CN111123230A - 相控阵中频雷达模拟器、雷达信号处理机测试方法及装置 - Google Patents

相控阵中频雷达模拟器、雷达信号处理机测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵中频雷达模拟器、雷达信号处理机测试方法及装置，所述雷达模拟器通过信号产生单元产生模拟的目标回波信号，在中频通道单元上再进行目标回波信号各目标特征（距离、回波强度、速度和谱宽、以及波束方向）的模拟，实现了模拟域的目标特征模拟，在进行雷达信号处理机的性能测试时，将实现了各目标特征模拟的目标回波信号传输给数字接收机，由数字接收机的ADC部分量化到数字域，再传输给信号处理单元，实现了雷达信号处理机的性能测试。

Description

相控阵中频雷达模拟器、雷达信号处理机测试方法及装置
技术领域
本发明属于雷达测试技术领域，尤其涉及一种相控阵中频雷达模拟器、雷达信号处理机测试方法及装置。
背景技术
多功能多通道雷达模拟器主要用来在实验室测试过程中，模拟各种制式平台在复杂电磁环境下的各种回波信号，产生逼真的雷达、通讯、导航和干扰等信号，用来测试雷达信号处理机能否满足各种功能及指标要求。雷达信号处理机是雷达系统中的一部分，而雷达信号处理机又包括数字接收机和信号处理单元，数字接收机的主要功能是对雷达天线接收到的微弱信号进行放大、变频、滤波及数字化处理，同时抑制来自外部的干扰、杂波以及机内的噪声，使信号保持尽可能多的目标信息，用来进行进一步的信号处理和数据处理。
目前，主流的雷达模拟器一般采用在信号处理单元在数字域模拟目标，跳过了数字接收机ADC采集部分，对于相控阵雷达而言，相当于跳过了整个相参阵列数字接收机，数字域方式可以用于信号处理单元中算法的测试或验证，由于数字接收机的性能测试或验证需要在中频模拟域进行，因此现有雷达模拟器的数字域方式无法对相参阵列数字接收机的性能进行测试或验证。
例如，申请号为CN201611191293.1，名称为一种数字雷达模拟系统的专利申请，公开了一种数字雷达模拟系统，用于对雷达回波基带信号进行模拟，该雷达模拟系统只能在数字域模拟目标信号，且不能用于模拟相控阵雷达。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种相控阵中频雷达模拟器、雷达信号处理机测试方法及装置，在数字接收机前端产生模拟信号，能够在模拟域模拟目标，实现数字接收机和信号处理单元的性能测试。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种相控阵中频雷达模拟器，包括：信号产生单元、时钟单元以及多个中频通道单元；
每个所述中频通道单元均包括第一功分器、第一FPGA以及多个通道；每个所述通道均包括第一D/A转换器、以及依次连接的输入连接器、第一单刀双掷开关、第一放大器、第一移相器、第二单刀双掷开关、第二移相器、第二放大器、滤波器以及输出连接器，所述第一D/A转换器与所述第二移相器连接；
在每个所述中频通道单元中，所述第一功分器分别与每个通道的输入连接器连接，所述第一FPGA分别与每个通道的第一D/A转换器、第一单刀双掷开关、第一放大器、第一移相器、第二单刀双掷开关以及第二放大器连接；
所述信号产生单元分别与所述时钟单元、每个中频通道单元的第一功分器以及第一FPGA连接。
本发明所述相控阵中频雷达模拟器，通过多个中频通道单元实现了多通道的中频通道，每个通道的幅度、相位独立可控，可以在中频通道单元上模拟目标特征（目标特征包括距离、强度、速度、频谱宽度以及波束角等等），该目标特征可控、可复现；在进行雷达信号处理机的性能测试时，从数字接收机前端开始模拟目标（需要在模拟域进行模拟），将模拟的中频信号发送至数字接收机中，由数字接收机的ADC部分量化到数字域，再传输到信号处理单元，实现了相参阵列数字接收机和信号处理单元的性能测试。
