CN116381629A - 基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统以及方法，系统是工作由主控单元控制，主控单元，用于完成工作流程及模式的控制、参数的配置及下发、工作状态的接收与显示、波形数据的显示与分析、回放文件的下发与管理功能，且具备接收远程控制能力；中频单元，用于完成通道信号的模数转换及目标回波信号的调制；微波单元，与中频单元连接，用于完成射频信号上下变频、功率调制、检波输出功能。本发明只需要在径向距离维度进行目标特征实时动态卷积就能够完成大型体目标回波模拟，只需消耗较少量的FPGA乘法器资源即可完成。对强散射点按照径向距离维度划分，灵活调整卷积位置，从而减少实际卷积点数，节约了乘法器资源。

Description

基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统以及方法

技术领域

本发明提供一种基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统以及方法，属于雷达技术领域。

背景技术

在雷达研制过程中，利用半实物仿真试验替代靶场试验，缩短雷达的研发周期、提升效率、降低费用并实时监测运行数据，适用于雷达研制的前期与中期过程，是一项风险小、高效率、高回报的技术。随着半实物仿真技术发展，除要建立科学合理的物理数学模型，更需要通过内场试验和外场试验不断积累数据、修正模型，不断使半实物仿真目标和真实目标去逼近。为了提升半实物仿真的“真实度”，则需要提高半实物仿真的目标模拟精细程度，这又会导致成本的大幅度提高，这与半实物仿真初衷相违背。所以需要探索一种不增加成本而又能提高半实物仿真“真实度”、“精细度”的方法。

目前目标模拟中对于大型目标的模拟是最困难、成本也是最高的。通常体目标模拟的方式是通过建立目标RCS散射模型，并对模型进行从不同角度下进行归一化。由于目标场景较大，受限于硬件资源，通常只能对其中径向距离50米范围的散射点进行等间隔仿真。若要提高目标模拟的体积，则要降低仿真的精度(即精细化程度)来缓解硬件资源的压力。但对体目标仿真来说，强反射点是雷达最为“关心”的，但强散射点的分布却是取决有目标模型，它的分布并不均匀。所以现有方式只能“事无巨细”的将所有散射点进行仿真、模拟，造成硬件资源的巨大开销。

现有实时大型目标模拟方式只能对径向距离50米范围的目标进行实时仿真(不丢失脉冲)，再增大体积就需要大规模提高硬件资源或降低仿真精度。由于采用固定实时卷积的方法，通常一个FPGA(具备6840个DSP资源)在仿真1GHz带宽雷达体目标回波时，只能仿真400个径向散射点，目标径向距离50米。对于大型客机、舰船的仿真就难以满足“真实度”和“精细度”的要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统以及方法，通过建立目标RCS模型、动态场景规划和一维距离向投影，将目标的散射特性转换为非均匀的散射点文件。再次利用FPGA实现实时动态卷积，实现大型体目标非均匀的散射点特性的调制，利用存储资源来节约了大量的乘法器资源，从而实现了更大尺度的体目标的模拟。

具体技术方案为：

基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统，包括主控单元，中频单元，微波单元；

所述主控单元为系统控制中心，用于完成系统工作流程及模式的控制，根据设定的工作流程及模式，通过PCIE接口分别对中频单元和微波单元进行参数的配置及下发，工作过程中接收中频单元和微波单元的工作状态和波形数据，并将数据进行显示、分析和保存；

所述中频单元为系统信号处理中心，用于完成目标特性的调制，中频单元接收微波单元的中频激励信号，将中频激励信号模数转换后进行目标回波特性的调制，调制后的信号通过数模转换输出为中频回波信号给微波单元；

所述微波单元与中频单元连接，接收被测雷达的射频激励信号，并将其变频为中频激励信号提供给中频单元，同时也将中频单元输出的中频回波信号变频为射频回波信号发射给被测雷达，从而完成射频信号上下变频、功率调制、检波输出功能。

进一步的，所述的中频单元，还用于生成1GHz范围内带宽可调、功率可调的白噪声信号，白噪声信号单独输出，或者在基带叠加到目标回波信号后进行输出，用于实现不同信噪比指标下的雷达大型目标模拟。

本发明提供的基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟方法，采用所述的基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统，所述的方法包括实时生成和数据回放两种方法；

实时生成方式是通过线馈或空馈的方式接收被测雷达的射频激励信号，然后将接收的射频激励信号变频成中频激励信号，经中频单元完成模数转换、数字下变频、目标特性动态卷积、数字上变频、数模转换处理，输出中频回波信号，最后经微波单元进行变频，输出射频回波信号；

数据回放方式是通过预先生成回波数据存储到DDR中，系统工作时，中频单元按照一定的时序对数据进行读出，并经数字上变频、数模转换输出中频回波信号，输出的中频回波信号经微波单元变频，输出射频回波信号。

