CN103713524B - 一种数字化角度面目标模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字化角度面目标模拟方法，其通过将模拟信号转换为数字信号，采用数字化的方法对角度信息加以调试，从而实现角度面目标的模拟；采用上述方法，其可使得带有多个角度信息的角度面目标信号从同一个通道输出，降低了成本，同时减少了调试工作量并提高了系统的可靠性。

Description

一种数字化角度面目标模拟方法

技术领域

本发明涉及一种半实物仿真技术，尤其是一种数字化角度面目标模拟方法。

背景技术

在现有的半实物射频仿真技术中，角度模拟通常采用阵列天线三元组的方式来实现。阵列天线上的三个相邻天线构成一个三元组，通过三元组辐射的信号来模拟试验的信号，辐射的方向正对被试设备。辐射信号在三元组之内的运动，或者从一个三元组到另一个三元组之间的运动，代表了目标角度位置的运动。

现有技术中往往采用模拟信号进行角度模拟，而采用模拟信号的方式实现角度位置控制，需要保持三元组三个通道A、B、C之间严格的相位关系，容易受环境温度的影响，此外，每一个三元组只能在天线阵列控制输出一个特定角度，为了实现角度面目标，需要采用多个三元组组合，此种方法存在多个弊端：①为了实现复杂目标，需要多个通道，例如10个散射点的目标模型，则需要10个通道，增加了成本；②多个通道之间的同步关系难以实现，进行幅度相位平衡需要调试工作量极其巨大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种角度面目标模拟方法，其可以通过较少信号通道，以及较少的调试时间即可实现角度面目标。

为解决上述技术问题，本发明涉及一种数字化角度面目标模拟方法，其包括如下步骤：

1)根据试验设置，对所模拟面目标的N个散射点分别得到其所需要模拟的角度信息θ_i，i＝1,2,3…N；

2)在数字域内针对每个角度信息θ_i，设置对应的三元组A、B、C三个支路对应的相位值并通过计算得到对应的三元组A、B、C三个支路对应的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci；

3)对输入的模拟信号经过模数转换为数字信号s(n)，其中n为时间变量；

4)在数字域内对数字信号s(n)分别进行N个散射点的幅度调制；

5)在数字域内对经过幅度调制后的数字信号分别进行N个散射点的相位调制，从而完成角度调制；

6)在数字域内将N个经过角度调制后的三元组支路的信号进行叠加；

7)将叠加后的信号经过数模转化后送至射频的三元组通道中，带有角度调制信息的三路信号通过三元组的三个天线进行合成，根据不同的幅度及相位合成出不同的角位置的信号输出。

上述步骤1)的角度信息θ_i包括方位角信息与高低角信息。

步骤2)与步骤6)中所述的数字域，其为模拟信号转化为数字信号后，对其进行所有处理的集合。

目标信号的位置是通过控制三元组三个天线辐射信号的相对幅度来实现的，目前在硬件上具体是通过控制程控幅度衰减器和程控移相器来实现的。通过程控移相器控制三元组中的每一个天线单元所辐射信号的相位，使之到达被试设备的相位相等，这样三元组三个天线单元所辐射信号的振幅中心便是目标的位置。辐射中心的位置可以通过公式(1)(2)来描述：

式中ψ为辐射中心的方位角，为辐射中心的高低角，ψ₁、ψ₂、ψ₃为三元组三个天线的方位角坐标，为三元组三个天线的高低角坐标，E₁、E₂、E₃为三个天线的发射信号振幅。

从公式(1)(2)可以得出，控制三个单元的振幅E₁、E₂、E₃就能控制三个单元的合成辐射中心在三元组内部的位置，为了精确定位、便于计算和控制目标位置，振幅E₁、E₂、E₃按以下的方式控制：通过相位控制，使得三个振幅之和为P，则有E₁+E₂+E₃＝P。这样，合成信号的振幅便与辐射中心的位置无关，它仅取决于提供给目标阵列的功率大小。

上述E₁、E₂、E₃即为三元组A、B、C三个支路对应的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci；为统一对应，下述发明内容与具体实施方式中三元组A、B、C三个支路对应的衰减值也均用ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci表示。

在步骤3)完成输入的模拟信号转化为数字信号s(n)后，需对其进行功率分配处理，s(n)在N个散射点中每个散射点均分配为三路信号，其分别对应三元组中A、B、C三个支路，故其共具有3N路信号。

