CN109581321A - 一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置，其特征在于，包括PC端和雷达信号处理平台，PC端和雷达信号处理平台之间交互数据；PC端包括PC端显示控制模块，PC端显示控制模块向用户提供雷达工作模式选择界面、雷达工作参数设置界面和PPI显示模式/B显示模式的数据展示界面；雷达信号处理平台包括FPGA芯片及外围电路，FPGA芯片内置嵌入式控制模块；嵌入式控制模块根据用户输入的雷达工作模式和雷达工作参数切换至相应工作模式，并执行该工作模式下的相应操作。本发明针对雷达多波形信号仿真的需要，采用雷达参数的灵活加载方式，实现雷达多波形的生成和演示功能。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术领域，尤其是一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置。
背景技术
在已有的一些雷达原理信号生成装置中，支持的数据控制和下载方法较少，而不能进行动态的数据控制和下载；同时支持的雷达显示方式较为单一，不能支持多种雷达演示功能，无法进行动态、生动的雷达参数和功能的演示。本发明针对雷达多波形信号仿真的需要，采用雷达参数的灵活加载方式，实现雷达多波形的生成和演示功能。本发明可以产生多种雷达发射信号；进行雷达中频回波信号模拟；测量接收机噪声及灵敏度；演示天线方向图对回波的调制作用；演示雷达跟踪的处理过程；演示B型显示器和PPI显示器显示内容。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种可根据需求灵活加载数据，从而进行雷达多波形信号的生成和演示的装置。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：
一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置，包括PC端和雷达信号处理平台，PC端和雷达信号处理平台之间交互数据；
PC端包括PC端显示控制模块，PC端显示控制模块向用户提供雷达工作模式选择界面、雷达工作参数设置界面和PPI显示模式/B显示模式的数据展示界面，用户在雷达工作模式选择界面上选择雷达工作模式，在雷达工作参数设置界面设置所选工作模式需要的雷达工作参数；PC端显示控制模块还根据雷达信号处理平台的处理数据进行PPI显示模式/B显示模式的数据展示；所述雷达工作模式包括：基本发射信号模式、模拟雷达中频回波信号模式、接收机噪声及灵敏度模式、天线方向图对回波的调试模式、目标跟踪流程处理模式、多显示模式；
雷达信号处理平台包括FPGA芯片及外围电路，FPGA芯片内置嵌入式控制模块；雷达信号处理平台与PC端交互，将用户输入的数据加载至FPGA芯片的嵌入式控制模块；嵌入式控制模块根据用户输入的雷达工作模式和雷达工作参数切换至相应工作模式，并执行该工作模式下的相应操作，包括：生成雷达发射信号、模拟雷达中频回波、测量接收机的噪声和灵敏度、演示天线方向图对回波的调制、演示雷达跟踪的处理过程以提供可测量的跟踪波门与目标回波的关系、通过PPI显示模式或B显示模式显示执行相应操作的过程或结果。
进一步的，所述雷达工作模式相应的雷达工作参数分别为：
的雷达工作参数为：雷达发射中频波形种类、波形种类相应的波形参数、发射中频频率、发射功率；其中，波形种类包括：简单脉冲、LFM、巴克码，简单脉冲的波形参数包括脉冲发射波形重频、简单脉冲发射波形脉宽，LFM的波形参数包括LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间，巴克码的波形参数包括巴克码位数、巴克码码元宽度；
模拟雷达中频回波信号模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度；
接收机噪声及灵敏度模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度、相参/非相参积累点数、信噪比；
天线方向图对回波的调试模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离；
目标跟踪流程处理模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度；
多显示模式的雷达工作参数为：显示模式、显示模式参数，其中，显示模式包括PPI显示模式和B显示模式，PPI显示模式的参数包括PPI显示的目标个数和坐标，B显示模式的参数包括B显示的目标个数和坐标。
