CN112731318B - 单/双站动态复杂目标回波模拟方法及实现 - Google Patents
单/双站动态复杂目标回波模拟方法及实现 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单/双站动态复杂目标回波模拟方法及实现，可以对大尺寸复杂目标运动中的动态回波进行实时仿真模拟。方法包括离线和在线计算两个部分。其中，离线计算部分为，通过电磁场数值计算以及数值内插，构建特定目标在给定频段和带宽的全空域一维距离像和角闪烁特性数据库。在线计算部分通过在线插值的方法得到任意姿态的目标回波特性。本发明将目标特性数据应用于复杂目标的回波模拟，充分考虑了目标姿态对回波的影响，仿真精度高，且计算量小、速度快。该方法可以快速改造现有的阵列半实物仿真系统，构建简单，实现成本低，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于雷达目标回波模拟和半实物仿真领域，特别是一种通用的单/双站动态复杂目标回波模拟方法及其在半实物仿真系统中的实现。
背景技术
功能日益复杂的高性能多功能雷达系统的研制需要在不同目标及其运动特性的条件下进行全方位的探测和跟踪等性能评估。阵列半实物仿真系统结合了数字信号处理和阵列天线技术，可以模拟真实环境下的空间目标回波，灵活的覆盖雷达系统各种测试场景，大大缩短雷达系统测试周期，节约了测试成本，已成为高性能多功能雷达系统研制不可或缺的部分。
现有的阵列半实物仿真系统模拟雷达回波时，一般采用理想的点目标模型或简化的多散射点模型替代真实目标，无法准确模拟与发射波形和目标姿态相关的距离维散射点分布和角度维目标闪烁的特性。另外，受限于硬件条件，现有的半实物仿真系统大多无法实时对快速运动过程中的复杂目标回波进行快速模拟。因此，迫切需要一种在单站或者双站模式下，适用于不同发射波形的可以精确模拟目标特性的动态回波模拟方法，且该方法可以在阵列半实物仿真系统中得以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用的单/双站动态复杂目标回波模拟方法及其在半实物仿真系统中的实现方案，完成针对复杂目标的运动全过程的回波空间、时间和频率时变特性的真实模拟。采用该方法改造的阵列半实物仿真系统，可以搭建任意复杂目标回波的射频模拟环境。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种单/双站动态复杂目标回波模拟方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，离线计算：利用电磁场数值计算方法，计算所模拟的目标在给定频段和带宽，不同姿态角下的一维距离像和角闪烁偏差，构建目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库；
步骤2，在线仿真：基于所述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，进行在线实时目标回波模拟。
进一步地，步骤1具体包括：
(1)利用电磁场数值计算软件，构建待仿真目标的物理模型，确定入射平面波的波长λ、极化方向、雷达工作带宽B和一维距离像点数K；
(2)根据目标结构特性和雷达工作频率选择步进角度α，将空域分别沿水平面和俯仰面划分为M×N个角度方向，其中水平方向角度取值为0°～360°，0°为目标正前方，俯仰方向角度取值为0°～180°，0°为目标正上方；
在这些角度方向上依次设置平面波激励源，对于单站工作模式，仅需计算每个角度方向上后向散射的数据，远场监视器只需设在平面波入射角度方向上，考虑南北极共计T＝M(N-2)+2组空域数据；对于双站工作模式下，考虑入射角度和散射角度不同，远场监视器需设置在所有角度方向上，共需计算T2组数据；
(3)在待计算的散射角度方向上，使用一组调频步长Δf＝B/N，中心频率f0＝c/λ的频率步进波分别照射目标，得到目标回波频域响应序列X(fn)；
对回波序列做逆傅里叶变换，得到目标雷达散射截面积RCS沿径向距离轴的分布情况，即目标一维距离像h(n)＝IFFT(X(fn))；
(4)在方向上，距目标几何中心距离r处设置理想接收天线，计算此处的回波相位/>同时取角度β使得rβ＜10λ，在/>处也分别设置理想接收天线，计算回波相位；
进而得到散射方向上方位面和俯仰面的回波相位的偏导数估计分别为：
计算得到角闪烁在水平面和俯仰面的线偏差分别为：
