CN115480218A - 一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，属于雷达技术领域。本发明是为了解决雷达系统测试中面临的复杂电磁环境条件下准确判别真假目标的问题。本发明通过分析数字射频存储技术的原理及其实现方法，提出了一种基于数字射频存储的脉冲雷达干扰信号的产生方法，此方法产生的干扰信号具有距离连续可变、速度可控、角度可任意调整等特性，并能在雷达回波信号中叠加多种噪声信号以模拟复杂电磁环境，具有很强的通用性和扩展性。运用数字射频存储技术对接收到的雷达信号进行采样存储，根据所需的叠加距离、速度和角度、以及噪声信号，经延时设置后再还原成高频信号输出，以供雷达系统测试时模拟目标信号使用。

Description

一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法
技术领域
本发明属于脉冲雷达技术领域，特别涉及一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法。
背景技术
作为在军事领域广泛使用的脉冲雷达，其效能发挥如何取决于操作人员的日常训练水平，但由于受训练环境因素不可控、实战场景难再现和动态合作目标少等诸多复杂因素的制约，实操人员在常规训练中不能针对突发事件进行有效的训练。为有效解决以上存在的问题，提高装备训练水平，本文提出了一种基于数字射频存储技术的脉冲雷达干扰信号的产生方法。
DRFM为数字射频存储技术，可完整的存储接收雷达信号的相位信息等特征。最初，数字射频存储技术是用来实现数据的数字式存储、复制，通过研究的不断深入，研究人员发现数字射频存储可以用来存储脉冲压缩信号，并且该技术具有可以实现干扰信号和被干扰信号的相干性的特点。根据Nyquist采样定理，若选择的采样速率满足要求，则采样信号将包含目标信号的所有信息；如果上下变频器采用相同的采样速率，则输出射频信号与目标信号具有相同的特征信息，只是在加入了一个连续可调的延迟。
该方法首先要对脉冲雷达搜索到的信号频谱进行有效存储，然后对所记录的频谱进行延时和调频、调相处理，以产生新的距离信息、速度信息和角度偏移信息等，且在模拟信号中可附加目标特征信息和复杂电磁环境信息，以实现对雷达实时工作过程的全模拟，借此来提升训练水平及检验雷达工作性能。
发明内容
本发明是为了解决实操人员在常规训练中不能针对突发事件进行有效的训练和能否准确判别真假目标的问题，现提供如下技术方案：
本发明所述的一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将接收到的雷达采样信号通过下变频输入到基带，再将基带的模拟信号通过ADC转换器转换为数字信号，并进行采样存储于数据存储器中；
步骤二、主控制器通过对存储控制器的延时设置来改变数据存储器内数据的写入和读出时间，来产生不同距离的干扰信号；主控制器通过改变干扰调制器的参数信息产生不同的干扰类型，通过改变本振信号的工作频率产生不同的采样信号；
步骤三、对数据存储器存储的采样信号进行延时和干扰等处理后，通过DAC转换器将其转换为模拟信号，然后对其进行上变频转换为射频信号，并将信号输出；如果上、下变频器采用相同的本振源，则输出信号即为输入信号的模拟信号，并可通过设置实现模拟信号连续可调。
作为优选的是，本方法运用数字射频存储技术对接收到的雷达信号进行采样存储，根据需要叠加距离、速度和噪声信号，经延时后再还原成高频信号输出，以供日常训练时模拟目标信号使用；
存储容量的大小取决于采样速率和脉冲宽度；
脉冲雷达相对于连续波雷达而言数据量有限，所以只需要一定容量的存储器就可以解决数据存储问题。
作为优选的是，步骤二中，输入、输出数据的延时取决于读、写地址的时间间隔，因此，干扰信号的距离和精度取决于读地址和写地址之间的时间延迟；为了实现干扰信号距离大、精度高的要求，本方案给出了一种可控延时电路，将延迟时间分成延迟量低位和延迟量高位并依次实现：
可控延时电路包括：大范围延迟模块、高精度延迟模块和脉宽调整模块；
