CN112152730B - 一种基于三通道的体目标实现系统及方法 - Google Patents

一种基于三通道的体目标实现系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三通道的体目标实现系统，包括三通道目标模拟器和阵列馈电系统；三通道目标模拟器：生成三路射频信号，对三路射频信号中每个散射点的幅度、相位和延时进行调制，并将调制后的三路射频信号发送给阵列馈电系统；阵列馈电系统：实现不同三元组的选通，将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射。同时公开了相应的方法。本发明采用三通道目标模拟器控制输出三路射频信号，并分别对三路信号中每个散射点的幅度、相位、延时进行调制，通过粗位控制单元实现天线阵列中不同三元组的选通，从而实现角度扩展体目标的模拟。

Description

一种基于三通道的体目标实现系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于三通道的体目标实现系统及方法，属于射频仿真系统技术领域。
背景技术
在现有的半实物射频仿真技术中，角度模拟通常采用阵列天线三元组的方式来实现。阵列天线上的三个相邻天线构成一个三元组，通过三元组辐射的信号来模拟试验的信号，辐射的方向正对被试设备。辐射信号在三元组之内的运动，或者从一个三元组到另一个三元组之间的运动，代表了目标角度位置的运动。
目标信号的位置是通过控制三元组三个天线辐射信号的相对幅度来实现的，目前在硬件上具体是通过控制程控幅度衰减器和程控移相器来实现的。通过程控移相器控制三元组三个天线支路辐射信号的相位，使之到达被试设备的相位相等，这样三元组三个天线支路所辐射信号的振幅中心便是目标的位置。
采用传统模拟的衰减器、移相器实现角度位置控制，即对衰减器和移相器的控制是在阵列馈电系统的精位控制单元中实现的，这种方法只能实现模拟产生的一维距离像信号的每个散射点都再同一个角度上；而真实情况下，每个散射点目标所对应的角度也是不一样的，呈现所谓角度扩展的效应，因此为了实现角度扩展体目标信号的模拟，需要一种新的技术。
发明内容
本发明提供了一种基于三通道的体目标实现系统及方法，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于三通道的体目标实现系统，包括三通道目标模拟器和阵列馈电系统；
三通道目标模拟器：生成三路射频信号，对三路射频信号中每个散射点的幅度、相位和延时进行调制，并将调制后的三路射频信号发送给阵列馈电系统；
阵列馈电系统：实现不同三元组的选通，将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射。
三通道目标模拟器包括射频接收单元、中频信号处理单元和微波上变频单元；
射频接收单元：将接收到的射频信号下变频为中频信号，并将中频信号发送给中频信号处理单元；
中频信号处理单元：对接收的中频信号进行采样，获取信号的中心频率，根据中心频率对中频信号进行下变频，获得零中频信号；将零中频信号功分成三路参考数字序列，对三路参考数字序列的每个散射点进行幅度、相位和延时调制，并将调制后的三路中频信号发送给微波上变频单元；
微波上变频单元：将调制后的三路中频信号上变频到被试设备发射信号的频率，并将其发送给阵列馈电系统。
三通道目标模拟器采用AGC控制，还包括实时控制单元；
中频信号处理单元：对接收到的中频信号进行测幅，并将测幅值发送给实时控制单元；
实时控制单元：将测幅值与AGC门限进行比较，根据AGC控制原理，向射频接收单元输出衰减控制指令，直至测幅值稳定在AGC门限；其中，衰减控制指令用以控制接收信号的衰减。
调制幅度的控制值通过下述公式计算得出：
Figure BDA0002650451540000031
Figure BDA0002650451540000032
E1+E2+E3＝1
其中，ψ为等效辐射中心的方位角，
Figure BDA0002650451540000033
为等效辐射中心的俯仰角，ψ1、ψ2、ψ3为三元组中三个天线的方位角坐标，
Figure BDA0002650451540000034
为三元组中三个天线的俯仰角坐标，E1、E2、E3为三个天线发射信号的归一化幅度。
阵列馈电系统包括粗位控制单元和天线阵列；
粗位控制单元：接收调制后的三路射频信号，实现天线阵列中不同三元组的选通，将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射。
还包括校准数据获取系统，包括矢量网络分析仪和校准装置；
