CN116136584B

CN116136584B - 基于fpga及ddr4的大带宽超视距雷达距离模拟装置及方法

Info

Publication number: CN116136584B
Application number: CN202310398145.0A
Authority: CN
Inventors: 王念健; 王涛; 朱剑平
Original assignee: Beijing Zhongke Ruixin Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Zhongke Ruixin Technology Co ltd
Priority date: 2023-04-14
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2043-04-14
Also published as: CN116136584A

Abstract

本发明提供一种基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置及方法，对来自雷达的射频信号进行下变频及功率调整，得到适于采集的低中频信号；经过信号采集及预处理后得到雷达基带信号；将基带数据同时存储在FPGA的片内存储器和片外存储器中；通过延时抖动算法进行延时抖动消除；根据当前距离参数进行判别，选择适应当前距离模拟的数据；经过校正后的信号送入延时模块进行高精度延时模拟、进行多普勒频率及幅度调制、数字上变频及DA变换，得到低中频目标回波信号。本发明使得大带宽远距离雷达目标模拟系统可以使用价格更低的、存储容量更大的DDR4来配合FPGA内部存储资源来实现大带宽、远距离的目标模拟。

Description

基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置及方法

技术领域

本发明提供一种基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置及方法，属于雷达技术领域。

背景技术

随着雷达技术的发展，雷达的发射波形种类越来越多、作用距离越来越远、信号带宽越来越宽，这对雷达目标模拟的难度越来越大。基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟方法可以适应各类雷达发射波形，模拟距离可从100米到10000km，适应信号带宽不小于2GHz。这使得大带宽、超视距的雷达在更丰富的虚拟场景中进行有效测试和验证。

现有目标模拟方法主要有两种，一种是光纤延迟线（FODL），一种是数字储频（DRFM）。

光纤延迟线（FODL）常用于测量雷达系统的相位噪声，以及为无线电系统和雷达系统的户外距离测试模拟可重复性信号。这些相对灵活、相位相干的小型系统将雷达的射频信号转换成光信号并借助一定长度的光纤线对其进行延迟，然后再将经过延迟的光信号重新转换成射频并引入多普勒频移后发射给雷达。

射频数字存储（DRFM）设备可用于雷达目标模拟。这类系统以数字方式处理雷达信号。射频数字存储设备下变频、滤波和数字化收到的射频信号。数字化的信号接着被保存或修改。然后此数字信号被重新转换成模拟信号，并使用下变频时相同的本振（LO）混频到射频频率。信号经过放大后被重新发射出去。

现有大带宽超视距雷达进行远距离目标模拟时若使用光纤延迟线（FODL）进行模拟，光纤延迟线能够模拟的距离范围与光纤延时线的长度相同。虽然信号带宽限制较小，但是这种方法只能模拟单一点目标在百米级别的距离。这对超视距雷达来说，无法验证其核心的功能、性能--即超远距离探测。

现有大带宽超视距雷达进行远距离目标模拟时若使用数字储频（DRFM）进行模拟，设备输出的最远作用距离取决于FPGA的片内存储资源。现今最高性能的FPGA能够提供的片内存储资源在11.82MB，在处理2GHz带宽信号时，即使将所有资源用于距离模拟，能够模拟的最大距离不超过194km。若使用QDR存储器，一方面成本高昂，另一方面存储空间较小。这样还是无法满足常规超视距雷达4000km的作用距离的测试需求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置及方法，降低成本，并且保证存储空间，满足测试需求。

具体技术方案为：

基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置，包括射频单元、中频处理单元以及主控单元；

所述的射频单元，包括上变频模块、下变频模块以及本振时钟模块，用于：

a）接收雷达射频信号，并进行功率调整及下变频处理，得到适于AD采集的低中频信号；

b）对中频处理单元输出的低中频信号进行上变频和功率调整等处理，得到射频回波信号；

c）利用内部时钟或外部参考时钟，产生射频变频所需的本振信号，以及基带工作所需的时钟信号，并可以对外输出参考时钟。

所述的中频处理单元，用于采集低中频雷达发射信号，并进行下变频处理得到基带信号，然后进行基带回波距离、相位、幅度模拟，最后经过数字上变频及DA变换后得到低中频单点目标或面目标信号。

