CN115128559A - 机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法及装置，属于机载相控阵雷达技术领域，所述方法包括通过网络请求和触发导前同步的方式，查找并加载所需的杂波数据，所述杂波数据存储于记录仪；基于预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号；实时将杂波数据中的环境回波信号与波束IQ信号进行对齐和叠加，得到合成模拟波束。本发明基于实测的单元级相控阵天线方向图实时在线计算阵面方向图来实现目标与干扰的信号幅相控制，完成了目标、干扰信号仿真的幅相精确控制；基于实测的杂波数据加载实现了逼真的机载地物杂波模拟还原度更高，更能适应机载平台的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及机载相控阵雷达技术领域，具体涉及一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法及装置。
背景技术
模拟器在作战理论、技术算法研究、装备训练方面，一直发挥着重要作用，相控阵雷达系统仿真按模型分类主要包括全实物仿真、半实物仿真和数字仿真三种方法。全实物仿真使用实际设备对雷达系统进行仿真，虽逼真度高却成本高昂，通用性低；数字仿真是用一定的数学模型和各种数据来模拟实验环境和参试装备，采用计算机软件控制实验过程，通过计算机演算得到实验结果，但计算机仿真结果的可信度受到构建的数学模型及其他因素的影响；半实物仿真介于全实物仿真和数字仿真之间，部分设备使用实际设备，部分采用数学模型进行信号模拟，因此兼顾仿真逼真度、灵活性、通用性与经济性，因而广泛应用。
一种典型的半实物仿真系统，是采用信号级回波模拟前端和实装设备组成的后端信号处理、数据处理平台，具有实时性好，仿真颗粒度细，性能还原度高的特点。在信号中灵活地加入各类目标、干扰，设置不同的雷达波形和处理参数，可用于抗干扰技术、新体制新波形和复杂地理电磁环境下的装备性能等研究。
机载相控阵雷达的回波模拟，包括目标、干扰的模拟以及杂波的模拟，目标以及干扰，为数个单一方向回波，数字仿真可高度还原模拟。机载相控阵天线，由于安装于机身或者机背上，天线受载机遮挡影响，且天线罩多采用保形方式，因而方向图与理论模型存在差别，特别是天线副瓣。此外，平台升空后，下视杂波为广袤地物反射回波的矢量叠加，主副瓣方向图均参与回波合成，且受载机运动调制，尤其是非正侧视雷达，杂波呈现复杂的非线性非平稳特性，虽可通过理论建模仿真获得杂波数据，但逼真度难免存在较大差距，且实时产生完全适应于模拟场景的杂波困难大、设备多。
面对日益复杂的战场环境，利用数字模型进行的环境回波仿真，包括地物杂波和复杂电磁环境，难以满足相关抗干扰、反杂波等技术研究的需求，也无法对装备性能作出准确测试评估，也不能解决波形、算法优化改进对仿真逼真度的迫切需求。将实录的或者精细化离线仿真的杂波和在线信号级数字仿真的目标信号实时叠加后灌入后端信息处理平台，能很大程度帮助用户对雷达波形、算法及参数进行评估和改进，提升装备性能。同时，由于半实物仿真对灵活的场景想定有实时响应特性，也可接入大型作战仿真系统中，支撑实战化训练与演练。
相关技术中，申请公布号为CN110618411A的中国发明专利申请，公开了一种机载雷达杂波实时信号产生方法，首先计算主瓣杂波、高度线杂波和旁瓣杂波谱宽，基于高斯白噪声源和各种计算得到的杂波谱宽，经多次滤波、插值模拟得到简化的杂波数据，进而将杂波数据通过接口下发到开发板上存储芯片内，然后分别对输入FIFO的上述三种杂波数据进行实时截取，最后通过FIFO对杂波数据进行距离上的延迟相加后与雷达发射脉冲脉宽内的有效信号进行卷积输出来实现机载雷达杂波的实时模拟。该方法优点是计算量大大地减少，从而满足硬件实现时的实时性要求，相同仿真条件下简化模型产生的杂波数据计算效率比网格划分法产生杂波数据提高了5倍以上。但该简化方法对机载复杂杂波的逼真度极为有限，无法对应复杂的实际地理环境。
申请公布号为CN109085552A的中国发明专利申请，公开了一种杂波半实物化仿真方法，针对杂波仿真的可信度，采用对雷达试飞采集的大量的杂波数据提取、整理出有效的杂波信号，与细颗粒度且灵活的数字仿真模块产生的目标和干扰信号合成来模拟高逼真度复杂电磁环境信号，进而注入到矢量信号发生器来产生射频信号，以线馈或空馈给雷达系统完成功能和性能测试。该方法的模拟信号逼真度高，但杂波依然通过插值、数据扩展等处理得到，还原度有一定损失，且整个试验场景需先下发，离线整理杂波数据库，得到对应场景的杂波数据后，再与数字仿真得到的目标和干扰信号合成。该方法不具有实时性，测试准备时间长，且不能实现临机雷达参数调整，亦不能适用于搜索、跟踪自适应资源分配的先进相控阵雷达，因为波束调度与扫描都是依据策略而自动实时变化的，若离线整理杂波数据库，则场景固化，射频回波生成与真实系统无法对应，因此杂波场景不能提前离线规划编排。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何实现高逼真度的实时信号级机载雷达回波模拟。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
本发明提出了一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，所述方法包括：
通过网络请求和触发导前同步的方式，查找并加载所需的杂波数据，所述杂波数据预先存储在记录仪中；
基于预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号；