矢量网络分析仪：向三通道目标模拟器发送参考信号；分析阵列馈电系统辐射的信号，获得校准数据；其中，校准数据包括三元组中各天线对应的幅度值和相位；校准数据：用以对三通道目标模拟器生成的三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准；
校准装置：接收阵列馈电系统辐射的信号，并将其发送给矢量网络分析仪。
还包括主控制单元，对三通道目标模拟器、阵列馈电系统和校准数据获取系统进行协调控制。
一种基于三通道的体目标实现系统的方法，包括，
校准数据获取系统获取校准数据；
三通道目标模拟器生成三路射频信号，并使用校准数据对三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准；
三通道目标模拟器对三路射频信号中每个散射点的幅度、相位和延时进行调制；
阵列馈电系统将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射，实现角度扩展体目标信号模拟。。
本发明所达到的有益效果：1、本发明采用三通道目标模拟器控制输出三路射频信号，并分别对三路信号中每个散射点的幅度、相位、延时进行调制，通过粗位控制单元实现天线阵列中不同三元组的选通，从而实现角度扩展体目标的模拟；2、本发明对三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准，提高了度扩展体目标模拟的精确度。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为三通道目标模拟器的结构示意图；
图3为散射点调整实现原理图；
图4为校准数据获取系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于三通道的体目标实现系统，包括三通道目标模拟器、阵列馈电系统、校准数据获取系统和主控制单元。
三通道目标模拟器：生成三路射频信号，对三路射频信号中每个散射点的幅度、相位和延时进行调制，并将调制后的三路射频信号发送给阵列馈电系统。
如图2所示，三通道目标模拟器包括射频接收单元、中频信号处理单元、微波上变频单元、实时控制单元和频综单元。
射频接收单元、中频信号处理单元、微波上变频单元依次连接，实时控制单元与中频信号处理单元连接，并且与主控制单元连接，频综单元分别与射频接收单元、中频信号处理单元、微波上变频单元连接。
其中，
射频接收单元：接收射频信号，对射频信号进行滤波放大等预处理，将预处理后的射频信号下变频为中频信号，并将中频信号发送给中频信号处理单元。
中频信号处理单元：1、对接收的中频信号进行AD采样，采用1GHz宽带数字信道化测频技术获取信号的中心频率，根据中心频率对中频信号进行下变频，获得零中频信号，将零中频信号功分成三路参考数字序列，对三路参考数字序列的每个散射点进行幅度、相位和延时调制，并将调制后的三路中频信号发送给微波上变频单元，即对每个散射点的幅度、相位、延时调制后进行叠加输出。2、为了适应输入射频信号幅度起伏动态，三通道目标模拟器采用AGC自动增益控制，使三通道目标模拟器输出的信号功率电平基本稳定，因此中频信号处理单元会对接收到的中频信号进行测幅，并将测幅值发送给实时控制单元。
中频信号处理单元是三通道目标模拟器的核心部分，负责对射频接收单元输出中频信号的幅度、相位、距离进行调制。中频信号处理单元包括三块宽带信号处理板和信号处理阵列板，与实时控制单元共同放置于一个VPX机箱中，通过VPX总线实现数据交互。
如图3所示，调制幅度的控制值通过下述公式计算得出：
Figure BDA0002650451540000061
Figure BDA0002650451540000062
E1+E2+E3＝1
其中，ψ为等效辐射中心的方位角，
Figure BDA0002650451540000063
为等效辐射中心的俯仰角，ψ1、ψ2、ψ3为三元组中三个天线的方位角坐标，
Figure BDA0002650451540000064
为三元组中三个天线的俯仰角坐标，E1、E2、E3为三个天线发射信号的归一化幅度。
根据被试设备和目标的位置相对关系实时解算出目标的方位角、俯仰角和距离，根据方位角和俯仰角计算得出三通道目标模拟器输出三路射频信号所需要的衰减值和移相值，对三路射频信号的幅度和相位进行调制，根据弹目距离对输出信号进行延时调制。
实时控制单元：1、将测幅值与AGC门限进行比较，根据AGC控制原理，向射频接收单元输出衰减控制指令，直至测幅值稳定在AGC门限；其中，衰减控制指令用以控制接收信号(即射频接收单元接收的信号)的衰减；即如果测幅值超出AGC门限，实时控制单元根据测幅值增大射频接收单元前端输入衰减器的控制量，直到稳定在AGC门限，当衰减器控制量到最大时，对应为最大输入射频信号；如果测幅值小于AGC门限，实时控制单元根据测幅值减小射频接收单元前端输入衰减器的控制量，直到稳定在AGC门限，当衰减器控制量为零时，对应最小输入射频信号。2、实时控制单元还对射频接收单元、中频信号处理单元、微波上变频单元和频综单元进行实时控制。
