CN111505595A - 雷达动目标模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种雷达动目标模拟系统，包括雷达信号接收单元、信号处理控制单元、雷达目标模拟单元和雷达信号发射单元，雷达信号接收单元用于接收被测雷达低功率发射信号进行下变频和功率调整后分成两路分别输出至信号处理控制单元和雷达目标模拟单元，信号处理控制单元连接雷达目标模拟单元；雷达目标模拟单元接收雷达信号接收单元输出的中频信号，并根据检波门限信号和目标回波参数生成雷达基带目标回波基带信号，并输出到雷达信号发射单元通过天线辐射到被测设备，本发明中通过引入目标轨迹模型，使其可针对快速目标、低速目标，以及大目标或小目标进行同台模拟，提高了系统的适用性和精准度。
Description
技术领域
本发明涉及雷达领域，具体涉及一种雷达动目标模拟系统。
背景技术
雷达动目标是指雷达探测空域的移动目标，对于机场近空，或者是作战空域，对于动目标的检测也存在不同的侧重点，在机场近空对动目标的检测主要是排除动目标对飞机升空和降落过程中的干扰，主要对象是无人机和飞鸟等动目标。对于作战空域而言，动目标主要是指导弹等快速移动的目标，雷达在检测过程中至少应该满足快速反应和准确率高两个技术指标，这就使得雷达在设计过程中需要进行动目标测试。雷达动目标模拟系统是用于模拟动目标回波信号，其模拟性能主要包括动态范围、模拟距离以及模拟速度等。然而在不同应用场景中，动目标的性能也不同，例如导弹的速度明显高于无人机和飞鸟，因此使得传统的雷达动目标模拟系统往往都是针对某一类动目标进行模拟，无法进行多种类型目标的切换。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种雷达动目标模拟系统，通过提高复杂信号的合成以及，可针对快速目标和低速目标进行同台模拟测试。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种雷达动目标模拟系统，包括雷达信号接收单元、信号处理控制单元、雷达目标模拟单元和雷达信号发射单元；
所述雷达信号接收单元用于接收被测雷达低功率发射信号进行下变频和功率调整后分成两路分别输出至信号处理控制单元和雷达目标模拟单元；
所述信号处理控制单元通过输入设备根据要辐射的雷达信号频率、功率输入控制指令，并将控制指令发送至雷达目标模拟单元；
所述雷达目标模拟单元接收雷达信号接收单元输出的中频信号，并根据检波门限信号和目标回波参数生成雷达基带目标回波基带信号，并输出到雷达信号发射单元；
雷达信号发射单元对雷达基带目标回波基带信号进行多普勒调制、上变频，产生高中频的雷达目标回波信号，经射频通道X波段上变频模块进行上变频和幅度控制，生成X波段的目标回波经过功率放大器后再通过天线辐射到被测设备；
还包括一个为雷达信号接收单元、信号处理控制单元、雷达目标模拟单元和雷达信号发射单元提供上变频或下变频所需的本振信号、时钟基准信号的频率合成器单元。
进一步的，所述雷达信号接收单元包括依次串联的限幅放大器、下变频器、功分器以及信号调理电路；
所述功分器输出端一路经信号调理电路输出至信号处理控制单元和频率合成器单元，用于生成信号处理控制单元所需的检波门限信号，以及用于引导雷达信号发射单元中各级开关滤波器组的选通；
所述功分器输出端另一路输出至雷达目标模拟单元，用于生成目标信号的多普勒频率。
进一步的，所述雷达信号发射单元包括两路依次串联的8-12GHz变频网络、放大滤波电路、数控衰减器、功率合成器；
一路与雷达目标模拟单元连接，另一路与所述噪声干扰单元连接，对0～1GHz雷达目标回波信号和噪声干扰信号进行上变频、放大滤波、幅度控制、功率放大后通过天线辐射输出到被测雷达。