进一步的，所述包括外围电路包括：双通道ADC模块、双通道DAC模块、时钟模块、RS422接口模块、网络接口模块、显示控制模块、显示屏和电源接口模块；双通道ADC模块、时钟模块、RS422接口模块、网络接口模块、显示控制模块分别与FPGA模块相连，显示屏与显示控制模块相连，显示屏支持PPI显示模式和B显示模式，双通道ADC模块外接雷达天线或测试仪表，双通道DAC模块外接雷达天线或测试仪表，测试仪表包括频谱仪和示波器；FPGA模块分别通过网络接口模块和RS422接口模块与PC端交互数据；时钟模块为FPGA模块、双通道ADC模块、双通道DAC模块提供时钟信号，电源接口模块接入220V市电电压，然后将220V电压转换为各模块所需的电压，为各模块供电；
进一步的，所述FPGA模块根据控制指令文件执行相应操作的具体步骤包括：
基本发射信号模式：FPGA模块根据输入的参数控制内部的DDS产生相应的数字信号，然后通过双通道DAC模块将数字信号转换为射频模拟信号，同时，FPGA通过IO口分别输出脉冲信号和CPI处理节拍信号给测试仪表，测试仪表显示处理周期；当进行检波实验时，双通道DAC模块发出的信号通过双通道ADC模块送给FPGA模块，FPGA模块对经过双通道ADC模块采样形成的数字信号分别做包络检波和正交检波处理，然后将产生的信号由双通道DAC模块送出，作为基本发射信号；
模拟雷达中频回波信号模式：FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出；当进行静态目标模拟时，FPGA模块经双通道ADC模块接收静态目标的回波信号，FPGA模块根据雷达方程和反射信号产生模拟目标回波数字信号，最后将模拟目标回波数字信号送入双通道DAC模块形成雷达中频回波信号；当进行运动目标模拟时，FPGA模块通过IO口距速开关选择目标的运动特性，根据雷达方程和回波信号产生模拟目标回波数字信号，最后将模拟目标回波数字信号送入双通道DAC模块形成雷达中频回波信号；FPGA模块将最终产生的雷达中频回波信号通过显示屏显示，或将雷达中频回波信号发送给PC端，由PC端显示；
接收机噪声及灵敏度模式：进行噪声测试时，FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出；然后FPGA模块经双通道ADC模块测量特定距离上目标反射的回波信号幅度，将回波信号导入示波器，通过示波器测量噪声水平、标定噪声系数；进行切线灵敏度测试时，FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出，然后通过双通道ADC模块采集不同距离上的回波幅度，将回波信号导入示波器，通过示波器计算回波信号的等效灵敏度；
天线方向图对回波的调试模式：FPGA模块根据输入的参数模拟雷达扫描过程，在扫描过程中，FPGA产生LFM发射信号，然后通过双通道ADC模块采集目标物体反射的回波信号；FPGA模块根据回波信号构建天线方向图；FPGA模块通过显示屏显示扫描过程；
目标跟踪流程处理模式：FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出，然后FPGA模块经双通道ADC模块检测回波信号；FPGA模块通过不断发射信号和检测回波信号实现对目标物体的搜索、捕获、距离跟踪；
多显示模式：FPGA模块根据输入的参数切换PPI显示模式或B显示模式。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明采用灵活的数据加载和高效的数据传输形式，结合高性能的数字信号处理芯片，可以实现雷达多波形信号的生成和演示，提供软件仿真和控制数据的灵活下载，支持试验扩展的功能。本发明可以作为教学和演示用具，让学员更直观和生动地理解雷达原理及其相关技术指标。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为雷达信号处理平台原理框图；
图3为电源接口模块组成框图；
图4为PC端功能模块组成图；
图5为雷达工作模式选择界面示意图；
图6为雷达参数设置界面图；
图7为嵌入式控制模块功能组成示意图；
图8为雷达信号处理模块功能组成示意图；
图9为雷达发射信号处理模块的功能组成示意图；
图10为脉冲调制处理流程图；
图11为线性调频处理流程图；
图12为相位编码处理流程图；
图13为雷达回波信号模拟流程图；
图14为天线方向图调制模拟流程图；
图15为目标跟踪处理流程图；
图16为显示控制模块的功能组成示意图；
图17为雷达PPI显示界面示意图；
图18为雷达B显示界面示意图；
图19为控制模块的功能组成示意图；
图20为FPGA中HDMI驱动IP核组成图；
图21为图像显示模块的功能组成示意图；
图22为基本发射信号模式下接口关系示意图；
图23为模拟雷达中频回波信号模式下所述装置的接口处信号走向示意图；
图24为接收机噪声及灵敏度模式下所述装置的接口处信号走向示意图；