进一步地，所述信号产生单元包括第二FPGA、MCU、DDS（Direct DigitalFrequency Synthesis,直接数字频率合成器）、合路器、数控衰减器、第二功分器、第二D/A转换器、时钟产生模块以及抖动衰减器，所述第二FPGA分别与MCU、DDS、第二D/A转换器以及抖动衰减器连接，所述合路器分别与DDS、第二D/A转换器以及数控衰减器连接，所述数控衰减器与第二功分器连接，所述抖动衰减器分别与DDS、第二D/A转换器连接，所述时钟产生模块与DDS连接；
所述第二FPGA分别与每个所述中频通道单元的第一FPGA连接，所述第二功分器分别与每个所述中频通道单元的第一功分器连接，所述时钟产生模块与所述时钟单元连接。
进一步地，所述第二FPGA通过UART或SPI与每个所述中频通道单元的第一FPGA连接。
进一步地，所述第二FPGA采用XC7A200T系列或XC7K325T系列。
进一步地，所述DDS选用的型号为AD9910。
进一步地，所述抖动衰减器选用的型号为HMC7044。
本发明还提供一种雷达信号处理机测试方法，包括：
步骤1：信号产生单元根据接收到的目标控制参数和同步脉冲信号产生目标回波信号，所述目标回波信号在每个中频通道中被功分为多路后进行幅度和相位的调整，形成包含多通道的目标波束；
步骤2：所述目标波束输入至数字接收机，经数字接收机ADC部分量化至数字域后输入至信号处理单元，以实现雷达信号处理机的性能测试。
本发明的测试方法，由相控阵中频雷达模拟器产生模拟目标信号，该模拟目标信号输入至数字接收机，即从数字接收机前端开始模拟目标，再经量化到数字域后输入至信号处理单元，实现了数字接收机和信号处理单元的性能测试或验证，该测试方法并未跳过数字接收机，且在中频模拟域进行了数字接收机的性能验证，实现了整个雷达信号处理机的性能测试或验证。
进一步地，所述目标控制参数包括目标距离、目标回波强度、目标速度和谱宽、以及目标波束方向。
进一步地，所述步骤1中，通过幅度和相位的调整实现目标波束的距离模拟、回波强度模拟、速度和谱宽模拟、波束方向模拟；
其中，根据第二FPGA实现的可变时间延迟逻辑来控制目标回波信号的起点相对于同步脉冲的延迟，通过所述延迟来实现距离模拟；根据DDS幅度控制字、第一放大器和第二放大器实现的90dB控制范围来控制目标回波信号功率大小，通过信号功率大小实现回波强度模拟；根据DDS相位控制字来控制目标回波信号的初始相位，根据所述初始相位实现速度和谱宽模拟；根据中频通道单元中第一移相器和第二移相器实现的不同相位组合来实现波束方向模拟。
本发明雷达信号处理机的测试方法，在进行波束方向模拟时，采用了模拟移相器，并使用12bit的DAC来驱动，可以实现小于1°的相位调整精度，提高了每个通道相位的控制精度。
本发明还提供一种雷达信号处理机测试装置，包括：上位机、被测雷达信号处理机以及如本发明实施例中任一所述的相控阵中频雷达模拟器；
所述上位机与相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元通讯连接；所述相控阵中频雷达模拟器的输出连接器与所述被测雷达信号处理机中的数字接收机连接，所述被测雷达信号处理机中的信号处理单元与相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元连接。
本发明的测试装置由上位机将目标控制参数传输给相控阵中频雷达模拟器，相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元根据目标控制参数和同步脉冲信号产生目标回波信号，目标回波信号在4个中频通道单元中被功分为64路后进行幅度和相位调整，形成包含64通道的目标波束，目标波束用来进行数字接收机和信号处理单元的性能验证或测试，实现了雷达信号处理机的性能验证。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供的一种相控阵中频雷达模拟器、雷达信号处理机测试方法及装置，该雷达模拟器通过信号产生单元产生模拟的目标回波信号，在中频通道单元上再进行目标回波信号各目标特征（距离、回波强度、速度和谱宽、以及波束方向）的模拟，实现了模拟域的目标特征模拟，在进行雷达信号处理机的性能测试时，将实现了各目标特征模拟的目标回波信号传输给数字接收机，由数字接收机的ADC部分量化到数字域，再传输给信号处理单元，实现了雷达信号处理机的性能测试；本发明的测试方法及装置，在数字接收机前端即输入模拟的目标回波信号，整个相参阵列数字接收机参与性能的测试，既可以实现信号处理单元的测试，又可以实现数字接收机的测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中相控阵中频雷达模拟器的结构示意图；