实时将所述杂波数据中的环境回波信号与所述波束IQ信号进行对齐和叠加，得到合成模拟波束。
本发明基于实测的单元级相控阵天线方向图实时在线计算阵面方向图来实现目标与干扰的信号幅相控制，完成了目标、干扰信号仿真的幅相精确控制，与传统建模仿真方法相比，充分考虑了机载天线方向图的不均匀对称性，还原度更高，更能适应机载平台的复杂性；并且基于试飞实录回波，确保了杂波的极高逼真度，将实时在线仿真的目标、干扰信号与实录背景杂波对齐叠加，实现了逼真的实时信号级仿真，可用于面向机载相控阵雷达目标、干扰、杂波等高逼真度实时信号级仿真，从而用于反杂波、抗干扰等算法研究，能力提升和装备实战化训练。
进一步地，所述通过网络请求和触发导前同步的方式，查找并加载所需的杂波数据，所述杂波数据包括与每帧波束对应的杂波数据单元组，每个杂波数据单元组包括按相干脉冲组为单位存成的多个杂波数据单元，包括：
在当前帧内发送获取下一帧波束调度参数的请求，并对获取的波束控制字进行波束调度解析，获取下一帧所需的波束调度参数；
基于下一帧所需的波束调度参数，从所述记录仪中获取杂波数据单元组的读取地址，所述读取地址为按照所述波束调度参数进行地址挑选并编排得到；
基于所述杂波数据单元组的读取地址，回放对应的所述杂波数据单元组。
进一步地，在所述基于下一帧所需的波束调度参数，从所述记录仪中获取杂波数据单元组的读取地址之前，所述方法还包括：
所述记录仪经网络获取数据提取请求，所述数据提取请求包括仿真场景中所涉及的杂波/回波的所有类别；
基于所述数据提取请求，从存储体中进行杂波数据搜索，并提取所搜索到的杂波数据进行缓存供调用。
进一步地，第u个脉冲组对应的杂波数据，搜索规则为：
式中：xv为波束调度参数，xv∈{重频、脉冲数、脉冲宽度、工作频率、载机位置、载机速度、载机高度、波束指向俯仰角、波束指向方位角}，v＝1,…,9；
为第u帧对应的波束调度参数；ωv为各参数的加权系数。
进一步地，在背景环境发生化时，所述方法还包括：
获取控制终端发送的场景参数，所述场景参数为提前一帧以上抽取得到；基于所述场景参数，请求下一帧波束调度参数，并向所述记录仪发送数据更新请求，以更新所述记录仪中存储的杂波数据单元组。
进一步地，所述基于预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号，包括：
基于所述实测单元级相控阵天线方向图，计算仿真模拟参数，所述仿真模拟参数包括第i个波束中目标n的信号功率、第i个波束中干扰k的功率和全阵面合成方向图；
基于所述仿真模拟参数，实时产生所述波束IQ信号。
进一步地，所述第i个波束中目标n的信号功率An,i的计算公式为：
式中：ρn为极化系数；
为第i个波束的接收增益；Gt为发射增益，
为目标n在阵面坐标系下的方位角和俯仰角；
分别为发射波束指向和第i个接收波束指向；Pt为发射峰值功率；λ为波长；σn为目标n的雷达散射截面积；CB为匹配损失；LΣ为系统损耗；Rn为目标n的距离；
所述第i个波束中干扰k的功率的计算公式为：
式中：EIRPk为第k个干扰的等效辐射功率；
为阵面坐标系下干扰k的方位角、俯仰角，Rk为第k个干扰的距离。
进一步地，所述方法还包括：
将所述合成模拟波束中的部分波束，通过PCIE或RapidIO接口，发送至射频模拟板，产生射频信号；
将所述射频信号经线馈或者空馈进入雷达天线阵面。
此外，本发明还提出了一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，所述装置包括：信号模拟板和记录仪，记录仪中存储有杂波数据，信号模拟板包括第一处理模块、第二处理模块和第一光模块，第一处理模块上挂载有第一缓存模块：
第一处理模块，用于加载第一缓存模块中预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，计算仿真模拟参数；
第二处理模块，用于通过网络请求和触发导前同步的方式，通过第一光模块从所述记录仪中查找并加载所需的杂波数据，以及用于基于所述仿真模拟参数，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号，并将所述杂波数据中的环境回波信号与所述波束IQ信号进行对齐和叠加，得到合成模拟波束。
进一步地，所述记录仪包括第三处理模块、第四处理模块和第二光模块，第四处理模块上挂载有第二缓存模块和存储体，存储体中存储有所述杂波数据，所述杂波数据包括与每帧波束对应的杂波数据单元组，每个杂波数据单元组包括按相干脉冲组为单位存成的多个杂波数据单元；第三处理模块和第二光模块均与第四处理模块连接，第二光模块与所述第一光模块连接，其中：
第四处理模块，用于基于控制终端发送的数据提取请求，从存储体中获取杂波数据，并将所述杂波数据发送至第三处理模块；
第三处理模块，用于从第四处理模块发送的杂波数据中，进行数据搜索并提取到第二缓存模块中；
第四处理模块，用于基于所述波束调度参数，从第二缓存模块中读取杂波数据，并转发至第三处理模块中进行地址挑选并编排得到所需要的杂波数据单元组的读取地址；
以及用于基于所述模拟控制机发送的触发导前，按照第三处理模块发送的地址读取控制指令，从第二缓存模块中读取与读取地址相对应的杂波数据单元组并回放至所述模拟控制机中的第二处理模块。
进一步地，第u个脉冲组对应的杂波数据，搜索规则为：
式中：xv为波束调度参数，xv∈{重频、脉冲数、脉冲宽度、工作频率、载机位置、载机速度、载机高度、波束指向俯仰角、波束指向方位角}，v＝1,…,9；
为第u帧对应的波束调度参数；ωv为各参数的加权系数。
