CN107346018A - 一种基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，具体过程为：步骤一，模拟器对雷达发射信号脉冲进行包络提取；在N₂个雷达发射脉冲周期内，模拟器利用本地时钟进行时钟计数N₃；步骤二，计算修正后的回波延时模拟量步骤三，根据所述回波延时模拟量τ'(n)，计算其对应的模拟器标称时钟周数k'；步骤四，利用所述k'值，控制经模拟器处理后得到、并进行数字射频存储的数字中频信号的读出时序，实现对雷达回波的延迟模拟。该方法能够快速实现对雷达回波延迟的相参模拟。

Description

一种基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法

技术领域

本发明涉及一种雷达回波延迟相参模拟方法，尤其涉及一种基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，属于雷达回波模拟技术领域。

背景技术

雷达回波模拟是系统模拟技术与雷达技术相结合的产物，雷达回波模拟技术模拟的对象是雷达的目标和环境，模拟的结果是复现蕴含雷达目标及目标环境信息的雷达回波信号。脉冲雷达回波模拟的核心是对直接反映雷达与目标之间相对距离信息的延迟进行模拟。然而，当雷达回波模拟器(后文将简称模拟器)与雷达基准时钟不同源时，雷达回波延迟模拟将存在伪延迟。为了消除伪延迟的影响，提高脉冲雷达回波模拟的精度，目前工程上常使用两种方法：一种是利用外部参考频率输入的方式，另一种则是利用模拟器本地锁相环来跟踪雷达发射载波频率。

2004年孙玉柱等人在《飞行器测控学报》期刊第23卷第2期第41页至43页发表的“基于DDS技术的雷达多普勒频率模拟器”一文中，以及2005年赵将等人在《电子技术应用》期刊第9期第20页至22页发表的“基于DSP、DDS和ARM的雷达中频信号模拟器设计与实现”一文中，均提出了使用外部参考频率输入将雷达和模拟器共用一个时钟基准源，保证两者的发射载波与工作时钟均相参的雷达回波模拟方法，这种工作方式模拟精度高。但多数场景下，雷达通常是一个独立的工作系统，无法进行基准频率输入和基准频率输出，从而无法直接实现雷达和模拟器的基准频率相参。

2012年张崇斌等人在《火力与指挥控制》期刊第37卷第10期第165页至168页发表的“导引头目标模拟器设计与实现”一文中，提出了一种利用模拟器本地锁相环对雷达发射简单脉冲信号的锁相与同步，当锁相环锁定后实现了模拟器再生基准源与雷达输入载波的相参，之后再利用模拟器再生基准源进行雷达回波延迟模拟的方法。该方法消除了伪延迟，但锁相环一般鉴频范围有限，对雷达产生的大带宽信号，锁相环锁相跟踪困难，难于精确产生与雷达基准频率相参的模拟器再生频率基准，导致难于利用锁相再生方式实现雷达回波延时的相参模拟。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，该方法一方面采用数字射频存储技术对接收到雷达发射信号经模数(A/D)转换后进行数字存储；另一方面，以提取出的雷达发射信号调制脉冲包络作为计量参考，通过一定数量调制脉冲间隔内的模拟器本地时钟计数周值(计数个数)与同时间间隔内雷达时钟计数周值的联合解算，得出雷达参考时钟与模拟器参考时钟间的频率修正系数；将频率修正系数与模拟器本地时钟延迟计数相乘，获得修正后的时钟延迟数目，再经过该数量的模拟器本地时钟周期延迟后将数字射频存储信号读出，经D/A(数模)转换后输出，实现对雷达回波延迟的相参模拟。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，如图1所示，具体过程为：

步骤一，模拟器对雷达发射信号脉冲进行包络提取；在N₂个雷达发射脉冲周期内，模拟器利用本地时钟进行时钟计数N₃；

其中，floor为向下取整函数；N₁为在雷达发射脉冲的重复周期内，雷达基准时钟的计数；f_{clk_sim}表示模拟器上本地时钟的频率；f_{clk_radar}表示雷达基准时钟的频率；

步骤二，计算修正后的回波延时模拟量τ'(n)，

其中，τ(n)为拟模拟的目标雷达回波所对应的回波延迟，α为雷达与模拟器的工作时钟标称频率值之比，为频率修正系数；

步骤三，根据所述回波延时模拟量τ'(n)，计算其对应的模拟器标称时钟周数k'；

步骤四，利用所述k'值，控制经模拟器处理后得到、并进行数字射频存储的数字中频信号的读出时序，实现对雷达回波的延迟模拟。

进一步地，本发明所述数字中频信号由模拟器对接收的信号进行下变频、低通滤波和A/D转换采样后得到，所述数字中频信号在雷达发射信号脉冲控制下进行数字射频存储；所述读出的数字中频信号经D/A转换、上变频及带通滤波后，得到回波模拟信号，实现对雷达回波的延迟模拟。