图2是本发明实施例中中频通道单元的结构示意图；
图3是本发明实施例中信号产生单元的结构示意图；
图4是本发明实施例中相控阵中频雷达模拟器与雷达信号处理机的连接示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明所提供的一种相控阵中频雷达模拟器，包括：一个信号产生单元、一个时钟单元以及四个中频通道单元；每个中频通道单元均包括第一功分器、第一FPGA以及16个通道；每个通道又均包括第一D/A转换器、以及依次连接的输入连接器SMA、第一单刀双掷开关SPDT、第一放大器AMP、第一移相器（0°/180°）、第二单刀双掷开关SPDT、第二移相器（0°～180°）、第二放大器AMP、滤波器LPF以及输出连接器SMA，第一D/A转换器与第二移相器（0°～180°）连接；在每个中频通道单元中，第一功分器分别与每个通道的输入连接器SMA连接，第一FPGA分别与每个通道的第一D/A转换器、第一单刀双掷开关SPDT、第一放大器AMP、第一移相器（0°/180°）、第二单刀双掷开关SPDT以及第二放大器AMP连接；信号产生单元分别与时钟单元、每个中频通道单元的第一功分器以及第一FPGA连接。
本申请的雷达模拟器，通过信号产生单元的DDS产生参数受控的线性调频信号（即需要模拟的目标信号），该线性调频信号分别送至4个中频通道单元，每个中频通道单元的第一功分器将线性调频信号功分为16路，即总共功分为64路，然后功分后的每路信号在每个通道进行幅度、相位调整，以实现包含64通道的目标波束的形成，最后将目标波束输入至数字接收机，经数字接收机ADC量化到数字域后输入至信号处理单元，实现了雷达信号处理机的性能测试或验证。在相位调整时，第一移相器能够实现0°或180°的相位调整，第二移相器能够实现0°到180°的相位调整，且第二移相器通过12bit的DAC来驱动，可以实现小于1°的相位调整精度，提高了每个通道相位的控制精度；第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关用于进行性能验证的选择（即选择雷达模拟器的前端验证还是后端验证）；时钟单元用于产生高质量的时钟信号给信号产生单元和雷达信号处理机。
如图3所示，信号产生单元包括第二FPGA、MCU、DDS、合路器、数控衰减器、第二功分器、第二D/A转换器、时钟产生模块以及抖动衰减器，第二FPGA分别与MCU、DDS、第二D/A转换器以及抖动衰减器连接，合路器分别与DDS、第二D/A转换器以及数控衰减器连接，数控衰减器与第二功分器连接，抖动衰减器分别与DDS、第二D/A转换器连接，时钟产生模块与DDS连接；第二FPGA通过SPI/UART分别与每个中频通道单元的第一FPGA连接，第二功分器分别与每个中频通道单元的第一功分器连接，时钟产生模块与时钟单元连接。第二FPGA还通过其他通信模块与其他所需应用通讯连接，例如以太网、USB接口、RS485、QSFP接口以及LVDS接口。
本实施例中，第二FPGA采用XC7A200T系列或XC7K325T系列，XC7A200T系列或XC7K325T系列FPGA具有高性能、低功耗的优势，且支持高速DDS；DDS选用的型号为AD9910，AD9910是一款内置14位DAC的直接数字频率合成器，支持高达1GSPS采样速率，其采用高级DDS技术，在不牺牲性能的前提下极大的降低了功耗，DDS/DAC组合构成数字可编程的高频模拟输出频率合成器，能够在高达400MHz的频率下生成频率捷变正弦波形；抖动衰减器选用的型号为HMC7044，HMC7044可满足多载波GSM和LTE基站设计的要求，并通过多种时钟管理和分配特性来简化基带和射频无线上网卡时钟树的设计，基站设计人员借助窄带配置第一PLL环路来限制外部VCXO，同时配合HMC7044的高性能双环内核使主系统参考时钟（如CPRI源）的输入抖动性能衰减，从而利用宽带第二PLL产生低相位噪声和高频时钟，以驱动数据转换器采样时钟输入。
