CN116125412B - 一种基于drfm的直升机旋翼回波实时模拟系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统及其方法，包括射频单元、中频单元以及主控单元。接收探测雷达的射频发射信号，并进行下变频及功率调制，得到固定频点的模拟中频信号，经模数转换、数字下变频，得到数字基带激励信号依次进行延时、多普勒、微多普勒特征调制，进而获得数字基带直升机旋翼回波信号；进行数字上变频，数模转换，得到固定频点的模拟中频回波信号；经过上变频及功率调整后，得到直升机旋翼的射频回波信号。本发明能够实时逼真的模拟直升机旋翼回波信号，适应常见的各种雷达信号，具有良好的实时性，参数灵活可配置，模拟频率精度高等优点。

Description

一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统及其方法

技术领域

本发明提供一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统及其方法，属于雷达信号模拟技术领域。

背景技术

武装直升机在现代战争中扮演着越来越重要的角色，雷达对武装直升机的检测与识别十分重要。直升机的雷达回波信号特征分析是直升机检测和识别研究的基础。由于外场实测直升机雷达回波数据较为匮乏，所以直升机的雷达回波数据仿真成为直升机检测及识别研究的一条有效途径。基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统可以实时提供直升机旋翼射频回波信号，逼真模拟直升机旋翼的“微多普勒效应”，反应了直升机目标独特的微动特征和结构特征，进一步能够有效评估雷达对旋翼飞机的探测、识别能力。

目标的微动是指物体或物体的部件的振荡运动，包括旋转、振动、进动等，微动会引起雷达回波的频率调制，在目标多普勒频移后的载频中心附近产生边带多普勒，即为“微多普勒效应”。利用目标的微多普勒效应，可以更好地提取目标特性，为目标的精确分类、识别提供依据。雷达对武装直升机的检测和识别，正是基于微多普勒效应理论，旋翼的高速旋转是直升机区别于其他空中目标的主要特征。

现有直升机旋翼回波信号实现主要有三种方法，软件模拟、DDS器件模拟、外场试验采集回放。

软件模拟就是试验环境和参试设备的性能和工作机理，都是数学模型和各种数据表示的。试验过程中由计算机软件控制，并通过计算机的演算得到试验结果。在计算机上建立数学模型，模拟直升机旋翼的微多普勒效应。该方法具有体积小、灵活性好及通用性强的明显优势。

DDS器件模拟就是通过设置不同的直升机旋翼参数和雷达参数，直接产生相应的雷达激励信号，然后再根据旋翼回波数学模型，对生成的雷达激励信号进行调制、变换，最终输出射频回波信号。该方法结构简单、成本低、方法易操作。

外场试验采集回放就是通过被测设备直接去外场进行采集真实直升机旋翼回波信号，然后直接进行数据分析和评估，或者采用波形存储和重放技术，将采集的信号预先存入存储器中，进行视频回放数据。该方法对雷达探测旋翼飞机的性能评估置信水平很高，试验结果能直接反应雷达探测旋翼飞机性能的真实水平。

软件模拟虽然可以充分利用计算机强大的计算能力和良好的人机界面，完成直升机旋翼回波的数据生成和参数配置，具有灵活、可复用等优点，但其通常不具有实时性，不能直接用于雷达系统的实时调试和测试。

DDS器件模拟实时高，参数灵活可配置，但需要预先配置雷达发射信号波形参数，生成与雷达系统发射波形一致的信号。此方法难以复现各种雷达信号的波形特征，对雷达系统的工作体制或类型有一定限制，且模拟射频频率与雷达频率会有一定误差，精度不高。

外场试验采集回放这种方法具有实时性高，置信度高，可以直接参与雷达系统的实时调试与测试，但其通常硬件量大、通用性差，通常只能提供单一形式的信号输出，不能满足参数复杂多变的情况，且试验的成本比较昂贵。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统及其方法，具有良好的实时性，能够较好的保留雷达信号波形特征，参数灵活可配置，且系统模拟上下变频共本振，能够抵消模拟信号与雷达信号的频率误差，可以配合各种雷达系统完成实时调试与测试，完成其对旋翼飞机探测性能的评估与验证。

具体技术方案为：

一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统，包括射频单元、中频单元以及主控单元；

所述的射频单元，包括模拟上变频模块、模拟下变频模块、模拟本振；

模拟下变频模块，用于对接收到的雷达发射信号进行幅度控制、滤波、下变频处理，得到固定频点的模拟中频信号；

模拟上变频模块，用于对接收到的模拟中频信号进行滤波、上变频、幅度控制处理，得到固定频点的模拟射频信号；

模拟本振，用于产生上下变频所需的模拟本振信号以及系统工作的时钟信号，支持内外时钟参考信号。

所述的中频单元具有一路ADC和一路DAC，用于采集模拟中频信号，并进行数字下变频处理得到数字基带信号，然后进行直升机机体的延时、多普勒调制以及旋翼叶片的微多普勒特征调制，最后经过数字上变频及数模转换后得到模拟中频旋翼回波信号；

