成像误差并且受限于雷达的处理体制和信号特性：采用该技术只能适用于雷达使用线性调频信号并采用去斜体制处理方法，若雷达采取非去斜体制的信号处理方法时，会造成成像效果的下降；若雷达采用步进调频信号或非线性调频信号，该模拟器将无法使用；同时，以上发明仅针对8GHz～12GHz内特定频率的雷达，不能实现2GHz～18GHz的全频段覆盖。
发明内容
为了克服现有的雷达信号模拟器目标模拟范围窄的不足，本发明提供一种宽带雷达空间目标特征信号模拟器。该模拟器包括宽带电光转换器、光纤、宽带光电转换器、宽带低噪声放大前端、下变频器、频率综合器、高速AD、目标特征计算及控制模块、目标特征调制模块、高速DA、上变频器和发射器。经雷达发射机激励信号来的2～18GHz射频信号经宽带电光转换器转换为光信号，通过光纤传输到远端后，再通过宽带光电转换器还原为雷达射频信号，并通过宽带低噪声放大前端放大；由目标特征计算及控制模块根据雷达信号的中心频率控制频率综合器，为下变频器提供对应的本振信号，雷达射频信号通过下变频器变为高速AD工作的中频频率；高速AD将采集到的雷达中频信号变为数据流，在目标特征调制模块内实现高分辨率一维距离像、高分辨率二维图像的调制和模拟；高速DA将调制后的数据流变换为模拟回波中频信号，并经过上变频器变为雷达所在的射频频率，通过发射器以空间辐射的形式传播到雷达天线口面。由于使用了目标特征计算及控制模块和目标特征调制模块，适应了2～18GHz范围内的宽带雷达信号；适应了线性调频信号、非线性调频信号、步进调频以及频率编码信号；能够产生模拟空间目标卫星的目标散射特征和运动特征的雷达回波。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽带雷达空间目标特征信号模拟器，其特点是包括宽带电光转换器、光纤、宽带光电转换器、宽带低噪声放大前端、下变频器、频率综合器、高速AD、目标特征计算及控制模块、目标特征调制模块、高速DA、上变频器和发射器。经雷达发射机激励信号来的2～18GHz射频信号经宽带电光转换器转换为光信号，通过光纤传输到远端后，再通过宽带光电转换器还原为雷达射频信号，并通过宽带低噪声放大前端放大；由目标特征计算及控制模块根据雷达信号的中心频率控制频率综合器，为下变频器提供对应的本振信号，雷达射频信号通过下变频器变为高速AD工作的中频频率；高速AD将采集到的雷达中频信号变为数据流，在目标特征调制模块内实现高分辨率一维距离像、高分辨率二维图像的调制和模拟；高速DA将调制后的数据流变换为模拟回波中频信号，并经过上变频器变为雷达所在的射频频率，通过发射器以空间辐射的形式传播到雷达天线口面。
所述目标特征计算及控制模块包括时序控制FPGA、参数计算PowerPC、散射特征系数存储器FLASH、中间变量暂存RAM和参数收发接口电路。参数收发接口电路接收由外部经串口发来的命令码，解析为参数计算PowerPC所需的参数；散射特征系数存储器FLASH存储有事先计算好的2～18GHz频段内空间目标散射特征系数库。参数计算PowerPC根据外部下发的频率值和目标类型检索该矩阵，将特定频率下的幅度值和相位值取出，用于调制模拟回波的幅度和相位，模拟空间目标的一维距离像和二维图像特征。参数计算PowerPC将上述计算得到的目标与雷达站斜距、目标相对于雷达站的径向速度通过数据总线传递给时序控制FPGA，时序控制FPGA根据该参数产生控制计算中间变量存储RAM读写、高速DA输出使能的时序信号，控制输出的模拟回波信号的输出关系。
所述目标特征调制模块包括参数调制FPGA、双端口RAM和同步时钟。参数调制FPGA和双端口RAM之间用写数据线、读写地址线和读写使能信号线连接；参数调制FPGA和双端口RAM用相同的时钟信号线与同步时钟连接，该同步时钟同时控制高速AD与高速DA；参数调制FPGA通过数据总线与目标特征计算和控制模块的参数计算PowerPC相连，接收由参数计算PowerPC传递来的目标特征散射系数，包括幅度参数和相位参数。经由双端口RAM来的高速AD采样后的雷达原始数据流经FPGA中的数字正交解调为数字I、Q信号，由参数计算和控制模块传递来的目标散射特性的幅度和相位参数在FPGA中各距离单元进行相位加法和幅度累加，最后通过数字正交调制将数字I、Q信号转换为实信号经双端口RAM送给高速DA转换为中频模拟回波。