本实施例还提供一种雷达信号处理机测试方法，包括：
步骤1：信号产生单元根据接收到目标控制参数和同步脉冲信号产生目标回波信号，所述目标回波信号在每个中频通道中被功分为16路后进行幅度和相位的调整，形成包含64通道的目标波束。
目标控制参数由上位机传输给信号产生单元，具体的目标控制参数包括目标距离、目标回波强度、目标速度和谱宽、以及目标波束方向，目标控制参数根据性能验证需求进行设置。
通过幅度和相位的调整可以实现目标波束的距离模拟、回波强度模拟、速度和谱宽模拟、波束方向模拟，其中，根据第二FPGA实现的可变时间延迟逻辑来控制目标回波信号的起点相对于同步脉冲的延迟，通过该延迟来实现距离模拟；根据DDS幅度控制字、第一放大器和第二放大器实现的90dB控制范围来控制目标回波信号功率大小，通过信号功率大小实现回波强度模拟；根据DDS相位控制字来控制目标回波信号的初始相位，根据该初始相位实现速度和谱宽模拟；根据中频通道单元中第一移相器和第二移相器实现的不同相位组合来实现波束方向模拟。
步骤2：该目标波束输入至数字接收机，经数字接收机ADC部分量化至数字域后输入至信号处理单元，以实现雷达信号处理机的性能测试。
本发明的测试方法，由相控阵中频雷达模拟器产生模拟目标信号，该模拟目标信号输入至数字接收机，即从数字接收机前端开始模拟目标，再经量化到数字域后输入至信号处理单元，实现了数字接收机和信号处理单元的性能测试或验证，该测试方法并未跳过数字接收机，且在中频模拟域进行了数字接收机的性能验证，实现了整个雷达信号处理机的性能测试或验证。在进行波束方向模拟时，采用了模拟移相器，并使用12bit的DAC来驱动，可以实现小于1°的相位调整精度，提高了每个通道相位的控制精度；采用模拟移相器进行移相时，模拟移相器自身以及信号通道的不一致性使得每个通道的默认相位值不一样，而且模拟移相器的相位控制与模拟电压为非线性对应关系，本实施例中使用矢量网络分析仪和使用python编写的测试程序测出各个通道幅度、相位响应数据，根据各个通道幅度、相位响应数据校正默认相位值，使每个通道的默认相位值一致，以提高相位的控制精度。
该测试方法中被测试设备位于雷达模拟器后端，即被称为后端测试，通过本申请中的相控阵中频雷达模拟器还可以实现前端测试（即被测设备位于雷达模拟器的前端），具体的前端测试方法为：将被测设备的输出端与中频通道单元连接，根据中频通道的相位控制参数，对输入中频通道单元的信号进行叠加，实现中频模拟波束形成，通过波束形成的增益来初步判断前端被测设备的信号相位的对齐效果。
如图4所示，本实施例还提供一种雷达信号处理机测试装置，包括：上位机、被测雷达信号处理机以及如本发明实施例中任一所述的相控阵中频雷达模拟器；
上位机与相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元通过串口通讯连接；相控阵中频雷达模拟器的输出连接器SMA与被测雷达信号处理机中的数字接收机连接，被测雷达信号处理机中的信号处理单元与相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元连接。
本发明的测试装置由上位机将目标控制参数传输给相控阵中频雷达模拟器，相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元根据目标控制参数和同步脉冲信号产生目标回波信号，目标回波信号在4个中频通道单元中被功分为64路后进行幅度和相位调整，形成包含64通道的目标波束，目标波束用来进行数字接收机和信号处理单元的性能验证或测试，实现了雷达信号处理机的性能验证。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相控阵中频雷达模拟器，其特征在于，包括：信号产生单元、时钟单元以及多个中频通道单元；
