CN109917342A

CN109917342A - 一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台

Info

Publication number: CN109917342A
Application number: CN201910180844.1A
Authority: CN
Inventors: 郭剑辉; 牟升; 钟钎钎; 吴轶凡; 蔡球球
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: CN109917342B

Abstract

本发明提出了一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，既能以中频信号模拟方式完整模拟雷达的控制和处理流程，又能在A/D卡和D/A卡不工作的情况下以数字信号模拟方式实现数据处理和闭环验证。本发明能够完整地模拟多功能雷达的控制和处理流程，能更充分利用雷达的系统资源，完成更多的任务事件，减少任务的调度失败率。

Description

一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台

技术领域

本发明属于雷达系统仿真技术领域，具体为一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台。

背景技术

相控阵多功能雷达系统复杂，研制周期长、耗资多，测试实验较为困难。采用雷达系统仿真技术能够在实验室环境中对雷达进行目标与系统仿真，同时既便于对雷达各分系统的功能进行独立验证，又能够对其整体性能进行评估分析，是雷达系统研制中试验与系统性能评估的重要技术手段。

雷达系统仿真是仿真技术与雷达技术结合的产物。首先对雷达进行建模，然后在计算机上复现雷达系统的动态工作过程。具体地说，仿真的对象是雷达系统，包括雷达本身(硬件及软件)、雷达目标及目标环境；仿真的手段是计算机，包括硬件和软件；仿真的方式是复现雷达目标及目标环境信息的雷达信号。

R.L.Mitchell在《雷达系统模拟》一书中较早讨论了雷达系统的仿真，书中对雷达系统仿真的基本概念和基本方法进行了比较详细地阐述。国外具有代表性的是美国Camber公司开发的雷达系统仿真软件Radar Toolkit，可对AWG-9(F-14机载雷达)、APG-65(F/A-18机载雷达)等近20种不同体制的雷达系统进行模拟，提供了地面环境、海面环境、辐射环境、气象环境、目标模拟、敌我识别等模块，并对雷达信号处理性能进行了仿真与分析。还有英国DERA Sea Systems公司开发的海军雷达仿真平台NaRCoSis仿真平台，它可用于MESAR2、Sampson、T996、EMPAR等多种雷达的分析和评估，能够模拟多种天线模式、地海杂波以及雷达的信号处理过程，如MTI、脉冲多普勒处理、CFAR和目标检测等。国内对雷达系统仿真技术的研究也取得一定发展，但总的来说，国内的雷达系统模拟软件还主要是基于已有的仿真软件，如Matlab、System View、SPW等。西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室对机载雷达的仿真研究做了大量的工作，基于MATLAB软件平台和ADS软件平台对机载火控雷达进行了较为详尽的系统仿真，建立了雷达系统模型库，包括环境回波模型、天线模型、干扰识别及抗干扰模型、信号处理模型、数据处理模型和波束控制模型等。电子科技大学对机载雷达系统仿真技术也进行了一系列的研究，包括雷达回波信号级的数字仿真以及机载雷达工作模式的仿真等，形成比较完备的雷达系统模拟软件。

专利方面，申请号为CN201611140641.2的中国发明专利申请提供了一种针对至少一种雷达场景的雷达目标仿真设备；申请号为CN201610361391.9的中国发明专利申请提供了一种雷达仿真系统的建模方法及子系统模型的创建；申请号为CN201710621896.9的中国发明专利申请提供了一种基于通用雷达仿真模块构建雷达仿真模型的方法；申请号为CN201710209624.8的中国发明专利申请提供了一种相控阵雷达仿真系统；申请号为CN201410173557.5的中国发明专利申请提供了一种实现相控阵雷达并行仿真计算的系统及方法。

尽管上述的方法都对雷达系统进行了仿真模拟，但都是针对特定场景或者特定功能进行的仿真。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台。

实现本发明的技术解决方案为：一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，包括高速网卡1、高速网卡2、定时器、A/D卡、D/A卡、参考时钟、雷达控制模块、定时解算模块、信号处理模块和回波模拟模块，所述雷达控制模块用于根据资源调度设置产生驻留参数并发送给定时解算模块及高速网卡1，所述定时解算模块用于根据驻留参数解算出控制时序和指令，并将控制时序和指令下发给定时器，所述定时器用于根据控制时序和指令，产生输出回波窗口触发信号至D/A卡，产生接收波门触发信号至A/D卡；所述高速网卡1、高速网卡2、回波模拟模块依次连接，所述回波模拟模块用于产生雷达数字回波数据；所述D/A卡用于根据回波窗口触发信号获取回波模拟模块产生的数字中频回波信号发送给A/D卡，所述A/D卡根据接收波门触发信号接收数字中频回波信号并将其发送给信号处理模块；所述高速网卡1及高速网卡2被设置为当A/D卡或/和D/A卡出现故障时，直接获取回波模拟模块产生的雷达数字回波数据传送至信号处理模块；所述信号处理模块雷达数字回波数据进行处理，并将处理结果存储或发送至雷达控制模块。