将上述信号对于N个散射点分别作A、B、C三路的幅度调制，得到S_Ai＝ATT_Ai·s(n)、S_Bi＝ATT_Bi·s(n)、S_Ci＝ATT_Ci·s(n)。经过幅度调制后的信号S_Ai、S_Bi、S_Ci，对于N个散射点分别作A、B、C三路的相位调制，得到所述N个经过角度调制后的三元组支路的信号进行叠加后所得信号为：

其中，exp(*)表示对括号内变量进行求指数运算。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1)采用了数字电路在数字域实现，由于数字器件具有良好的温度特性，解决了模拟移相器和模拟衰减器温漂的影响，提高了系统的稳定性；

2)为了实现角度面目标，克服了采用模拟器件进行通道累积的方法，在单个通道内实现了多个角度位置的控制，减少了硬件成本；

3)模拟角度面目标时，采用模拟器件实现时需要多个通道之间严格的相位关系，调试工作量极其巨大，而采用数字化的方法，角度面目标的多个角度从同一个通道输出，不存在多个通道之间对齐的问题，减少了调试工作量并提高了系统的可靠性，根据工程经验，对于2个通道之间严格相位关系的调试，采用模拟器件来实现通常至少需要1个月的时间，而采用数字化的方法，在不到1周的时间内即可完成。

附图说明

图1为本发明中三元组相互关系示意图；

图2为本发明实施例中采用的角度数字调制板卡原理图；

图3为本发明数字域中进行角度调制的结构图；

图4为本发明实施例中仅对输入信号调制1°时测试结果图；

图5为本发明实施例中仅对输入信号调制-120°时测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种数字化角度面目标模拟方法，进行数字化角度面目标模拟的核心是数字域处理的信号处理板卡，参阅图2，信号处理板卡包含一片3Gsps采样率的AD芯片、一片Xilinx公司的V5SX95T FPGA芯片和三片3Gsps的DA芯片，其中，AD芯片实现输入模拟信号到数字信号的变换，FPGA芯片内部通过可编程逻辑设计对输入的数字信号进行角度调制处理，角度调制后的A、B、C三个支路的数字信号分别送至对应的DA芯片进行数模转换。

上述数字化角度面目标模拟方法的具体步骤如下：

1)信号处理板卡通过标准的CPCI总线从仿真设置计算机中获取当前仿真所需的面目标的N个散射点包括方位角信息与高低角信息在内的的角度信息θ_i，i＝1,2,3…10；

2)对于每个角度信息θ_i，设置对应的三元组A、B、C三个支路对应的相位值并根据方程(7)(8)(9)，在FPGA内计算得到对应的三元组A、B、C三个支路对应的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci；

3)对输入的模拟信号经过模数转换为数字信号s(n)，其中n为时间变量；

4)将经过模数转换后的数字信号s(n)在FPGA内功分为30个支路，分别对应10个三元组的30个支路；

5)在在FPGA内部进行可编程逻辑设计，按照如图3所示，对30个支路的每一个分别作幅度调制；

6)对步骤5)中30个支路的每一个支路完成幅度调制后的信号进行相位调制，完成对输入信号的角度调制；

7)将每10个支路对应的A、B、C支路的信号进行相加，得到的合路信号分别送至A、B、C支路对应的数模转换器中；

8)数模转换器对输入的数字信号进行数模转换为模拟信号后送至后续的射频三元组中，最终通过天线合成输出，即得到了仿真模拟的角度面目标。

目标信号的位置是通过控制三元组三个天线辐射信号的相对幅度来实现的，目前在硬件上具体是通过控制程控幅度衰减器和程控移相器来实现的。通过程控移相器控制三元组中的每一个天线单元所辐射信号的相位，使之到达被试设备的相位相等，这样三元组三个天线单元所辐射信号的振幅中心便是目标的位置。辐射中心的位置可以通过公式(1)(2)来描述：

式中ψ为辐射中心的方位角，为辐射中心的高低角，ψ₁、ψ₂、ψ₃为三元组三个天线的方位角坐标，为三元组三个天线的高低角坐标，E₁、E₂、E₃为三个天线的发射信号振幅。

从公式(1)(2)可以得出，控制三个单元的振幅E₁、E₂、E₃就能控制三个单元的合成辐射中心在三元组内部的位置，为了精确定位、便于计算和控制目标位置，振幅E₁、E₂、E₃按以下的方式控制：通过相位控制，使得三个振幅之和为1，则有E₁+E₂+E₃＝1。这样，合成信号的振幅便与辐射中心的位置无关，它仅取决于提供给目标阵列的功率大小。

