CN103698752B - 一种雷达高度表模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁特性信号模拟器技术领域，具体涉及一种雷达高度表模拟器。主要由主控机模块、中频回波生成模块和微波模块组成，仿真与复现实际系统中动态的脉冲雷达高度表的回波信号；其中，主控机模块为CPCI单板计算机，控制中频回波生成模块、微波模块工作状态，提供模块检测信息，管理回波文件，接收外部系统发送给雷达高度表信号模拟器的回波文件、仿真命令及雷达航迹数据；中频回波生成模块由DSP并行仿真网与D/A转换板组成，实现回波数据产生及回波波形的生成，根据主控命令对微波模块的工作频率和AGC进行设置；微波模块包括测频组件、频率综合器、正交调制器、上变频组件、功率放大器、功率控制器和检波器。

Description

一种雷达高度表模拟装置
技术领域
本发明属于电磁特性模拟装置技术领域，具体涉及一种雷达高度表模拟装置。
背景技术
脉冲雷达高度表是雷达探测中地形匹配的重要仪器，其测高精度对雷达探测精度具有重要的意义。目前对雷达高度表的地面试验，仅能进行静态指标测试，不能含盖高度表的测高高度及测高精度等动态性能指标测试。在雷达高度表研制期间，需要对每一批次高度表进行机载检飞试验以检验其动态测高性能，试验成本巨大。
研制一种模拟设备用于雷达高度表的性能测试(主要为动态性能测试)，即可在高度表研制过程中随时对产品性能进行测试，又避免了通过飞行试验测试所带来的巨大成本；因此研制雷达高度表模拟装置可极大缩减雷达高度表研制的时间成本及经济成本，具有极高的必要性。当前亟需一种可以作为独立的工程化产品应用于雷达高度表性能测试中的雷达高度表模拟装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种雷达高度表模拟装置，其能够进行动态性能测试。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种雷达高度表模拟装置，主要由主控机模块、中频回波生成模块和微波模块组成，仿真与复现实际系统中动态的脉冲雷达高度表的回波信号；
其中，主控机模块为CPCI单板计算机，控制中频回波生成模块、微波模块工作状态，提供模块检测信息，管理回波文件，接收外部系统发送给雷达高度表模拟装置的回波文件、仿真命令及雷达航迹数据；
主控机模块通过建立相关的回波文件索引表对回波文件进行管理，模拟回波回放阶段，分为雷达实采回波回放和地面仿真回波回放：
实采回波回放时，根据回波文件索引表选择要回放的回波文件、回波起始和结束帧号，起始和结束波形号，并添加回波延迟信息及回波功率控制信息，然后生成命令文件，由主控机模块发送给中频回波生成模块；
仿真回波回放时，主控机模块转发外部系统发送的仿真参数命令及航迹数据至中频回波生成模块，中频回波生成模块运行回波仿真算法，根据航迹信息实时计算雷达高度表的三维坐标，并仿真出当前轨迹点的中频回波数据；
中频回波生成模块由DSP并行仿真网与D/A转换板组成，实现回波数据产生及回波波形的生成，根据主控命令对微波模块的工作频率和AGC进行设置；
DSP并行处理网由两块DSP信号处理板集合而成，按雷达同步信号进行每帧回波数据的计算；具体分为主DSP信号处理板和从信号DSP处理板，主DSP信号处理板在完成并行计算任务的同时，完成两块DSP信号处理板计算结果的汇总、板间数据调度以及与D/A转换板的数据通讯任务；从DSP信号处理板完成并行计算任务；
D/A转换板按雷达同步时序对回波数据进行数模转换，产生模拟波形，同时利用多重锁相及高速时钟双沿计数相结合的FPGA设计精确控制输出波形的时延抖动；
微波模块包括测频组件、频率综合器、正交调制器、上变频组件、功率放大器、功率控制器和检波器；
微波模块完成以下三个功能：(1)通过对雷达高度表的发射脉冲测频，完成对雷达表的载波频率跟随，产生与被测雷达高度表的相同频率的载波信号；(2)接收中频生成模块发送的中频回波并进行上变频调制，得到已调波；(3)进行AGC控制调整已调波功率，向雷达高度表输出动态范围为-85dbm～+5dbm的调制波。
进一步的，如上所述的一种雷达高度表模拟装置，其中：回波波形回放过程中，主控机模块对回波数据文件抽帧并进行图形显示。