优选地，所述雷达数字回波数据包括不同回波信号的波形产生及复杂环境的模拟，所述复杂环境包括杂波信号、干扰信号。

优选地，所述驻留参数包括波束驻留脉冲个数及周期，采样波门位置偏移及大小，模拟目标触发定时位置和控制指令表。

优选地，包括两种工作状态且两种工作状态交替进行，具体为：

(1)中频信号模拟方式：雷达控制模块根据设置产生驻留参数并发送给定时解算模块，定时解算模块根据驻留参数解算出控制时序和指令，并将控制时序和指令下发给定时器，定时器根据控制时序和指令，产生输出回波窗口触发信号至D/A卡，产生接收波门触发信号至A/D卡，D/A卡根据回波窗口触发信号获取回波模拟模块产生的数字中频回波信号发送给A/D卡，A/D卡根据接收波门触发信号接收数字中频回波信号并将其发送给信号处理模块；

(2)数字信号模拟方式：在D/A卡和A/D卡不工作的情况下，雷达控制模块通过PCIe总线控制高速网卡1和高速网卡2进行数据传输，直接将回波模拟模块产生的雷达数字回波数据发送给信号处理模块。

优选地，在中频信号模拟方式状态下，信号样式为单载频，中心频率为10MHz，脉宽为100us，驻留周期为8ms，驻留脉冲数为8，脉冲重复周期为1ms，采样率取400MHz，接收波门触发取450μs～650μs，目标回波时延为500μs，回波幅度为400mV，回波窗口触发取480μs～620μs；

在数字信号模拟方式状态下，信号样式为线性调频信号，中心频率为50MHz，带宽为5MHz，脉宽为10us，驻留周期为6ms，驻留脉冲数为4，脉冲重复周期为1.5ms，采样率取200MHz，接收波门触发取780μs～820μs，目标回波时延为800μs，回波幅度为100mV，回波窗口触发取770μs～830μs。

优选地，所述雷达控制模块的资源调度设置具体为基于优先级的动态自适应资源调度，优先级具体为：1、高速目标跟踪2、弱小目标跟踪3、空中常规目标跟踪4、空间目标跟踪5、特殊区域搜索6、警戒搜索；当任务优先级相同时，按优先级抢占式调度执行。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明能够完整地模拟多功能雷达的控制和处理流程；2)本发明能以中频信号模拟方式和数字信号模拟方式两种工作模式复现雷达的信号和动态工作过程，能更充分利用雷达的系统资源，完成更多的任务事件，减少任务的调度失败率；3)本发明提出基于优先级的动态自适应雷达资源调度方法，为一个调度间隔选择一个最佳的雷达事件序列，使得雷达在有限的系统资源条件下达到能量利用率的最大化。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图。

图2为本发明的硬件模块与应用软件模块之间的连接关系图。

图3为本发明的中频信号模拟方式处理流程图。

图4为本发明的数字信号模拟方式处理流程图。

图5为本发明的应用软件组成示意图。

图6为本发明的应用软件处理流程图。

图7为本发明的雷达控制模块流程图。

图8为本发明的定时解算模块流程图。

图9为本发明的回波模拟模块流程图。

图10为本发明的信号处理模块流程图。

图11为中频信号模拟方式下信号仿真图，其中图11(a)为时域仿真图，图11(b)为时域信号放大图。

图12为数字信号模拟方式下信号仿真图，其中图12(a)为时域仿真图，图12(b)为时域信号放大图。

图13为基于优先级的动态自适应多任务调度模型。

图14为雷达资源调度与控制工作流程图。

图15为雷达能量使用率情况统计示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，包括高速网卡1、高速网卡2、定时器、A/D卡、D/A卡、参考时钟、雷达控制模块、定时解算模块、信号处理模块和回波模拟模块，所述雷达控制模块用于根据资源调度设置产生驻留参数并发送给定时解算模块及高速网卡1，所述定时解算模块用于根据驻留参数解算出控制时序和指令，并将控制时序和指令下发给定时器，所述定时器用于根据控制时序和指令，产生输出回波窗口触发信号至D/A卡，产生接收波门触发信号至A/D卡；所述高速网卡1、高速网卡2、回波模拟模块依次连接，所述回波模拟模块用于产生雷达数字回波数据；所述D/A卡用于根据回波窗口触发信号获取回波模拟模块产生的数字中频回波信号发送给A/D卡，所述A/D卡根据接收波门触发信号接收数字中频回波信号并将其发送给信号处理模块；所述高速网卡1及高速网卡2被设置为当A/D卡或/和D/A卡出现故障时，直接获取回波模拟模块产生的雷达数字回波数据传送至信号处理模块；所述信号处理模块雷达数字回波数据进行处理，并将处理结果存储或发送至雷达控制模块，图中：

