CN116203520A - 一种基于多散射中心的任意目标模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，包括搭建由上位机、射频下变频模块、ADC、FPGA、DDR4存储器、DAC、射频上变频模块组成的系统框架；对目标几何结构进行建模，获得散射特性数据，提取目标一维散射中心位置分布；上位机软件规划目标的运动轨迹，根据得到的一维散射中心位置分布，提取不同时刻目标各个散射中心的距离延时、精细多普勒频移和幅度值信息，并通过PCIE总线通信实时下发给FPGA；信道化模块对得到的多相数字中频信号进行信道化处理，得到多信道的基带IQ信号。本发明能够完成对点目标、多点目标的雷达回波动态模拟。
Description
技术领域
本发明涉及雷达目标回波模拟系统技术领域，具体涉及一种基于多散射中心的任意目标模拟方法。
背景技术
雷达目标模拟器是专门为雷达制导导弹产品的测试需求研制的,能够模拟复现含有雷达目标及环境信息的回波信号,被广泛应用于雷达系统、分系统的调试和性能的评价。采用雷达目标模拟技术可以快速检查雷达系统中主要特征参数,从而缩短雷达的研制周期，减少雷达的研制费用。
但是目前的雷达目标模拟器还没有完整的、系统的校准方法，只能简单测试其输出信号与功率和频率相关的参数。目前还没有相应的校准方法和手段验证雷达目标模拟器输出的目标干扰、杂波模拟信号准确性,如何定量表征、测试和评价目标模拟器输出的复杂调制信号成为技术难题。
雷达目标模拟器输出信号需要模拟目标回波、探测信号遇到的干扰、背景存在的杂波,需要复杂的数学公式来描述才能建立起目标、干扰、杂波信号的数学模型。所建立的数学模型计算复杂且计算量大，在复杂的战场环境下需要服务器提供有效的算力支持，增加了实际环境中应用的难度。
针对上述问题，本专利提供了一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，为上述问题提供了一种解决方案。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种基于多散射中心的任意目标模拟方法。
本发明所采用的技术方案是，包括:
步骤1)、搭建由上位机、射频下变频模块、ADC、FPGA、DDR4存储器、DAC、射频上变频模块组成的系统框架；
步骤2)、对目标几何结构进行建模，获得散射特性数据，提取目标一维散射中心位置分布；
步骤3)、上位机软件规划目标的运动轨迹，根据步骤2)得到的一维散射中心位置分布，提取不同时刻目标各个散射中心的距离延时、精细多普勒频移和幅度值信息，并通过PCIE总线通信实时下发给FPGA；
步骤4)、使用射频下变频模块将雷达射频模拟信号转换为中频信号，通过ADC将模拟中频信号转换为多相并行的数字中频信号，送入FPGA；
步骤5)、信道化模块对经过步骤4)得到的多相数字中频信号进行信道化处理，得到多信道的基带IQ信号。
进一步地，所述步骤1)，上位机、射频下变频模块、ADC、FPGA、DDR4存储器、DAC、射频上变频模块组成的系统框架中，上位机负责目标多散射中心的参数提取和下发，射频下变频模块将雷达射频信号转换为中频信号，FPGA和DDR4存储器完成对目标的模拟，射频上变频模块将回波中频信号转换为回波射频信号输出。
进一步地，所述步骤1)，系统框架中的各个组成部分，可以根据目标模拟的具体应用场合，选择硬件参数。
进一步地，所述步骤2)，提取目标一维散射中心位置分布包括，利用三维设计辅助软件（如Auto CAD或3DS Max）对目标几何结构建模；利用电磁仿真软件（如FEKO）获取目标散射特性数据；提取目标一维散射中心位置分布。
进一步地，所述步骤3)，每个散射中心的距离延时通过公式
计算得到，其中Rn表示第n个散射中心到雷达的距离，c表示电磁波在真空中的传播速度。
进一步地，所述步骤3)，将每个散射中心对应的距离延时τn划分为粗略延时τr和精细延时τan的组合，每个散射中心的粗略延时相同，表示目标到雷达的粗略距离相同，精细延时不同，表示不同散射中心距离的细微差别，即：τn=τr+τan。