进一步的，如上所述的一种雷达高度表模拟装置，其中：DSP并行处理网中，两块DSP信号处理板技术规格一致，均采用CPCI总线形式、ADSP-TS201DSP芯片为处理核心，并由SDRAM、FPGA和PMC接口等组件构成。
进一步的，如上所述的一种雷达高度表模拟装置，其中：DSP信号处理板利用CPCI自定义总线实现两块处理板间的Link口通信，进行板间数据交换。
进一步的，如上所述的一种雷达高度表模拟装置，其中：D/A转换板采用PMC接口，DA转换速率不小于200MHz，数模转换波形失真度小于5％，
进一步的，如上所述的一种雷达高度表模拟装置，其中：向雷达高度表输出的调制波的动态范围为-85dbm～+5dbm。
进一步的，如上所述的一种雷达高度表模拟装置，其中：主控程序采用C++语言编写，雷达实采回波文件管理采用FTP网络协议进行接收，数据库服务器采用SQL Server2000，三维地形绘制采用OpenGL技术。
一种应用于如上所述的雷达高度表模拟装置上的回波仿真算法，由雷达高度表模拟装置上的中频波形生成模块上的DSP并行处理网实现算法运行；
根据雷达的运动轨迹和雷达照射区的三维地形图计算生成被雷达照射区域的模拟回波，雷达照射区的三维地形图以DEM数据的形式表示，作为波形生成模块的输出信号；同时提供回波延迟、回波功率控制等参数；
主要包括以下步骤：
(1)利用GPS导航系统的雷达经纬度航迹信息，确定当前时刻的雷达位置；
(2)利用雷达照射地面的几何位置关系，根据雷达位置和雷达波束方向，确定雷达波束照射的地面区域；将DEM数据划分为网格散射单元，每个网格存储单元表示一定面积的地面点，对应存储信息为该地面点的高斯坐标和高程信息，由此得到雷达波束照射范围内的地形起伏数据；
(3)对于DEM数据中的每一个网格散射单元，根据各面散射单元的雷达波入射角度计算网格散射单元的遮挡效应；计算出的入射角小于90度时判定为无遮挡，否则为被遮挡；
(4)对于步骤(3)中确定的无遮挡的网格散射单元，由入射角度、散射系数和天线增益，根据雷达方程计算回波数据功率，根据延迟时间确定相位，获得网格散射单元对应的回波信号；
(5)对获得的所有网格散射单元的回波信号进行累加，在时域完成信号合成。
仿真逼真度与测高精度是衡量雷达高度表模拟装置的重要性能指标，也是模拟装置设计的技术难点。仿真逼真度反应的是地面回波仿真算法产生的仿真波形与实际地面回波的相似度。测高精度反应了高度表模拟装置在高度控制中的最小步进单位，步进单位越小高度控制就越精确。本发明技术方案产生的仿真波形与实采波形比对，比对结果表明两种波形的相关系数大于0.95。通过在视频回波模块FPGA设计中采用锁相及高速时钟双沿计数等措施精确控制DA回波输出波形的时延抖动，可大幅提高测高精度。图2是对测高精度的验证，在高度表有效高度范围内(2400米范围内)平均测高误差为3米。
附图说明
图1是雷达高度表模拟装置系统组成原理框图；
图2是不同高度设置下的测高误差。
具体实施方式
本发明技术方案由硬件电路和软件构成。硬件电路包括主控机、视频回波生成模块、微波模块。硬件电路实现输入信号和输出信号的接收和发送、信号处理及控制的实时实现、中频信号的产生及视频信号的上变频调制。软件部分实现地面回波仿真波形的产生及系统的流程控制。通过对宽波束雷达高度表的动态散射特性进行研究与仿真，又通过对高度表历次飞行试验积累的大量不同典型地形地貌条件下动态雷达实采回波的数据分析；在这些工作基础上，建立雷达高度表模拟装置来产生雷达高度表测高所需的动态信号。
具体的实施例如下：
一种雷达高度表模拟装置，主要由主控机模块、中频回波生成模块和微波模块组成，仿真与复现实际系统中动态的脉冲雷达高度表的回波信号；
其中，主控机模块为CPCI单板计算机，控制中频回波生成模块、微波模块工作状态，提供模块检测信息，管理回波文件，接收外部系统发送给雷达高度表模拟装置的回波文件、仿真命令及雷达航迹数据；
主控机模块通过建立相关的回波文件索引表对回波文件进行管理，模拟回波回放阶段，分为雷达实采回波回放和地面仿真回波回放：
实采回波回放时，根据回波文件索引表选择要回放的回波文件、回波起始和结束帧号，起始和结束波形号，并添加回波延迟信息及回波功率控制信息，然后生成命令文件，由主控机模块发送给中频回波生成模块；
仿真回波回放时，主控机模块转发外部系统发送的仿真参数命令及航迹数据至中频回波生成模块，中频回波生成模块运行回波仿真算法，根据航迹信息实时计算雷达高度表的三维坐标，并仿真出当前轨迹点的中频回波数据；