基于上述(1)～(4)过程，构建出目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，该库中的数据映射关系包括：对于单站工作模式，散射角度方向与一维距离像和角闪烁特性数据信息一一对应；对于双站工作模式，入射和散射角度方向/>与一维距离像和角闪烁特性数据信息一一对应。
进一步地，步骤2所述基于所述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，进行在线实时目标回波模拟，具体过程包括：
步骤2-1，获取目标实时运动轨迹的详细数据，包括位置、速度、姿态信息；
步骤2-2，根据位置坐标与速度矢量计算目标几何中心(x0,y0,z0)与雷达阵面中心的距离和其相对雷达的径向速度，进一步得到距离引起的时间延时τ和速度引起的多普勒频移fd；根据姿态信息计算得到回波入射的方位和俯仰角度以及雷达相对目标的入射角度/>和散射角度/>
步骤2-3，根据和/>查表上述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，根据数据库中临近角度方向上已有的一维距离像和角闪烁偏差数据估算方向上的一维距离像和角闪烁偏差，并对回波入射角度信息/>进行修正获得/>
步骤2-4，实时采样基带发射信号St(n)并将其与相应的一维距离像h(n)进行卷积得S'(t)＝h(n)*St(n)；再经过多普勒频移fd与时延τ的调制后得到相应的基带回波信号
步骤2-5，将基带回波信号Sr(n)通过数字上变频至中频，经过数模转换器DAC得到模拟中频回波信号Sm(t)，将其与修正后的回波入射角度信息一起发送给半实物仿真系统。
一种单/双站动态复杂目标半实物回波模拟系统，所述系统包括目标轨迹动态产生总控模块、模拟回波中频信号产生模块、以及半实物仿真系统射频模块；其中：
目标轨迹动态产生总控模块，为计算机端图形界面应用程序，用于导入目标运动轨迹信息以及设定的目标运动相关参数，实时的将目标的地理坐标、速度信息和姿态角动态变化数据通过网口发送给模拟回波中频信号产生模块；
模拟回波中频信号产生模块，包括高性能处理模块和高速数模转换模块两个部分，其中的处理芯片通过串行RapidIO即SRIO网络交互信息；其中，高性能处理模块用于生成雷达发射基带信号，根据控制程序设定的目标轨迹参数，调用存储的目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，计算回波信号的相关参数；高速数模转换模块用于合成目标基带回波信号，并进行数字正交上变频处理，产生目标中频回波信号；
半实物仿真系统射频模块，采用三元组天线阵列结构；用于将输入的目标中频回波信号，通过发射通道上变频至所需模拟的射频频段，并根据回波功率需求控制发射功放；同时采用专用通信接口送来的目标空间角度值，控制三元组天线合成信号的幅度和相位，将射频模拟信号辐射出去。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1)采用电磁场计算方法计算复杂目标一维距离像特性和角闪烁特性，相比理想的点目标模型和简化的多散射点模型，可以显著提高回波模拟的精度和真实性；2)采用离线构建目标数据库和在线插值的方法得到任意姿态的目标回波特性，大大减少了在线计算量，降低了系统实现复杂度；3)采用基于SRIO交换网络的异构多处理节点并行处理的实现方案，灵活性强、可扩展性强，计算延迟小，可以实现毫秒级的实时模拟；4)该方法可以快速改造现有的阵列半实物仿真系统，构建简单，实现成本低，应用前景广阔。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中单/双站动态复杂目标回波模拟方法的流程图。
图2为一个实施例中离线计算所使用的飞行目标模型示意图。
图3为一个实施例中离线计算所得某一角度的一维距离像示意图。
图4为一个实施例中动态复杂目标回波模拟系统的总体框图。
图5为一个实施例中目标轨迹动态产生总控程序的主界面截图。
图6为一个实施例中模拟系统各模块间的数据传递关系示意图。
图7为一个实施例中高性能处理模块的DSP的核间通信结构示意图。
图8为一个实施例中高速数模转换模块的FPGA电路结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种单/双站动态复杂目标回波模拟方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，离线计算：利用电磁场数值计算方法，计算所模拟的目标在给定频段和带宽，不同姿态角下的一维距离像和角闪烁偏差，构建目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库；