进一步的，所述信号处理控制单元由功分器二、两个鉴频器、视放及量化电路和编码电路组成；
所述由功分器二输入端用于接收雷达信号接收单元输出的一路中频信号；
所述由功分器二的两个输出端分别连接至一个鉴频器的输入端，所述鉴频器输出端连接至视放及量化电路，视放及量化电路连接至编码电路。
进一步的，所述雷达目标模拟单元包括两路依次串联的多普勒调制模块、0-1GHz上变频网络、放大滤波电路，以及数字储频单元、目标回波及干扰解算单元和噪声干扰产生单元；
所述多普勒调制模块将多普勒频率调制到数字储频单元输出的目标回波信号上，再将噪声干扰产生单元输出的噪声干扰基带信号叠加到回波信号上，最后通过数字上变频变频至0.2～1GHz的中频信号并发送至射频通道单元经天线辐射至被测雷达。
进一步的，所述目标回波及干扰解算单元通过PCI/CPCI总线接收并显示控制单元的战情数据和控制命令，通过高速DSP和FPGA对目标或平台的轨迹参数、目标参数、干扰样式和干扰参数进行解算和分配，通过高速数字I/O和串口、网口通信接口与数字储频单元、噪声产生单元进行通信，控制数字储频单元、噪声产生单元完成目标回波和噪声干扰信号的产生。
进一步的，所述轨迹参数模型包括地形高度模型和观测向量模型，其中，地形高度模型为：
其中，观测向量模型为：
本发明的有益效果是：
1）.方案中有FPGA利用内部软件按各信号模型的传递函数来对信号进行产生、幅度控制和调制，最后通过DA只产生一路经处理和合成后的信号直接用于调制载波，信号的频率及相位精度由FPGA时钟决定，所有信号的幅度精度由DA的基准源和DA分别率决定。这样的方案有硬件电路简单，体积小，可靠性高、功耗低和精度可控的特点，完全满足系统要求；
2）.采用基于高速D/A、可编程逻辑器件(FPGA)、高速数据存储器件构建的直接数字频率合成技术，结合复杂信号的数字建模，能灵活实现各种数字波形及频率合成。利用FPGA的可编程逻辑实现功能，高效地分配协调处理资源，灵活实现数字技术任意波形合成。还可在硬件电路不变的情况下，通过修改软件方便地实现对该功能模块的改进及功能扩展。应用该技术，可以实现基带频率合成的小型化和可编程性，大大提高了设计的灵活性。雷达动目标模拟器可实现常规脉冲雷达信号、脉组频率跳变、脉组频率参差、频率捷变雷达信号、重频抖动、重频参差等信号类型的回波信号。
3）.由于雷达动目标模拟器工作带宽较宽，需要经过多级变频实现，杂散抑制是本单元的一大技术难点，设计时从基带信号产生、本振信号合成及微波变频通道实现上均采取了低杂散抑制措施；在数字基带信号合成上选用了低杂散的DAC，变频通道设计时通过交调仿真，合理选择混频频率、开关滤波器通带带宽，有效抑制了变频单元的交调信号，提升了整机的杂散抑制指标。
附图说明
图1是雷达动目标模拟器原理框图；
图2是接收单元组成框图；
图3是雷达信号发射单元组成原理框图；
图4是信号处理控制单元原理框图；
图5是雷达目标模拟单元组成原理框图；
图6是目标回波及干扰解算单元组成框图；
图7是频率合成器组成原理框图；
图8是雷达系统性能测试框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
参考图1所示，一种雷达动目标模拟系统，包括雷达信号接收单元、信号处理控制单元、雷达目标模拟单元和雷达信号发射单元；雷达信号接收单元用于接收被测雷达低功率发射信号进行下变频和功率调整后分成两路分别输出至信号处理控制单元和雷达目标模拟单元；信号处理控制单元通过输入设备根据要辐射的雷达信号频率、功率输入控制指令，并将控制指令发送至雷达目标模拟单元；雷达目标模拟单元接收雷达信号接收单元输出的中频信号，并根据检波门限信号和目标回波参数生成雷达基带目标回波基带信号，并输出到雷达信号发射单元；雷达信号发射单元对雷达基带目标回波基带信号进行多普勒调制、上变频，产生高中频的雷达目标回波信号，经射频通道X波段上变频模块进行上变频和幅度控制，生成X波段的目标回波经过功率放大器后再通过天线辐射到被测设备；还包括一个为雷达信号接收单元、信号处理控制单元、雷达目标模拟单元和雷达信号发射单元提供上变频或下变频所需的本振信号、时钟基准信号的频率合成器单元。