本方案采用同步双口存储器，用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)进行描述，通过控制清零定时器产生的多个清零脉冲，实现多个不同延时；
大范围延迟模块采用CPLD数字可编程延时器，使用直接采样法可实现干扰信号延时范围大、精度高(对应延迟量高位)的要求；
高精度延迟模块采用AD9501数字可编程延时器，可实现对干扰信号的精确延时(对应延迟量低位)的要求；
脉宽调整模块使用的型号为AD9501，为有效防止模拟回波信号与输入信号脉冲宽度不一致的问题，采用AD9501技术对输出信号的脉冲宽度进行调整。
作为优选的是，对干扰信号产生的干扰类型包括但不限于：单目标距离干扰、多目标距离干扰、速度干扰和角度干扰；
单目标距离干扰工作流程如下：首先模拟器接收机检测到雷达信号脉冲前沿，由此激发模拟器对检测信号进行采样处理，并对采样数据进行存储；然后对存储的采样数据进行一定的延时，并对读出数据进行所需调制后将模拟雷达回波信号发射出去即可；
多目标距离干扰则采用卷积滤波器的方法实现：卷积滤波器包含FIR(FiniteImpulse Response，有限脉冲响应)和IIR(Infinite Impulse Response，无限脉冲响应)两种实现方法，通过卷积滤波器产生的多个假目标干扰信号，很好的保存了雷达发射信号的特性，通过改变延迟时间和信号强度，可以产生多个不同位置、幅度不同的假目标干扰信号；由于假目标信号与雷达发射信号具有很强的相关性，因此假目标信号能够顺利通过雷达接收机的匹配滤波、脉冲积累等后端信号处理，从而可以产生多个不同峰值、距离不同的雷达回波信号；
速度干扰通过对雷达发射信号的相位进行调制来实现，雷达通过测量目标回波信号与雷达发射信号之间的多普勒频移来检测和跟踪目标的速度信息，通常主要通过对信号进行调相和调频来实现对目标速度信息的改变，常采用数字正交混频的方式来实现多普勒频率调制。
作为优选的是，角度干扰基于数字射频存储角度欺骗干扰系统来实现，该系统主要包括：
接收天线、发射天线、伺服系统、侦查引导分机、干扰信号模拟分机、信号处理分机、雷达信号模拟分机、控制与显示分机和辅助系统；
接收天线接收雷达的射频信号，经侦查引导分机检测和测量辐射源信号后，分别提供给干扰信号模拟分机和信号处理分机，信号处理分机完成辐射源检测、信号调制分析和电波监测，结果提交给控制与显示分机；干扰信号模拟分机根据控制命令输出小功率干扰信号，从发射天线辐射输出；雷达信号模拟分机用于系统自检。
有益效果：本发明可实现对实战中脉冲雷达跟踪目标信号的频谱进行采样记录，并将采样信号作为目标信号模拟器的调制信号，通过叠加特定的时域、频域信息，可完整重现实战环境。另外，利用数字信号处理技术，可对存储的信息进行延时、调制等处理，以实现将假目标信息、多普勒频移和各类干扰信号叠加至干扰信号上，模拟产生复杂电磁环境下的训练条件，便于装备操管人员在日常训练中熟悉实战环境，提升判别真假目标的能力。
附图说明
图1是基于数字射频存储干扰信号模拟总体框图；
图2是可控延时电路结构图；
图3是脉冲雷达距离假目标干扰图；
图4是对脉冲雷达的距离欺骗干扰图；
图5是FIR滤波器结构图；
图6是IIR滤波器结构图；
图7是对脉冲雷达的多假目标干扰图；
图8是多普勒频率调制图；
图9是对脉冲雷达的假多普勒频率干扰图；
图10是角度欺骗干扰系统结构图；
图11是基于数字射频存储角度欺骗干扰实现方式流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本发明所述的一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将接收到的雷达采样信号通过下变频输入到基带，再将基带的模拟信号通过ADC转换器转换为数字信号，并进行采样存储于数据存储器中；
步骤二、主控制器通过对存储控制器的延时设置来改变数据存储器内数据的写入和读出时间，来产生不同距离的干扰信号；主控制器通过改变干扰调制器的参数信息产生不同的干扰类型，通过改变本振信号的工作频率产生不同的采样信号；