步骤2，在线仿真：基于所述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，进行在线实时目标回波模拟。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤1具体包括：
(1)利用电磁场数值计算软件，构建待仿真目标的物理模型，确定入射平面波的波长λ、极化方向、雷达工作带宽B和一维距离像点数K；
(2)根据目标结构特性和雷达工作频率选择步进角度α，将空域分别沿水平面和俯仰面划分为M×N个角度方向，其中水平方向角度取值为0°～360°，0°为目标正前方，俯仰方向角度取值为0°～180°，0°为目标正上方；
在这些角度方向上依次设置平面波激励源，对于单站工作模式，仅需计算每个角度方向上后向散射的数据，远场监视器只需设在平面波入射角度方向上，考虑南北极共计T＝M(N-2)+2组空域数据；对于双站工作模式下，考虑入射角度和散射角度不同，远场监视器需设置在所有角度方向上，共需计算T2组数据；
(3)在待计算的散射角度方向上，使用一组调频步长Δf＝B/N，中心频率f0＝c/λ的频率步进波分别照射目标，得到目标回波频域响应序列X(fn)；
对回波序列做逆傅里叶变换，得到目标雷达散射截面积RCS沿径向距离轴的分布情况，即目标一维距离像h(n)＝IFFT(X(fn))；
(4)在方向上，距目标几何中心距离r处设置理想接收天线，计算此处的回波相位同时取角度β使得rβ＜10λ，在/>处也分别设置理想接收天线，计算回波相位；
进而得到散射方向上方位面和俯仰面的回波相位的偏导数估计分别为：
计算得到角闪烁在水平面和俯仰面的线偏差分别为：
基于上述(1)～(4)过程，构建出目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，该库中的数据映射关系包括：对于单站工作模式，散射角度方向与一维距离像和角闪烁特性数据信息一一对应；对于双站工作模式，入射和散射角度方向/>与一维距离像和角闪烁特性数据信息一一对应。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤2所述基于所述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，进行在线实时目标回波模拟，具体过程包括：
步骤2-1，获取目标实时运动轨迹的详细数据，包括位置、速度、姿态信息等参数；
步骤2-2，根据位置坐标与速度矢量计算目标几何中心(x0,y0,z0)与雷达阵面中心的距离和其相对雷达的径向速度，进一步得到距离引起的时间延时τ和速度引起的多普勒频移fd；根据姿态信息计算得到回波入射的方位和俯仰角度以及雷达相对目标的入射角度/>和散射角度/>
步骤2-3，根据和/>查表上述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，根据数据库中临近角度方向上已有的一维距离像和角闪烁偏差数据估算方向上的一维距离像和角闪烁偏差，并对回波入射角度信息/>进行修正获得/>
步骤2-4，实时采样基带发射信号St(n)并将其与相应的一维距离像h(n)进行卷积得S'(t)＝h(n)*St(n)；再经过多普勒频移fd与时延τ的调制后得到相应的基带回波信号
步骤2-5，将基带回波信号Sr(n)通过数字上变频至中频，经过数模转换器DAC得到模拟中频回波信号Sm(t)，将其与修正后的回波入射角度信息一起发送给半实物仿真系统。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤2-3所述根据和/>查表上述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，根据数据库中临近角度方向上已有的一维距离像和角闪烁偏差数据估算/>方向上的一维距离像和角闪烁偏差，并对回波入射角度信息/>进行修正获得/>具体包括：
(1)单站模式下，入射角度与散射角度相同，具体过程包括：
步骤2-3-1-1，提取与待计算角度方向最接近的四个角度方向，使得待计算的角度落在它们中间，并取左上角最小的角度为/>其中，/> 选取的四个角度方向分别为/>和/>
步骤2-3-1-2，从数据库中依次提取步骤2-3-1-1四个角度方向上的一维距离像为H1(n)、H2(n)、H3(n)和H4(n)，采用双线性插值得到待计算角度方向上的一维距离像HI(n)，计算公式为：
同理可得角闪烁在水平面的线偏差eiθ和俯仰面的线偏差