本发明的有益效果是：该模拟器包括宽带电光转换器、光纤、宽带光电转换器、宽带低噪声放大前端、下变频器、频率综合器、高速AD、目标特征计算及控制模块、目标特征调制模块、高速DA、上变频器和发射器。经雷达发射机激励信号来的2～18GHz射频信号经宽带电光转换器转换为光信号，通过光纤传输到远端后，再通过宽带光电转换器还原为雷达射频信号，并通过宽带低噪声放大前端放大；由目标特征计算及控制模块根据雷达信号的中心频率控制频率综合器，为下变频器提供对应的本振信号，雷达射频信号通过下变频器变为高速AD工作的中频频率；高速AD将采集到的雷达中频信号变为数据流，在目标特征调制模块内实现高分辨率一维距离像、高分辨率二维图像的调制和模拟；高速DA将调制后的数据流变换为模拟回波中频信号，并经过上变频器变为雷达所在的射频频率，通过发射器以空间辐射的形式传播到雷达天线口面。由于使用了目标特征计算及控制模块和目标特征调制模块，宽带雷达信号的适应范围由背景技术的8～12GHz扩大为2～18GHz；并且适应线性调频信号、非线性调频信号、步进调频以及频率编码信号；还能够产生模拟空间目标卫星的目标散射特征和运动特征的雷达回波。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明宽带雷达空间目标特征信号模拟器的框图。
图2是图1中目标特征计算及控制模块的框图。
图3是典型空间目标散射特征数库组成图。
图4是SGP4/SDP4算法空间目标的运动参数计算输入输出参数框图。
图5是图1中目标特征调制模块的框图。
图6是图5中目标特征调制方法框图。
具体实施方式
参照图1-6。本发明宽带雷达空间目标特征信号模拟器包括宽带电光转换器、光纤、宽带光电转换器、宽带低噪声放大前端、下变频器、频率综合器、高速AD、目标特征计算及控制模块、目标特征调制模块、高速DA、上变频器和发射器，其中目标特征计算模块及控制模块和目标特征调制模块是本模拟器的核心组件。
所述的宽带电光转换器，功能是实现将2～18GHz频率范围内的雷达射频信号转换为1550nm波长的激光调制信号。射频信号由雷达发射机激励信号提供。
所述的光纤，功能是实现1550nm波长激光调制信号的远距离传输。
所述的宽带光电转换器，功能是实现将1550nm波长的激光调制信号转换为对应的射频信号。与上述射频电光转换器配套使用可以将雷达发射机激励信号以非空间辐射的方式传输至较远地点。
所述的宽带低噪声放大前端，功能是低噪声放大由光电转换器输出的雷达射频信号，补偿由于电-光、光-电转换过程中的功率损失，为后续信号变频、采样和处理提供高信噪比的射频信号。其输入部分通过低损耗射频电缆与前述光电转换器相连，输出部分通过低损耗射频电缆与后述下变频器相连。
所述的下变频器，功能是实现将2～18GHz的雷达射频信号变换为高速AD可采样的中频信号范围内。其输入部分分为两部分，一部分为射频输入端，通过低损耗射频电缆与前述低噪声放大前端相连，另一部分为本振输入端，通过低损耗射频电缆与频率综合器相连；下变频器的输出端为雷达中频信号，与高速AD通过低损耗射频电缆相连。
所述的频率综合器，功能是为模拟器提供全部所需的频率信号，包括高速AD采样时钟信号，高速DA采样时钟信号，上变频器变频本振信号、下变频器变频本振信号。
所述的高速AD，功能是将前述下变频器变频得到的雷达中频信号采样，经模数变换为数据流通过数据线送入目标特征调制模块中。其输入端与下变频器相连，其输出端与目标特征调制模块相连。
所述的目标特征调制模块，功能是利用由目标特征计算模块得到的空间目标散射特征参数和运动特征参数对前述高速AD采样得到的雷达中频信号数据流进行幅度调制、时延调制和相位调制，从而模拟具有散射特征和运动特征的空间目标回波特性，包括幅度特征、距离特征、速度特征、一维距离像特征、二维图像特征，由FPGA及其外围电路实现。所述的空间目标包括但不限于卫星、导弹。目标特征调制模块与高速AD之间通过数据总线传递雷达中频信号数据流；与高速DA之间通过数据总线传递目标模拟中频信号数据流；与目标特征计算和控制模块之间通过数据总线传递调制参数、控制参数。