有益效果

1)本发明突破了传统雷达回波模拟器实现相参雷达回波模拟需增加外部时钟基准的瓶颈，创新性地提出了一种对信号进行发射脉冲包络提取、多脉冲周期内本地时钟计数进而实现频率在线精确测量与补偿的回波延迟相参模拟方法，改善了模拟器工作的灵活性，提高了雷达回波距离延迟模拟的精度。

2)所述方法与雷达发射脉冲内信号形式无关，具有广泛的适应性。

附图说明

图1为本发明基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法的流程图；

图2为实施例1雷达回波相参模拟方法的实施框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实例基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，该实例中雷达发射信号为线性调频信号，具体过程为：

第一步：模拟器接收信号模型

模拟器接收雷达发射的脉冲调制的线性调频信号，表示如下：

式中，f₀为雷达发射载波频率，T_p为脉冲宽度，T_r为脉冲重复周期，A为线性调频信号幅度，K为线性调频调制系数B为线性调频带宽，为雷达发射载波初始相位，Rect(t)为矩形脉冲函数，定义如下：

第二步：距离延迟相参模拟

模拟器采用频率为f_{Lo_sim}的本振，对接收信号进行下变频、低通滤波、A/D转换器采样后，得到数字中频信号为：

式中，f_I＝f₀-f_{Lo_sim}为模拟器中频接收信号频率，f_s为模拟器A/D转换器采样时钟频率，为模拟器采样时钟周期。

模拟器通过数字功率检波方式进行雷达发射脉冲的包络提取，即进行下述逻辑运算：

式(4)中用S_r(n)表示S_{r_IF_sim}(n)。

与此同时，在提取出的雷达发射脉冲控制下，模拟器对A/D转换后的雷达发射信号进行数字存储。

考虑在雷达发射脉冲pulse_radar(n)的重复周期T_r内，雷达基准时钟(实际频率计为f_{clk_radar})计数N₁个时钟周期。在N₂个雷达发射脉冲pulse_radar(n)周期内，模拟器利用本地时钟(实际频率计为f_{clk_sim})进行时钟计数，考虑在该时间间隔内模拟器本地时钟计数周值为N₃，因此可得：

其中，floor为向下取整函数。

若雷达的工作时钟标称频率值为f'_{clk_radar}，模拟器的工作时钟标称频率值为f'_{clk_sim}，两者的比值定义为：

设模拟器拟模拟距离为R(nT_s)的雷达回波，即对应的回波延迟为：

式中，c＝3×10⁸m/s为光速。

定义修正后的回波延迟模拟量τ'(n)为：

其中，k'为τ'(n)对应的模拟器标称时钟周数。

模拟器利用式(8)计算得到的k'值，通过对所存储数字波形的读出时序控制，实现对雷达回波的延迟模拟，得到：

式(9)所述信号经D/A变换后，转化为模拟信号，得到：

采用频率为f_{Lo_sim}的模拟器本振信号cos(2πf_{Lo_sim} t)对S_{t_IF_sim}(t)进行上变频、带通滤波后，得到：

其中，为模拟器射频输出信号初始相位。

实施例1距离延迟模拟精度分析

分析修正后的回波延迟模拟量

经模拟器本地时钟量化后的距离延迟为：

κ_m＝round(τ'(n)×f'_{clk_sim}) (13)

其中，round()为四舍五入取整函数。

则模拟器模拟产生的雷达回波实际延迟为：

该回波经雷达接收、检测与无失真跟踪测量后，得到雷达本地时钟距离延迟计数值为：

κ_r(n)＝τ_m(n)×f_{clk_radar} (15)

经雷达解算后的距离延迟量为：

由此可得，雷达解算后的距离延迟τ_r(n)与期望距离延迟τ(n)之间的相对误差为：

实施例2：

本实例基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，该实例中雷达发射信号为线性调频信号，雷达和模拟器的工作时钟标称频率均为300MHz，即f'_{clk_radar}＝f'_{clk_sim}＝300MHz，雷达时钟准稳度为10ppm，即雷达工作时钟实际频率f_{clk_radar}＝300×(1+10^-5)MHz；模拟器时钟准稳度为-10ppm，即模拟器工作时钟实际频率f_{clk_sim}＝300×(1-10^-5)MHz。考虑雷达工作时钟计数N₁＝750000个时钟周期，产生周期该方法的具体过程为：