参见图1，定义其辐射中心的基准为三元组最左边的喇叭，即ψ₁＝0，ψ₂＝ψ₃/2，代入方程(1)(2)，可得：

ψ’＝E₂·ψ2+E₃·ψ₃ (3)

通过归一化处理，令

ψ＝ψ’/ψ₃＝E₂/2+E₃ (5)

则有：

上述E₁、E₂、E₃即为三元组A、B、C三个支路对应的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci；为统一对应，下述发明内容与具体实施方式中三元组A、B、C三个支路对应的衰减值也均用ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci表示。

将上述信号对于10个散射点分别作A、B、C三路的幅度调制，得到S_Ai＝ATT_Ai·s(n)、S_Bi＝ATT_Bi·s(n)、S_Ci＝ATT_Ci·s(n)。经过幅度调制后的信号S_Ai、S_Bi、S_Ci，对于N个散射点分别作A、B、C三路的相位调制，得到所述N个经过角度调制后的三元组支路的信号进行叠加后所得信号为：

其中，exp(*)表示对括号内变量进行求指数运算。

在步骤3)中的输入信号定位信号调制为1°的信号时，其采用上述模拟方法进行模拟后所得最终波形如图4所示。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1)采用了数字电路在数字域实现，由于数字器件具有良好的温度特性，解决了模拟移相器和模拟衰减器温漂的影响，提高了系统的稳定性；

2)为了实现角度面目标，克服了采用模拟器件进行通道累积的方法，在单个通道内实现了多个角度位置的控制，减少了硬件成本；

3)模拟角度面目标时，采用模拟器件实现时需要多个通道之间严格的相位关系，调试工作量极其巨大，而采用数字化的方法，角度面目标的多个角度从同一个通道输出，不存在多个通道之间对齐的问题，减少了调试工作量并提高了系统的可靠性，根据工程经验，对于2个通道之间严格相位关系的调试，采用模拟器件来实现通常至少需要1个月的时间，而采用数字化的方法，在不到1周的时间内即可完成。

实施例2

本实施例涉及一种数字化角度面目标模拟方法，进行数字化角度面目标模拟的核心是数字域处理的信号处理板卡，参阅图2，信号处理板卡包含一片3Gsps采样率的AD芯片、一片Xilinx公司的V5SX95T FPGA芯片和三片3Gsps的DA芯片，其中，AD芯片实现输入模拟信号到数字信号的变换，FPGA芯片内部通过可编程逻辑设计对输入的数字信号进行角度调制处理，角度调制后的A、B、C三个支路的数字信号分别送至对应的DA芯片进行数模转换。

上述数字化角度面目标模拟方法的具体步骤如下：

1)信号处理板卡通过标准的CPCI总线从仿真设置计算机中获取当前仿真所需的面目标的N个散射点包括方位角信息与高低角信息在内的的角度信息θ_i，i＝1,2,3…20；

2)对于每个角度信息θ_i，设置对应的三元组A、B、C三个支路对应的相位值并根据方程(7)(8)(9)，在FPGA内计算得到对应的三元组A、B、C三个支路对应的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci；

3)对输入的模拟信号经过模数转换为数字信号s(n)，其中n为时间变量；

4)将经过模数转换后的数字信号s(n)在FPGA内功分为60个支路，分别对应20个三元组的共60个支路；

5)在在FPGA内部进行可编程逻辑设计，按照如图3所示，对60个支路的每一个分别作幅度调制；

6)对步骤5)中60个支路的每一个支路完成幅度调制后的信号进行相位调制，完成对输入信号的角度调制；

7)将每20个支路对应的A、B、C支路的信号进行相加，得到的合路信号分别送至A、B、C支路对应的数模转换器中；

8)数模转换器对输入的数字信号进行数模转换为模拟信号后送至后续的射频三元组中，最终通过天线合成输出，即得到了仿真模拟的角度面目标。

步骤2)与步骤6)中所述的数字域，其为模拟信号转化为数字信号后，对其进行所有处理的集合。

目标信号的位置是通过控制三元组三个天线辐射信号的相对幅度来实现的，目前在硬件上具体是通过控制程控幅度衰减器和程控移相器来实现的。通过程控移相器控制三元组中的每一个天线单元所辐射信号的相位，使之到达被试设备的相位相等，这样三元组三个天线单元所辐射信号的振幅中心便是目标的位置。辐射中心的位置可以通过公式(1)(2)来描述：

式中ψ为辐射中心的方位角，为辐射中心的高低角，ψ₁、ψ₂、ψ₃为三元组三个天线的方位角坐标，为三元组三个天线的高低角坐标，E₁、E₂、E₃为三个天线的发射信号振幅。

