CN112379602A - 一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子仿真技术，涉及一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，可编程实时快速生成典型作战对手机载和弹载雷达信号。该方法用于在半实物辐射源雷达信号仿真中，实现快速在线实时产生逼真、可控、可调的机载和导弹末制导威胁信号环境模拟。

Description

一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统
技术领域
本发明属于电子仿真技术，涉及一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，可编程实时快速生成典型作战对手机载和弹载雷达信号。
背景技术
在部队训练中，常需要对雷达告警设备进行真实战场环境训练。雷达信号半实物电子仿真系统由于其安全、便捷、灵活、自主、经济效益高的特点而成为复杂电磁环境下部队中必不可少的手段。雷达信号半实物电子仿真系统主要通过天线向雷达告警设备发射模拟信号。在实际使用中，由于仿真系统架设布局的需要，仿真系统往往固定在一个地方，通过改变发射信号的功率衰减量来模拟辐射源信号幅度在运动过程中的改变。传统的做法中信号功率衰减量只与距离有关，不考虑方位因素，只能模拟辐射源跟踪目标过程，而不能模拟辐射源信号搜索目标的过程，导致模拟的辐射源信号与真实信号逼真度差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种机载和弹载雷达辐射源信号的实时产生及信号功率精确控制仿真系统，能够快速生成威胁辐射源信号，尤其是具有频率捷变功能的辐射源信号，并能逼真模拟辐射源信号搜索目标及跟踪目标整个过程中信号功率的变化过程。本系统产生的辐射源信号与真实信号逼真度高，可用于检测、验证雷达告警设备的功能并用于实战化训练，系统高效、可靠、可重复、逼真度高，具有较高的经济效益。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，包括主控单元、辐射源信号产生单元、标频电路、本振及上变频电路、宽带高功率放大电路和发射天线，结构如图1所示，具体如下：
主控单元：主要实现系统工作模式设置、参数配置、运行控制及工作状态监控等功能；为用户提供友好的人机交互界面，通过人机交互界面设置辐射源信号参数，包括辐射源类型、信号调制样式、工作频率等参数；主控单元与辐射源信号产生单元相连，通过PCIE总线将辐射源信号参数传送到辐射源信号产生单元，控制辐射源信号的生成。
辐射源信号产生单元：辐射源信号产生单元与本振及上变频电路和宽带高功率放大电路相连，主要由DSP、大规模FPGA、DAC构建的高速、高精度宽带DDS电路实现，用于产生基带信号，基带信号调制支持多种方式，包括固定载频、线性调频、非线性调频和相位编码。同时生成频率码信号送往本振及上变频电路，产生幅度衰减控制信号和功放调制信号，送往宽带高功率放大电路，实现对辐射源信号的频率及功率放大的控制。
标频电路：标频电路与本振及上变频电路和辐射源信号产生单元相连，为本振及上变频电路提供所需的高稳定、低相噪基准信号，并为辐射源信号产生单元提供时钟信号。
本振及上变频电路：本振及上变频电路与宽带高功率放大电路相连，用于将辐射源信号产生单元产生的基带信号上变频至所需的频率范围；并采用DDS+PPL频率合成器将标频电路提供的基准信号合成上变频所需的本振信号，利用混频器将基带信号与本振进行上变频，经过开关滤波器组滤除带外杂散和谐波分量，产生满足频率要求的射频信号。
宽带高功率放大电路：宽带高功率放大电路与发射天线相连，用于对本振及上变频电路输出的信号进行功率控制及放大，以达到所需的输出功率水平；宽带高功率放大电路接收辐射源信号产生单元提供的幅度衰减控制信号和功放调制信号，对不同时刻射频信号功率放大进行控制，以模拟实现辐射源运动及雷达天线扫描而形成的幅度变化，将功率放大后的射频信号输送至发射天线。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
(1)利用幅度衰减控制信号进行脉间辐射源信号的功率精确控制，实现对辐射源雷达天线扫描方向图的模拟；
(2)利用DDS与FPGA技术相结合，能在线快速产生多种编码基带信号，包括固定载频、线性调频、巴克码、伪随机码等多种编码基带信号；