1.①为参考时钟模块给定时器提供基准时钟

2.②、③为参考时钟模块给A/D卡、D/A卡提供统一的A/D或D/A时钟

3.④、⑤为由定时器产生的定时信号(驻留、波门等)送A/D卡、D/A卡作为触发信号

4.⑥为雷达仿真计算机与目标模拟计算机数据交互的快速通道，可实现准同步模式数据收发。

硬件模块和应用软件软件模块的连接关系如图2所示；实现完整的雷达目标与系统仿真具体步骤如下：

第一步、雷达控制模块产生驻留参数：

运行在仿真计算机中的雷达控制模块按照界面设置的要求产生驻留参数(包括波束驻留脉冲个数及周期，采样波门位置偏移及大小，模拟目标触发定时位置和控制指令表等)，发送给定时解算模块。

第二步、定时器产生各种定时脉冲或波门定时：

定时解算模块将驻留参数进行解算生成帧定时时序和指令，并将指令下发给定时器，定时器根据解算出的全机定时时序，产生各种定时脉冲或波门定时，分别控制D/A卡及A/D卡；

第三步、目标模拟计算机模拟目标实时产生过程：

定时器模块输出驻留导前定时信号作为目标模拟计算机开始计算当前回波的触发信号，目标模拟计算机中的回波模拟模块在导前时刻内完成目标位置解算、不同回波信号的波形产生，及复杂的环境模拟(如杂波信号，干扰信号等)；D/A卡也根据此触发信号，结合回波模拟模块根据时序输出中频回波信号给A/D卡，A/D卡完成对D/A卡回波数据的中频采样，并把回波数据送给信号处理模块进行后续处理。

第四步、信号处理模块对数据进行后续处理：

信号处理模块对收到的回波数据等进行后续的处理和闭环验证；

当第二步中A/D卡和D/A卡正常工作，则仿真平台按照中频信号模拟方式完整模拟雷达的控制和处理流程，如图3所示；

当第二步中A/D卡和D/A卡不工作，此时定时器根据定时解算模块解算出来的全机定时时序，产生各种定时脉冲，通过PCIe总线直接控制仿真计算机中的高速网卡1发送控制信号给目标模拟计算机中的高速网卡2，并控制回波模拟模块进行回波数字计算，按照雷达真实时序产生设置的雷达数字回波数据，并通过高速网卡2再实时传送给高速网卡1，高速网卡1收到数据后将数据送至信号处理模块进行后续的处理和闭环验证工作。本发明在A/D卡和D/A卡不工作的情况下也能复现雷达的信号和动态工作过程，具体流程如图4所示。

上面步骤中应用软件主要用于模拟真实雷达的工作流程，并验证各项硬件设备的功能和性能指标要求。应用软件主要包括以下几个模块(如图5所示)：雷达控制模块、定时解算模块、信号处理模块以及回波模拟模块(可包含目标场景加载)。应用软件的主要处理流程如图6所示：雷达控制模块(如图7所示)通过预置参数(本地加载或界面控制)，进行参数装订，控制指令产生，在驻留导前定时中断时刻，预置下个周期的定时时序、目标位置及处理方式等。定时解算模块(如图8所示)根据雷达控制模块送来的定时时序表产生相应的定时信号，并完成目标场景的加载；回波模拟模块(如图9所示)接收到指令后实时计算本周期内所有脉冲的回波数字信号，并可以添加噪声和杂波等复杂场景，数字信号经过D/A变换为中频模拟信号，通过中频电缆传送给中频采样模块(A/D)变换；信号处理模块(如图10所示)通过计算机PCIe总线实时获取当前脉冲的采样数据，完成相应的算法处理，结果可以上报、存储或送主控程序完成闭环处理。

包括两种工作状态且两种工作状态交替进行，具体为：

两种工作状态具体要求如下：

(1)在中频信号模拟方式状态下，信号样式为单载频，中心频率为10MHz，脉宽为100us，驻留周期为8ms，驻留脉冲数为8，脉冲重复周期为1ms，采样率取400MHz，接收波门触发取450μs～650μs，目标回波时延为500μs，回波幅度为400mV，回波窗口触发取480μs～620μs。

(2)在数字信号模拟方式状态下，信号样式为线性调频信号，中心频率为50MHz，带宽为5MHz，脉宽为10us，驻留周期为6ms，驻留脉冲数为4，脉冲重复周期为1.5ms，采样率取200MHz，接收波门触发取780μs～820μs，目标回波时延为800μs，回波幅度为100mV，回波窗口触发取770μs～830μs。根据A、B状态的要求，进行仿真分析。图11、图12分别为系统要求的两种状态下的信号产生仿真图。