进一步地，所述步骤3)，每个散射中心的精细多普勒频移信息通过公式
计算得到，其中Vrn表示第n个散射中心的速度，f表示雷达脉冲信号载频。
进一步地，所述步骤5)，信道化模块由多相滤波和DFT构成，该步骤将高采样率的多相数字中频信号经过信道化之后转换为多个信道的基带IQ信号。
进一步地，所述步骤5)，信道化模块在进行信道划分时，根据雷达脉冲信号带宽以及FPGA逻辑资源情况确定。
同现有技术相比，本专利具有的优势如下：
本发明通过采用目标几何结构建模，获取散射特性，提取一维散射中心信息，规划运动轨迹，提取多散射中心距离延时、精细多普勒频移和幅度值的方式，能够完成对点目标、多点目标的雷达回波动态模拟，可模拟包含64个散射中心的目标；
本专利提出的由上位机，射频上变频、射频下变频、ADC、DAC、DDR4存储器以及FPGA组成的系统框架，可以根据具体应用场景选择硬件参数，能够适配大部分雷达目标模拟要求，且能完成对2G瞬时带宽的雷达脉冲信号的目标模拟。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明方法的系统框图；
图3是本发明方法的目标一维散射中心信息提取流程图；
图4是本发明方法的目标模拟逻辑实现整体框图；
图5是本发明方法的信道化模块逻辑实现框图。
具体实施方式
针对已有技术中存在的问题，本专利提供了一种基于多散射中心的任意目标模拟方法。利用三维设计辅助软件对目标几何结构建模，通过专用电磁仿真软件获取目标散射特性相关数据，再提取目标一维散射中心位置分布，通过计算提取出目标各个散射中心对应的距离延时、精细多普勒频移以及幅度值等信息。构建上位机，射频上变频，射频下变频，模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）以及FPGA组成的系统框架，对目标所包含的每个散射中心对应的回波信号进行精确模拟，其中FPGA中包括信道化模块、信号检测模块、脉宽测量模块、上变频模块、粗略延时控制模块以及多散射中心模拟模块等功能模块。通过上述方法生成的目标回波信号中包含了目标各个散射中心的距离特性、精细多普勒特性以及能量特性，能够较为逼真地模拟雷达使用以及测试所需的各种典型目标电磁波反射特性。
模拟有64个散射中心的目标，雷达脉冲信号瞬时带宽2GHz，使用提出的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，如图1所示，具体步骤包括：
步骤1)、搭建由上位机、射频下变频模块、ADC、FPGA、DDR4存储器、DAC、射频上变频模块组成的系统框架；
步骤2)、对目标几何结构进行建模，获得散射特性数据，提取目标一维64个散射中心的位置分布；
步骤3)、上位机软件规划目标的运动轨迹，根据得到的一维散射中心位置分布，提取不同时刻目标各个散射中心的距离延时（分为粗略延时和精细延时，保证所有散射中心的粗略延时相同）、精细多普勒频移和幅度值等信息，并通过PCIE总线通信实时下发给FPGA；
步骤4)、使用射频下变频模块将雷达射频模拟信号转换为中频信号，通过ADC将模拟中频信号转换为24相并行的数字中频信号，送入FPGA；
步骤5)、信道化模块对得到的24相数字中频信号进行信道化处理，得到32个信道的基带IQ信号；
本专利提出的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，还包括
步骤6)、利用信号检测模块对每个信道中的基带IQ数据进行检测，将各个信道检测结果合并后得到雷达脉冲信号的包络信息；
步骤7)、利用脉宽测量模块对雷达脉冲信号包络信息进行时域测量，得到雷达脉冲信号的脉宽信息；
步骤8)、上变频模块对每个信道中的基带IQ数据进行插值滤波、多相上变频，通过多信道合成之后输出多相中频数据；
步骤9)、粗略延时控制模块对粗略延时信息、雷达脉冲信号包络信息以及脉宽信息，选择BRAM/DDR4存储的多相中频信号，并延迟符合粗略延时信息的时间。