步骤2-3-1-3，基于目标几何中心距接收雷达的距离R，以及所述eiθ和计算方位角偏差和俯仰角偏差分别为：
Δθ＝tan-1(eiθ/R)
步骤2-3-1-4，基于所述方位角偏差和俯仰角偏差修正回波入射角：
θ'T＝θT-Δθ
(2)双站模式下，入射角度与散射角度不同，具体过程包括：
步骤2-3-2-1，与单站模式相同，分别取入射角度临近的四个角度方向和散射角度/>临近的四个角度方向/>
步骤2-3-2-2，将步骤2-3-2-1中的入射角度与散射角度两两组合，获得16个角度方向，从数据库中提取该16个角度方向上的数据；
之后对和方向上的数据进行双线性插值，估算/>方向上的数据；
同理估算和/>方向上的数据；
步骤2-3-2-3，对步骤2-3-2-2获得的四个方向上的数据进行一次双线性插值，得到方向上的一维距离像和角闪烁偏差，进而得到修正后的回波入射角
在一个实施例中，提供了一种单/双站动态复杂目标半实物回波模拟系统，所述系统包括目标轨迹动态产生总控模块、模拟回波中频信号产生模块、以及半实物仿真系统射频模块；其中：
目标轨迹动态产生总控模块，为计算机端图形界面应用程序，用于导入目标运动轨迹信息以及设定的目标运动相关参数，实时的将目标的地理坐标、速度信息和姿态角动态变化数据通过网口发送给模拟回波中频信号产生模块；
模拟回波中频信号产生模块，包括高性能处理模块和高速数模转换模块两个部分，其中的处理芯片通过串行RapidIO即SRIO网络交互信息；其中，高性能处理模块用于生成雷达发射基带信号，根据控制程序设定的目标轨迹参数，调用存储的目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，计算回波信号的相关参数；高速数模转换模块用于合成目标基带回波信号，并进行数字正交上变频处理，产生目标中频回波信号；
半实物仿真系统射频模块，采用三元组天线阵列结构；用于将输入的目标中频回波信号，通过发射通道上变频至所需模拟的射频频段，并根据回波功率需求控制发射功放；同时采用专用通信接口送来的目标空间角度值，控制三元组天线合成信号的幅度和相位，将射频模拟信号辐射出去。
进一步地，在其中一个实施例中，高性能处理模块的基带信号生成功能通过FPGA实现，该模块具体包括：
(1)基带控制信号接收模块：使用SRIO接口接收DSP转发的基带控制信号，包括信号波形、脉冲宽度、重复周期、驻留时间信息；
(2)基带信号产生模块：利用直接数字频率合成技术DDS生成所需的雷达发射基带信号；该模块包括相位累加器和存储正弦查找表的ROM，在频率控制字的作用下，通过相位累加器从查找表中读取相应的正弦波幅度的离散数字序列，从而生成相应的基带数字信号；
(3)基带信号发送模块：用于将雷达发射基带信号通过MGT总线发送给高速数模转换模块。
进一步地，在其中一个实施例中，所述高性能处理模块的回波参数计算功能由一个DSP的4个内核并行完成，包括：
(1)内核0：为总控内核，通过网口与目标轨迹动态产生总控模块进行数据交互；定时获取网口控制程序发送的目标轨迹数据帧，解析出地理坐标、速度和姿态角信息后分发给其他内核；将获取的基带控制信号通过SRIO交换网络发送给高性能处理电路的FPGA；
(2)内核1：接收内核0发来的坐标信息计算距离，得到时延τ和其对应的时钟周期个数；将内核1的以及从其他核接收到的数据打包通过SRIO交换网络发送给高速数模转换模块；
(3)内核2：根据内核0发来的姿态角信息，得到各固联坐标系和地面坐标系的转换关系；并将内核0发来的速度矢量转换到地面坐标系，计算多普勒频移fd和其对应的DDS频率控制字并发给内核1；根据内核0发来的坐标信息得到入射和散射信号在地面坐标系中的方向矢量，转换到相应的固联坐标系中即可得到相应的角度信息 和将其打包发给内核3；
(4)内核3：根据内核2发来的角度信息查找存储在DSP内存中的目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，按照所述单/双站动态复杂目标回波模拟方法，计算目标的一维距离像和角闪烁偏差，发送给内核1。
进一步地，在其中一个实施例中，所述高速数模转换模块通过FPGA实现，该模块包括：
(1)目标回波参数接收模块：通过SRIO接口接收DSP计算好的时延周期个数，多普勒频移对应的频率控制字，以及目标一维距离像和角闪烁偏差参数；
(2)基带信号接收模块：通过高速串行收发接口MGT接收雷达发射基带信号St(t)；
(3)一维距离像卷积模块：根据卷积公式，将雷达发射基带信号反折，与此时目标一维距离像h(n)每一项进行相乘并求和，输出信号S'(t)；