每个所述中频通道单元均包括第一功分器、第一FPGA以及多个通道；每个所述通道均包括第一D/A转换器、以及依次连接的输入连接器、第一单刀双掷开关、第一放大器、第一移相器、第二单刀双掷开关、第二移相器、第二放大器、滤波器以及输出连接器，所述第一D/A转换器与所述第二移相器连接；
在每个所述中频通道单元中，所述第一功分器分别与每个通道的输入连接器连接，所述第一FPGA分别与每个通道的第一D/A转换器、第一单刀双掷开关、第一放大器、第一移相器、第二单刀双掷开关以及第二放大器连接；
所述信号产生单元分别与所述时钟单元、每个中频通道单元的第一功分器以及第一FPGA连接。
2.如权利要求1所述的一种相控阵中频雷达模拟器，其特征在于，所述信号产生单元包括第二FPGA、MCU、DDS、合路器、数控衰减器、第二功分器、第二D/A转换器、时钟产生模块以及抖动衰减器，所述第二FPGA分别与MCU、DDS、第二D/A转换器以及抖动衰减器连接，所述合路器分别与DDS、第二D/A转换器以及数控衰减器连接，所述数控衰减器与第二功分器连接，所述抖动衰减器分别与DDS、第二D/A转换器连接，所述时钟产生模块与DDS连接；
所述第二FPGA分别与每个所述中频通道单元的第一FPGA连接，所述第二功分器分别与每个所述中频通道单元的第一功分器连接，所述时钟产生模块与所述时钟单元连接。
3.如权利要求2所述的一种相控阵中频雷达模拟器，其特征在于，所述第二FPGA通过UART或SPI与每个所述中频通道单元的第一FPGA连接。
4.如权利要求2所述的一种相控阵中频雷达模拟器，其特征在于，所述第二FPGA采用XC7A200T系列或XC7K325T系列。
5.如权利要求2所述的一种相控阵中频雷达模拟器，其特征在于，所述DDS选用的型号为AD9910。
6.如权利要求2所述的一种相控阵中频雷达模拟器，其特征在于，所述抖动衰减器选用的型号为HMC7044。
7.一种雷达信号处理机测试方法，其特征在于，包括：
步骤1：信号产生单元根据接收到的目标控制参数和同步脉冲信号产生目标回波信号，所述目标回波信号在每个中频通道中被功分为多路后进行幅度和相位的调整，形成包含多通道的目标波束；
步骤2：所述目标波束输入至数字接收机，经数字接收机ADC部分量化至数字域后输入至信号处理单元，以实现雷达信号处理机的性能测试。
8.如权利要求7所述的一种雷达信号处理机测试方法，其特征在于，所述目标控制参数包括目标距离、目标回波强度、目标速度和谱宽、以及目标波束方向。
9.如权利要求7所述的一种雷达信号处理机测试方法，其特征在于，所述步骤1中，通过幅度和相位的调整实现目标波束的距离模拟、回波强度模拟、速度和谱宽模拟、波束方向模拟；
其中，根据第二FPGA实现的可变时间延迟逻辑来控制目标回波信号的起点相对于同步脉冲的延迟，通过所述延迟来实现距离模拟；根据DDS幅度控制字、第一放大器和第二放大器实现的90dB控制范围来控制目标回波信号功率大小，通过信号功率大小实现回波强度模拟；根据DDS相位控制字来控制目标回波信号的初始相位，根据所述初始相位实现速度和谱宽模拟；根据中频通道单元中第一移相器和第二移相器实现的不同相位组合来实现波束方向模拟。
10.一种雷达信号处理机测试装置，其特征在于，包括：上位机、被测雷达信号处理机以及如权利要求1-6中任一所述的相控阵中频雷达模拟器；
所述上位机与相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元通讯连接；所述相控阵中频雷达模拟器的输出连接器与所述被测雷达信号处理机中的数字接收机连接，所述被测雷达信号处理机中的信号处理单元与相控阵中频雷达模拟器的信号产生单元连接。
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