所述的目标特征计算及控制模块，功能是为目标特征调制模块提供调制参数和控制参数，目标调制计算和控制模块中装载有典型卫星和导弹弹头外形特征的目标散射特征库，包括但不限于有/无太阳能帆板立方体型卫星、有/无太阳能帆板柱型卫星；目标调制计算和控制模块中嵌入有典型卫星的轨道计算程序和典型弹道导弹轨道计算程序，能够实时计算所设定卫星及导弹与雷达站之间的斜距、速度信息，用于提供目标特征调制模块所需的参数；目标特征计算和控制模块控制模拟器各组件协调工作。
所述的高速DA，功能是将经调制计算后的数字信号数据流变换为中频模拟信号，其输入端通过数据总线与目标特征调制模块相连，其输出通过低损耗射频电缆与上变频器相连。
所述的上变频器，功能是将由高速DA送来的中频模拟信号变频为与上述接收端所接收的雷达工作频率上。其输入端有两部分，一部分通过低损耗射频电缆与高速DA输出端相连，另一部分通过低损耗射频电缆与频率综合器输出的本振信号相连；上变频器的输出端为雷达射频模拟信号，通过低损耗射频电缆与发射端相连。
所述的发射端包括功率放大组件和天线组件，功能是将上变频器送来的雷达射频模拟信号功率放大至设定功率，并通过天线组件辐射，经空间传播的形式传播到被测试宽带雷达天线口面。
经雷达发射机激励信号来的2～18GHz射频信号经宽带电光转换器转换为光信号，通过光纤传输到远端后，再通过宽带光电转换器还原为雷达射频信号，并通过宽带低噪声放大前端放大为合适的功率范围；由目标特征计算及控制模块根据雷达信号的中心频率控制频率综合器，为下变频器提供对应的本振信号，雷达射频信号通过下变频器变为高速AD工作的中频频率范围内；高速AD采集雷达中频信号变为数据流，在目标特征调制模块内实现高分辨率一维距离像、高分辨率二维图像的调制和模拟；高速DA将调制后的数据流变换为模拟回波中频信号，并经过上变频器变为雷达所在的射频频率，通过发射器以空间辐射的形式传播到雷达天线口面；目标特征计算和控制模块主要是用于计算空间目标的宽带回波散射特征、模拟和计算空间目标的运动规律，控制全局各模块的时序关系和参数下发。
目标特征计算及控制模块包括时序控制FPGA、参数计算PowerPC、散射特征系数存储器FLASH、中间变量暂存RAM和参数收发接口电路。参数收发接口电路接收由外部经串口发来的命令码，解析为参数计算PowerPC所需的参数；散射特征系数存储器FLASH存储有事先计算好的2～18GHz频段内空间目标散射特征系数库。
空间目标的散射特征系数库包括但不限于有/无太阳能帆板立方体型卫星、有/无太阳能帆板柱型卫星的特征散射系数，每类目标的系数为一个三维矩阵，第一维为频率信息FREQ，第二维为距离单元信息RG_BIN，第三维为方位单元信息AZ_BIN，矩阵内所存数据为散射特征幅度和相位。参数计算PowerPC根据外部下发的频率值和目标类型检索该矩阵，将特定频率下的幅度值和相位值取出，用于调制模拟回波的幅度和相位，模拟空间目标的一维距离像和二维图像特征。格式为：
FREQ=2.1E9Hz
参数计算PowerPC对目标运动参数的实时解算空间目标的运动参数，计算输出的运动参数更新时间最小步进为1秒空间运动目标参数计算算法为SGP4/SDP4算法。
SGP4/SDP4算法计算空间运动目标参数的输入参数有：
1)模拟的空间目标的两行格式TLE星历历元；
2)模拟的空间目标入站起始时刻和终止时刻；
3)雷达站当地经度、纬度、高度。
输出参数有：
1)模拟空间目标到雷达站的斜距；
2)模拟空间目标相对于雷达站的速度矢量；
3)模拟空间目标相对于雷达站的方位角、俯仰角。
其中以欧洲空间局ENVSAT为例，其两行格式TLE星历格式为：
ENVISAT
1 27386U 02009A   08301.53905720-.00000015  00000-0  10730-4 0  6999
2 27386 098.5465 006.2537 0000844 087.1197 273.0099 14.32250002348191
测站坐标：东经104.6度  北纬30.65度：海拔100米
计算时刻：2013-10-20 16:23:25UTC～2013-10-20 16:35:25
解算出的运动参数为：