(4)距离延时模块：利用双端口RAM存储一维距离像卷积模块输出的信号；并根据DSP发来的延时对应的时钟周期，调整读指针地址，实现延时；
(5)多普勒调制模块：使用fd对应的频率控制字，控制DDS电路产生对应频率的正弦信号；将距离延时模块输出的信号与其做复数乘法，实现频谱的搬移，得到目标基带回波信号Sr(t)；
(6)数模转换接口模块：将目标基带回波信号Sr(t)发送给数模转换器DAC。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明方法进行进一步验证说明。
本实施例提供了一种可以直接应用于半实物仿真系统的动态复杂目标回波模拟系统方案，对给定飞行目标的回波进行模拟仿真。该系统采用VPX 6U结构的高性能处理电路和高速数模转换电路组成的高效紧凑系统架构的基础上，结合电磁场计算软件FEKO，产生基于多散射点模型的目标中频回波，提供给半实物回波仿真系统。
结合图1，本实例具体步骤如下：
(1)离线计算
在高性能计算机上利用电磁计算软件FEKO中的CADFEKO构建待仿真目标的模型，目标长约为7m，如图2所示。本实例中入射平面波中心频率对应的波长为0.3m、极化方向为垂直极化、雷达工作带宽300MHz，距离单元长度0.5m，一维距离像点数33个。采取FEKO标准模式对模型进行三角网格划分，合计129396个网格。根据目标结构特性和雷达工作频率选择计算的步进角度为α＝5°，将空域分别沿水平面和俯仰面划分为72×37个角度方向。依次分别设置平面波入射角度方向和远场监视器位置。考虑南北极共计2522组空域数据。单站工作模式下，仅需计算每个角度方向上后向散射的数据；双站工作模式下，相同入射角度需要考虑不同的散射角度，需计算6360484组数据。
设置平面波为一组频率步进波，调频步长Δf＝9.375MHz，中心频率f0＝1GHz，采用多层快速多极子算法，在对应角度上设置远场监视器计算散射场电场值，从而得到目标回波频域响应序列x(fn)；对回波序列做逆傅里叶变换H(n)＝IFFT(x(fn))，得到目标雷达散射截面(RCS)沿径向距离轴的分布情况，即目标一维距离像。以入射角度(0°,10°)的单站情况为例，目标一维距离像如图3所示，图中，横轴为距离单元数，越大离目标越远；纵轴为归一化幅度，以波长为f0时的RCS，0.098m2，为“1”。
在每个待计算的角度方向上，距目标几何中心距离r＝20m处设置理想接收天线，理想天线取单臂振子长为0.075m的半波偶极子，其远场方向图由HFSS计算后导入。以入射角度(10°,0°)的单站情况为例，用FEKO计算理想天线在此处接收的回波相位为Φ(10°,0°)＝69.83°；同时取微小角度β＝0.05°，在/>处也设置理想接收天线，得到回波相位分别为69.80°、69.81°、69.81°和69.81°；进而得到散射方向上方位面和俯仰面的回波相位的偏导数/>角闪烁在水平面和俯仰面的线偏差分别为/>
其他角度上一维距离像和角闪烁偏差计算过程同上。所有结果按照角度顺序排序，生成相应的数据文档。
(2)在线仿真
在线计算部分需结合动态复杂目标中频回波模拟系统，对模拟方法及其具体实现进行说明。
图4展示了回波模拟系统的组成结构，主要包括目标轨迹动态产生总控程序、高性能处理电路和高速数模转换电路三部分。控制软件通过千兆网口与高性能处理电路进行信息传输，高性能处理电路和高速数模转换电路通过VPX总线进行数据通信。目标轨迹动态产生总控程序由QT进行编写，主界面如图5所示。高性能处理电路的主要器件为一片多核DSP和一片高性能FPGA，通过千兆网口与目标轨迹动态产生总控程序进行数据交互。高速数模转换电路的主要器件为高性能FPGA和高速DAC，输出复杂目标的中频雷达回波模拟信号。
图6给出了回波模拟系统各模块间的数据传递关系示意图。目标轨迹动态产生总控程序根据界面设置，可以导入计算好的目标运动过程中实时数据，包括地理坐标、速度矢量、雷达与目标姿态信息等参数；同时也可以设定基带信号参数，包括信号波形、脉冲宽度、重复周期、驻留时间等信息。高性能处理电路的DSP通过UDP协议接收数据，依此计算目标多普勒频率对应的DDS频率控制字、目标距离对应的延时量、目标一维距离像和目标的角闪烁偏差。高性能处理电路的FPGA接收DSP转发的参数后使用直接数字频率合成技术生成相应的雷达基带发射数字信号。高速数模转换电路的FPGA分别接收高性能处理电路的DSP发送的复杂目标回波信号参数和FPGA发送的基带信号，通过卷积处理产生动态复杂目标回波基带信号，发送给数模转换器DAC，经过上变频处理生成相应的中频回波。DAC输出的中频回波和相应的经过角闪烁修正的回波入射角度作为整个系统的输出，提供给半实物仿真系统，实现运动目标的回波模拟。