图25为天线方向图对回波的调试模式下所述装置的接口处信号走向示意图；
图26为目标跟踪流程处理模式下所述装置的接口处信号走向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明所述的可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置的结构如图1所示，主要由PC端和雷达信号处理平台组成，PC端采用网络接口或串口与雷达信号处理平台进行数据交互；其中，PC端提供与用户交互的界面，向用户提供雷达工作模式选择界面、雷达工作参数设置界面和PPI显示模式/B显示模式的数据展示界面，，完成雷达信号处理平台的工作参数设置与控制指令下载、雷达PPI显示和B显示等功能。雷达信号处理平台作为执行机构，雷达信号处理平台加载用户设置数据，根据用户设置数据主要完成多种雷达发射信号、雷达中频回波信号模拟、测量接收机噪声及灵敏度、演示天线方向图对回波的调制作用、演示雷达跟踪的处理过程、演示B型显示器和PPI显示器显示等内容。
雷达信号处理平台如图2所示，主要包括以下部分：
1、双通道ADC模块
选择高速、双信道ADC芯片，使高信号频宽、高动态效能与低功耗进行最佳化结合，可在不减损动态效能的情况下进行多信道宽频取样，进而提升便携式测试设备的准确度。
2、双通道DAC模块
选择高速、极低功耗、高动态范围、双通道DAC芯片。
3、FPGA模块
FPGA选用ZYNQ-7000系列的中高端级别芯片，该芯片集成ARM处理器的软件可编程性与FPGA的硬件可编程性，不仅可实现重要分析与硬件加速，同时还在单个器件上高度集成CPU、DSP等功能，同时支持HDMI、串口、以太网等接口。
4、时钟模块
时钟模块由可编程时钟、实时时钟等组成。可编程时钟给ADC、DAC、FPGA提供时钟。两片ADC各1个时钟，两片DAC各两个时钟，剩下两个时钟驱动ZYNQ。使用SPI接口做初始化。可编程时钟必须经过初始化后PLL锁定了才能输出稳定时钟。实时时钟用于给系统提供时间。
5、网络接口
网络接口模块可以采用高性能的100M/1000Mbps的网络接口器件，具有PCB布局容易、传输速率高等特点。
6、RS422接口
提供两路RS422接口，为了防止瞬态高压对接口的破坏以及有效隔离各个系统模块直接的相互干扰，采用高效串口收发芯片，该芯片内含一个驱动器和一个接收器，同时具有低功、单电压供电、驱动器有过载保护、无需外接元器件等特点。
7、显示控制模块
雷达信号处理平台提供了显示控制模块，支持网口、串口等接口，内含HDMI显示驱动。
8、显示屏
显示屏可以选择液晶显示屏，12V供电，支持VGA、HDMI等接口。FPGA与显示屏的串口默认波特率115200bps，。显示屏同时支持PPI显示和B显两种。其中PPI显以30度的夹角进行动态扫描(扫描360度的周期为2s)，FPGA下发的显示参数设置(串口命令基于文本方式)格式为：
(1)设置PPI显的目标个数和坐标
指令格式为：\t：set_B n a b c d e f g h\r\n
其中n＝1，表示1个目标；n＝2，表示2个目标；n＝3，表示3个目标；n＝4，表示4个目标。
a为目标1的x坐标(单位Km，＜＝60Km)，b为目标1的y坐标(单位Km，＜＝60Km)；
c为目标2的x坐标(单位Km，＜＝60Km)，d为目标2的y坐标(单位Km，＜＝60Km)；
e为目标3的x坐标(单位Km，＜＝60Km)，f为目标3的y坐标(单位Km，＜＝60Km)；
g为目标4的x坐标(单位Km，＜＝60Km)，h为目标4的y坐标(单位Km，＜＝60Km)。
(2)设置B显的目标个数和坐标
指令格式为：\t：set_P n a b c d e f g h\r\n
其中n＝1，表示1个目标；n＝2，表示2个目标；n＝3，表示3个目标；n＝4，表示4个目标。
a为目标1的x坐标(单位s，＜＝800s)，b为目标1的y坐标(单位Km，＜＝60Km)；
c为目标2的x坐标(单位s，＜＝800s)，d为目标2的y坐标(单位Km，＜＝60Km)；
e为目标3的x坐标(单位s，＜＝800s)，f为目标3的y坐标(单位Km，＜＝60Km)；
g为目标4的x坐标(单位s，＜＝800s)，h为目标4的y坐标(单位Km，＜＝60Km)。
FPGA正确答复信息的格式为：\t：ack\r\n
若1s后无答复，则FPGA再发送两次(每隔1s)控制指令，若仍无答复，则判断为故障。
9、电源接口模块
电源是整个系统工作的动力来源，电源纹波的大小、抗干扰能力以及驱动器件工作的能力决定了整个平台能否正常工作以及工作时的效果。电源接口模块主要由220V转12V的开关电源模组和板载DC/DC电源模块组成，二者采用分离式设计，电源接口模块如图3所示。
下面对PC端和雷达信号处理平台的工作原理进行进一步说明。