空间目标距离：7869.69257千米空间目标径向速度：4.9249千米/秒
空间目标方位角：229.049度空间目标高度角：30.7811度
参数计算PowerPC将上述计算得到的目标与雷达站斜距、目标相对于雷达站的径向速度通过数据总线传递给时序控制FPGA，时序控制FPGA根据该参数产生控制计算中间变量存储RAM读写、高速DA输出使能的时序信号，控制输出的模拟回波信号的输出关系。
目标特征调制模块包括参数调制FPGA、双端口RAM和同步时钟。参数调制FPGA和双端口RAM之间用写数据线、读写地址线和读写使能信号线连接；参数调制FPGA和双端口RAM用相同的时钟信号线与同步时钟连接，该同步时钟同时也控制高速AD与高速DA；参数调制FPGA通过数据总线与目标特征计算和控制模块的参数计算PowerPC相连，接收由参数计算PowerPC传递来的目标特征散射系数，包括幅度参数和相位参数。
目标特征调制算法为目标散射幅度、相位系数的累加算法。经由双端口RAM来的高速AD采样后的雷达原始数据流经FPGA中的数字正交解调为数字I、Q信号，由参数计算和控制模块传递来的目标散射特性的幅度和相位参数在FPGA中各距离单元进行相位加法和幅度累加，最后通过数字正交调制将数字I、Q信号转换为实信号经双端口RAM送给高速DA转换为中频模拟回波。

Claims (3)

1.一种宽带雷达空间目标特征信号模拟器，其特征在于包括宽带电光转换器、光纤、宽带光电转换器、宽带低噪声放大前端、下变频器、频率综合器、高速AD、目标特征计算及控制模块、目标特征调制模块、高速DA、上变频器和发射器；经雷达发射机激励信号来的2～18GHz射频信号经宽带电光转换器转换为光信号，通过光纤传输到远端后，再通过宽带光电转换器还原为雷达射频信号，并通过宽带低噪声放大前端放大；由目标特征计算及控制模块根据雷达信号的中心频率控制频率综合器，为下变频器提供对应的本振信号，雷达射频信号通过下变频器变为高速AD工作的中频频率；高速AD将采集到的雷达中频信号变为数据流，在目标特征调制模块内实现高分辨率一维距离像、高分辨率二维图像的调制和模拟；高速DA将调制后的数据流变换为模拟回波中频信号，并经过上变频器变为雷达所在的射频频率，通过发射器以空间辐射的形式传播到雷达天线口面。
2.根据权利要求1所述的宽带雷达空间目标特征信号模拟器，其特征在于：所述目标特征计算及控制模块包括时序控制FPGA、参数计算PowerPC、散射特征系数存储器FLASH、中间变量暂存RAM和参数收发接口电路；参数收发接口电路接收由外部经串口发来的命令码，解析为参数计算PowerPC所需的参数；散射特征系数存储器FLASH存储有事先计算好的2～18GHz频段内空间目标散射特征系数库；参数计算PowerPC根据外部下发的频率值和目标类型，将特定频率下的幅度值和相位值取出，用于调制模拟回波的幅度和相位，模拟空间目标的一维距离像和二维图像特征；参数计算PowerPC将计算得到的目标与雷达站斜距、目标相对于雷达站的径向速度通过数据总线传递给时序控制FPGA，时序控制FPGA根据该参数产生控制计算中间变量存储RAM读写、高速DA输出使能的时序信号，控制输出的模拟回波信号的输出关系。
3.根据权利要求1所述的宽带雷达空间目标特征信号模拟器，其特征在于：所述目标特征调制模块包括参数调制FPGA、双端口RAM和同步时钟；参数调制FPGA和双端口RAM之间用写数据线、读写地址线和读写使能信号线连接；参数调制FPGA和双端口RAM用相同的时钟信号线与同步时钟连接，该同步时钟同时控制高速AD与高速DA；参数调制FPGA通过数据总线与目标特征计算和控制模块的参数计算PowerPC相连，接收由参数计算PowerPC传递来的目标特征散射系数，包括幅度参数和相位参数；经由双端口RAM来的高速AD采样后的雷达原始数据流经FPGA中的数字正交解调为数字I、Q信号，由参数计算和控制模块传递来的目标散射特性的幅度和相位参数在FPGA中各距离单元进行相位加法和幅度累加，最后通过数字正交调制将数字I、Q信号转换为实信号经双端口RAM送给高速DA转换为中频模拟回波。
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