下面结合具体硬件结构进行详细说明。
高性能处理电路中DSP的软件实现采用了多核并行处理方式，DSP的核间通信结构如图7所示，下面详细介绍每个处理内核完成的工作。
(1)内核0：为总控内核，通过网口与目标轨迹动态产生总控程序进行数据交互；首先从控制程序接收离线计算的目标特性数据库，将数据保存在多核共享的DDR3内；接着获取基带控制信号通过SRIO发送给高性能处理电路的FPGA；最后收到开始模拟信号后定时从网口获取控制程序发送的目标轨迹数据帧，解析出地理坐标、速度和姿态角等信息后分发给其他内核；
(2)内核1：接收内核0发来的坐标信息计算距离，得到时延τ和其对应的时钟周期个数；使用SRIO协议，将内核1的以及从其他核接收到的数据打包发送给高速数模转换模块；
(3)内核2：根据内核0发来的姿态角信息，得到各固联坐标系和地面坐标系的转换关系；将内核0发来的速度矢量转换到地面坐标系，计算多普勒频移fd和其对应的DDS频率控制字PINC＝232×fd/fFPGA并发给核1，其中fFPGA为100MHz，是FPGA芯片的工作频率；根据内核0发来的坐标信息得到入射和散射在地面坐标系中的方向矢量，转换到相应的固联坐标系中即可得到相应的角度信息和/>将其打包发给内核3；
(4)内核3：根据内核2发来的角度信息查找存储在内存的目标特征数据库，按照单/双站动态复杂目标回波模拟方法，得到目标的一维距离像和角闪烁偏差，发送给内核1。
高性能处理模块中的FPGA电路结构包括基带控制信号接收模块、发射基带信号产生模块和发射基带信号发送模块，每个模块负责的具体工作如下：
(1)基带控制信号接收模块：使用SRIO协议接收DSP转发的基带控制信号，本次回波模拟选择线性调频信号，信号脉冲宽度T＝64us，带宽B＝300MHz，重复周期512us；
(2)基带信号产生模块：使用直接数字频率合成技术(DDS)生成所需的雷达发射基带信号；模块主要包括相位累加器和存储正弦查找表的ROM，在频率控制字的作用下，通过相位累加器从查找表中读出相应的正弦波幅度的离散数字序列，从而生成相应的基带数字信号
(3)基带信号发送模块：将雷达发射基带信号通过MGT总线发送给高速数模转换模块。
高速数模转换模块的FPGA电路结构如图8所示，每个模块负责的具体工作如下：
(1)目标回波参数接收模块：通过SRIO接口接收DSP计算好的时延周期个数，多普勒频移频率控制字PINC，目标的一维距离像h(n)和角闪烁偏差等参数；
(2)基带信号接收模块：通过MGT接口接收雷达发射基带信号St(n)；
(3)一维距离像卷积模块：根据卷积公式，将雷达发射基带信号反折，与此时目标一维距离像h(n)每一项进行相乘并求和，输出信号S'(n)＝h(n)*St(n)；
(4)距离延时模块：使用双端口RAM存储一维距离像卷积模块输出的信号；根据DSP发来的延时对应的时钟周期，调整读指针地址，实现延时；
(5)多普勒调制模块：使用fd对应的DDS控制字，产生对应频率的正弦信号；将距离延时模块输出的信号与其做复数乘法，实现频谱的搬移，得到目标基带回波信号
(6)数模转换接口模块：将目标基带回波信号上变频至150MHz后发送给DAC。
上述中频系统可以模拟任意发射波形，任意空间角度、速度和距离的复杂目标的动态中频回波信号。
此系统可以完美对接的现有的半实物射频模拟仿真系统，输出的中频回波通过其射频发射组件(包括上变频、滤波和功率放大)生成射频动态回波。三元组阵列天线接收经过角闪烁修正的回波入射角度，选择射频回波的发射阵元。该半实物射频模拟仿真系统，可以在微波暗室中，模拟任意发射波形，任意空间角度、速度和距离的复杂目标的射频动态回波，为雷达系统提供从天线、射频电路到数字处理部分的系统级调试需要的分布式目标模拟测试环境。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种单/双站动态复杂目标回波模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，离线计算：利用电磁场数值计算方法，计算所模拟的目标在给定频段和带宽，不同姿态角下的一维距离像和角闪烁偏差，构建目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库；
步骤2，在线仿真：基于所述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，进行在线实时目标回波模拟；
步骤1具体包括：
(1)利用电磁场数值计算软件，构建待仿真目标的物理模型，确定入射平面波的波长λ、极化方向、雷达工作带宽B和一维距离像点数K；