进一步地，所述信号模拟板还用于：
获取控制终端发送的场景参数，并请求下一帧波束调度参数，向所述记录仪发送数据更新请求，以更新所述存储体中存储的杂波数据，其中，所述场景参数为控制终端提前一帧以上抽取得到。
进一步地，所述第二缓存模块采用乒乓缓存机制，包括第一缓存单元和第二缓存单元，其中：
第一缓存单元和第二缓存单元中，一个在提供回放杂波数据时，另一个则用于存放提取的杂波数据单元组。
进一步地，所述仿真模拟参数包括第i个波束中目标n的信号功率、第i个波束中干扰k的功率和全阵面合成方向图，其中：
所述第i个波束中的目标n的信号功率An,i的计算公式为：
式中：ρn为极化系数；
为第i个波束的接收增益；Gt为发射增益，
为目标n在阵面坐标系下的方位角和俯仰角；
分别为发射波束指向和第i个接收波束指向；Pt为发射峰值功率；λ为波长；σn为目标n的雷达散射截面积；CB为匹配损失；LΣ为系统损耗；Rn为目标n的距离；
所述第i个波束中干扰k的功率的计算公式为：
式中：EIRPk为第k个干扰的等效辐射功率；
为干扰k在阵面坐标系下的方位角和俯仰角，Rk为第k个干扰的距离。
进一步地，所述第一处理模块和所述第三处理模块均采用CPU芯片，所述第二处理模块和所述第四处理模块均采用FPGA芯片。
进一步地，所述信号模拟板连接有信号处理机。
进一步地，所述信号模拟板经PCIE或RapidIO接连接至射频模拟板。
本发明的优点在于：
(1)本发明基于实测的单元级相控阵天线方向图实时在线计算阵面方向图来实现目标与干扰的信号幅相控制，完成了目标、干扰信号仿真的幅相精确控制，与传统建模仿真方法相比，充分考虑了机载天线方向图的不均匀对称性，还原度更高，更能适应机载平台的复杂性；并且基于试飞实录回波，确保了杂波的极高逼真度，将实时在线仿真的目标、干扰信号的仿真与实录背景杂波对齐叠加，实现了逼真的实时信号级仿真，可用于面向机载相控阵雷达目标、干扰、杂波等高逼真度实时信号级仿真，从而用于反杂波、抗干扰等算法研究，能力提升和装备实战化训练。
(2)将实录回波分类，基于实时变化的场景查找对应的离线数据库，进一步确保了环境杂波的极高逼真度，更逼近于真实的地理环境，按仿真场景实时加载并与实时信号级数字仿真的目标信号对齐、叠加，进一步提高了仿真逼真度。
(3)第二缓存模块采用两组高速缓存单元，以充分缓存抽取的杂波数据单元组，确保仿真的实时性与连续性，一缓存单元在提供回放杂波数据时，另一缓存单元负责存放及时提取的杂波数据单元组。
(4)由于信号模拟板和记录仪均采用的CPU+FPGA架构，本身具有良好的功能扩展性和性能升级能力，此外记录仪为通用型设备，所增加的信号模拟板，对原有系统设备无更改需求，接口友好；因此该发明具有良好的通用性，可用于具有类似架构的探测雷达上，亦可通过只更改CPU的部分软协议，用于机载SAR雷达半实物仿真。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一实施例提出的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提出的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置的结构示意图；
图3是本发明一实施例提出的信号模拟板及记录仪的架构示意图；
图4是本发明一实施例提出的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置的信号仿真流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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所示，本发明第一实施例提出了一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，所述方法包括以下步骤：
S10、通过网络请求和触发导前同步的方式，查找并加载所需的杂波数据，所述杂波数据预先存储在记录仪中；
需要说明的是，该网络请求为波束控制字，触发导前指的是时序信号。
S20、基于预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号；
需要说明的是，实测单元级相控阵天线方向图为在微波暗室进行实测或者专业软件离线精细仿真获得。
S30、实时将所述杂波数据中的环境回波信号与所述波束IQ信号进行对齐和叠加，得到合成模拟波束。
本实施例通过网络请求，查找所需杂波数据并加载，在触发导前同步下，记录仪回放杂波，信号模拟板实时将杂波数据以及模拟波束IQ对齐叠加，杂波数据的生成基于实测的单元级相控阵天线方向图实时在线计算阵面方向图来实现目标与干扰的信号幅相控制，完成了目标、干扰信号仿真的幅相精确控制，与传统建模仿真方法相比，充分考虑了机载天线方向图的不均匀对称性，还原度更高，更能适应机载平台的复杂性；并且基于试飞实录回波，确保了杂波的极高逼真度，将实时在线仿真的目标、干扰信号的仿真与实录背景杂波对齐叠加，实现了逼真的实时信号级仿真，可用于面向机载相控阵雷达目标、干扰、杂波等高逼真度实时信号级仿真，从而用于反杂波、抗干扰等算法研究，能力提升和装备实战化训练。
在一实施例中，所述杂波数据包括与每帧波束对应的杂波数据单元组，每个杂波数据单元组包括按相干脉冲组为单位存成的多个杂波数据单元，所述步骤S10，具体包括以下步骤：
S11、在当前帧内发送获取下一帧波束调度参数的请求，并对获取的波束控制字进行波束调度解析，获取下一帧所需的波束调度参数；
