CN109444833A - 非接触式多普勒雷达仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种非接触式多普勒雷达仿真系统，主要解决目前没有能对雷达功能性能进行验证的仿真设备问题。其包括：天线耦合器、上下变频单元、信号处理单元和综合显示控制单元。天线耦合器接收雷达发射信号，将其传输给上下变频单元，并接收上下变频单元传输的信号发送给雷达；上下变频单元接收射频信号，将其下变频成中频信号后传输给信号处理单元，并将接收的中频信号上变频为射频信号发送给天线耦合器；信号处理单元对中频信号进行采样和处理后发送回上下变频单元；综合显示控制单元对仿真进行监视和控制。本发明能承担部分需要跑车和试飞验证的工作，减少了雷达在研发、改进过程中的设计成本和设计风险，可用于多普勒雷达的设计和功能验证。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及是一种雷达仿真的系统，可用于多普勒雷达的设计和功能验证。
背景技术
多普勒雷达是一种利用多普勒效应测量载体坐标系下三轴向速度的设备，其通过测量回波信号和发射信号频率之差，即多普勒频率，并按照相应算法进行解算，可得到飞行器载体坐标系下三轴向速度。
多普勒雷达是速度测量装备，具有测速精度高，误差稳定、不易被外界环境干扰的特点，可用于载体速度测量和飞行器导航。基于多普勒雷达的工作特性，在工程实践和实际应用过程中，还存在影响雷达工作性能的诸多因素，其包括雷达微波源精度、跟踪器精度、地形地貌偏差、飞行姿态和飞行高度等。
随着惯性导航设备的发展，国外从上世纪八十年代就已经不开展多普勒雷达技术的研究，并没有进行多普雷达仿真设备的设计。目前国内也没有对专门对多普勒雷达进行仿真的设备，功能接近的只有雷达综合测试设备，该类设备主要是通过引出雷达内部中频基准信号，进行频率调制后，通过雷达中频测试端口送回雷达，进行雷达功能测试，该类测试设备可满足已装备的多普勒雷达的测试要求。
随着导航技术和导航需求不断发展，导航系统对多普勒雷达的提出了新的功能、性能指标，而雷达综合测试设备已经不能满足新型多普勒雷达在设计、测试和生产的需求，为提升性能指标，需要能够根据不同误差影响因素，开展仿真测试，以满足雷达设计改进的要求。
设计一款用于雷达功能性能验证的测试仿真设备，通过半实物仿真，模拟雷达真实工作状态，并针对雷达不同的误差影响因素设计相应的仿真测试用例，根据仿真结果进行误差影响分析，可在雷达设计、验证和试验各个阶段实现对多普勒雷达测试验证，是设计非接触式多普勒雷达仿真系统的目的，而现有技术中只是针对雷达中频信号进行采集和处理，通过中频测试端口实现对雷达的测试，测试不能覆盖雷达天馈模块，也无法做到根据依据地形地貌、载体的飞行姿态、飞行速度和飞行高度等因素单独设计仿真用例，不能从射频端实现雷达的测试。
发明内容
本发明的目的在于提出一种非接触式多普勒雷达仿真系统，以对地形地貌、载体的飞行姿态、飞行速度和飞行高度进行仿真，实现对多普勒雷达的功能和性能验证，并从射频端实现对雷达的测试。
本发明的技术思路是：采集雷达天线发射的射频信号，下变频成中频信号，按照测试和仿真任务的需求，对中频信号进行数字调制，处理后的中频频谱信号上变频成雷达回波信号，发射至雷达天线，实现对多普勒雷达的非接触式测试和多普勒雷达功能性能的仿真验证。
根据上述思路，本发明的非接触式多普勒雷达仿真系统，其特征在于，包括天线耦合器、上下变频单元、信号处理单元和综合显示控制单元：
所述上下变频单元分别与天线耦合器和信号处理单元双向连接，用于将天线耦合器采集的雷达发射信号下变频成中频信号，送至信号处理单元，并接收来自信号处理单元的中频信号，上变频成射频信号，送至天线耦合器，反馈给多普勒雷达；
所述综合显示控制单元，用于根据仿真和测试要求，生成仿真参数和控制信息，并将仿真参数和控制信息分别传输给天线耦合器、上线变频单元和信号处理单元，实现对仿真系统的控制和监视。
作为优选，所述天线耦合器包括耦合腔和PIN开关：
该耦合腔由腔体和多个喇叭天线组成，腔体的表面贴附有吸波材料，多个喇叭天线安装在腔体的底部；
该PIN开关，其与每个喇叭天线双向连接，用于按照控制信号，将不同喇叭天线接收的雷达发射信号送给上线变频单元，并根据控制信号将来自上下变频单元的射频信号分别发送给不同的喇叭天线，以实现收发通道间的信号隔离和不同通道信号的分配，配合耦合腔实现多普勒雷达射频信号的发送和接收。
作为优选，所述上下变频单元包括上变频器、下变频器和程控衰减器：
该下变频器，接收来自天线耦合器的雷达发射信号，进行下变频操作，将射频信号下变频成中频信号，传输给信号处理单元；
该上变频器接收来自信号处理单元生的中频信号，进行上变频操作，将中频信号上变频成射频回波信号；
该程控衰减器位于上变频器的末端，用于对输出给天线耦合器的射频输出信号进行输出功率控制。