所述的主控单元，为装载Windows7操作系统单板计算机，其上运行系统主控软件，提供人机操作界面和设备控制，用于：

a）设置仿真参数，并对整个系统的工作进程进行控制，显示当前仿真状态；

b）接收来自雷达的工作模式参数，并发送给中频处理单元；

c）计算点目标运动轨迹，进而计算其相对雷达的距离、速度、幅度信息，并产生相应的控制参数发送给中频处理单元。

基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟方法，包括以下步骤：

S1、对来自雷达的射频信号进行下变频及功率调整，得到适于采集的低中频信号；

S2、经过信号采集及预处理后（包含AD采集/ DDC/抽取等）得到雷达基带信号；

S3、将基带数据同时存储在FPGA的片内存储器和片外存储器中；

S4、FPGA片外存储器的数据读写由于器件存在读写延时抖动，在后续模块中通过延时抖动算法进行延时抖动消除；

S5、FPGA片内存储无延时抖动，但距离模拟无法超过100千米。在后续模块中根据当前距离参数进行判别，选择适应当前距离模拟的数据；

S6、经过校正后的信号送入延时模块进行高精度延时模拟；

S7、对延时后的信号进行多普勒频率及幅度调制，得到雷达基带目标回波；

S8、对基带目标回波进行数字上变频及DA变换，得到低中频目标回波信号；

S9、最后经过上变频及功率调整后，可得到所需的射频目标回波信号。

本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

一种电子设备，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置和方法使得大带宽远距离雷达目标模拟系统可以使用价格更低的、存储容量更大的DDR4来配合FPGA内部存储资源来实现大带宽、远距离的目标模拟。相对于价格更高、读写延时固定、存储容量小的QDR来说，DDR4成本仅为QDR的五分之一，降低了设备硬件成本，而存储容量却提高了四倍。片内无抖动延时模拟方式结合片外4GB的存储空间可以让距离模拟范围覆盖100米到10000千米，满足现有所有大带宽超视距雷达的距离模拟需求。同时极大的节约了FPGA的存储资源，能让FPGA进行更大场景的面目标模拟，提升了系统目标模拟的真实度。而且在大带宽模拟时，也能让距离模拟精度达到了0.0625米，精度远超常规雷达0.15米分辨率的需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为实施例的矩形脉冲示意图；

图3为实施例的一维距离像目标形成原理；

图4是本发明流程图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置，主要由射频单元、中频处理单元以及主控单元组成，其功能组成框图如图1所示：

1）射频单元

射频单元主要由上变频模块、下变频模块以及本振时钟模块等组成，其功能主要包括：

2）中频处理单元

中频处理单元主要用于采集低中频雷达发射信号，并进行下变频处理得到基带信号，然后进行基带回波距离、相位、幅度模拟，最后经过数字上变频及DA变换后得到低中频单点目标或面目标信号。

3）主控单元

主控单元为装载Windows7操作系统单板计算机，其上运行系统主控软件，提供人机操作界面和设备控制，其实现的功能主要包括：

a）设置仿真参数，并对整个系统的工作进程进行控制，显示当前仿真状态等；

b）接收来自雷达的工作模式参数，并发送给中频处理单元；

c）计算点目标运动轨迹，进而计算其相对引信的距离、速度、幅度等信息，并产生相应的控制参数发送给中频处理单元；

（一）工作原理

1.点目标回波模拟

1.1发射信号

由雷达发射机产生的电磁能经收发开关后传输给天线，再由天线将电磁能以电磁波的形式定向辐射于大气中。电磁波在大气中以光速（约）传播。如果目标恰好定位于天线的波束内，则它将会截取一部分电磁能。目标将截取的电磁能向各个方向散射，其中部分散射的能量朝向雷达接收机方向。雷达天线收集到这部分散射的电磁波后，经传输线和收发开关回馈给接收机。接收机将该微弱信号放大并经信号处理后即可获得所需的信息。