需要说明的是，所述波束调度参数包括但不限于重频、脉冲数、脉冲宽度、工作频率、载机位置、载机速度、载机高度、波束指向俯仰角(地心坐标系)、波束指向方位角(地心坐标系)等。
S12、基于下一帧所需的波束调度参数，从所述记录仪中获取杂波数据单元组的读取地址，所述读取地址为按照所述波束调度参数进行地址挑选并编排得到；
需要说明的是，编排好的杂波数据的读取地址，是从对应的杂波数据单元组来的，因为正常情况下杂波数据单元组是小于当前帧数据量的，因此杂波地址中有很多可以是重复的。
S13、基于所述杂波数据单元组的读取地址，回放对应的所述杂波数据单元组。
需要说明的是，本实施例按相干脉冲组为单位存成杂波数据单元，1个相干脉冲组为1个杂波数据单元，1帧波束即对应1个杂波数据单元组，每个杂波数据单元对应一个地址，1个杂波数据单元组对应一个地址序列。
本实施例在当前帧(毫秒级)内，请求下一帧的波束调度参数，解析抽取后向记录仪发送下一帧所需数据的具体参数，从而使所述记录仪有足够时间将所缓存的杂波数据按信号模拟板的请求进行地址挑取和编排。
需要说明的是，记录仪读取杂波数据分为两个阶段：
(1)环境产生一定变化时，经网络请求，提前几帧(秒级)从存储体读取、挑选最终读入缓存；
(2)提前一帧或1个波位，(毫秒级)，完成地址编排，然后在同步触发导前下，从缓存中读取杂波进入FIFO，回放杂波。
在一实施例中，所述方法还包括：
所述记录仪经网络获取控制终端发送数据提取请求，所述数据提取请求包括仿真场景中所涉及的杂波/回波的所有类别；
基于所述数据提取请求，从存储体中进行杂波数据搜索，并提取所搜索到的杂波数据进行缓存供调用。
在一实施例中，第u个脉冲组对应的杂波数据，搜索规则为：
式中：xv为波束调度参数，xv∈{重频、脉冲数、脉冲宽度、工作频率、载机位置、载机速度、载机高度、波束指向俯仰角、波束指向方位角}，v＝1,…,9；
为第u帧对应的波束调度参数；ωv为各参数的加权系数。
需要说明的是，对机载雷达来讲，一种典型设置为ω1＝ω2≥10000，ω3＝ω4＝100，ω5＝ω9＝500，ω6＝80，ω7＝50，ω8＝1000。
本实施例中，通过设置对应的搜索规则对脉冲组对应的杂波数据进行搜索，使得杂波数据格式完全对应当前波形及时序，确保系统运行正确，且杂波数据表征的特点与当前场景匹配度高，提高了逼真度。
在一实施例中，在背景环境发生变化时，所述方法还包括：
获取控制终端发送的场景参数，所述场景参数为控制终端提前一帧以上抽取得到；
基于所述场景参数，请求下一帧波束调度参数，并向所述记录仪发送数据更新请求，以更新所述记录仪中存储的杂波数据单元组。
一般来说，本实施例中背景环境发生变化是指背景地理环境的变化，比如地形、高程，也可以用一定的函数来定量描述，变化超过阈值即刻更新杂波数据单元组。在工程上，可采取抽样法，根据不同地形特点，一段时间更新一下，比如山地1分钟更新一次，沙漠3分钟1次，海洋10分钟1次等等，更新频次，亦可作为可设置的参数，在导调/显控上进行调整。
需要说明的是，杂波数据单元组的更新，使得杂波数据所代表的特点与当前缓慢变化的地物场景更为匹配，确保了持续的逼真度。
在一实施例中，所述步骤S20，包括以下步骤：
S21、基于所述实测单元级相控阵天线方向图，计算仿真模拟参数，所述仿真模拟参数包括第i个波束中目标n的信号功率、第i个波束中干扰k的功率和全阵面合成方向图；
S22、基于所述仿真模拟参数，实时产生所述波束IQ信号。
需要说明的是，所述的相控阵天线方向图模拟，采用了在线加载、实时计算的方式，包括发射方向图、接收方向图，用来计算全阵面合成方向图的阵元级方向图。为提供训练和研究对比，本发明也提供了典型分布杂波的模拟，是通过传统方法产生，即产生高斯白噪声后经滤波、ZMNL(零记忆非线性变换法)得到满足幅度及功率谱分布的杂波。CPU负责产生杂波所需参数的解算与设置，FPGA负责利用高斯核和FIR滤波、CORDIC算法实时产生杂波IQ。该典型分布杂波模拟和实录杂波加载，作为二选一选项加入到系统仿真中。
具体地，本实施例根据雷达方程计算第i个波束中目标n的信号功率及第i个波束中干扰k的功率，其中，第i个波束中目标n的回波模型为：
式中：An,i为目标n的第i个波束的信号功率；Tp、B、c分别为脉宽、带宽、光速；τ＝t-mTr为快时间；tm＝mTr为慢时间；Tr为脉冲重复时间；Nn,i(τ)为噪声；j为虚数单位；m为脉冲数；T为脉冲组总时长；fc为工作频率；Rn(tm)为目标距离，公式表示为：
其中，Rn(0)、vn、an分别为目标n的初始距离、速度和加速度。
进一步地，所述第i个波束中目标n的信号功率An,i的计算公式为：
式中：ρn为极化系数；
为第i个波束的接收增益；Gt为发射增益，
为目标n在阵面坐标系下的方位角和俯仰角；
分别为发射波束指向和第i个接收波束指向；Pt为发射峰值功率；λ为波长；σn为目标n的雷达散射截面积；CB为匹配损失；LΣ为系统损耗；Rn为目标n的距离。
其中，发射增益Gt的计算公式为：
式中：
为阵元增益；wk为波束加权，通常发射时都取为1；dk,x为第k个单元离阵面中心的方位距离；dk,y为第k个单元离阵面中心的俯仰距离；目标角度
为场景模拟中生成下发，波束指向为波束调度动态刷新的，阵元增益为CPU从DDR中实时查表获取。
需要说明的是，接收增益Gr计算方法相同，唯一区别为波束加权wk，接收时采用幅度加权。
需要说明的是，通常，机载波束数量i不少于16，甚至24以上。
本实施例充分考虑了不同天线阵元的具体方向图，采用实时合成计算的方式，尽管计算量大，对实时计算性能要求高，但更准确，还原度更高，并且能适应诸如阵元损坏、部分通道关闭、方向图加权系数在线调整等仿真特情设置。