所述的主控单元为单板计算机，用于运行系统主控软件，提供人机操作界面和设备控制：

参数配置：设置工作模式下的系统及信号参数；

运行控制：提供启动、停止按钮；

状态监测：对接收信号、发射信号、系统各模块状态进行实时监测显示；

自测试：提供系统功能指标的自测试控制；

系统校准：系统幅相特性测试，生成幅相补偿系数；

自检复位：系统模块自检、闭环自检，对系统各硬件进行复位。

本发明还提供一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟方法，采用上述的一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统，包括以下步骤：

S1.接收探测雷达的射频发射信号，并进行下变频及功率调制，得到固定频点的模拟中频信号；

S2.对模拟中频信号进行模数转换，然后经数字下变频，得到数字基带激励信号，并进行数据缓存；

S3.根据直升机与雷达的径向距离、速度，对得到的数字基带激励信号进行延时、多普勒调制；

S4.再根据直升机旋翼参数和雷达系统参数对调制后的信号进行直升机旋翼造成的微多普勒特征进行调制，进而获得数字基带直升机旋翼回波信号；

S5.对获取的直升机旋翼回波信号进行数字上变频，数模转换，得到固定频点的模拟中频回波信号；

S6.最后经过上变频及功率调整后，可以得到直升机旋翼的射频回波信号。

本发明基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统通过接收、采样、存储和复制雷达射频信号，并对信号进行微多普勒特征调制，能够实时逼真的模拟直升机旋翼回波信号。能够适应常见的各种雷达信号。具有良好的实时性，参数灵活可配置，模拟频率精度高等优点，该系统与雷达信号处理系统对接调试，取得的较好的效果。

该模拟系统产生的旋翼回波信号经采集分析，获取的回波幅度特征（闪烁时宽、闪烁强度、闪烁频率等）、旋翼回波频谱特征、多普勒变化等，均与模拟理论值、实采数据分析值一致。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的双旋翼微多普勒变化规律；

图3是本发明的旋翼回波幅度变化规律；

图4是本发明的流图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统，包括射频单元、中频单元以及主控单元，各个功能组成框图如图1所示。

射频单元主要由模拟上变频模块、模拟下变频模块、模拟本振，其各个模块功能为：

模拟下变频模块：对接收到的雷达发射信号进行幅度控制、滤波、下变频等处理，得到固定频点的模拟中频信号；

模拟上变频模块：对接收到的模拟中频信号进行滤波、上变频、幅度控制等处理，得到固定频点的模拟射频信号；

模拟本振：产生上下变频所需的模拟本振信号以及系统工作的时钟信号，支持内外时钟参考信号。

中频单元具有一路ADC和一路DAC，主要用于采集模拟中频信号，并进行数字下变频处理得到数字基带信号，然后进行直升机机体的延时、多普勒调制以及旋翼叶片的微多普勒特征调制，最后经过数字上变频及数模转换后得到模拟中频旋翼回波信号。

主控单元为单板计算机，运行Windows7操作系统，其上运行系统主控软件，提供人机操作界面和设备控制：

参数配置：设置工作模式下的系统及信号参数；

运行控制：提供启动、停止按钮；

状态监测：对接收信号、发射信号、系统各模块状态进行实时监测显示；

自测试：提供系统功能指标的自测试控制；

系统校准：系统幅相特性测试，生成幅相补偿系数；

自检复位：系统模块自检、闭环自检，对系统各硬件进行复位。

该系统的工作原理：

1.数学模型

直升机回波由机身、主旋翼和尾旋翼等回波组成。其多普勒效应主要包括两部分：一是直升机相对雷达的径向运动，这与其他目标的多普勒特性相同；二是旋翼与机身间相对运动的多普勒调制效应。其中，尾翼回波与雷达照射角有关，易被机身遮挡，且RCS较小，不易被检测跟踪。因此，对直升机的检测与跟踪主要考虑主旋翼回波的多普勒效应。