步骤三、对数据存储器存储的采样信号进行延时和干扰等处理后，通过DAC转换器将其转换为模拟信号，然后对其进行上变频转换为射频信号，并将信号输出；如果上、下变频器采用相同的本振源，则输出信号即为输入信号的模拟信号，并可通过设置实现模拟信号连续可调。
本方法运用数字射频存储技术对接收到的雷达信号进行采样存储，根据需要叠加距离、速度和噪声信号，经延时后再还原成高频信号输出，以供日常训练时模拟目标信号使用；
存储容量的大小取决于采样速率和脉冲宽度；
脉冲雷达相对于连续波雷达而言数据量有限，所以只需要一定容量的存储器就可以解决数据存储问题。
步骤二中，输入、输出数据的延时取决于读、写地址的时间间隔，因此，干扰信号的距离和精度取决于读地址和写地址之间的时间延迟；为了实现干扰信号距离大、精度高的要求，本方案给出了一种可控延时电路，如图2所示，将延迟时间分成延迟量低位和延迟量高位并依次实现：
可控延时电路包括：大范围延迟模块、高精度延迟模块和脉宽调整模块；
本方案采用同步双口存储器，用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)进行描述，通过控制清零定时器产生的多个清零脉冲，实现多个不同延时；
大范围延迟模块采用CPLD数字可编程延时器，使用直接采样法可实现干扰信号延时范围大、精度高(对应延迟量高位)的要求；
高精度延迟模块采用AD9501数字可编程延时器，可实现对干扰信号的精确延时(对应延迟量低位)的要求；
脉宽调整模块使用的型号为AD9501，为有效防止模拟回波信号与输入信号脉冲宽度不一致的问题，采用AD9501技术对输出信号的脉冲宽度进行调整。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法进一步的说明，本实施方式中，对干扰信号产生的干扰类型包括但不限于：单目标距离干扰、多目标距离干扰、速度干扰和角度干扰，以下结合图3～图11对其四种方式进行具体说明：
1.单目标距离干扰
脉冲雷达是通过测量雷达发射信号sT(t)与接收信号sR(t)之间的延迟tr来测量目标之间的距离，tr＝2R/C，C为电磁波的传播速度。干扰信号是通过对接收到的雷达反射信号进行一定的调制和放大来实现。
假设R为雷达接收机到目标的距离，则雷达接收机输出回波信号延时为tr＝2R/C；设Rf为雷达接收机到假目标的距离，则假目标信号到雷达接收机的时延为tf＝2Rf/C，当假目标与真目标之间的距离满足|Rf-R|＞δf时，便可产生形成距离假目标信号，如图3所示。
通常，tf由两部分组成，即
Figure BDA0003764445050000051
其中：tf0是由雷达与目标模拟器之间的距离Rj所产生的时延；Δtf是目标模拟器接收到雷达发射信号后对其进行一定处理所产生的转发时延。
基于数字射频存储技术的雷达干扰信号模拟器工作于应答模式时，可用于产生距离假目标干扰，其工作原理如下：首先模拟器接收机检测到雷达信号脉冲前沿，由此激发模拟器对检测信号进行采样处理，并对采样数据进行存储；然后对存储的采样数据进行一定的延时，并对读出数据进行所需调制后将模拟雷达回波信号发射出去即可。
对脉冲雷达实施延时转发干扰，将接收到的雷达信号延时1us，并将其幅度放大1.5倍，干扰效果如图4所示。
2.多目标距离干扰
若要产生多个假目标干扰信号对脉冲雷达进行有效干扰，可采用卷积滤波器的方法实现。卷积滤波器包含FIR(Finite Impulse Response，有限脉冲响应)和IIR(InfiniteImpulse Response，无限脉冲响应)两种实现方法，对于FIR滤波器：
Figure BDA0003764445050000061
其中N表示假目标的数量，k表示相邻假目标之间的时间差，
Figure BDA0003764445050000062
表示各假目标之间的幅度比。当k为常数，ωi≡1时，可产生多个距离相同，幅度相等的假目标干扰信号。FIR滤波器结构如图5所示。
对于IIR滤波器：
Figure BDA0003764445050000063
其中k表示相邻假目标之间的时间差，