(一)PC端
PC端的功能组成结构如图4所示，包括PC端显示控制模块。PC端显示控制模块提供用户交互界面，包括图5所示的雷达工作模式选择界面和图6所示的雷达参数设置界面，操作者在雷达工作模式选择界面上选择雷达工作模式，在雷达参数设置界面上设置和下载演示验证需要的雷达目标回波信号参数、雷达信号参数。其中，雷达工作模式有6种，分别为：基本发射信号模式、模拟雷达中频回波信号模式、接收机噪声及灵敏度模式、天线方向图对回波的调试模式、目标跟踪流程处理模式、多显示模式，每种模式需要设置的工作参数为：
基本发射信号模式的雷达工作参数为：雷达发射中频波形种类、波形种类相应的波形参数、发射中频频率、发射功率；其中，波形种类包括：简单脉冲、LFM、巴克码，简单脉冲的波形参数包括脉冲发射波形重频、简单脉冲发射波形脉宽，LFM的波形参数包括LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间，巴克码的波形参数包括巴克码位数、巴克码码元宽度；
模拟雷达中频回波信号模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度；
接收机噪声及灵敏度模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度、相参/非相参积累点数、信噪比；
天线方向图对回波的调试模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离；
目标跟踪流程处理模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度；
多显示模式的雷达工作参数为：显示模式、显示模式参数，其中，显示模式包括PPI显示模式和B显示模式，PPI显示模式的参数包括PPI显示的目标个数和坐标，B显示模式的参数包括B显示的目标个数和坐标。
PC端通过网口或串口控制雷达信号处理平台，控制指令如下：
工作模式设置时，PC机控制指令格式为：\t：set_workmode xx\r\n
(1)设置雷达发射信号处理模式(xx＝01)
(2)设置模拟雷达中频回波模式(xx＝02)
(3)设置接收机噪声和灵敏度模式(xx＝03)
(4)设置天线方向图对回波的调制模式(xx＝04)
(5)设置目标跟踪流程处理模式(xx＝05)
FPGA正确答复信息：\t：ack\r\n，若1s后无答复，则PC端再发送两次(每隔1s)控制指令，若仍无答复，则判断为故障。
工作参数设置时，PC机控制指令格式为：
(1)设置雷达发射中频波形种类(简单脉冲、LFM、巴克码)
指令：\t：set_emittingmode xx\r\n
xx＝01简单脉冲
xx＝02 LFM
xx＝03巴克码
(2)设置发射中频频率(MHz)(30-60MHz)
指令：\t：set_freq xx.xx\r\n
(3)设置脉冲发射波形重频(KHz)(1kHz-250kHz)
指令：\t：set_PRI xxx\r\n
xxx＝001 1kHz
…
xxx＝250 250kHz
(4)设置简单脉冲发射波形脉宽(us)(1-100us)
指令：\t：set_PMbandwidth xxx\r\n
xxx＝001 1us
…
xxx＝100 100us
(5)设置LFM发射波形调制带宽(MHz)
指令：\t：set_LFMbandwidth xx.xx\r\n
(6)设置LFM脉冲线性调制时间(us)(10us-10ms)
指令：\t：set_LFMmodtime xxxx\r\n
xxxx＝0001 10us
xxxx＝1000 10ms
(7)设置巴克码位数(7位、13位)
指令：\t：set_Barkbit xx\r\n
xx＝07 7位
xx＝13 13位
(8)设置巴克码码元宽度(us)(0.5us-5us)
指令：\t：set_Barkcodewidth xx\r\n
xx＝01 0.1us
xx＝05 0.5us
xx＝50 5us
(9)设置发射功率Pt(dBm)(-30dBm-0dBm)
指令：\t：set_emittingpow xx\r\n
xx＝00 -30dBm
xx＝01 -29dBm
…
xx＝30 0dBm
(10)设置天线增益Gt(dB)
指令：\t：set_attgain xx\r\n
xx＝00 0dB
xx＝01 1dB
….
xx＝30 30dB
(11)设置发射波长λ(m)
指令：\t：set_lamda xx.xx\r\n
目标散射截面积σ(m2)
指令：\t：set_rcs xx.xx\r\n
目标距离R(m)(300m-300Km)
指令：\r：set_range xxxx\r\n
xxxx＝0001 100m
xxxx＝0002 200m
….