进一步地，所述第i个波束中干扰k即噪声干扰的功率的计算公式为：
式中：EIRPk为第k个干扰的等效辐射功率；
为干扰k在阵面坐标系下的方位角和俯仰角，Rk为第k个干扰的距离。
本实施例中信号功率以及噪声功率的计算，充分考虑了系统和环境中的影响因素，更准确还原了相应的信号。
在一实施例中，所述方法还包括：
将所述合成模拟波束中的部分波束，通过PCIE或RapidIO接口，发送至射频模拟板，产生射频信号；
将所述射频信号经线馈或者空馈进入雷达天线阵面。
需要说明的是，若需要产生射频模拟信号，则将合成的模拟波束中的个别波束，典型的是和波束，通过PCIE或RapidIO接口，送射频模拟板，进而通过上变频、滤波、放大产生射频信号，最后线馈或者空馈进入雷达天线阵面。
此外，如图2至图3所示，本发明第二实施例提出了一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，所述装置包括：信号模拟板10和记录仪20，记录仪20中存储有杂波数据，信号模拟板10包括第一处理模块11、第二处理模块12和第一光模块14，第一处理模块11上挂载有第一缓存模块13：
第一处理模块11，用于加载第一缓存模块13中预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，计算仿真模拟参数；
第二处理模块12，用于通过网络请求和触发导前同步的方式，通过第一光模块14从所述记录仪20中查找并加载所需的杂波数据，以及用于基于所述仿真模拟参数，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号，并将所述杂波数据中的环境回波信号与所述波束IQ信号进行对齐和叠加，得到合成模拟波束。
本实施例中，信号模拟板10，用于实时产生目标、干扰、典型杂波的数字IQ波束模拟，以及请求并叠加记录仪20中的实录杂波；记录仪20或记录板卡，用于存储大量经过整理的实录或离线精细仿真机载杂波、回波，并按网络请求和时序触发送信号模拟板10。
需要说明的是，通过基于实测的单元级相控阵天线方向图实时在线计算阵面方向图来实现目标与干扰的信号幅相控制，完成了目标、干扰信号仿真的幅相精确控制，与传统建模仿真方法相比，充分考虑了机载天线方向图的不均匀对称性，还原度更高，更能适应机载平台的复杂性；并且基于试飞实录回波，确保了杂波的极高逼真度，将实时在线仿真的目标、干扰信号的仿真与实录背景杂波对齐叠加，实现了逼真的实时信号级仿真。
具体到本实施例中，第一处理模块11可采用CPU芯片，第二处理模块12可采用FPGA芯片，第一处理模块11上挂载1GB以上高速DDR作为第一缓存模块13，用于缓存实测的单元级方向图。通过对阵元进行典型分类、建库，存储于记录仪20或者系统的资源管理工作站上，仿真时根据工作频率、扫描范围参数，提前一次性在线加载至信号模拟板10中CPU挂载的DDR上。
具体地，场景模拟计算机30经网络与导调/雷达显控40连接，导调/雷达显控40经数字波束形成分机50中的波束调度模块与信号模拟板10连接，信号模拟板10通过采用CPU+FPGA架构，在导调/雷达显控和实装系统波束调度模块的网络命令下，对目标、干扰、典型分布杂波等进行了数字波束级IQ模拟生成。其中第一处理模块11负责外部雷达显控、波束调度单元送来的指令解析与数据交互、仿真模拟参数计算，第二处理模块12负责产生实时的目标和干扰的IQ信号，并与记录仪20发送的波束IQ数据进行精准对齐与叠加合成。
需要说明的是，此处的典型分布杂波设计在第二处理模块12内实时生成，具体采用经典的零记忆非线性变换法，但并非是必要的，其作为与本实施例的实录杂波加载仿真方法的比对手段，在记录仪20条件不具备时，是实现系统仿真的重要补充手段。
在一实施例中，所述记录仪20包括第三处理模块21、第四处理模块22和第二光模块26，第四处理模块22上挂载有第二缓存模块和存储体25，存储体25中存储有所述杂波数据，所述杂波数据包括与每帧波束对应的杂波数据单元组，每个杂波数据单元组包括按相干脉冲组为单位存成的多个杂波数据单元；第三处理模块21和第二光模块26均与第四处理模块22连接，第二光模块26与所述第一光模块14连接，其中：
第四处理模块22，用于基于控制终端发送的数据提取请求，从存储体25中获取杂波数据，并将所述杂波数据发送至第三处理模块21；
第三处理模块21，用于从第四处理模块22发送的杂波数据中，进行数据搜索并提取到第二缓存模块中；
第四处理模块22，用于基于所述波束调度参数，从第二缓存模块中读取杂波数据，并转发至第三处理模块21中进行地址挑选并编排得到所需要的杂波数据单元组的读取地址；
以及用于基于所述模拟控制机发送的触发导前，按照第三处理模块21发送的地址读取控制指令，从第二缓存模块中读取与读取地址相对应的杂波数据单元组并回放至所述模拟控制机中的第二处理模块12。
具体到本实施例中，第三处理模块21可采用CPU芯片，第四处理模块22可采用FPGA芯片，第四处理模块22上挂载有两个4GB以上高速DDR作为第二缓存模块和4TB以上的SSD作为存储体25；其中存储体25用于存储有杂波数据，第二缓存模块用于存储按照读取地址获取的杂波数据单元组。
本实施例中记录仪20采用CPU+FPGA+DDR的架构，用于仿真回波数据，先由控制终端，通过网络向记录仪20一次性或按较慢频率发送数据提取需请求，包括仿真场景中所涉及的杂波/回波的所有类别，记录仪20控制板上的第三处理模块21将在存储体25中数据搜索、提取数据存储至第二缓存模块中。