(3)信号功率放大采用电源调制，减小功率放大器的工作占空比，设备功耗小；
(4)设备位置可任意放置，以适应具体工作环境的需要；
(5)设备体积小，固态化，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统的组成框图；
图2为辐射源信号产生单元电路原理框图；
图3为标频电路组成框图；
图4为本振及上变频电路组成框图；
图5为宽带高功率放大电路组成框图。
具体实施方式
如图1所示是信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统的组成框图，具体工作流程如下：
辐射源信号产生单元接收辐射源信号的样式及参数，在系统时钟的控制下产生满足要求且载频为1.25GHz的基带信号，同时生成控制变频本振频率的频率码、控制宽带放大器输出幅度的幅度控制信号、控制输出功放电源调制的功放调制信号；本振及上变频电路在频率码的控制下生成6.75GHz～14.75GHz的本振信号，混频器将基带信号上变频至8GHz～16GHz的射频信号，滤除掉杂散分量后送入宽带放大及输出控制电路；宽带高功率放大电路中的宽带功率放大器根据幅度控制信号调整信号功率放大的数值，来逼真模拟辐射源雷达搜索目标时天线扫描过程中信号幅度的变化，利用功放控制信号来降低功率放大器工作占空比减小功耗，放大后的射频信号通过发射天线向空间辐射。
下面结合附图对本发明进一步说明：
(1)主控单元：主要实现系统参数配置、运行控制及工作状态监控等功能；为用户提供友好的人机交互界面，通过人机交互界面设置辐射源平台参数、辐射源信号参数，包括平台类型、平台运动速度、出现距离、调制方式、工作频率、脉冲宽度、天线扫描类型、扫描速度、发射功率、天线波束宽度等参数；通过PCIE总线将信号参数传送到辐射源信号产生单元，控制辐射源信号的生成。
(2)辐射源信号产生单元：主要由DSP、大规模FPGA、DAC构建的高速、高精度宽带DDS电路实现，电路原理框图如图2所示，是整个仿真系统的核心部分。DSP单元接收主控单元传送过来的信号样式、参数，解算出辐射源信号工作频率、脉冲宽度、重复间隔、信号带宽、调制样式、天线扫描方式、波束宽度、辐射源运动速度等参数并进行存储，当系统中断信号到来时，FPGA从指定的地址单元读取这些辐射源信号参数后，将其存入RAM中，利用内部波形合成模块DDS产生带宽≥300MHz的基带信号，一次完成常规脉冲、重频参差、重频抖动、线性调频、相位编码、脉间捷变、脉组频率捷变等多种基带数字信号产生，再通过高速DAC转换为模拟基带信号送入本振及上变频电路。为快速产生基带信号，时钟信号频率选为1GHz，产生的基带信号带宽不小于300MHz，信号杂散优于-45dBc。同时，FPGA还根据信号样式生成频率码和功放码，分别用于控制本振及上变频电路中变频本振频率和控制输出功率放大器的工作占空比。FPGA根据预置算法计算出衰减控制码，用于宽带放大信号输出幅度控制，实时调整输出信号的放大功率，实现因导引头天线扫描引入的天线波束调制。
衰减控制码的计算算法如下：
步骤1：辐射源信号产生单元接收主控单元传输的参数，读取辐射源平台类型、辐射源与电子侦察设备的初始距离R0，运动速度v，计算t时刻辐射源信号的距离R(t)：
R(t)＝R0-vt
步骤2：根据辐射源信号天线波束水平扫描速度ω，天线零功率波束宽度θ0，天线波束扫描的最大张角θmax，计算辐射源工作在搜索状态时，在一个天线扫描周期内，天线的方向图函数F(θ)：
Figure BDA0002751350570000051
其中，Q表示第一副瓣电平，k为比例系数。
当辐射源工作在跟踪状态时，天线波束正对电子侦察设备，此时天线的方向图函数F(θ)＝1。
步骤3：根据以下公式计算出辐射源信号到达雷达告警设备天线口径的信号功率密度Sr：
Figure BDA0002751350570000061
其中，Pd表示辐射源雷达发射功率，Gd表示辐射源雷达天线增益，F(θ)表示归一化天线方向图函数。
步骤4：计算输出信号衰减量Aatten：
Figure BDA0002751350570000062
其中，Ps表示仿真系统射频输出信号的最大有效功率，Gs表示仿真系统辐射天线的增益，RS表示仿真系统与电子侦察设备的距离。
Figure BDA0002751350570000063
Aini由辐射源信号仿真初始值决定，其值在信号生成过程中不会发生变化，因此只需计算天线方向图F(θ)和辐射源与电子侦察设备的相对位置R(t)，将Aatten转化为6bit衰减控制码就可以控制信号输出功率，从而动态模拟出辐射源运动过程，大大减少了系统运算量，提高了实时性。