xxxx＝3000 300Km
FPGA正确答复信息，格式为：\t：ack\r\n
若1s后FPGA无答复，则PC端再发送两次(每隔1s)控制指令，若仍无答复，则判断为故障。
(二)雷达信号处理平台
FPGA内置嵌入式控制模块，嵌入式控制模块的功能组成如图7所示，包括雷达信号处理模块和显示控制模块。
雷达信号处理模块如图8所示，主要由雷达发射信号处理模块、雷达中频回波信号模拟模块、雷达接收机灵敏度模块、天线方向图调制模拟模块和目标跟踪流程处理模块组成，这5个模块分别对应基本发射信号模式、模拟雷达中频回波信号模式、接收机噪声及灵敏度模式、天线方向图对回波的调试模式、目标跟踪流程处理模式。
雷达发射信号处理模块通过Vivado工具实现，其功能结构如图9所示，主要由脉冲调制模块、线性调频模块和相位编码模块组成，脉冲调制模块、线性调频模块和相位编码模块分别用于生成简单脉冲波形、LFM波形、巴克码波形。其中，脉冲调制模块生成简单脉冲波形的流程如图10所示，先设置脉冲波形的幅度、脉宽、重复频率等参数，然后配置DDS，并进行混频和滤波处理，最后进行数据转换并输出。线性调频模块生成LFM波形的流程如图11所示，先设置调频频率、带宽等参数，然后配置DDS，并进行混频和滤波处理并输出。相位编码模块生成巴克码波形的流程如图12所示。设置脉宽、巴克码位数等参数，然后配置DDS，并进行混频和滤波处理，最后进行数据转换并输出。雷达中频回波信号模拟模块用于生成雷达中频回波模拟信号，其流程如图13所示。雷达中频回波信号先是根据不同的距离目标，设置脉宽、距离等参数，按符合雷达距离方程的变化，分别进行希尔伯特变换和延迟处理，再配置DDS，然后进行混频和滤波处理，最后进行数据转换并输出。雷达接收机灵敏度模块用于进行接收机噪声测试和灵敏度测试。天线方向图调制模拟模块用于进行天线方向图调制模拟，其流程如图14所示，先是设置脉宽和实际天线的波束宽度等参数，然后配置DDS，并进行混频和滤波处理，最后进行数据转换并输出。目标跟踪流程处理模块用于模拟雷达扫描目标跟踪过程，其流程如图15所示，先是设置脉宽等参数，再配置DDS，然后进行混频和滤波处理，再进行对目标的搜索、捕获等检测处理，最后计算数字距离并输出。
显示控制模块的功能组成如图16所示，包括控制模块和图像显示模块。
图像显示模块可以通过FPGA驱动网口、串口控制显示屏，或者通过FPGA输出HDMI信号给显示屏，实现显示功能。图像显示模块在基于Ubuntu桌面系统和Qt Creater集成环境下实现，集成了Linux环境下常用的软件工具，具有友好、使用方便等特点。图像显示模块支持PPI显示模式和B显示模式，PPI显示模式的界面如图17所示，B显示模式的界面如图18所示。
控制模块主要控制FPGA芯片从外部接收控制命令，进行换工作模式、换频、换重频等操作，控制模块的组成如图19所示，主要包括：系统控制模块、网络接口模块和串口控制模块。系统控制模块通过串口控制模块控制外部的带通滤波器，实现发射信号的波段切换，通过网络接口模块控制外部的显示屏实现显示；另外还可以通过FPGA控制HDMI芯片，或直接通过FPGA产生HDMI核的方式，驱动外部的HDMI显示器实现界面显示功能。
FPGA中HDMI驱动IP核主要组成如图20所示，包括时钟信号产生模块、RGB编码模块、串/并转换模块和驱动控制模块；其中，时钟信号产生模块提供当前显示分辨率的像素时钟，RGB编码模块负责对RGB三路数据进行解码，然后由并/串转换模块进行并/串转换，驱动控制模块主要负责各模块的控制和复位设置。
通过HDMI显示器显示时，图像显示模块可以在Ubuntu桌面系统下，选用QtCreator集成环境开发，进行嵌入式软件的雷达界面设计，分别进行雷达B型图像显示和PPI图像显示，同时负责与HDMI显示器进行显示数据的交互。在FPGA设计工具中导出硬件设计文件后，然后利用SDK开发工具建立和生成包含硬件bit的启动镜像文件。图像显示模块的组成如图21所示，包括显示数据交互、B型图像显示和PPI图像显示。
下面分别介绍6种工作模式下，所述可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置的工作原理。
1、雷达基本发射信号模式
该模式下，所述雷达多波形信号生成和演示装置演示发射脉冲调制、巴克码编码、线性调频(脉冲线性调频)的信号，支持使用示波器进行时域展示；支持采用频谱仪进行频谱差异测量，计算机提供仿真频谱图形。具体工作流程为：
首先在PC端的雷达工作模式选择界面选择雷达基本发射信号模式，然后在雷达工作参数设置界面输入工作参数，如表1所示：