中频回波生成模块由DSP并行仿真网与D/A转换板组成，实现回波数据产生及回波波形的生成，根据主控命令对微波模块的工作频率和AGC进行设置；
DSP并行处理网由两块DSP信号处理板集合而成，按雷达同步信号进行每帧回波数据的计算；具体分为主DSP信号处理板和从信号DSP处理板，主DSP信号处理板在完成并行计算任务的同时，完成两块DSP信号处理板计算结果的汇总、板间数据调度以及与D/A转换板的数据通讯任务；从DSP信号处理板完成并行计算任务；
D/A转换板按雷达同步时序对回波数据进行数模转换，产生模拟波形，同时利用多重锁相及高速时钟双沿计数相结合的FPGA设计精确控制输出波形的时延抖动；
此实施例中，DSP并行处理网中，两块DSP信号处理板技术规格一致，均采用CPCI总线形式、ADSP-TS201DSP芯片为处理核心，并由SDRAM、FPGA和PMC接口等组件构成。DSP信号处理板利用CPCI自定义总线实现两块处理板间的Link口通信，进行板间数据交换。D/A转换板采用PMC接口，DA转换速率不小于200MHz，数模转换波形失真度小于5％，
微波模块包括测频组件、频率综合器、正交调制器、上变频组件、功率放大器、功率控制器和检波器；
微波模块完成以下三个功能：(1)通过对雷达高度表的发射脉冲测频，完成对雷达表的载波频率跟随，产生与被测雷达高度表的相同频率的载波信号；(2)接收中频生成模块发送的中频回波并进行上变频调制，得到已调波；(3)进行AGC控制调整已调波功率，向雷达高度表输出动态范围为-85dbm～+5dbm的调制波。
进一步的，如上所述的一种雷达高度表模拟装置，其中：回波波形回放过程中，主控机模块对回波数据文件抽帧并进行图形显示。主控程序采用C++语言编写，雷达实采回波文件管理采用FTP网络协议进行接收，数据库服务器采用SQL Server2000，三维地形绘制采用OpenGL技术。
一种应用于如上所述的雷达高度表模拟装置上的回波仿真算法，由雷达高度表模拟装置上的中频波形生成模块上的DSP并行处理网实现算法运行；
根据雷达的运动轨迹和雷达照射区的三维地形图计算生成被雷达照射区域的模拟回波，雷达照射区的三维地形图以DEM数据的形式表示，作为波形生成模块的输出信号；同时提供回波延迟、回波功率控制等参数；
主要包括以下步骤：
(1)利用GPS导航系统的雷达经纬度航迹信息，确定当前时刻的雷达位置；
(2)利用雷达照射地面的几何位置关系，根据雷达位置和雷达波束方向，确定雷达波束照射的地面区域；将DEM数据划分为网格散射单元，每个网格存储单元表示一定面积的地面点，对应存储信息为该地面点的高斯坐标和高程信息，由此得到雷达波束照射范围内的地形起伏数据；
(3)对于DEM数据中的每一个网格散射单元，根据各面散射单元的雷达波入射角度计算网格散射单元的遮挡效应；计算出的入射角小于90度时判定为无遮挡，否则为被遮挡；
(4)对于步骤(3)中确定的无遮挡的网格散射单元，由入射角度、散射系数和天线增益，根据雷达方程计算回波数据功率，根据延迟时间确定相位，获得网格散射单元对应的回波信号；
(5)对获得的所有网格散射单元的回波信号进行累加，在时域完成信号合成。
本发明技术方案中：CPCI是CompactPCI，即紧凑型PCI；DEM是DigitalElevation Model，即数字高程模型；AGC为自动增益控制；FPGA是Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列；DSP是DigitalSignalProcessing，即数字信号处理。
本发明技术方案中的模拟装置既可播放实采回波又可生成仿真回波，产生的回波通过载波调制及AGC控制，动态输出至雷达高度表接收机。由于是实采回波已包含了地面的散射特性及天线的特性影响，故能反映雷达发射脉冲到返回接收机的整个动态过程，为雷达高度表提供能模拟不同地形地貌条件下，不同高度时的雷达信号。本发明技术方案产生的仿真波形与实采波形的相关系数大于0.95，在高度表有效高度范围内平均测高误差小于3米。

Claims (7)

1.一种雷达高度表模拟装置，其特征在于：主要由主控机模块、中频回波生成模块和微波模块组成，仿真与复现实际系统中动态的脉冲雷达高度表的回波信号；
其中，主控机模块为CPCI单板计算机，控制中频回波生成模块、微波模块工作状态，提供模块检测信息，管理回波文件，接收外部系统发送给雷达高度表模拟装置的回波文件、仿真命令及雷达航迹数据；