实时控制单元包括宽带处理板卡、瞬时测频板、VPX底板，均设计为VPX总线结构形式，与中频信号处理单元安装在同一个VPX机箱中，实时控制单元通过VPX总线控制中频信号处理单元实现对中频信号的调制，通过VPX总线接口控制实现对射频接收单元、微波上变频单元和频综单元的器件控制。宽带信号处理板卡的Power PC用于实现对三通道目标模拟器的实时控制，主要负责目标的特征计算和试验流程及系统的控制，采用VxWorks嵌入式操作系统；宽带信号处理板卡上的Power PC通过千兆以太网和光纤反射内存网接收主控制单元的战情文件数据，推演试验进程。根据战情数据进行解算并实时控制中频信号处理单元各通道的工作，实现各种目标信号的模拟，实现对三通道目标模拟器的频综、射频接收、自动增益和上变频通道中脉冲调制器、程控衰减器的实时控制。
微波上变频单元：将调制后的三路中频信号上变频到被试设备发射信号的频率，并将其发送给阵列馈电系统；其中，采用多级混频将信号变频到雷达发射信号的频率，并在射频频段上对信号进行脉冲调制和幅度电平控制，以满足目标信号模拟时对信号幅度动态和调制深度的要求，可在微波上变频单元输出端设计了一组开关滤波器组，用来进行谐波抑制。
频综单元：产生系统变频所需要的本振信号和时钟信号，主要包括接收时的下变频本振信号，上变频时的各级本振信号，中频信号处理的采样时钟信号，以及相应板卡的参考时钟；采用同一个晶振作为时钟来源，因此，本系统是一个全相参的射频信号源系统。频综单元主要产生各变频本振信号和步进频综信号，以及实现内部参考信号与外部参考信号相切换，系统可适应内外时钟的工作方式；所有的变频本振均采用PLL(锁相环)来实现。PLL产生的信号稳定，杂散水平比较高，但缺点是相噪相对于直接式频综差，在设计高频步进频综的PLL时采用双环设计，这样可以获得相对水平较高的相位噪声。
阵列馈电系统：实现不同三元组的选通，将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射。阵列馈电系统包括粗位控制单元和天线阵列，粗位控制单元分别连接三通道目标模拟器、主控制单元和天线阵列连。
粗位控制单元接收调制后的三路射频信号，实现天线阵列中不同三元组的选通，将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射。粗位控制单元具体包括粗位控制单元A、粗位控制单元B和粗位控制单元C，分别接收一路射频信号。
天线阵列采用球面阵列，包括球面屏、六自由度调整装置、天线；球面屏采用传统的单层空间网架结构，主要由阵列球面网架、阵列球面边框、网架三角单元冷轧钢板以及各类混合布置的天线安装构件组成；六自由度调整装置用于对安装天线的角位置进行微调，从而提高角位置控制精度；天线用于向安装在三轴转台上的被试设备辐射三通道目标模拟器输出的射频信号。
粗位控制单元采用微波开关矩阵来实现，其控制原理为辐射信号在三元组之间的选择变化是通过微波开关矩阵的开关导通来实现的。原理过程是将球面屏上的A、B、C三支路所对应的天线分别进行编码，然后将球面屏上所有的三元组所对应的三组天线编码以表格形式存入控制计算机中。在实际的工作过程中，要选通某个三元组则从表格中读出相应的三元组控制码分别送给对应的支路开关矩阵，使信号从三元组辐射出去，从而实现辐射信号在三元组之间的改变，达到辐射目标角度粗位控制的目的。
如图4所示，校准数据获取系统，包括矢量网络分析仪和校准装置，矢量网络分析仪和校准装置连接，矢量网络分析仪还连接主控制单元。
矢量网络分析仪：向三通道目标模拟器发送参考信号；分析阵列馈电系统辐射的信号，获得校准数据；其中，校准数据包括三元组中各天线对应的幅度值和相位；校准数据：用以对三通道目标模拟器生成的三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准；校准装置：接收阵列馈电系统辐射的信号，并将其发送给矢量网络分析仪。
主控制单元控制矢量网络分析仪输出一路参考信号，通过地沟电缆传输到三通道目标模拟器中；主控制单元控制三通道目标模拟器的射频接收单元、频综单元、微波上变频单元、实时控制单元等，通过对输入信号的一系列处理，输出三路射频信号；三路射频信号分别通过射频电缆输入到阵列馈电系统的粗位控制单元A、B、C中，主控制单元控制阵列馈电系统三元组对应支路的开关依次选通，使输入的三路射频信号依次到达三元组的输入端，向架设于三轴转台上的校准装置进行辐射；主控制单元控制校准装置将接收到的信号输出到矢量网络分析仪；主控制单元通过指令控制矢量网络分析仪，获取信号的幅度值和相位值，保存到主控制单元的数据表格中，保存数据格式为天线编号、幅度值、相位值。