作为优选，所述信号处理单元包括嵌入式计算机和信号处理模块：
该嵌入式计算机，其集成有DSP调试仿真器和FPGA下载器，用以开发基于数字信号处理模块板载DSP和FPGA的程序，根据地形地貌、载体的飞行姿态、飞行速度和飞行高度，进行多普雷达回波频频谱模型以及仿真测试模型开发；
该信号处理模块，用于对中频信号的采集、处理及输出，并在雷达仿真、测试时，根据仿真和测试的要求，通过预先加载的多普雷达回波频频谱模型和仿真测试模型，将采集的中频信号调制成为满足仿真、测试要求的数字中频频谱信号；
作为优选，所述综合显示控制单元包括工业控制计算机，集成显控模块，数字通讯板卡和I/O板卡：
显控模块运行在工业控制计算机平台上，加载仿真信息后，生成飞行仿真参数和控制信息，通过数字通讯板卡和I/O板卡实现与多普勒雷达和信号处理单元的数字通讯以及对天线耦合器、上下变频单元、信号处理单元控制，完成系统显示和仿真控制。
本发明具有如下优点：
1.本发明通过天线耦合器实现对雷达射频信号的采集和发射，并选用PIN开关实现多个发送和接收通道之间的空间和时间的分离，可避免天线耦合器在进行射频信号采集和发射的过程中，多个发送或接收通道或收发通道之间信号干扰和泄露，能够有效的提高系统在仿真过程中的多普勒雷达自身灵敏度，实现从天馈端进行雷达测试目的，将雷达的测试覆盖率从92％提高到了100％；
2.本发明通过上下变频单元采用同一本振设计，实现了上变频器和下变频器的信号相参，在上变频器射频输出端增加输出功率控制，能够模拟电磁波空间传输特性，实现对雷达回波功率的精确控制；
3.本发明通过在信号处理单元对采集的中频信号按照多普雷达回波频谱模型或仿真测试模型，进行数字调制和控制，再输出给上下变频单元，实现了从中频频段对雷达回波信号进行调制，能够对雷达回波频谱特性和电磁波在空间和时间上的特性进行仿真，不仅简化了仿真模型设计的复杂度，而且提升了仿真的真实性。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明中天线耦合器结构图；
图3是本发明中上下变频单元结构图
图4是本发明中信号处理单元结构框图；
图5是本发明中综合显示控制单元结构图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细描述。
参照图1，本发明包括天线耦合器1、上下变频单元2、信号处理单元3和综合显示控制单元4。其中，所述上下变频单元2分别与天线耦合器1和信号处理单元3双向连接，综合显示控制单元4通过控制总线与天线耦合器1、上下变频单元2和信号处理单元3单向连接，并通过数字通讯总线与信号处理单元3和多普勒雷达连接。
天线耦合器1接收多普勒雷达发射的频率为13.325GHz的射频信号，将发射信号传输给上下变频单元。上下变频单元2在接收到雷达发射信号后，将其下变频成频率为75MHz的中频信号，再传输给信号处理单元3。信号处理单元3对中频信号进行数字采样，并按照综合显示控制单元4的发送控制信息，依据预设的仿真模型，对采样信号进行数字调制，生成满足仿真需求的中频频谱信号(75MHz+fd)，再经过DA转换，将中频信号传输给上下变频单元2。上下变频单元2将接收到中频信号上变频成射频信号(13.325GHz+fd)，再传输给天线耦合器1。天线耦合器1将射频信号发射给多普勒雷达。综合显示控制单元4接收并显示多普勒雷达数据，并通过控制总线和数字总线对整个系统进行控制，实现多普勒雷达半实物仿真功能。
参照图2，所述天线耦合器1由耦合腔11和PIN开关12组成。耦合腔11由腔体111和多个喇叭天线112组成，腔体的表面贴附有吸波材料，多个喇叭天线安装在腔体的底部，本实例设但不限于喇叭天线为4个。
由于多普勒雷达采用“X”形配置波束照射方式，喇叭天线112安装在耦合腔11底部四角的位置，以够保证雷达波束能够直接照射到喇叭天线上。多普勒雷达安放在天线耦合器1上，雷达天线正对耦合腔11底部，向耦合腔11发射射频信号13.325GHz，并通过喇叭天线接收多普勒雷达发射的电磁波。
PIN开关12选择与雷达波束照射相对应的接收通道，接收雷达的发射信号，并将信号传输给上下变频单元2，并接收来自上下变频单元2的射频信号，按照控制信号的要求，将射频信号传输给耦合腔11内指定的喇叭天线，由喇叭天线将射频信号发射给多普勒雷达天线。
参照图3，所述上下变频单元2由上变频器21、下变频器22和程控衰减器23组成。
下变频器21接收天线耦合器发送过来的频率为13.325GHz射频信号，经过两次下变频，将射频信号下变频成75MHz中频信号，传输给信号处理单元3。
上变频器22接收信号处理单元3发送过来的中频频谱信号，经过两次上变频变频，将75MHz+fd的中频信号变频成频率为13.325GHz+fd的射频信号。