雷达信号接收单元通过射频电缆接收被试雷达低功率发射信号并处理。射频信号进行下变频和功率调整后功分成2路， 1路送入信号处理控制单元，产生所需的检波门限信号,进行频率、功率、脉宽、重频等脉冲参数测量；1路送入雷达目标模拟单元，作为雷达目标模拟的输入信号。
根据要辐射的雷达信号频率、功率，通过输入设备（键盘和显示器）操作，把命令输出到信号处理控制单元。接收到功率信息后通过控制数控衰减器实现输出功率变化；接收到发射的雷达信号后，在显示器上显示出来，并提供告警信号。信号处理控制单元确定需要发射的信号信息，然后再通过RS422发送命令到雷达目标模拟单元。
雷达目标模拟单元接收雷达信号接收单元输出的中频信号，并根据检波门限信号和目标回波参数生成雷达基带目标回波基带信号，并输出到雷达信号发射单元。
频率合成器单元的主要功能为雷达信号接收单元、雷达信号发射单元、雷达目标模拟单元、噪声产生单元、中频调制单元提供上、下变频所需的本振信号、时钟基准信号，使整机时钟统一。
雷达信号发射单元对雷达基带目标回波基带信号进行多普勒调制、上变频，产生高中频的雷达目标回波信号，再经射频通道X波段上变频模块进行上变频和幅度控制，生成X波段的目标回波经过功放后再通过天线辐射到被试设备。
参考图2所示，雷达信号接收单元包括依次串联的限幅放大器、下变频器、功分器以及信号调理电路；功分器输出端一路经信号调理电路输出至信号处理控制单元和频率合成器单元，用于生成信号处理控制单元所需的检波门限信号，以及用于引导雷达信号发射单元中各级开关滤波器组的选通；功分器输出端另一路输出至雷达目标模拟单元，用于生成目标信号的多普勒频率。
限幅放大器完成对输入信号的稳幅放大作用，实现对雷达信号的平稳接收；下变频器及信号调理电路主要进行外部信号的频率转换，变为中频信号，并用于引导各级开关滤波器组的选通，频率合成器的控制、目标信号的多普勒频率产生等，并产生基带信号处理控制单元所需的检波门限信号。
参考图3所示，雷达信号发射单元包括两路依次串联的8-12GHz变频网络、放大滤波电路、数控衰减器、功率合成器；一路与雷达目标模拟单元连接，另一路与噪声干扰单元连接，对0～1GHz雷达目标回波信号和噪声干扰信号进行上变频、放大滤波、幅度控制、功率放大后通过天线辐射输出到被测雷达。
雷达信号发射单元的主要任务是对0～1GHz雷达目标回波信号和噪声干扰信号进行上变频、放大滤波、幅度控制、功率放大后通过天线辐射输出到被试雷达。为了满足模拟器60dB输出功率可调的指标要求，此处的数控衰减器选用75dB的可调范围来实现。
参考图4所示，信号处理控制单元由功分器二、两个鉴频器、视放及量化电路和编码电路组成；由功分器二输入端用于接收雷达信号接收单元输出的一路中频信号；由功分器二的两个输出端分别连接至一个鉴频器的输入端，鉴频器输出端连接至视放及量化电路，视放及量化电路连接至编码电路。
信号处理控制单元主要是对接收到的被试雷达脉冲信号的脉冲宽度、重频等参数进行测量。信号处理控制单元接收8～12GHz的射频信号，通过8～12GHz的DLVA对输入信号进行检波。被试雷达发射信号经检波放大后的视频脉冲信号，通过门限控制和脉冲整形电路，用于产生瞬时测频电路、杂波调制产生单元和两套宽带DRFM单元所需的检波门限信号，同时测量脉宽和重频，并将重频、脉宽、检波脉冲送宽带DRFM单元和噪声干扰产生单元。