主控机模块通过建立相关的回波文件索引表对回波文件进行管理，模拟回波回放阶段，分为雷达实采回波回放和地面仿真回波回放：
实采回波回放时，根据回波文件索引表选择要回放的回波文件、回波起始和结束帧号，起始和结束波形号，并添加回波延迟信息及回波功率控制信息，然后生成命令文件，由主控机模块发送给中频回波生成模块；
仿真回波回放时，主控机模块转发外部系统发送的仿真参数命令及航迹数据至中频回波生成模块，中频回波生成模块运行回波仿真算法，根据航迹信息实时计算雷达高度表的三维坐标，并仿真出当前轨迹点的中频回波数据；
中频回波生成模块由DSP并行仿真网与D/A转换板组成，实现回波数据产生及回波波形的生成，根据主控命令对微波模块的工作频率和AGC进行设置；
DSP并行处理网由两块DSP信号处理板集合而成，按雷达同步信号进行每帧回波数据的计算；具体分为主DSP信号处理板和从信号DSP处理板，主DSP信号处理板在完成并行计算任务的同时，完成两块DSP信号处理板计算结果的汇总、板间数据调度以及与D/A转换板的数据通讯任务；从DSP信号处理板完成并行计算任务；
D/A转换板按雷达同步时序对回波数据进行数模转换，产生模拟波形，同时利用多重锁相及高速时钟双沿计数相结合的FPGA设计精确控制输出波形的时延抖动；
微波模块包括测频组件、频率综合器、正交调制器、上变频组件、功率放大器、功率控制器和检波器；
微波模块完成以下三个功能：(1)通过对雷达高度表的发射脉冲测频，完成对雷达表的载波频率跟随,产生与被测雷达高度表的相同频率的载波信号；(2)接收中频生成模块发送的中频回波并进行上变频调制，得到已调波；(3)进行AGC控制调整已调波功率，向雷达高度表输出调制波。
2.如权利要求1所述的一种雷达高度表模拟装置，其特征在于：回波波形回放过程中，主控机模块对回波数据文件抽帧并进行图形显示。
3.如权利要求1所述的一种雷达高度表模拟装置，其特征在于：DSP并行处理网中，两块DSP信号处理板技术规格一致，均采用CPCI总线形式、ADSP-TS201DSP芯片为处理核心，并由SDRAM、FPGA和PMC接口构成。
4.如权利要求1所述的一种雷达高度表模拟装置，其特征在于：DSP信号处理板利用CPCI自定义总线实现两块处理板间的Link口通信，进行板间数据交换。
5.如权利要求1所述的一种雷达高度表模拟装置，其特征在于：D/A转换板采用PMC接口，DA转换速率不小于200MHz，数模转换波形失真度小于5％。
6.如权利要求1所述的一种雷达高度表模拟装置，其特征在于：向雷达高度表输出的调制波的动态范围为－85dbm～+5dbm。
7.一种应用于如权利要求1所述的雷达高度表模拟装置上的回波仿真算法，其特征在于：由权利要求1所述的雷达高度表模拟装置上的中频波形生成模块上的DSP并行处理网实现算法运行；
根据雷达的运动轨迹和雷达照射区的三维地形图计算生成被雷达照射区域的模拟回波，雷达照射区的三维地形图以DEM数据的形式表示，作为波形生成模块的输出信号；同时提供回波延迟、回波功率控制；
主要包括以下步骤：
(1)利用GPS导航系统的雷达经纬度航迹信息，确定当前时刻的雷达位置；
(2)利用雷达照射地面的几何位置关系，根据雷达位置和雷达波束方向，确定雷达波束照射的地面区域；将DEM数据划分为网格散射单元，每个网格存储单元表示一定面积的地面点，对应存储信息为该地面点的高斯坐标和高程信息，由此得到雷达波束照射范围内的地形起伏数据；
(3)对于DEM数据中的每一个网格散射单元，根据各面散射单元的雷达波入射角度计算网格散射单元的遮挡效应；计算出的入射角小于90度时判定为无遮挡，否则为被遮挡；
(4)对于步骤(3)中确定的无遮挡的网格散射单元，由入射角度、散射系数和天线增益，根据雷达方程计算回波数据功率，根据延迟时间确定相位，获得网格散射单元对应的回波信号；
(5)对获得的所有网格散射单元的回波信号进行累加，在时域完成信号合成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种新型雷达高度表回波信号模拟器的设计与实现;张华 等;《计算机测量与控制》;20111231;第19卷(第2期);第341-344页 *
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