进一步地，所述的信号模拟板10，在当前帧(毫秒级)内，向波束调度模块请求下一帧的波束调度参数，解析抽取后向第三处理模块21发送下一帧所需数据的具体参数，从而使所述第三处理模块21有足够时间将第二缓存模块中数据按信号模拟板10的请求进行地址挑取、编排，发送至第四处理模块22。
进一步地，所述第四处理模块22在接收到信号模拟板10发送的触发导前后，按照第三处理模块21所控读取地址读取第二缓存模块中的杂波数据，第二光模块发信号至信号模拟板10，同时发送门铃消息至第三处理模块21告知已读取数据，以使得第三处理模块21及时更新下一次的读取地址。
在一实施例中，第u个脉冲组对应的杂波数据，搜索规则为：
式中：xv为波束调度参数，xv∈{重频、脉冲数、脉冲宽度、工作频率、载机位置、载机速度、载机高度、波束指向俯仰角、波束指向方位角}，v＝1,…,9；
为第u帧对应的波束调度参数；ωv为各参数的加权系数。
需要说明的是，对机载雷达来讲，一种典型设为有ω1＝ω2≥10000，ω3＝ω4＝100，ω5＝ω9＝500，ω6＝80，ω7＝50，ω8＝1000。
在一实施例中，所述信号模拟板10还用于：
获取控制终端发送的场景参数，并请求下一帧波束调度参数，向所述记录仪20发送数据更新请求，以更新所述存储体25中存储的杂波数据，其中，所述场景参数为控制终端提前一帧以上抽取得到。
在一实施例中，所述第二缓存模块采用乒乓缓存机制，包括第一缓存单元23和第二缓存单元24，其中：
第一缓存单元23和第二缓存单元24中，一个在提供回放杂波数据时，另一个则用于存放提取的杂波数据单元组。
需要说明的是，第二缓存模块采用了两个高速DDR，以充分缓存抽取的杂波数据单元组，确保仿真的实时性与连续性，当前一个DDR在提供回放杂波数据时，另外一个DDR负责存放提取的杂波数据单元组。
本实施例构建了将实录回波分类，按仿真场景实时加载并与实时信号级数字仿真的目标信号对齐、叠加的架构与方法流程，明确了相应实现装置的配置特点。由于采用的CPU+FPGA架构本身具有良好的功能扩展性和性能升级能力，此外记录仪20为通用型设备，增加的信号模拟板10，对原有系统设备无更改需求，接口友好，因此该发明具有良好的通用性，可用于具有类似架构的探测雷达上，亦可通过只更改CPU的部分软协议，用于机载SAR雷达半实物仿真。
在一实施例中，所述仿真模拟参数包括目标n的第i个波束的信号功率、第i个波束中干扰k的功率和全阵面合成方向图，其中，第一处理模块11基于雷达方程计算第i个波束中目标n的信号功率及第i个波束中干扰k的功率，具体为：
所述第i个波束中目标n的信号功率An,i的计算公式为：
式中：ρn为极化系数；
为第i个波束的接收增益；Gt为发射增益，
为目标n在阵面坐标系下的方位角和俯仰角；
分别为发射波束指向和第i个接收波束指向；Pt为发射峰值功率；λ为波长；σn为目标n的雷达散射截面积；CB为匹配损失；LΣ为系统损耗；Rn为目标n的距离；
所述第i个波束中干扰k的功率的计算公式为：
式中：EIRPk为第k个干扰的等效辐射功率；
为干扰k在阵面坐标系下的方位角和俯仰角，Rk为第k个干扰的距离。
需要说明的是，本实施例中干扰具体指的是噪声干扰，本领域技术人员也可根据实际情况设置其他干扰。
在一实施例中，所述信号模拟板10连接有信号处理机60，信号处理分机60连接数据处理分机70，数据处理分机70与导调/雷达显控40连接；所述信号模拟板10经PCIE或RapidIO接连接至射频模拟板。
需要说明的是，本实施例增加的信号模拟板10，对原有系统设备无更改需求，接口友好，在使用时，只需断开原数字波束形成分机与信号处理分机之间的光纤连接，将信号模拟板10经光纤接入信号处理分机即可。
需要说明的是，信号模拟板10接收到记录仪20送来的杂波波束数据后，将其与本地产生的目标、干扰模拟波束，进行对齐与求和处理，然后送光模块输出至后续信号处理平台。若是需要产生射频模拟信号，则是将合成的模拟波束中的个别波束，典型的是和波束，通过PCIE或RapidIO接口，送射频模拟板，进而通过上变频、滤波、放大产生射频信号，最后线馈或者空馈进入雷达天线阵面。
本实施例可应用于机载雷达先进反杂波、抗干扰技术研究，雷达装备性能测试，以及作战人员的装备训练。并且由于灵活性和实时性，可实时响应场景想定的变化，因此也可通过导调，接入到顶层电子对抗综合演练系统中，发挥其模拟逼真的特点，有效支撑实战化训练需求。
如图4所示，本实施例提出的机载相控阵列大实时信号级回波模拟装置的仿真流程如下：
(1)仿真场景设定：在控制终端(导调、雷达显控)，完成仿真场景设置与初始生成。
(2)数据初始化：在控制终端，将初始场景的波束控制参数、场景参数等，按约定格式抽取打包，通过网络下发至信号模拟板10以及记录仪20。
信号模拟板10完成天线阵元级方向图的读取、挑选并加载至第一缓存模块13。记录仪20收波束控制参数后，第三处理模块21先对记录仪20存储体25SSD中的杂波数据按照控制字内的重频、脉宽、波束指向等参数和搜索规则，查找满足规则的杂波数据单元组，进而将杂波数据单元组的读取地址进行编排送第四处理模块22，第四处理模块22完成读取存储体25SSD数据并发送至送第二缓存模块。
(3)仿真开始后，波束调度模块按控制终端控制参数产生波束控制字，通过网络发信号模拟板10，信号模拟板10的第一处理模块11进行控制字解析后，一方面进行方向图合成、目标和干扰幅相计算送第二处理模块12，在时序板产生的时序信号控制下，产生模拟目标和干扰的波束IQ信号(若无波束调度模块，则信号模拟板10直接收控制终端参数，自行解调参数并由第二处理模块12产生时序)。