参考图5所示，雷达目标模拟单元包括两路依次串联的多普勒调制模块、0-1GHz上变频网络、放大滤波电路，以及数字储频单元、目标回波及干扰解算单元和噪声干扰产生单元，多普勒调制模块将多普勒频率调制到数字储频单元输出的目标回波信号上，再将噪声干扰产生单元输出的噪声干扰基带信号叠加到回波信号上，最后通过数字上变频变频至0.2～1GHz的中频信号并发送至射频通道单元经天线辐射至被测雷达。
参考图6所示，目标回波及干扰解算单元通过PCI/CPCI总线接收并显示控制单元的战情数据和控制命令，通过高速DSP和FPGA对目标或平台的轨迹参数、目标参数、干扰样式和干扰参数进行解算和分配，通过高速数字I/O和串口、网口通信接口与数字储频单元、噪声产生单元进行通信，控制数字储频单元、噪声产生单元完成目标回波和噪声干扰信号的产生。
其中，目标参数包括目标体积和运动速度，体积采用目标高度或者厚度h表示，速度v表示。干扰样式指称干扰调制样式。以某种波形对干扰发射设备的载波进行调制后的信号样式。可按干扰的起源、形成方法、作用效果、干扰频谱宽度、干扰信号波形等进行分类。凡是本领域已知的干扰样式均可用于本方案，其中干扰参数可根据测试需求进行设计。
在另一个方面，本发明提供了一个轨迹参数模型，以消除目标类型不同造成的模拟误差，这里所指的目标类型不同，主要是指快速目标相对低速目标，大目标相对于小目标，其中快与低，大于小并无实际参数取值，仅仅是相对而言，针对不同应用领域可自行设置阈值进行区分。
更为具体的，轨迹参数模型包括地形高度模型和观测向量模型，其中，地形高度模型为：
其中，观测向量模型为：
在具体的操作中，t的操作时间为毫秒级，对于低速目标而言
无限趋近于0，对于高速目标而言，
则不可忽略，也就是说本发明中利用
作为快速目标的校正参数，使得本发明可针对低速和快速目标进行同台测试。
参考图7所示，频率合成器单元的主要功能为接收测频单元、中频分配单元、数字储频单元、噪声产生单元、中频调制单元及射频通道单元提供上、下变频所需的本振信号、时钟基准信号，使整机时钟统一。频率合成器主要由晶振、DDS、谐波发生器、功分器、放大器、混频器、微波开关、控制电路等组成，本模拟器为适应快速频率捷变雷达信号，采用高速捷变频设计思路，主要基于谐波发生器和DDS混频等直接合成法实现，内部晶体振荡器采用高频率稳定度，高相位噪声器件实现，典型相位噪声为-150dBc/Hz@1KHz，其原理图参考图7所示。
除此之外，本系统还包括一个显示控制模块以及电源，主要由单片机、显示器、键盘等组成，考虑到便携性和环境适应性，采用5寸OLED显示器，采用硅胶密封按钮键盘。显示器安装在机箱前面板上，用户利用液晶显示屏通过键盘输入控制进行场景设置，也可采用网络方式进行远程控制。
显示控制单元主要是为用户提供良好的人机界面，完成整个系统的战情设置，它通过目标回波及干扰解算单元进行通信完成系统命令和整个系统的实时运行控制。
显示控制单元通过操控人机界面进行试验战情的设置、战情分解和系统运行控制。测试前，向各单元发送自检命令，对系统进行自检和故障诊断；战情设置包括目标特性及运动参数、压制干扰参数、系统工作参数的设置和分解；试验初始化阶段，通过初始化命令，对目标回波及干扰解算单元、数字储频单元、噪声干扰产生单元进行战情初始化，对接收单元、中频分配单元、中频调制单元、射频通道单元、频率合成器进行控制；试测试过程中可通过人机界面的控制菜单进行测试的开始和停止。
参考图8所示，是本系统测试原理框图，雷达系统的性能测试主要在定检时进行，检查雷达性能指标是否满足设计要求。主要内容包括雷达的灵敏度及动态范围、模拟距离、模拟速度等性能的测试。在上述的性能测试中，测试原理基本一致，主要通过雷达动目标模拟器的雷达目标模拟单元产生不同的激励信号通过辐射或注入式式发送至雷达系统，操作人员在座舱内控制雷达进入不同的工作模式，同时使用主控制器远程控制雷达目标模拟单元产生不同的激励信号，操作人员在座舱观察雷达系统是否按剧情要求正常工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种雷达动目标模拟系统，其特征在于，包括雷达信号接收单元、信号处理控制单元、雷达目标模拟单元和雷达信号发射单元；