Figure BDA0003764445050000064
为各假目标之间的幅度比，当ωi≡1时，则所产生的多个假目标的幅度相等。IIR滤波器可以产生无限多个假目标干扰信号，即使当输入序列X(n)为零时，输出序列Y(n)依然可以持续下去。最简单的IIR滤波器采用一阶反馈网络，其典型结构如图6所示。
通过卷积滤波器产生的多个假目标干扰信号，很好的保存了雷达发射信号的特性，通过改变延迟时间和信号强度，可以产生多个不同位置、幅度不同的假目标干扰信号。由于假目标信号与雷达发射信号具有很强的相关性，因此假目标信号能够顺利通过雷达接收机的匹配滤波、脉冲积累等后端信号处理，从而可以产生多个不同峰值、距离不同的雷达回波信号。
本文仿真产生了四个假目标干扰信号，延迟时间分别取为1us、3us、5us、7us，幅度分别为真目标的1.5、1.2、1.7、2倍，干扰效果图如图7所示。从仿真图中可以看出，通过设置不同的延迟时间和信号强度，可以产生多个与雷达目标回波信号相似的假目标信号，且很难区分，因此此种方法能产生很好的干扰效果。
3.速度干扰
雷达通过测量目标回波信号与雷达发射信号之间的多普勒频移fd来检测和跟踪目标的速度信息。因此，要想产生速度不同的假目标干扰信号，可以通过对雷达发射信号的相位进行调制来实现。通常主要通过对信号进行调相和调频来实现对目标速度信息的改变。
通常采用数字正交混频的方式来实现多普勒频率调制，实现方法如图8所示。
若采样后雷达的回波信号为：s(t)＝a(n)cos[2π·f0n+φ(n)]，则进行正交变换后的同相分量(I)为：sI(t)＝a(n)cos[2π·f0n+φ(n)]，正交分量(Q)为：sQ(t)＝a(n)sin[2π·f0n+φ(n)]。采用直接数字式频率合成器产生cos(2π·fdn)和sin(2π·fdn)的数字信号，然后将它们分别与同相分量sI(t)和正交分量sQ(t)相乘，并将得到的两路信号相减得：
Figure BDA0003764445050000071
通过公式(4)可以看出，输出信号sj(n)相比回波信号s(n)多了一个多普勒频移分量fd。由此可见，只要控制直接数字式频率合成器的输出频率，即可合成产生多个不同的多普勒频移，即形成多个具有不同速度的假目标干扰信号。本文仿真研究了对脉冲雷达进行速度干扰的效果，干扰效果如图9所示。从图中可以看出，通过模拟雷达回波信号的幅度和多普勒频移，可产生多个与目标回波信号相似的假目标干扰信号。
4.角度干扰
角度干扰基于数字射频存储角度欺骗干扰系统来实现，如图10所示，该系统主要包括：
接收天线、发射天线、伺服系统、侦查引导分机、干扰信号模拟分机、信号处理分机、雷达信号模拟分机、控制与显示分机和辅助系统；
接收天线接收雷达的射频信号，经侦查引导分机检测和测量辐射源信号后，分别提供给干扰信号模拟分机和信号处理分机，信号处理分机完成辐射源检测、信号调制分析和电波监测，结果提交给控制与显示分机；干扰信号模拟分机根据控制命令输出小功率干扰信号，从发射天线辐射输出；雷达信号模拟分机用于系统自检。
图11为基于数字射频存储针对单脉冲雷达实施角度欺骗干扰的实现方式，其首先利用数字射频存储技术对接收到的雷达信号进行复制、存储，然后经调制后输出干扰信号。该干扰信号经功分器分成两路信号，分别由发射天线发送出去。其中一路信号在发射前进行调相处理，使两路信号到达发射雷达时，其叠加波束能产生相位波前面的畸形，使其雷达天线瞄准轴偏离目标，从而产生干扰。

Claims (5)

1.一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将接收到的雷达采样信号通过下变频输入到基带，再将基带的模拟信号通过ADC转换器转换为数字信号，并进行采样存储于数据存储器中；
步骤二、主控制器通过对存储控制器的延时设置来改变数据存储器内数据的写入和读出时间，来产生不同距离的干扰信号；主控制器通过改变干扰调制器的参数信息产生不同的干扰类型，通过改变本振信号的工作频率产生不同的采样信号；