记录仪20收波束调度模块(或者信号模拟板10转发)波束控制字后，第三处理模块21对第二缓存模块中的杂波数据单元组按照具体波束编排的控制字内的重频、脉宽、波束指向等参数读取地址进行编排送第四处理模块22，随后第四处理模块22在外部时序的控制下，按地址读取第二缓存模块中的数据并经第二光模块回放至信号模拟板10。
信号模拟板10接收到记录仪20送来的杂波波束数据后，将其与本地产生的目标、干扰模拟波束，进行对齐与求和处理，得到合成模拟波束，并由第一光模块输出至后续信号处理平台。
若是需要产生射频模拟信号，则是将合成的模拟波束中的个别波束，典型的是和波束，通过PCIE或RapidIO接口，送射频模拟板，进而通过上变频、滤波、放大产生射频信号，最后线馈或者空馈进入雷达天线阵面。
仿真过程中，当背景发生变化，需更新杂波数据单元组时，由控制终端提前一帧以上将场景参数抽取转换后送信号模拟板，信号模拟板向波束调度模块请求下一帧波束调度参数，进而向记录仪发送请求，以更新杂波数据单元组。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (16)
1.一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
通过网络请求和触发导前同步的方式，查找并加载所需的杂波数据，所述杂波数据预先存储在记录仪中；
基于预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号；
实时将所述杂波数据中的环境回波信号与所述波束IQ信号进行对齐和叠加，得到合成模拟波束。
2.如权利要求1所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，所述通过网络请求和触发导前同步的方式，查找并加载所需的杂波数据，所述杂波数据包括与每帧波束对应的杂波数据单元组，每个杂波数据单元组包括按相干脉冲组为单位存成的多个杂波数据单元，包括：
在当前帧内发送获取下一帧波束调度参数的请求，并对获取的波束控制字进行波束调度解析，获取下一帧所需的波束调度参数；
基于下一帧所需的波束调度参数，从所述记录仪中获取杂波数据单元组的读取地址，所述读取地址为按照所述波束调度参数进行地址挑选并编排得到；
基于所述杂波数据单元组的读取地址，回放对应的所述杂波数据单元组。
3.如权利要求2所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，在所述基于下一帧所需的波束调度参数，从所述记录仪中获取杂波数据单元组的地址之前，所述方法还包括：
所述记录仪经网络获取数据提取请求，所述数据提取请求包括仿真场景中所涉及的杂波/回波的所有类别；
基于所述数据提取请求，从存储体中进行杂波数据搜索，并提取所搜索到的杂波数据进行缓存供调用。
4.如权利要求3所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，第u个脉冲组对应的杂波数据，搜索规则为：
式中：xv为波束调度参数，xv∈{重频、脉冲数、脉冲宽度、工作频率、载机位置、载机速度、载机高度、波束指向俯仰角、波束指向方位角}，v＝1,…,9；
为第u帧对应的波束调度参数；ωv为各参数的加权系数。
5.如权利要求1所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，在背景环境发生变化时，所述方法还包括：
获取控制终端发送的场景参数，所述场景参数为提前一帧以上抽取得到；
基于所述场景参数，请求下一帧波束调度参数，并向所述记录仪发送数据更新请求，以更新所述记录仪中存储的杂波数据单元组。
6.如权利要求1所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，所述基于预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号，包括：
基于所述实测单元级相控阵天线方向图，计算仿真模拟参数，所述仿真模拟参数包括第i个波束中目标n的信号功率、第i个波束中干扰k的功率和全阵面合成方向图；
基于所述仿真模拟参数，实时产生所述波束IQ信号。
7.如权利要求6所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，所述第i个波束中目标n的信号功率An,i的计算公式为：
式中：ρn为极化系数；
为第i个波束的接收增益；Gt为发射增益，
为目标n在阵面坐标系下的方位角和俯仰角；
分别为发射波束指向和第i个接收波束指向；Pt为发射峰值功率；λ为波长；σn为目标n的雷达散射截面积；CB为匹配损失；LΣ为系统损耗；Rn为目标n的距离；
所述第i个波束中干扰k的功率的计算公式为：
式中：EIRPk为第k个干扰的等效辐射功率；
为干扰k在阵面坐标系下的方位角和俯仰角，Rk为第k个干扰的距离。
8.如权利要求1所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述合成模拟波束中的部分波束，通过PCIE或RapidIO接口，发送至射频模拟板，产生射频信号；
将所述射频信号经线馈或者空馈进入雷达天线阵面。
9.一种机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，所述装置包括：信号模拟板和记录仪，记录仪中存储有杂波数据，信号模拟板包括第一处理模块、第二处理模块和第一光模块，第一处理模块上挂载有第一缓存模块：
第一处理模块，用于加载第一缓存模块中预先缓存的实测单元级相控阵天线方向图，计算仿真模拟参数；