雷达发射信号波形主要根据雷达的工作体制、使用任务等因素来确定，很大程度上影响雷达的工作性能。假定雷达发射信号为典型的线性调频信号其复数形式可以表示为：

式中

表示时间变量，单位为/>

；/>

表示线性调频率，单位为/>

；/>

表示脉冲振幅；/>

表示信号中心频率；/>

表示初始相位；包络/>

表示脉冲幅度调制函数。

如图2，当脉冲为矩形时

式中

表示脉冲宽度或脉冲的持续时间，单位/>

；

表示矩形脉冲函数。

因此，发射信号的瞬时相位可以表示为：

单位为弧度，为时间的二次函数，这边是该信号被称为线性调频信号（或/>

倍称为线性调频频率）的缘由。对时间取微分后的瞬时频率为：

1.2回波信号

（1）回波信号的相位变化

设雷达与目标之间的瞬时距离为

，雷达发射的电磁波经目标反射后被接收机接受的信号称为回波信号，该回波信号与发射信号相比，存在一个信号传播往返

，导致回波信号的相位发生变化。回波信号的瞬时相位/>

可以表示为：

同样地，回波信号的瞬时频率可以表示为：

当目标相对于雷达有径向速度时，比如目标向雷达运动，则距离发生变化并可表示为：

式中

表示雷达与目标直接的径向速度。

为简化雷达回波信号的相位即频率分析，假定

为常数。则回波信号的瞬时相位

可以进一步表示为

其中，

，/>

表示信号的波长。

由上式可以看出，回波型号的中心频率变化了

，这就是目标的多普勒频移/>

。当目标远离雷达运动时，多普勒频移的符号为负，即接收信号的频率小于发射信号的频率。

上式中，第一项表示由目标运动引起的回波信号的相位变化；第二项表示由距离延时引起的回波信号的相位变化；第三项表示由相位调制引起的回波信号的相位变化。

在实现雷达目标模拟的过程中，要通过数字信号处理实现前两项回波信号的变化。

此时，回波信号的瞬时频率可进一步表示为：

（2）回波信号的幅度变化

回波信号的幅度由雷达方程确定。假设在

的时刻雷达与目标之间的瞬时距离为/>

，目标雷达截面积为/>

，波长为/>

，系统损耗为/>

，雷达发射功率为/>

，天线发射增益为/>

，接受增益为/>

。则根据雷达方程，可以得到回波信号的功率为：

由天线理论可知，信号的功率与发射型号的幅度平方成正比。假设发射型号的幅度

，回波信号的幅度为/>

，则满足如下关系：

因此，回波信号的幅度可表示为：

从而接收到的回波波形为：

由上式可以看出，与发射信号相比，运动目标的回波信号在复包络上有一个由目标径向距离决定的延时，高频部分有一个由目标径向速度决定的多普勒频移和一个由径向距离决定的相位差。对于多目标环境，由一些各不相同的散射体组成（每个散射体可以用延迟系数

，多普勒系数/>

来唯一确定），因此将上式所给出的各个分量进行叠加，可得到多目标环境下的回波信号。

目标回波信号的幅度信息主要是由目标与雷达之间的径向距离、目标雷达截面积和天线方向图调制这三种因素变化所带来的。因此，在实际进行目标回波信号的福德模拟时，需要实现目标的距离衰减、RCS起伏特性和天线方向图调制等因素的模拟。而回波信号的频率主要是由雷达目标的运动素的（即多普勒频率）所带来的。时延信息反映了雷达目标的距离变化。

对雷达目标回波信号的模拟，实际就是将目标的幅度、相位心在在雷达信号上得以复现。这里所说的“复现”就是重现雷达回波信号的产生、传递和处理等动态过程。归纳起来，雷达目标回波信息主要包括三中信息：