(3)标频电路：由高稳定/低相噪100MHz晶振、分路器、谐波产生器、滤波器及放大器组成，组成框图如图3所示。晶振选用相位噪声为-150dBc/Hz@1kHz、稳定度为10-7量级的高性能100MHz晶振。晶振输出信号通过分路器后分为二路，一路送往本振及上变频电路做为上变频本振单元的基准信号，另一路通过谐波产生器，产生1GHz的时钟信号，经过滤波器滤波掉杂散信号并放大到所需的信号电平后送往辐射源信号产生单元作为系统时钟信号。
(4)本振及上变频电路：由DDS+PPL频率合成器、滤波放大器、混频器、开关滤波器组和匹配放大器组成，组成框图如图4所示。PLL频率合成器接收标频电路提供的100MHz基准信号，倍频产生混频器所需的6.75GHz～14.75GHz本振信号，本振信号的频率控制码由辐射源信号产生单元参数解算模块产生并通过数字I/O接口送到PPL频率合成器。来自辐射源信号产生单元的基带信号先通过滤波放大器，滤除掉杂散频率分量并放大到混频所需的功率电平后，在混频器与本振信号进行混频，达到所需的信号频率。由于基带信号的中心频率只有1.25GHz，而变频后的信号要求覆盖2GHz，为提高信号质量，在混频器后采用开关滤波器组的方式进行滤波处理，滤除掉杂散和谐波。匹配放大器将射频信号放大至输入功放所需的功率电平。
(5)宽度高功率放大电路：由放大器、程控衰减器、推动放大器和功率放大器组成，组成框图如图5所示。宽带高功率放大电路主要对射频信号进行功率放大。由于混频器的影响，使得经过上变频的射频信号功率受到了衰减，因此射频输入信号先进行第一级功率放大，补偿一定的信号功率后送入程控衰减器进行信号幅度衰减。程控衰减器采用6bit衰减器，衰减步进为0.5dB，总衰减量达31.5dB，根据衰减控制码控制射频信号的输出功率，来模拟天线扫描调制。经过天线扫描调制的信号送入推动放大器进行第二级放大，放大到一定电平以推动功率放大器正常工作。考虑设备小型化和电路性质，功率放大器采用GaAs宽带MMIC固态功放实现。为减小功率放大器的能量损耗，功率放大器设计有电源调制功能，通过功放码控制功率放大器的工作时间，当有信号输入时才为功率放大器提供电源，从而减小功率放大器的加电时间，降低了功率放大器的工作占空比，降低了发热量。

Claims (5)

1.一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，其特征在于，所述的信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统包括主控单元、辐射源信号产生单元、标频电路、本振及上变频电路、宽带高功率放大电路和发射天线，具体如下：
主控单元：实现系统工作模式设置、参数配置、运行控制及工作状态监控；为用户提供友好的人机交互界面，通过人机交互界面设置辐射源信号参数，包括辐射源类型、信号调制样式、工作频率；主控单元与辐射源信号产生单元相连，通过PCIE总线将辐射源信号参数传送到辐射源信号产生单元，控制辐射源信号的生成；
辐射源信号产生单元：辐射源信号产生单元与本振及上变频电路和宽带高功率放大电路相连，主要由DSP、大规模FPGA、DAC构建的DDS电路实现，用于产生基带信号，基带信号调制支持多种方式，包括固定载频、线性调频、非线性调频和相位编码；同时生成频率码信号送往本振及上变频电路，产生幅度衰减控制信号和功放调制信号，送往宽带高功率放大电路，实现对辐射源信号的频率及功率放大的控制；
标频电路：标频电路与本振及上变频电路和辐射源信号产生单元相连，为本振及上变频电路提供所需的高稳定、低相噪基准信号，并为辐射源信号产生单元提供时钟信号；
本振及上变频电路：本振及上变频电路与宽带高功率放大电路相连，用于将辐射源信号产生单元产生基带信号上变频至所需的频率范围；并采用DDS+PPL频率合成器将标频电路提供的基准信号合成上变频所需的本振信号，利用混频器将基带信号与本振进行上变频，经过开关滤波器组滤除带外杂散和谐波分量，产生满足频率要求的射频信号；
宽带高功率放大电路：宽带高功率放大电路与发射天线相连，用于对本振及上变频电路输出的信号进行功率控制及放大，以达到所需的输出功率水平；宽带高功率放大电路接收辐射源信号产生单元提供的幅度衰减控制信号和功放调制信号，对不同时刻射频信号功率放大进行控制，以模拟实现辐射源运动及雷达天线扫描而形成的幅度变化，将功率放大后的射频信号输送至发射天线。