步骤三、对数据存储器存储的采样信号进行延时和干扰等处理后，通过DAC转换器将其转换为模拟信号，然后对其进行上变频转换为射频信号，并将信号输出；如果上、下变频器采用相同的本振源，则输出信号即为输入信号的模拟信号，并可通过设置实现模拟信号连续可调。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，其特征在于，
本方法运用数字射频存储技术对接收到的雷达信号进行采样存储，根据需要叠加距离、速度和噪声信号，经延时后再还原成高频信号输出，以供日常训练时模拟目标信号使用；
存储容量的大小取决于采样速率和脉冲宽度；
脉冲雷达相对于连续波雷达而言数据量有限，所以只需要一定容量的存储器就可以解决数据存储问题。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，其特征在于，步骤二中，输入、输出数据的延时取决于读、写地址的时间间隔，因此，干扰信号的距离和精度取决于读地址和写地址之间的时间延迟；为了实现干扰信号距离大、精度高的要求，本方案给出了一种可控延时电路，将延迟时间分成延迟量低位和延迟量高位并依次实现：
可控延时电路包括：大范围延迟模块、高精度延迟模块和脉宽调整模块；
本方案采用同步双口存储器，用超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）进行描述，通过控制清零定时器产生的多个清零脉冲，实现多个不同延时；
大范围延迟模块采用CPLD数字可编程延时器，使用直接采样法可实现干扰信号延时范围大、精度高（对应延迟量高位）的要求；
高精度延迟模块采用AD9501数字可编程延时器，可实现对干扰信号的精确延时（对应延迟量低位）的要求；
脉宽调整模块使用的型号为AD9501，为有效防止模拟回波信号与输入信号脉冲宽度不一致的问题，采用AD9501技术对输出信号的脉冲宽度进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，其特征在于，对干扰信号产生的干扰类型包括但不限于：单目标距离干扰、多目标距离干扰、速度干扰和角度干扰；
单目标距离干扰工作流程如下：首先模拟器接收机检测到雷达信号脉冲前沿，由此激发模拟器对检测信号进行采样处理，并对采样数据进行存储；然后对存储的采样数据进行一定的延时，并对读出数据进行所需调制后将模拟雷达回波信号发射出去即可；
多目标距离干扰则采用卷积滤波器的方法实现：卷积滤波器包含FIR（Finite ImpulseResponse，有限脉冲响应）和IIR（Infinite Impulse Response，无限脉冲响应）两种实现方法，通过卷积滤波器产生的多个假目标干扰信号，很好的保存了雷达发射信号的特性，通过改变延迟时间和信号强度，可以产生多个不同位置、幅度不同的假目标干扰信号；由于假目标信号与雷达发射信号具有很强的相关性，因此假目标信号能够顺利通过雷达接收机的匹配滤波、脉冲积累等后端信号处理，从而可以产生多个不同峰值、距离不同的雷达回波信号；
速度干扰通过对雷达发射信号的相位进行调制来实现，雷达通过测量目标回波信号与雷达发射信号之间的多普勒频移来检测和跟踪目标的速度信息，通常主要通过对信号进行调相和调频来实现对目标速度信息的改变，常采用数字正交混频的方式来实现多普勒频率调制。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字射频存储的多功能雷达干扰信号产生方法，其特征在于，角度干扰基于数字射频存储角度欺骗干扰系统来实现，该系统主要包括：
接收天线、发射天线、伺服系统、侦查引导分机、干扰信号模拟分机、信号处理分机、雷达信号模拟分机、控制与显示分机和辅助系统；
接收天线接收雷达的射频信号，经侦查引导分机检测和测量辐射源信号后，分别提供给干扰信号模拟分机和信号处理分机，信号处理分机完成辐射源检测、信号调制分析和电波监测，结果提交给控制与显示分机；干扰信号模拟分机根据控制命令输出小功率干扰信号，从发射天线辐射输出；雷达信号模拟分机用于系统自检。
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