第一步：模拟器接收信号模型

模拟器接收线性调频发射信号，表示如下：

式中，T_P＝0.5×(1-10^-5)ms为雷达发射脉冲的宽度，f₀＝15×(1+10^-5)GHz为雷达发射信号载波频率，A＝1V为线性调频信号幅度，K为线性调频调制系数B＝0.1×(1+10^-5)MHz为线性调频信号带宽，为雷达发射信号初始相位，Rect(t)为矩形脉冲函数，

第二步：距离延迟相参模拟

模拟器采用频率为f_{Lo_sim}＝14.88×(1-10-⁵)GHz的本振，对接收信号进行下变频，低通滤波、A/D转换器采样后，得到数字中频信号为：

式中，f_I＝f₀-f_{Lo_sim}＝120.2988MHz为模拟器中频接收信号频率，f_s＝300×(1-10-⁵)MHz为模拟器A/D转换器采样时钟频率，为模拟器采样时钟周期。

模拟器通过数字功率检波方式进行雷达发射脉冲的包络提取，即进行下述逻辑运算：

与此同时，在提取出的雷达发射脉冲控制下，模拟器启动对A/D转换后的雷达发射信号的数字存储。

之后，模拟器进行N₂＝1000个雷达发射脉冲周期内的本地时钟计数，由前述分析，在该时间段内的模拟器本地时钟计数值N₃为

设期望模拟的距离为R(nT_s)＝150km，则对应的回波延迟为：

式中，c＝3×10⁸m/s为光速。

定义修正后的回波延迟模拟量τ'(n)为：

得到k'＝299994。

模拟器以启动存储雷达发射信号的时刻为初始0时刻，经过k'＝299994个时钟周期，读出存储的雷达发射信号数字波形，得到：

经D/A变换后，转化为模拟信号，得到：

采用频率为f_{Lo_sim}的模拟器本振信号cos(2πf_{Lo_sim} t)对S_{IF_sim}(t)进行上变频、带通滤波后，得到：

其中，为模拟器射频输出信号初始相位，k'＝299994。

实施例2距离延迟模拟精度分析

分析修正后的回波延迟模拟量

其中，k'＝299994。

该距离延迟对应的模拟器本地时钟延迟计数值为：

κ_m＝round(τ'(n)×f'_{clk_sim})＝k'＝299994

其中，round()为四舍五入取整函数。

对应上述延迟计数值，模拟器所模拟产生回波的实际延迟为：

其中，f_{clk_sim}＝300×(1-10^-5)MHz为模拟器工作时钟实际频率。

该回波经雷达接收、检测与无失真跟踪测量后，得到雷达本地时钟距离延迟计数值为：

其中，f_{clk_radar}＝300×(1+10^-5)MHz为雷达工作时钟实际频率。

经雷达解算后的距离延迟量为：

由此可得，雷达解算后的距离延迟τ_r(n)与期望距离延迟τ(n)之间的相对误差为：

可见，所述模拟方法具有非常高的距离延迟模拟精度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一，模拟器对雷达发射信号脉冲进行包络提取；在N₂个雷达发射脉冲周期内，模拟器利用本地时钟进行时钟计数N₃；

<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>l</mi> <mi>k</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>l</mi> <mi>k</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>d</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，floor为向下取整函数；N₁为在雷达发射脉冲的重复周期内，雷达基准时钟的计数；f_{clk_sim}表示模拟器上本地时钟的频率；f_{clk_radar}表示雷达基准时钟的频率；

步骤二，计算修正后的回波延时模拟量τ'(n)，

<mrow> <msup> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow>

其中，τ(n)为拟模拟的目标雷达回波所对应的回波延迟，α为雷达与模拟器的工作时钟标称频率值之比，为频率修正系数；

步骤三，根据所述回波延时模拟量τ'(n)，计算其对应的模拟器标称时钟周数k'；

步骤四，利用所述k'值，控制经模拟器处理后得到、并进行数字射频存储的数字中频信号的读出时序，实现对雷达回波的延迟模拟。

2.根据权利要求1所述基于数字射频存储的雷达回波延迟相参模拟方法，其特征在于，所述数字中频信号由模拟器对接收的信号进行下变频、低通滤波和A/D转换采样后得到，所述数字中频信号在雷达发射信号脉冲控制下进行数字射频存储；所述读出的数字中频信号经D/A转换、上变频及带通滤波后，得到回波模拟信号，实现对雷达回波的延迟模拟。