步骤10)、多散射中心模拟模块根据获得的散射中心个数N，复用粗略延时之后得到的多相中频信号N次，再获得的第n个散射中心精细延时、精细多普勒频移和幅度值参数，对第n路多相中频信号进行散射中心模拟，将N路散射中心模拟后的中频数据合并，得到经过多散射中心模拟的多相中频数据；
步骤11)、通过DAC将得到的多相数字中频信号转换为模拟中频信号，通过射频上变频模块转换为目标回波射频模拟信号输出。
步骤1)中所述的系统框图如图2所示，由射频下变频模块、ADC、FPGA、DDR4存储器、上位机、DAC以及射频上变频模块构成。其中选择采样率为6GHz的ADC和DAC，FPGA处理时钟选择250MHz，通过24路数据并行的方式完成对ADC、DAC数据的处理。根据雷达脉冲信号中心频点配置射频上下变频模块，能够完成对2G瞬时带宽雷达脉冲信号的接收和回波信号的生成。
步骤2)中所述的提取目标一维散射中心位置分布的流程如图3所示。首先利用三维设计辅助软件Auto CAD对目标几何结构建模，然后利用电磁软件FEKO获取目标散射特性数据，再提取目标64个散射中心的位置分布。
步骤3)中所述的每个散射中心的距离延时通过公式计算得到，公式为：
其中Rn表示第n个目标散射中心到雷达的距离，c表示电磁波在真空中的传播速度，将每个散射中心对应的距离延时τn划分为粗略延时τr和精细延时τan的组合（每个散射中心的粗略延时相同，表示目标到雷达的粗略距离相同，精细延时不同，表示不同散射中心距离的细微差别），即：τn=τr+τan。
步骤3)中所述的每个散射中心的精细多普勒频移信息通过公式
计算得到，其中Vrn表示第n个散射中心的速度，f表示雷达脉冲信号载频，fdn为每个散射中心的精细多普勒频移信息，c表示电磁波在真空中的传播速度。
步骤4)-11)中所述的目标模拟逻辑实现整体框图如图4所示，该逻辑实现框图主要通过ADC、信道化模块、信号检测模块、脉宽测量模块、上变频模块、粗略延时控制模块、多散射中心模拟模块以及DAC构成。其中ADC将雷达模拟中频信号转换为24相中频数字信息，再通过FPGA中的信道化模块、信号检测模块、脉宽测量模块、上变频模块、粗略延时控制模块以及多散射中心模拟模块之后，得到24相回波中频数字信息，再经过DAC转换为回波中频模拟信号。
步骤4)中通过射频下变频模块转换得到的中频信号，其中心频点为1.5GHz，ADC采样率为6GHz，能对2GHz瞬时带宽雷达脉冲信号采样（中频0.5GHz-2.5GHz范围），并送入FPGA中处理。
步骤5)中所述的信道化模块逻辑实现框图如图5所示，主要由多相滤波和DFT构成，该步骤将采样率为6GHz的24相数字中频信号经过信道化处理，得到32个信道的数字基带IQ信号（采样率250MHz，每个信道带宽62.5MHz）。
步骤6)中使用自相关算法完成对每个信道的数据检测，得到雷达脉冲信号包络信息，步骤7)中根据该包络信息使用计数器完成脉宽信息的提取。
步骤8)中所述的上变频模块逻辑实现框架，由以下几个部分组成：插值滤波（24倍插值），多相上变频以及多信道合成。使用插值滤波将每个信道的基带IQ数据转换为24相基带IQ数据，通过多相上变频，得到32信道对应的24相中频数据，经过多信道合成之后，得到24相中频数据。
步骤9)中所述的粗略延时控制模块，由存储切换控制模块、BRAM、DDR4、读取控制模块构成。存储切换控制模块根据信号检测模块输出的雷达脉冲信号包络信息、脉宽测量模块输出的脉宽信息，以及上位机下发的粗略延时参数，将24相中频数据中时宽小于等于tBRAM的部分送入BRAM存储，将时宽大于tBRAM的部分送入DDR4存储，其存储流程如图5所示。
步骤10)中所述的多散射中心模拟模块，由复用模块、精细延时控制、精细多普勒频移、幅度控制以及多散射中心合并构成。其中复用模块将输入的24相中频数据复用64次；精细延时根据各个散射中心的精细延时参数，通过FIFO和计数功能实现；精细多普勒频移，根据各个散射中心的多普勒频移参数，通过多相DDS和多相混频技术实现；幅度控制，根据各个散射中心的幅度参数，通过乘法器实现；多散射中心合并部分使用加法器将64个散射中心模拟后的中频数据叠加到一起，实现64散射中心数据的合并。