所述雷达信号接收单元用于接收被测雷达低功率发射信号进行下变频和功率调整后分成两路分别输出至信号处理控制单元和雷达目标模拟单元；
所述信号处理控制单元通过输入设备根据要辐射的雷达信号频率、功率输入控制指令，并将控制指令发送至雷达目标模拟单元；
所述雷达目标模拟单元接收雷达信号接收单元输出的中频信号，并根据检波门限信号和目标回波参数生成雷达基带目标回波基带信号，并输出到雷达信号发射单元；
雷达信号发射单元对雷达基带目标回波基带信号进行多普勒调制、上变频，产生高中频的雷达目标回波信号，经射频通道X波段上变频模块进行上变频和幅度控制，生成X波段的目标回波经过功率放大器后再通过天线辐射到被测设备；
还包括一个为雷达信号接收单元、信号处理控制单元、雷达目标模拟单元和雷达信号发射单元提供上变频或下变频所需的本振信号、时钟基准信号的频率合成器单元。
2.根据权利要求1所述的雷达动目标模拟系统，其特征在于，所述雷达信号接收单元包括依次串联的限幅放大器、下变频器、功分器以及信号调理电路；
所述功分器输出端一路经信号调理电路输出至信号处理控制单元和频率合成器单元，用于生成信号处理控制单元所需的检波门限信号，以及用于引导雷达信号发射单元中各级开关滤波器组的选通；
所述功分器输出端另一路输出至雷达目标模拟单元，用于生成目标信号的多普勒频率。
3.根据权利要求2所述的雷达动目标模拟系统，其特征在于，所述雷达信号发射单元包括两路依次串联的8-12GHz变频网络、放大滤波电路、数控衰减器、功率合成器；
一路与雷达目标模拟单元连接，另一路与噪声干扰单元连接，对0～1GHz雷达目标回波信号和噪声干扰信号进行上变频、放大滤波、幅度控制、功率放大后通过天线辐射输出到被测雷达。
4.根据权利要求3所述的雷达动目标模拟系统，其特征在于，所述信号处理控制单元由功分器二、两个鉴频器、视放及量化电路和编码电路组成；
所述由功分器二输入端用于接收雷达信号接收单元输出的一路中频信号；
所述由功分器二的两个输出端分别连接至一个鉴频器的输入端，所述鉴频器输出端连接至视放及量化电路，视放及量化电路连接至编码电路。
5.根据权利要求4所述的雷达动目标模拟系统，其特征在于，所述雷达目标模拟单元包括两路依次串联的多普勒调制模块、0-1GHz上变频网络、放大滤波电路，以及数字储频单元、目标回波及干扰解算单元和噪声干扰产生单元；
所述多普勒调制模块将多普勒频率调制到数字储频单元输出的目标回波信号上，再将噪声干扰产生单元输出的噪声干扰基带信号叠加到回波信号上，最后通过数字上变频变频至0.2～1GHz的中频信号并发送至射频通道单元经天线辐射至被测雷达。
6.根据权利要求5所述的雷达动目标模拟系统，其特征在于，所述目标回波及干扰解算单元通过PCI/CPCI总线接收并显示控制单元的战情数据和控制命令，通过DSP和FPGA对目标或平台的轨迹参数、目标参数、干扰样式和干扰参数进行解算和分配，通过数字I/O和串口、网口通信接口与数字储频单元、噪声产生单元进行通信，控制数字储频单元、噪声产生单元完成目标回波和噪声干扰信号的产生。
7.根据权利要求6所述的雷达动目标模拟系统，其特征在于，还包括一个轨迹参数模型，所述轨迹参数模型包括地形高度模型和观测向量模型；
其中，地形高度模型为：
其中，观测向量模型为：
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