上变频器22产生的射频信号由程控衰减器23进行输出功率控制后，发送给天线耦合器1。
参照图4，所述信号处理单元3由嵌入式计算机31和信号处理模块32组成。
信号处理模块32由信号处理板和安装在其上的模数转换ADC子板和数模转换DAC子板组成，ADC子板对上下变频单元传输过来的中频信号进行数字采样，送给信号处理板进行处理。信号处理板依据控制信号和仿真模型，对采样的数字信号进行调制，生成符合设计要求的中频频谱信号，由DAC子板进行数模转换，送给上下变频单元2。
嵌入式计算机31集成有DSP调试仿真器和FPGA下载器，用于对信号处理模块32的功能进行设计和开发。
参照图5，所述综合显示控制单元4由工业控制计算机41、显控模块42、数字通讯板卡43和I/O板卡44组成。
显控模块42运行在工业控制计算机41平台上，加载仿真信息后，生成飞行仿真参数和仿真控制信息，仿真控制信息通过数字通讯板卡43和I/O板卡44发送给多普勒雷达、信号处理单元、天线耦合器、上下变频单元、信号处理单元控制，完成对整个仿真系统的控制。显控模块42通过数字通讯板卡43接收多普勒雷达数据，并进行显示，实现仿真系运行的监控。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围内。
Claims (5)
1.一种非接触式多普勒雷达仿真系统，其特征在于，包括天线耦合器(1)、上下变频单元(2)、信号处理单元(3)和综合显示控制单元(4)：
所述上下变频单元(2)分别与天线耦合器(1)和信号处理单元(3)双向连接，用于将天线耦合器(1)采集的雷达发射信号下变频成中频信号，送至信号处理单元(3)，并接收来自信号处理单元(3)的中频信号，上变频成射频信号，送至天线耦合器(1)，反馈给多普勒雷达；
所述综合显示控制单元(4)，用于根据仿真和测试要求，生成仿真参数和控制信息，并将仿真参数和控制信息分别传输给天线耦合器(1)、上线变频单元(2)和信号处理单元(3)，实现对仿真系统的控制和监视。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：天线耦合器(1)包括耦合腔(11)和PIN开关(12)：
所述耦合腔(11)由腔体(111)和多个喇叭天线(112)组成，腔体(111)的表面贴附有吸波材料，多个喇叭天线(112)安装在腔体的底部；
所述PIN开关(12)，其与每个喇叭天线(112)双向连接，用于按照控制信号，将不同喇叭天线(112)接收的雷达发射信号送给上线变频单元(2)，并根据控制信号将来自上下变频单元的射频信号分别发送给不同的喇叭天线(112)，以实现收发通道间的信号隔离和不同通道信号的分配，配合耦合腔(11)实现多普勒雷达射频信号的发送和接收。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：上下变频单元(2)包括上变频器(21)、下变频器(22)和程控衰减器(23)：
所述下变频器(21)，接收来自天线耦合器(1)的雷达发射信号，进行下变频操作，将射频信号下变频成中频信号，传输给信号处理单元(3)；
所述上变频器(22)接收来自信号处理单元生(3)的中频信号，进行上变频操作，将中频信号上变频成射频回波信号；
所述程控衰减器(23)位于上变频器(22)的末端，用于对输出给天线耦合器(1)的射频输出信号进行输出功率控制。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：信号处理单元(3)包括嵌入式计算机(31)和信号处理模块(32)：
所述嵌入式计算机(31)，其集成有DSP调试仿真器和FPGA下载器，用以开发基于数字信号处理模块(32)板载DSP和FPGA的程序，根据地形地貌、载体的飞行姿态、飞行速度和飞行高度，进行多普雷达回波频频谱模型以及仿真测试模型开发；
所述信号处理模块(32)，用于对中频信号的采集、处理及输出，并在雷达仿真、测试时，根据仿真和测试的要求，通过预先加载的多普雷达回波频频谱模型和仿真测试模型，将采集的中频信号调制成为满足仿真、测试要求的数字中频频谱信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：综合显示控制单元(4)包括工业控制计算机(41)，显控模块(42)，数字通讯板卡(43)和I/O板卡(44)：
显控模块(42)运行在工业控制计算机(41)平台上，加载仿真信息后，生成飞行仿真参数和控制信息，通过数字通讯板卡(43)和I/O板卡(44)实现与多普勒雷达和信号处理单元(3)的数字通讯以及对天线耦合器(1)、上下变频单元(2)、信号处理单元(3)控制，完成系统显示和仿真控制。
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