主控制单元对三通道目标模拟器、阵列馈电系统和校准数据获取系统进行协调控制。
上述系统的使用方法：包括：
1)校准数据获取系统获取校准数据；
2)三通道目标模拟器生成的三路射频信号，并使用校准数据对三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准；
3)三通道目标模拟器对三路射频信号中每个散射点的幅度、相位和延时进行调制；
4)阵列馈电系统将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射，实现角度扩展体目标信号模拟。
本发明采用三通道目标模拟器控制输出三路射频信号，并分别对三路信号中每个散射点的幅度、相位、延时进行调制，通过粗位控制单元实现天线阵列中不同三元组的选通，从而实现角度扩展体目标的模拟；本发明对三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准，提高了度扩展体目标模拟的精确度。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于三通道的体目标实现系统，其特征在于：包括三通道目标模拟器、阵列馈电系统、主控制单元和校准数据获取系统；
三通道目标模拟器：生成三路射频信号，对三路射频信号中每个散射点的幅度、相位和延时进行调制，并将调制后的三路射频信号发送给阵列馈电系统；
三通道目标模拟器包括射频接收单元、中频信号处理单元和微波上变频单元；
射频接收单元：将接收到的射频信号下变频为中频信号，并将中频信号发送给中频信号处理单元；
中频信号处理单元：对接收的中频信号进行采样，获取信号的中心频率，根据中心频率对中频信号进行下变频，获得零中频信号；将零中频信号功分成三路参考数字序列，对三路参考数字序列的每个散射点进行幅度、相位和延时调制，并将调制后的三路中频信号发送给微波上变频单元；
微波上变频单元：将调制后的三路中频信号上变频到被试设备发射信号的频率，并将其发送给阵列馈电系统；
三通道目标模拟器采用AGC控制，还包括实时控制单元；
中频信号处理单元：对接收到的中频信号进行测幅，并将测幅值发送给实时控制单元；
实时控制单元：将测幅值与AGC门限进行比较，根据AGC控制原理，向射频接收单元输出衰减控制指令，直至测幅值稳定在AGC门限；其中，衰减控制指令用以控制接收信号的衰减；
阵列馈电系统：实现不同三元组的选通，将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射；
阵列馈电系统包括粗位控制单元和天线阵列；
粗位控制单元：接收调制后的三路射频信号，实现天线阵列中不同三元组的选通，将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射；
校准数据获取系统包括矢量网络分析仪和校准装置；
矢量网络分析仪：向三通道目标模拟器发送参考信号；分析阵列馈电系统辐射的信号，获得校准数据；其中，校准数据包括三元组中各天线对应的幅度值和相位；校准数据：用以对三通道目标模拟器生成的三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准；
校准装置：接收阵列馈电系统辐射的信号，并将其发送给矢量网络分析仪；
主控制单元：对三通道目标模拟器、阵列馈电系统和校准数据获取系统进行协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于三通道的体目标实现系统，其特征在于：调制幅度的控制值通过下述公式计算得出：
Figure FDA0004070689950000021
Figure FDA0004070689950000022
E1+E2+E3＝1
其中，ψ为等效辐射中心的方位角，
Figure FDA0004070689950000023
为等效辐射中心的俯仰角，ψ1、ψ2、ψ3为三元组中三个天线的方位角坐标，
Figure FDA0004070689950000031
为三元组中三个天线的俯仰角坐标，E1、E2、E3为三个天线发射信号的归一化幅度。
3.基于权利要求1或2所述的一种基于三通道的体目标实现系统的方法，其特征在于：包括，
校准数据获取系统获取校准数据；
三通道目标模拟器生成三路射频信号，并使用校准数据对三路射频信号的幅度和相位一致性进行校准；
三通道目标模拟器对三路射频信号中每个散射点的幅度、相位和延时进行调制；
阵列馈电系统将调制后的三路射频信号通过当前选择的三元组向被试设备进行辐射，实现角度扩展体目标信号模拟。
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