表1雷达基本发射信号模式输入参数
| 1 | 雷达发射中频波形种类(简单脉冲、LFM、巴克码) |
| 2 | 发射中频频率 |
| 3 | 脉冲发射波形重频 |
| 4 | 简单脉冲发射波形脉宽 |
| 5 | LFM发射波形调制带宽 |
| 6 | LFM脉冲线性调制时间 |
| 7 | 巴克码位数(7位、13位) |
| 8 | 巴克码码元宽度 |
| 9 | 发射功率P<sub>t</sub>(dBm)(-30dBm-0dBm) |
接着PC端将控制命令通过串口电路，送给雷达验证平台中的FPGA，FPGA进入基本发射信号模式，然后FPGA控制内部的DDS产生简单脉冲、巴克码、线性调频等多种发射信号，同时FPGA通过IO口分别输出触发脉冲和CPI处理节拍信号给测试仪表，信号接口如图22所示。
2、模拟雷达中频回波模式
该模式下，所述雷达多波形信号生成和演示装置根据设置的不同距离目标，模拟出雷达中频回波。在设定的其它参数情况下，按符合雷达距离方程的变化，实时动态模拟中频回波信号的幅度，将目标检测处理后显示到计算机上。具体步骤为：
首先在PC端的雷达工作模式选择界面选择模拟雷达中频回波模式，然后在雷达工作参数设置界面输入工作参数，如表2所示：
表2模拟雷达中频回波模式输入参数
| 1 | LFM发射中频频率 |
| 2 | 脉冲发射波形重频 |
| 3 | LFM发射波形调制带宽 |
| 4 | LFM脉冲线性调制时间 |
| 5 | 发射功率P<sub>t</sub> |
| 6 | 天线增益G<sub>t</sub> |
| 7 | 发射波长 |
| 8 | 目标散射截面积 |
| 9 | 目标距离 |
| 10 | 目标速度 |
接着PC端将控制命令通过串口电路，送给雷达验证平台中的FPGA，FPGA进入模拟雷达中频回波信号模式。FPGA根据发射功率、天线增益、发射波长、目标散射界面、目标距离、速度等参数产生LFM发射信号，然后经ADC接收检测目标物体反射的回波信号后，由FPGA根据雷达方程，产生模拟目标回波数字信号，然后送DAC输出模拟雷达中频回波。FPGA通过距速相关IO口判断运动目标特性，同时通过IO口分别输出触发脉冲和CPI处理节拍信号给外接的测试仪表。该模式下所述雷达多波形信号生成和演示装置的接口处信号走向如图23所示。
3、接收机噪声及灵敏度模式
该模式下，所述雷达多波形信号生成和演示装置通过示波器测量噪声水平、标定噪声系数，测量该系统固有条件下的切线灵敏度。具体步骤为：
首先在PC端的雷达工作模式选择界面选择接收机噪声及灵敏度模式，然后在雷达工作参数设置界面输入工作参数，如表3所示：
表3接收机噪声及灵敏度模式输入参数
| 1 | LFM发射中频频率 |
| 2 | 脉冲发射波形重频 |
| 3 | LFM发射波形调制带宽 |
| 4 | LFM脉冲线性调制时间 |
| 5 | 发射功率P<sub>t</sub> |
| 6 | 天线增益G<sub>t</sub> |
| 7 | 发射波长 |
| 8 | 目标散射截面积 |
| 9 | 目标距离 |
| 10 | 目标速度 |
| 11 | 相参/非相参积累点数 |
| 12 | 信噪比 |
接着PC端将控制命令通过串口电路送给雷达验证平台中的FPGA，FPGA进入接收机噪声及接收灵敏度模式，FPGA先产生LFM发射信号，然后经ADC接收检测回波信号。可以由FPGA产生特定幅度的目标及噪声信号，并测量特定距离上的目标回波幅度。
FPGA通过距速相关IO口判断运动目标特性，同时通过IO口分别输出触发脉冲和CPI处理节拍信号给外接的测试仪表。该模式下所述雷达多波形信号生成和演示装置的接口处信号走向如图24所示。
4、线方向图对回波的调试模式
在该模式下，所述雷达多波形信号生成和演示装置演示天线方向图对回波的调制作用。具体步骤如下：
首先在PC端的雷达工作模式选择界面选择接收机噪声及灵敏度模式，然后在雷达工作参数设置界面输入工作参数，如表4所示：
表4接收机噪声及灵敏度模式输入参数
| 1 | LFM发射中频频率 |
| 2 | 脉冲发射波形重频 |
| 3 | LFM发射波形调制带宽 |
| 4 | LFM脉冲线性调制时间 |
| 5 | 发射功率P<sub>t</sub> |
| 6 | 天线增益G<sub>t</sub> |
| 7 | 发射波长 |
| 8 | 目标散射截面积 |
| 9 | 目标距离 |
接着PC端将控制命令通过串口电路送给雷达验证平台中的FPGA，FPGA进入天线方向图对回波的调制模式，FPGA先产生LFM发射信号，然后经ADC接收检测回波信号。FPGA通过距速相关IO口判断运动目标特性，同时通过IO口分别输出触发脉冲和CPI处理节拍信号给测试仪表。该模式下所述雷达多波形信号生成和演示装置的接口处信号走向如图25所示。