本专利通过采用目标几何结构建模，获取散射特性，提取一维散射中心信息，规划运动轨迹，提取多散射中心距离延时、精细多普勒频移和幅度值的方式，能够完成对点目标、多点目标的雷达回波动态模拟，可模拟包含64个散射中心的目标；
本专利提出的由上位机，射频上变频、射频下变频、ADC、DAC、DDR4存储器以及FPGA组成的系统框架，可以根据具体应用场景选择硬件参数，能够适配大部分雷达目标模拟要求，且能完成对2G瞬时带宽的雷达脉冲信号的目标模拟；
本专利采用的BRAM/DDR4存储模式，可以在保证较小存储延时的同时存储尽可能大的数据，能完成对脉宽0.1μs-1000μs，脉冲重复周期1μs-10ms雷达脉冲信号的目标模拟，同时达到≤300ns的转发延时。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1)、搭建由上位机、射频下变频模块、ADC、FPGA、DDR4存储器、DAC、射频上变频模块组成的系统框架；
步骤2)、对目标几何结构进行建模，获得散射特性数据，提取目标一维散射中心位置分布；
步骤3)、上位机软件规划目标的运动轨迹，根据步骤2)得到的一维散射中心位置分布，提取不同时刻目标各个散射中心的距离延时、精细多普勒频移和幅度值信息，并通过PCIE总线通信实时下发给FPGA；
步骤4)、使用射频下变频模块将雷达射频模拟信号转换为中频信号，通过ADC将模拟中频信号转换为多相并行的数字中频信号，送入FPGA；
步骤5)、信道化模块对经过步骤4)得到的多相数字中频信号进行信道化处理，得到多信道的基带IQ信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤1)，上位机、射频下变频模块、ADC、FPGA、DDR4存储器、DAC、射频上变频模块组成的系统框架中，上位机负责目标多散射中心的参数提取和下发，射频下变频模块将雷达射频信号转换为中频信号，FPGA和DDR4存储器完成对目标的模拟，射频上变频模块将回波中频信号转换为回波射频信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤1)，系统框架中的各个组成部分根据目标模拟的具体应用场合，选择硬件参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤2)，提取目标一维散射中心位置分布包括，
利用三维设计辅助软件对目标几何结构建模；
利用电磁仿真软件获取目标散射特性数据；
提取目标一维散射中心位置分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤3)，每个散射中心的距离延时通过公式
计算得到，其中Rn表示第n个散射中心到雷达的距离，c表示电磁波在真空中的传播速度。
6.根据权利要求5所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤3)，将每个散射中心对应的距离延时τn划分为粗略延时τr和精细延时τan的组合，每个散射中心的粗略延时相同，表示目标到雷达的粗略距离相同，精细延时不同，表示不同散射中心距离的细微差别，即：τn=τr+τan。
7.根据权利要求6所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤3)，每个散射中心的精细多普勒频移信息通过公式
计算得到，其中Vrn表示第n个散射中心的速度，f表示雷达脉冲信号载频，fdn为每个散射中心的精细多普勒频移信息，c表示电磁波在真空中的传播速度。
8.根据权利要求1所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤5)，信道化模块由多相滤波和DFT构成，将高采样率的多相数字中频信号经过信道化之后转换为多个信道的基带IQ信号。
9.根据权利要求1所述的一种基于多散射中心的任意目标模拟方法，其特征在于，所述步骤5)，信道化模块在进行信道划分时，根据雷达脉冲信号带宽以及FPGA逻辑资源情况确定。
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