(2)根据目标结构特性和雷达工作频率选择步进角度α，将空域分别沿水平面和俯仰面划分为M×N个角度方向，其中水平方向角度取值为0°～360°，0°为目标正前方，俯仰方向角度取值为0°～180°，0°为目标正上方；
在这些角度方向上依次设置平面波激励源，对于单站工作模式，仅需计算每个角度方向上后向散射的数据，远场监视器只需设在平面波入射角度方向上，考虑南北极共计T＝M(N-2)+2组空域数据；对于双站工作模式下，考虑入射角度和散射角度不同，远场监视器需设置在所有角度方向上，共需计算T2组数据；
(3)在待计算的散射角度方向上，使用一组调频步长Δf＝B/N，中心频率f0＝c/λ的频率步进波分别照射目标，得到目标回波频域响应序列X(fn)；
对回波序列做逆傅里叶变换，得到目标雷达散射截面积RCS沿径向距离轴的分布情况，即目标一维距离像h(n)＝IFFT(X(fn))；
(4)在方向上，距目标几何中心距离r处设置理想接收天线，计算此处的回波相位/>同时取角度β使得rβ＜10λ，在/>处也分别设置理想接收天线，计算回波相位；
进而得到散射方向上方位面和俯仰面的回波相位的偏导数估计分别为：
计算得到角闪烁在水平面和俯仰面的线偏差分别为：
基于上述(1)～(4)过程，构建出目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，该库中的数据映射关系包括：对于单站工作模式，散射角度方向与一维距离像和角闪烁特性数据信息一一对应；对于双站工作模式，入射和散射角度方向/>与一维距离像和角闪烁特性数据信息一一对应；
步骤2所述基于所述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，进行在线实时目标回波模拟，具体过程包括：
步骤2-1，获取目标实时运动轨迹的详细数据，包括位置、速度、姿态信息；
步骤2-2，根据位置坐标与速度矢量计算目标几何中心(x0,y0,z0)与雷达阵面中心的距离和其相对雷达的径向速度，进一步得到距离引起的时间延时τ和速度引起的多普勒频移fd；根据姿态信息计算得到回波入射的方位和俯仰角度以及雷达相对目标的入射角度/>和散射角度/>
步骤2-3，根据和/>查表上述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，根据数据库中临近角度方向上已有的一维距离像和角闪烁偏差数据估算/>方向上的一维距离像和角闪烁偏差，并对回波入射角度信息/>进行修正获得/>
步骤2-4，实时采样基带发射信号St(n)并将其与相应的一维距离像h(n)进行卷积得S'(t)＝h(n)*St(n)；再经过多普勒频移fd与时延τ的调制后得到相应的基带回波信号
步骤2-5，将基带回波信号Sr(n)通过数字上变频至中频，经过数模转换器DAC得到模拟中频回波信号Sm(t)，将其与修正后的回波入射角度信息一起发送给半实物仿真系统。
2.根据权利要求1所述的单/双站动态复杂目标回波模拟方法，其特征在于，步骤2-3所述根据和/>查表上述目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，根据数据库中临近角度方向上已有的一维距离像和角闪烁偏差数据估算/>方向上的一维距离像和角闪烁偏差，并对回波入射角度信息/>进行修正获得/>具体包括：
(1)单站模式下，入射角度与散射角度相同，具体过程包括：
步骤2-3-1-1，提取与待计算角度方向最接近的四个角度方向，使得待计算的角度落在它们中间，并取左上角最小的角度为/>其中，/> 选取的四个角度方向分别为/>和
步骤2-3-1-2，从数据库中依次提取步骤2-3-1-1四个角度方向上的一维距离像为H1(n)、H2(n)、H3(n)和H4(n)，采用双线性插值得到待计算角度方向上的一维距离像HI(n)，计算公式为：
同理可得角闪烁在水平面的线偏差eiθ和俯仰面的线偏差
步骤2-3-1-3，基于目标几何中心距接收雷达的距离R，以及所述eiθ和计算方位角偏差和俯仰角偏差分别为：
△θ＝tan-1(eiθ/R)
步骤2-3-1-4，基于所述方位角偏差和俯仰角偏差修正回波入射角：
θ′T＝θT-△θ
(2)双站模式下，入射角度与散射角度不同，具体过程包括：
步骤2-3-2-1，与单站模式相同，分别取入射角度临近的四个角度方向和散射角度/>临近的四个角度方向/>
步骤2-3-2-2，将步骤2-3-2-1中的入射角度与散射角度两两组合，获得16个角度方向，从数据库中提取该16个角度方向上的数据；
之后对和方向上的数据进行双线性插值，估算/>方向上的数据；