5、目标跟踪流程处理模式
在该模式下，所述雷达多波形信号生成和演示装置演示雷达跟踪的处理过程，提供可测量的跟踪波门与目标回波的关系。具体步骤如下：
首先在PC端的雷达工作模式选择界面选择目标跟踪流程处理模式，然后在雷达工作参数设置界面输入工作参数，如表5所示：
表5目标跟踪流程处理模式输入参数
| 1 | LFM发射中频频率 |
| 2 | 脉冲发射波形重频 |
| 3 | LFM发射波形调制带宽 |
| 4 | LFM脉冲线性调制时间 |
| 5 | 发射功率P<sub>t</sub> |
| 6 | 天线增益G<sub>t</sub> |
| 7 | 发射波长 |
| 8 | 目标散射截面积 |
| 9 | 目标距离 |
| 10 | 目标速度 |
PC端将控制命令通过串口电路送给雷达验证平台中的FPGA，FPGA进入目标跟踪流程处理模式，FPGA先产生LFM发射信号，然后经ADC接收检测，同时产生回波信号，进入目标跟踪流程处理阶段。FPGA可以根据IO口搜索/跟踪开关进行设置，同时输出信号。FPGA通过距速相关IO口判断运动目标特性，通过搜索/跟踪IO口进行搜索、跟踪阶段的选择，同时通过IO口分别输出触发脉冲和CPI处理节拍信号，并且输出跟踪波门信号给测试仪表。
该模式下所述雷达多波形信号生成和演示装置的接口处信号走向如图26所示。
距离自动跟踪包括对目标的搜索、捕获、距离跟踪和失捕四个部分。搜索是指目标在整个雷达测距范围内，依次对各目标单位进行检测，判断该单元是否有目标存在。如果在某个单元检测时满足跟踪条件，则确定该单元有目标存在，认定已经捕获到目标，并开始对该单元的目标进行跟踪。跟踪时，保证距离跟踪波门自动跟踪目标，连续测量目标距离。在跟踪的过程中，一旦某个单元跟踪时不满足跟踪条件，即满足失捕条件时，认为目标丢失，需重新开始搜索。
6、多显示模式
该模式下，所述雷达多波形信号生成和演示装置主要功能如下：首先在PC端的雷达工作模式选择界面选择多显示模式，然后在雷达工作参数设置界面输入工作参数，PC端将控制命令通过串口电路送给雷达验证平台中的FPGA，FPGA进入多显示模式，根据用户选择演示B型显示器和/或PPI显示器显示内容。
本发明通过采用可灵活加载参数的方法，采用多种雷达信号生成和演示方式，可以更好的仿真雷达工作过程，帮助学员更好的掌握雷达原理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置，其特征在于，包括PC端和雷达信号处理平台，PC端和雷达信号处理平台之间交互数据；
PC端包括PC端显示控制模块，PC端显示控制模块向用户提供雷达工作模式选择界面、雷达工作参数设置界面和PPI显示模式/B显示模式的数据展示界面，用户在雷达工作模式选择界面上选择雷达工作模式，在雷达工作参数设置界面设置所选工作模式需要的雷达工作参数；PC端显示控制模块还根据雷达信号处理平台的处理数据进行PPI显示模式/B显示模式的数据展示；所述雷达工作模式包括：基本发射信号模式、模拟雷达中频回波信号模式、接收机噪声及灵敏度模式、天线方向图对回波的调试模式、目标跟踪流程处理模式、多显示模式；
雷达信号处理平台包括FPGA芯片及外围电路，FPGA芯片内置嵌入式控制模块；雷达信号处理平台与PC端交互，将用户输入的数据加载至FPGA芯片的嵌入式控制模块；嵌入式控制模块根据用户输入的雷达工作模式和雷达工作参数切换至相应工作模式，并执行该工作模式下的相应操作，包括：生成雷达发射信号、模拟雷达中频回波、测量接收机的噪声和灵敏度、演示天线方向图对回波的调制、演示雷达跟踪的处理过程以提供可测量的跟踪波门与目标回波的关系、通过PPI显示模式或B显示模式显示执行相应操作的过程或结果。
2.根据权利要求1所述的一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置，其特征在于，所述雷达工作模式相应的雷达工作参数分别为：
的雷达工作参数为：雷达发射中频波形种类、波形种类相应的波形参数、发射中频频率、发射功率；其中，波形种类包括：简单脉冲、LFM、巴克码，简单脉冲的波形参数包括脉冲发射波形重频、简单脉冲发射波形脉宽，LFM的波形参数包括LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间，巴克码的波形参数包括巴克码位数、巴克码码元宽度；
模拟雷达中频回波信号模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度；