幅度信息：这是由雷达与目标之间的相对距离、目标雷达截面积和天线方向图调制因素变化带来的；

时域信息：反映目标远近的距离延迟；

频域信息：主要为目标多普勒频率。

雷达目标回波信号模拟单元要复现运动目标回波，可对发射信号进行包络延时、多普勒调制、距离因子衰减与RCS调制等实现雷达信号在时域、频域和幅度上的仿真。目前，雷达目标信号模拟的技术途径是雷达发射信号的基础上直接引入上述三种信息来产生目标回波。在三种目标信息的处理上，目前都有相应的技术途径，如幅度模拟可有大动态的程控衰减器实现，而目标的多普勒频率可通过直接式数字合成器（DDS）实现，也可以通过高速数字信号处理系统的运算实现，随着数字信号处理技术及FPGA器件的不断发展，可以在数字信号处理系统中通过延时控制来实现，尤其随着数字射频存储器（DRFM）技术的不断进步，其信号质量有了质的飞跃。

1.3调制参数

模拟器的点目标基本特性模拟包括：距离延时模拟、相位调制模拟、多普勒频率调制模拟和幅度调制模拟。

延时系数的计算公式为：

相位系数的计算公式为：

多普勒调制的计算公式为：

幅度的计算公式：

其中：

为雷达发射功率；

为雷达发射天线增益；

为雷达接收天线增益；

为目标反射面积；

为目标径向距离。

2.扩展目标回波模拟

根据多散射中心理论，光学区复杂目标的后向散射回波可以等效为目标物体上所有散射中心回波的合成，可以将距离扩展目标的回波近似为距离像上多个强散射中心对应的点目标回波信号的矢量合成。目标多散射中心及其回波信号能量在径向距离轴上的投影分布称为目标的一维距离像，反映了目标的长度、几何结构等重要特征。

一维距离像扩展目标回波形成过程如图3所示。

基于一维距离像扩展目标回波信号的形成原理，每个分辨单元可以看作是一个独立的点目标，其回波的持续时间为脉宽

，相邻分辨单元的回波时延为/>

，/>

为雷达距离分辨单元，ｃ为电磁波在自由空间中的传播速度。

雷达发射信号的复数形式为：

设

、/>

、/>

和/>

依次为第ｉ个目标分辨单元的回波时延、径向距离、RCS和多普勒频率，G为发射天线增益，λ为波长，则第ｉ个目标分辨单元的回波信号为：

总回波信号为：

考虑以下因素：

雷达发射信号功率在脉冲内保持不变；

目标尺寸相对于雷达到目标的距离很小，各目标分辨单元由于距离造成的衰减差别可忽略不计；

目标尺寸相对于雷达到目标的距离很小，且为径向排布，各目标分辨单元的多普勒频率近似相同。

回波信号可以写为：

将

记为幅度调制因子，/>

为多普勒调制因子，

记为目标RCS调制因子，其中/>

为雷达发射功率，/>

为目标到雷达的径向距离，/>

为多普勒频率。

从目标RCS调制因子公式

以及数字卷积运算公式

（式中*表示卷积运算），可以看出，目标RCS调制因子的解算过程实质为目标RCS的电压量/>

与雷达发射采样信号/>

的线性卷积过程，因此，本方案采用卷积法来实现一维扩展目标回波计算。

（二）工作过程

基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟的工作流程框图如图4所示：

工作步骤如下：

S6、经过校正后的信号送入延时模块进行高精度延时模拟；

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims

1.基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置，其特征在于，包括射频单元、中频处理单元以及主控单元；

c）利用内部时钟或外部参考时钟，产生射频变频所需的本振信号，以及基带工作所需的时钟信号，并可以对外输出参考时钟；

所述的中频处理单元，用于采集低中频雷达发射信号，并进行下变频处理得到基带信号，然后进行基带回波距离、相位、幅度模拟，最后经过数字上变频及DA变换后得到低中频单点目标或面目标信号；

b）接收来自雷达的工作模式参数，并发送给中频处理单元；

2.基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于FPGA及DDR4的大带宽超视距雷达距离模拟装置，包括以下步骤：

S1、对来自无线电探测设备的射频信号进行下变频及功率调整，得到适于采集的低中频信号；

S2、FPGA经过信号采集及预处理后得到雷达基带信号；

S5、在后续模块中根据当前距离参数进行判别，选择适应当前距离模拟的数据；

S6、经过校正后的信号送入延时模块进行高精度延时模拟；

3.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求2所述方法的步骤。

4.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现权利要求2所述方法的步骤。