直升机旋翼回波主要和直升机旋翼参数（翼片数量、长度、转速等）和雷达系统参数（工作波长、重复频率等）有关，单旋翼叶片的积分回波数学模型如下：

（1）

为直升机机身与雷达的径向距离与速度造成的相位变化；

为主旋翼旋转造成的回波相位变化；

为主旋翼旋转造成的回波幅度变化；

上式中，σ为对于旋翼叶片上散射点的后向散射系数，

为叶片长度，/>

为雷达与旋翼中心的径向距离，/>

与旋翼中心相对于雷达的径向速度，/>

为时间参数，/>

为雷达工作波长，/>

为叶片的初始相位，/>

为旋翼的旋转频率，β为俯仰角。

对于具有N个叶片的旋翼，叶片之间的差异在于N个叶片有n个不同的初始旋转角，即：

（2）

则N个叶片的旋翼总的接收回波为：

（3）

由上式可知，旋翼叶片回波与叶片数、旋翼长度、初始旋转角、旋翼旋转频率、雷达与旋转平面的俯仰角有关。

2.逻辑实现

逻辑实现直升机回波主要是通过对采集信号进行延时、多普勒、幅度进行调制等，直升机旋翼回波的实现，可通过对直升机回波调制后，再进行旋翼的特征参数调制。

由于旋翼的旋转频率同雷达的脉冲重频比较低，可以认为每个脉冲时间段内旋翼运动不变化，即每个脉冲调制使用的参数为固定值，各个调制参数计算如下：

2.1相位调制

相位初始旋转角为固定值，根据叶片数量和第一个叶片初始旋转角确定其他叶片初始旋转角，计算公式如下：

（4）

2.2多普勒调制

叶片的多普勒特性呈周期性变化如图2所示。时间采样率采用雷达重复频率（PRF）倒数。具体计算公式推导如下：

旋翼n的相位变化为

（5）

则旋翼n的多普勒变化：

（6）

设雷达重复频率为PRF，脉冲计数为k，则时间t可表示为t = (k-1)/PRF。则旋翼多普勒变化数字离散化公式如下：

（7）

2.3幅度调制

如图3所示，同多普勒调制，回波幅度变化计算公式如下：

（8）

一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟方法，包括以下步骤：

S1.接收探测雷达的射频发射信号，并进行下变频及功率调制，得到固定频点的模拟中频信号；

S2.对模拟中频信号进行模数转换，然后经数字下变频，得到数字基带激励信号，并进行数据缓存；

S3.根据直升机与雷达的径向距离、速度，对得到的数字基带激励信号进行延时、多普勒调制；

S4.再根据直升机旋翼参数（翼片数量、长度、转速等）和雷达系统参数（工作波长、重复频率等）对调制后的信号进行直升机旋翼造成的微多普勒特征进行调制，进而获得数字基带直升机旋翼回波信号；

S5.对获取的直升机旋翼回波信号进行数字上变频，数模转换，得到固定频点的模拟中频回波信号；

S6.最后经过上变频及功率调整后，可以得到直升机旋翼的射频回波信号。

Claims (1)

1.一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟方法，其特征在于，采用一种基于DRFM的直升机旋翼回波实时模拟系统，包括射频单元、中频单元以及主控单元；

所述的射频单元，包括模拟上变频模块、模拟下变频模块、模拟本振；

模拟下变频模块，用于对接收到的雷达发射信号进行幅度控制、滤波、下变频处理，得到固定频点的模拟中频信号；

模拟上变频模块，用于对接收到的模拟中频信号进行滤波、上变频、幅度控制处理，得到固定频点的模拟射频信号；

模拟本振，用于产生上下变频所需的模拟本振信号以及系统工作的时钟信号，支持内外时钟参考信号；

所述的中频单元具有一路ADC和一路DAC，用于采集模拟中频信号，并进行数字下变频处理得到数字基带信号，然后进行直升机机体的延时、多普勒调制以及旋翼叶片的微多普勒特征调制，最后经过数字上变频及数模转换后得到模拟中频旋翼回波信号；

所述的主控单元为单板计算机，用于运行系统主控软件，提供人机操作界面和设备控制：

参数配置：设置工作模式下的系统及信号参数；

运行控制：提供启动、停止按钮；

状态监测：对接收信号、发射信号、系统各模块状态进行实时监测显示；

自测试：提供系统功能指标的自测试控制；

系统校准：系统幅相特性测试，生成幅相补偿系数；

自检复位：系统模块自检、闭环自检，对系统各硬件进行复位；

所述的方法，包括以下步骤：

S1.接收探测雷达的射频发射信号，并进行下变频及功率调制，得到固定频点的模拟中频信号；

S2.对模拟中频信号进行模数转换，然后经数字下变频，得到数字基带激励信号，并进行数据缓存；

S3.根据直升机与雷达的径向距离、速度，对得到的数字基带激励信号进行延时、多普勒调制；

S4.再根据直升机旋翼参数和雷达系统参数对调制后的信号进行直升机旋翼造成的微多普勒特征进行调制，进而获得数字基带直升机旋翼回波信号；

S5.对获取的直升机旋翼回波信号进行数字上变频，数模转换，得到固定频点的模拟中频回波信号；

S6.最后经过上变频及功率调整后，得到直升机旋翼的射频回波信号。

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