从公式(1)(2)可以得出，控制三个单元的振幅E₁、E₂、E₃就能控制三个单元的合成辐射中心在三元组内部的位置，为了精确定位、便于计算和控制目标位置，振幅E₁、E₂、E₃按以下的方式控制：通过相位控制，使得三个振幅之和为5，则有E₁+E₂+E₃＝5。这样，合成信号的振幅便与辐射中心的位置无关，它仅取决于提供给目标阵列的功率大小。

参见图1，定义其辐射中心的基准为三元组最左边的喇叭，即ψ₁＝0，ψ₂＝ψ₃/2，代入方程(1)(2)，可得：

ψ’＝(E₂·ψ2+E₃·ψ₃)/5 (3)

通过归一化处理，令

ψ＝ψ’/ψ₃＝(E₂/2+E₃)/5 (5)

则有：

上述E₁、E₂、E₃即为三元组A、B、C三个支路对应的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci；为统一对应，下述发明内容与具体实施方式中三元组A、B、C三个支路对应的衰减值也均用ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci表示。

将上述信号对于20个散射点分别作A、B、C三路的幅度调制，得到S_Ai＝ATT_Ai·s(n)、S_Bi＝ATT_Bi·s(n)、S_Ci＝ATT_Ci·s(n)。经过幅度调制后的信号S_Ai、S_Bi、S_Ci，对于N个散射点分别作A、B、C三路的相位调制，得到所述N个经过角度调制后的三元组支路的信号进行叠加后所得信号为：

其中，exp(*)表示对括号内变量进行求指数运算。

在步骤3)中的输入信号定位信号调制为120°的信号时，其采用上述模拟方法进行模拟后所得最终波形如图5所示。

由图4与图5所示，采用上述数字化角度面目标模拟方法进行角度模拟，其信号输出基本稳定在信号调制值附近，尤其在进行小角度信号调制时，其输出信号近乎直线。故而采用上述数字化角度面目标模拟方法进行角度模拟，其可有效提高角度模拟的精度与稳定性。

本实施例其余特征与优点与实施例1相同。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种数字化角度面目标模拟方法，其特征在于，所述数字化角度面目标模拟方法包括如下步骤：

1)根据试验设置，对所模拟面目标的N个散射点分别得到其所需要模拟的角度信息θ_i，i＝1,2,3…N；

2)在数字域内针对每个角度信息θ_i，设置对应的三元组A、B、C三个支路对应的相位值并通过计算得到对应的三元组A、B、C三个支路对应的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci；

3)对输入的模拟信号经过模数转换为数字信号s(n)，其中n为时间变量；

4)在数字域内对输入信号s(n)分别进行N个散射点的幅度调制；

5)对步骤4)中完成幅度调制后的信号进行相位调制，完成对输入信号的角度调制；

6)在数字域内将N个完成角度调制后的三元组支路的信号进行叠加；

7)将叠加后的数字信号经过数模转化为模拟信号后送至射频的三元组通道中。

2.按照权利要求1所述的数字化角度面目标模拟方法，其特征在于，所述步骤1)中角度信息θ_i包括方位角信息与高低角信息。

3.按照权利要求1所述的数字化角度面目标模拟方法，其特征在于，所述步骤2)中三元组A、B、C三个支路的衰减值ATT_Ai、ATT_Bi、ATT_Ci，其和为常数P。

4.按照权利要求1所述的数字化角度面目标模拟方法，其特征在于，所述步骤3)完成后，设有对步骤3)中输入的数字信号s(n)的进行功率分配处理的步骤，N个散射点中每个散射点均分配为三路信号，其分别对应三元组中A、B、C三个支路。

5.按照权利要求1或4所述的数字化角度面目标模拟方法，其特征在于，所述步骤4)中的幅度调制为，将N个散射点经过功率分配处理的信号分别做A、B、C三路的幅度调制，得到S_Ai＝ATT_Ai·s(n)、S_Bi＝ATT_Bi·s(n)、S_Ci＝ATT_Ci·s(n)。

6.按照权利要求1或4所述的数字化角度面目标模拟方法，其特征在于，所述步骤5)中的相位调制为，将N个散射点经过幅度调制后的信号S_Ai、S_Bi、S_Ci，分别作A、B、C三路的相位调制，得到

7.按照权利要求1，2，3，4中任意一项所述的数字化角度面目标模拟方法，其特征在于，所述N个经过角度调制后的三元组支路的信号进行叠加后所得信号为：