2.根据权利要求1所述的一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，其特征在于，所述的辐射源信号产生单元中，DSP单元接收主控单元传送过来的信号样式、参数，解算出辐射源信号工作频率、脉冲宽度、重复间隔、信号带宽、调制样式、天线扫描方式、波束宽度、辐射源运动速度参数并进行存储，当系统中断信号到来时，FPGA从指定的地址单元读取这些辐射源信号参数后，将其存入RAM中，利用内部波形合成模块DDS产生带宽≥300MHz的基带信号，一次完成常规脉冲、重频参差、重频抖动、线性调频、相位编码、脉间捷变、脉组频率捷变多种基带数字信号产生，再通过高速DAC转换为模拟基带信号送入本振及上变频电路；时钟信号频率选为1GHz，产生的基带信号带宽不小于300MHz；同时，FPGA根据信号样式生成频率码和功放码，分别用于控制本振及上变频电路中变频本振频率和控制输出功率放大器的工作占空比；FPGA根据预置算法计算出衰减控制码，用于宽带放大信号输出幅度控制，实时调整输出信号的放大功率，实现因导引头天线扫描引入的天线波束调制；
衰减控制码的计算算法如下：
步骤1：辐射源信号产生单元接收主控单元传输的参数，读取辐射源平台类型、辐射源与电子侦察设备的初始距离R0，运动速度v，计算t时刻辐射源信号的距离R(t)：
R(t)＝R0-vt
步骤2：根据辐射源信号天线波束水平扫描速度ω，天线零功率波束宽度θ0，天线波束扫描的最大张角θmax，计算辐射源工作在搜索状态时，在一个天线扫描周期内，天线的方向图函数F(θ)：
Figure FDA0002751350560000031
其中，Q表示第一副瓣电平，k为比例系数；
步骤3：根据公式计算出辐射源信号到达雷达告警设备天线口径的信号功率密度Sr：
Figure FDA0002751350560000032
其中，Pd表示辐射源雷达发射功率，Gd表示辐射源雷达天线增益，F(θ)表示归一化天线方向图函数；
步骤4：计算输出信号衰减量Aatten：
Figure FDA0002751350560000033
其中，Ps表示仿真系统射频输出信号的最大有效功率，Gs表示仿真系统辐射天线的增益，RS表示仿真系统与电子侦察设备的距离，
Figure FDA0002751350560000034
3.根据权利要求1所述的一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，其特征在于，所述的标频电路由100MHz晶振、分路器、谐波产生器、滤波器及放大器组成；晶振输出信号通过分路器后分为二路，一路送往本振及上变频电路做为上变频本振单元的基准信号，另一路通过谐波产生器，产生时钟信号，经过滤波器滤波掉杂散信号并放大到所需的信号电平后送往辐射源信号产生单元作为系统时钟信号。
4.根据权利要求1所述的一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，其特征在于，所述的本振及上变频电路由DDS+PPL频率合成器、滤波放大器、混频器、开关滤波器组和匹配放大器组成；PLL频率合成器接收标频电路提供的100MHz基准信号，倍频产生混频器所需的6.75GHz～14.75GHz本振信号，本振信号的频率控制码由辐射源信号产生单元参数解算模块产生并通过数字I/O接口送到PPL频率合成器；来自辐射源信号产生单元的基带信号先通过滤波放大器，滤除掉杂散频率分量并放大到混频所需的功率电平后，在混频器与本振信号进行混频，达到所需的信号频率；在混频器后采用开关滤波器组的方式进行滤波处理，滤除掉杂散和谐波；匹配放大器将射频信号放大至输入功放所需的功率电平。
5.根据权利要求1所述的一种信号功率精确控制的雷达辐射源信号仿真系统，其特征在于，所述的宽度高功率放大电路由放大器、程控衰减器、推动放大器和功率放大器组成；宽带高功率放大电路对射频信号进行功率放大；射频输入信号先进行第一级功率放大，补偿信号功率后送入程控衰减器进行信号幅度衰减；根据衰减控制码控制射频信号的输出功率，来模拟天线扫描调制；经过天线扫描调制的信号送入推动放大器进行第二级放大，放大到所需电平以推动功率放大器正常工作；功率放大器采用GaAs宽带MMIC固态功放实现，且具有电源调制功能，通过功放码控制功率放大器的工作时间，当有信号输入时才为功率放大器提供电源。
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