接收机噪声及灵敏度模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度、相参/非相参积累点数、信噪比；
天线方向图对回波的调试模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离；
目标跟踪流程处理模式的雷达工作参数为：LFM发射中频频率、脉冲发射波形重频、LFM发射波形调制带宽、LFM脉冲线性调制时间、发射功率、天线增益、发射波长、目标散射截面积、目标距离、目标速度；
多显示模式的雷达工作参数为：显示模式、显示模式参数，其中，显示模式包括PPI显示模式和B显示模式，PPI显示模式的参数包括PPI显示的目标个数和坐标，B显示模式的参数包括B显示的目标个数和坐标。
3.根据权利要求2所述的一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置，其特征在于，所述包括外围电路包括：双通道ADC模块、双通道DAC模块、时钟模块、RS422接口模块、网络接口模块、显示控制模块、显示屏和电源接口模块；双通道ADC模块、时钟模块、RS422接口模块、网络接口模块、显示控制模块分别与FPGA模块相连，显示屏与显示控制模块相连，显示屏支持PPI显示模式和B显示模式，双通道ADC模块外接雷达天线或测试仪表，双通道DAC模块外接雷达天线或测试仪表，测试仪表包括频谱仪和示波器；FPGA模块分别通过网络接口模块和RS422接口模块与PC端交互数据；时钟模块为FPGA模块、双通道ADC模块、双通道DAC模块提供时钟信号，电源接口模块接入220V市电电压，然后将220V电压转换为各模块所需的电压，为各模块供电。
4.根据权利要求3所述的一种可灵活加载参数的雷达多波形信号生成和演示装置，其特征在于，所述FPGA模块根据控制指令文件执行相应操作的具体步骤包括：
基本发射信号模式：FPGA模块根据输入的参数控制内部的DDS产生相应的数字信号，然后通过双通道DAC模块将数字信号转换为射频模拟信号，同时，FPGA通过IO口分别输出脉冲信号和CPI处理节拍信号给测试仪表，测试仪表显示处理周期；当进行检波实验时，双通道DAC模块发出的信号通过双通道ADC模块送给FPGA模块，FPGA模块对经过双通道ADC模块采样形成的数字信号分别做包络检波和正交检波处理，然后将产生的信号由双通道DAC模块送出，作为基本发射信号；
模拟雷达中频回波信号模式：FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出；当进行静态目标模拟时，FPGA模块经双通道ADC模块接收静态目标的回波信号，FPGA模块根据雷达方程和反射信号产生模拟目标回波数字信号，最后将模拟目标回波数字信号送入双通道DAC模块形成雷达中频回波信号；当进行运动目标模拟时，FPGA模块通过IO口距速开关选择目标的运动特性，根据雷达方程和回波信号产生模拟目标回波数字信号，最后将模拟目标回波数字信号送入双通道DAC模块形成雷达中频回波信号；FPGA模块将最终产生的雷达中频回波信号通过显示屏显示，或将雷达中频回波信号发送给PC端，由PC端显示；
接收机噪声及灵敏度模式：进行噪声测试时，FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出；然后FPGA模块经双通道ADC模块测量特定距离上目标反射的回波信号幅度，将回波信号导入示波器，通过示波器测量噪声水平、标定噪声系数；进行切线灵敏度测试时，FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出，然后通过双通道ADC模块采集不同距离上的回波幅度，将回波信号导入示波器，通过示波器计算回波信号的等效灵敏度；
天线方向图对回波的调试模式：FPGA模块根据输入的参数模拟雷达扫描过程，在扫描过程中，FPGA产生LFM发射信号，然后通过双通道ADC模块采集目标物体反射的回波信号；FPGA模块根据回波信号构建天线方向图；FPGA模块通过显示屏显示扫描过程；
目标跟踪流程处理模式：FPGA模块根据输入的参数产生LFM发射信号，并通过双通道DAC模块发出，然后FPGA模块经双通道ADC模块检测回波信号；FPGA模块通过不断发射信号和检测回波信号实现对目标物体的搜索、捕获、距离跟踪；
多显示模式：FPGA模块根据输入的参数切换PPI显示模式或B显示模式。
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