同理估算和/>方向上的数据；
步骤2-3-2-3，对步骤2-3-2-2获得的四个方向上的数据进行一次双线性插值，得到方向上的一维距离像和角闪烁偏差，进而得到修正后的回波入射角/>
3.基于权利要求1至2任意一项所述方法的单/双站动态复杂目标半实物回波模拟系统，其特征在于，所述系统包括目标轨迹动态产生总控模块、模拟回波中频信号产生模块、以及半实物仿真系统射频模块；其中：
目标轨迹动态产生总控模块，为计算机端图形界面应用程序，用于导入目标运动轨迹信息以及设定的目标运动相关参数，实时的将目标的地理坐标、速度信息和姿态角动态变化数据通过网口发送给模拟回波中频信号产生模块；
模拟回波中频信号产生模块，包括高性能处理模块和高速数模转换模块两个部分，其中的处理芯片通过串行RapidIO即SRIO网络交互信息；其中，高性能处理模块用于生成雷达发射基带信号，根据控制程序设定的目标轨迹参数，调用存储的目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，计算回波信号的相关参数；高速数模转换模块用于合成目标基带回波信号，并进行数字正交上变频处理，产生目标中频回波信号；
半实物仿真系统射频模块，采用三元组天线阵列结构；用于将输入的目标中频回波信号，通过发射通道上变频至所需模拟的射频频段，并根据回波功率需求控制发射功放；同时采用专用通信接口送来的目标空间角度值，控制三元组天线合成信号的幅度和相位，将射频模拟信号辐射出去。
4.根据权利要求3所述的单/双站动态复杂目标半实物回波模拟系统，其特征在于，高性能处理模块的基带信号生成功能通过FPGA实现，该模块具体包括：
(1)基带控制信号接收模块：使用SRIO接口接收DSP转发的基带控制信号，包括信号波形、脉冲宽度、重复周期、驻留时间信息；
(2)基带信号产生模块：利用直接数字频率合成技术DDS生成所需的雷达发射基带信号；该模块包括相位累加器和存储正弦查找表的ROM，在频率控制字的作用下，通过相位累加器从查找表中读取相应的正弦波幅度的离散数字序列，从而生成相应的基带数字信号；
(3)基带信号发送模块：用于将雷达发射基带信号通过MGT总线发送给高速数模转换模块。
5.根据权利要求4所述的单/双站动态复杂目标半实物回波模拟系统，其特征在于，所述高性能处理模块的回波参数计算功能由一个DSP的4个内核并行完成，包括：
(1)内核0：为总控内核，通过网口与目标轨迹动态产生总控模块进行数据交互；定时获取网口控制程序发送的目标轨迹数据帧，解析出地理坐标、速度和姿态角信息后分发给其他内核；将获取的基带控制信号通过SRIO交换网络发送给高性能处理电路的FPGA；
(2)内核1：接收内核0发来的坐标信息计算距离，得到时延τ和其对应的时钟周期个数；将内核1的以及从其他核接收到的数据打包通过SRIO交换网络发送给高速数模转换模块；
(3)内核2：根据内核0发来的姿态角信息，得到各固联坐标系和地面坐标系的转换关系；并将内核0发来的速度矢量转换到地面坐标系，计算多普勒频移fd和其对应的DDS频率控制字并发给内核1；根据内核0发来的坐标信息得到入射和散射信号在地面坐标系中的方向矢量，转换到相应的固联坐标系中即可得到相应的角度信息 和/>将其打包发给内核3；
(4)内核3：根据内核2发来的角度信息查找存储在DSP内存中的目标全空域一维距离像和角闪烁特性数据库，按照所述单/双站动态复杂目标回波模拟方法，计算目标的一维距离像和角闪烁偏差，发送给内核1。
6.根据权利要求5所述的单/双站动态复杂目标半实物回波模拟系统，其特征在于，所述高速数模转换模块通过FPGA实现，该模块包括：
(1)目标回波参数接收模块：通过SRIO接口接收DSP计算好的时延周期个数，多普勒频移对应的频率控制字，以及目标一维距离像和角闪烁偏差参数；
(2)基带信号接收模块：通过高速串行收发接口MGT接收雷达发射基带信号St(t)；
(3)一维距离像卷积模块：根据卷积公式，将雷达发射基带信号反折，与此时目标一维距离像h(n)每一项进行相乘并求和，输出信号S'(t)；
(4)距离延时模块：利用双端口RAM存储一维距离像卷积模块输出的信号；并根据DSP发来的延时对应的时钟周期，调整读指针地址，实现延时；
(5)多普勒调制模块：使用fd对应的频率控制字，控制DDS电路产生对应频率的正弦信号；将距离延时模块输出的信号与其做复数乘法，实现频谱的搬移，得到目标基带回波信号Sr(t)；
(6)数模转换接口模块：将目标基带回波信号Sr(t)发送给数模转换器DAC。
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