第二处理模块，用于通过网络请求和触发导前同步的方式，通过第一光模块从所述记录仪中查找并加载所需的杂波数据，以及用于基于所述仿真模拟参数，实时在线仿真产生模拟目标和干扰的波束IQ信号，并将所述杂波数据中的环境回波信号与所述波束IQ信号进行对齐和叠加，得到合成模拟波束。
10.如权利要求9所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，所述记录仪包括第三处理模块、第四处理模块和第二光模块，第四处理模块上挂载有第二缓存模块和存储体，存储体中存储有所述杂波数据，所述杂波数据包括与每帧波束对应的杂波数据单元组，每个杂波数据单元组包括按相干脉冲组为单位存成的多个杂波数据单元；第三处理模块和第二光模块均与第四处理模块连接，第二光模块与所述第一光模块连接，其中：
第四处理模块，用于基于控制终端发送的数据提取请求，从存储体中获取杂波数据，并将所述杂波数据发送至第三处理模块；
第三处理模块，用于从第四处理模块发送的杂波数据中，进行数据搜索并提取到第二缓存模块中；
第四处理模块，用于基于所述波束调度参数，从第二缓存模块中读取杂波数据，并转发至第三处理模块中进行地址挑选并编排得到所需要的杂波数据单元组的读取地址；
以及用于基于所述模拟控制机发送的触发导前，按照第三处理模块发送的地址读取控制指令，从第二缓存模块中读取与读取地址相对应的杂波数据单元组并回放至所述模拟控制机中的第二处理模块。
11.如权利要求10所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，第u个脉冲组对应的杂波数据，搜索规则为：
式中：xv为波束调度参数，xv∈{重频、脉冲数、脉冲宽度、工作频率、载机位置、载机速度、载机高度、波束指向俯仰角、波束指向方位角}，v＝1,…,9；
为第u帧对应的波束调度参数；ωv为各参数的加权系数。
12.如权利要求10所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，所述信号模拟板还用于：
获取控制终端发送的场景参数，并请求下一帧波束调度参数，向所述记录仪发送数据更新请求，以更新所述存储体中存储的杂波数据，其中，所述场景参数为控制终端提前一帧以上抽取得到。
13.如权利要求10所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，所述第二缓存模块采用乒乓缓存机制，包括第一缓存单元和第二缓存单元，其中：
第一缓存单元和第二缓存单元中，一个在提供回放杂波数据时，另一个则用于存放提取的杂波数据单元组。
14.如权利要求9所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，所述仿真模拟参数包括第i个波束中目标n的信号功率、第i个波束中干扰k的功率和全阵面合成方向图，其中：
所述目标n的第i个波束的信号功率An,i的计算公式为：
式中：ρn为极化系数；
为第i个波束的接收增益；Gt为发射增益，
为目标n在阵面坐标系下的方位角和俯仰角；
分别为发射波束指向和第i个接收波束指向；Pt为发射峰值功率；λ为波长；σn为目标n的雷达散射截面积；CB为匹配损失；LΣ为系统损耗；Rn为目标n的距离；
所述第i个波束中干扰k的功率的计算公式为：
式中：EIRPk为第k个干扰的等效辐射功率；
为干扰k在阵面坐标系下的方位角和俯仰角；Rk为第k个干扰的距离。
15.如权利要求9所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，所述第一处理模块和所述第三处理模块均采用CPU芯片，所述第二处理模块和所述第四处理模块均采用FPGA芯片。
16.如权利要求9所述的机载相控阵雷达实时信号级回波模拟装置，其特征在于，所述信号模拟板连接有信号处理机；所述信号模拟板经PCIE或RapidIO接连接至射频模拟板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210749122.5A CN115128559A (zh) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | 机载相控阵雷达实时信号级回波模拟方法及装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116108703A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-05-12 | 中国人民解放军63921部队 | 应用于非平面天线罩波束指向值的修正方法及装置 |
| CN116683965A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-09-01 | 之江实验室 | 一种数字波束合成装置、方法和存储介质 |
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2022
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Cited By (3)
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| CN116683965A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-09-01 | 之江实验室 | 一种数字波束合成装置、方法和存储介质 |
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