雷达控制模块采用基于优先级的动态自适应资源调度方法，如图13所示，优先级具体为高速目标、弱小目标(如无人机)、常规目标、空间目标(如卫星)等的搜索、跟踪以及特殊区域和警戒区域的波位编排，如图14所示；能够根据任务参数和雷达参数设置调整策略；能够接收上机单位的任务和控制指令，调度雷达的能量资源；并能够统计雷达的能量利用率和任务调度的成功率；当雷达受到压制干扰后，能够通过调整雷达参数改变能量分配。由于雷达资源的调度和雷达信号处理是耦合的，所以雷达控制模块接收雷达信号处理模块的目标档案信息，其输出为一系列的波位序列。

波位调度一般都是按固定的节拍进行。调度节拍可根据跟踪的最高数据率选取，雷达控制模块每收到一个定时脉冲信号，就进行一次波位编排。波位编排从各任务的波位池中选出下一节拍内需要发射的波位脉冲，由于时间有限，优先满足任务优先级高的任务，如资源紧张，低优先级的任务需要等高优先级任务结束后才开始进行执行。对于同级别的任务，则按“先收到先执行”的原则执行。

图15是各类任务能量使用率情况示意图，该统计数据按照调度节拍进行动态更新，即在每个调度周期内统计每种任务波位驻留时间之和与调度周期的百分比。

能量反馈的具体情况包括：(1)每批目标的跟踪消耗的能量率；(2)每个区域的搜索消耗的能量率；(3)每种任务消耗的能量率，比如搜索、精跟踪、粗跟踪消耗的能量率；(4)剩余的能量情况。

能量使用率是指一个时间统计周期内，调度的某任务的波位驻留时间之和占总时间的百分比。

其中：P_ti为某项任务的能量百分比，T_ti为该周期内为完成第i项任务调度的所有波位的驻留时间之和，T_total为总时间，一般可等于统计周期。

式中，N为该周期内为完成第i项任务所调度的波位数，为第j个波位的驻留时间。

Claims

1.一种中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，其特征在于，包括高速网卡1、高速网卡2、定时器、A/D卡、D/A卡、参考时钟、雷达控制模块、定时解算模块、信号处理模块和回波模拟模块，所述雷达控制模块用于根据资源调度设置产生驻留参数并发送给定时解算模块及高速网卡1，所述定时解算模块用于根据驻留参数解算出控制时序和指令，并将控制时序和指令下发给定时器，所述定时器用于根据控制时序和指令，产生输出回波窗口触发信号至D/A卡，产生接收波门触发信号至A/D卡；所述高速网卡1、高速网卡2、回波模拟模块依次连接，所述回波模拟模块用于产生雷达数字回波数据；所述D/A卡用于根据回波窗口触发信号获取回波模拟模块产生的数字中频回波信号发送给A/D卡，所述A/D卡根据接收波门触发信号接收数字中频回波信号并将其发送给信号处理模块；所述高速网卡1及高速网卡2被设置为当A/D卡或/和D/A卡出现故障时，直接获取回波模拟模块产生的雷达数字回波数据传送至信号处理模块；所述信号处理模块对雷达数字回波数据进行处理，并将处理结果存储或发送至雷达控制模块。

2.根据权利要求1所述的中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，其特征在于，所述雷达数字回波数据包括不同回波信号的波形产生及复杂环境的模拟，所述复杂环境包括杂波信号、干扰信号。

3.根据权利要求1所述的中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，其特征在于，所述驻留参数包括波束驻留脉冲个数及周期，采样波门位置偏移及大小，模拟目标触发定时位置和控制指令表。

4.根据权利要求1所述的中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，其特征在于，包括两种工作状态且两种工作状态交替进行，具体为：

5.根据权利要求4所述的中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，其特征在于，在中频信号模拟方式状态下，信号样式为单载频，中心频率为10MHz，脉宽为100us，驻留周期为8ms，驻留脉冲数为8，脉冲重复周期为1ms，采样率取400MHz，接收波门触发取450μs～650μs，目标回波时延为500μs，回波幅度为400mV，回波窗口触发取480μs～620μs；

6.根据权利要求1所述的中频信号与数字信号双模式的雷达仿真平台，其特征在于，所述雷达控制模块的资源调度设置具体为基于优先级的动态自适应资源调度，优先级具体为：1、高速目标跟踪2、弱小目标跟踪3、空中常规目标跟踪4、空间目标跟踪5、特殊区域搜索6、警戒搜索；当任务优先级相同时，按优先级抢占式调度执行。