本发明提供的技术方案具有以下技术效果：

本发明提供的基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统通过对大型目标的模型进行散射点整合，将二维目标的速度维度进行相位叠加，只需要在径向距离维度进行目标特征实时动态卷积就能够完成大型体目标回波模拟。通过实时动态卷积将不显著的弱散射点进行复制，无需消耗FPGA的乘法器资源即可完成。对强散射点按照径向距离维度划分，灵活调整卷积位置，从而减少实际卷积点数，节约了乘法器资源。在相同乘法器资源的情况下让卷积的点数提高5倍，可模拟的大型目标散射点数量提高近25倍。能够模拟径向距离250米范围的目标，能够满足大型飞机和舰船的目标模拟需求。

附图说明

图1是本发明的功能组成框图；

图2是本发明的工作原理框图；

图3是本发明的体目标转换示意图；

图4是本发明的一维距离像体目标回波形成示意图；

图5是本发明的动态卷积原理框图；

图6是本发明的工作流程框图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统主控单元、中频单元、微波单元等模块组成；

基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统工作由主控单元控制，用于完成系统工作流程及模式的控制。根据设定的工作流程及模式，通过PCIE接口分别对中频单元和微波单元进行参数的配置及下发。工作过程中接收中频单元和微波单元的工作状态和波形数据，并将数据进行显示、分析和保存，且具备接收远程控制能力。

中频单元，主要完成通道信号的模数转换及目标回波信号的调制。中频单元除了能够生成回波信号，还用于生成1GHz范围内带宽可调、功率可调的白噪声信号，白噪声信号单独输出，或者在基带叠加到目标回波信号后进行输出。

微波单元，用于接收被测雷达的射频激励信号，并将其变频为中频激励信号提供给中频单元。同时也将中频单元输出的中频回波信号变频为射频回波信号发射给被测雷达。从而完成射频信号上下变频、功率调制、检波输出功能。射频单元工作频段分为8GHz～18GHz、30GHz～37GHz，每个频段均为独立的输入输出通道。射频单元将指定频段的信号变频至600MHz±500MHz中频信号，或者将600MHz±500MHz中频信号变频至射频信号。

基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统，主要用于射频大型体目标回波信号模拟，该功能可通过实时生成和数据回放两种方法实现。实时生成方式是通过线馈或空馈的方式接收被测雷达的射频激励信号，然后将接收的射频激励信号变频成中频激励信号，经中频单元完成模数转换、数字下变频、目标特性动态卷积、数字上变频、数模转换处理，输出中频回波信号，最后经微波单元进行变频，输出射频回波信号；数据回放方式是通过预先生成回波数据存储到DDR中，系统工作时，中频单元按照一定的时序对数据进行读出，并经数字上变频、数模转换输出中频回波信号，输出的中频回波信号经微波单元变频，输出射频回波信号。

本发明的系统工作原理为：

1.体目标散射点生成

体目标散射点的生成是基于弹道轨迹及采样时间的多组动态RCS序列，每次生成的传递函数为同步生成传递函数文件和弹道轨迹文件，基本的生成原理框图如图2所示。

体目标散射点是一种随着时间变化的起伏量，它受到弹道航迹、运动规律、工作波长、天线辐射等参数的影响。体目标散射点的生成应首先获取雷达目标的动态RCS序列和峰值特征。从目标电磁散射机理上分析，相对于雷达入射波长，目标表现为电大尺寸，高频散射构成了目标的主要散射贡献，使得目标表面边缘、顶点、几何不连续处等位置形成局部的散射源或散射中心。在运动场景中，可将目标散射等效近似为多个近场散射源的组合。当需要生成动态散射点RCS的生成应该明确目标的运动航迹，然后再利用运动参数求解目标的姿态角，随后利用视线姿态角进行查询当前目标散射点的RCS序列值。随着弹目轨迹的更新，会得到一系列动态的RCS序列值。然后根据雷达的探测距离分辨率，进行等距离划分，生成体目标散射点文件。其装换过程示意图如3所示：

整个运动过程中，目标距离、目标姿态、波束照射方向在不断变化会造成整个仿真时间内获取的RCS序列幅度值不断变化，不同散射点RCS相位值也在不断变化，根据雷达至散射点的距离，会得到当前时刻RCS值得相位值。

运动过程中数据的获取采样时间可按照1μs的步进值进行获取，即运动参数1μs更新一次。每次更新获取的大量的散射点RCS幅相值。这些数据可根据引信的距离分辨率进行划分，进行矢量合成，形成体目标散射点文件。

2.体目标模拟原理

体目标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。

一维距离像体目标回波形成过程如图4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p^w，相邻分辨单元的回波时延为Δτ＝2Δr/c，Δr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τ_i、r_i、σ_i和f_di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，α(t)为雷达发射信号幅度，

为发射信号相位，t为时间，j为虚数，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，exp(j·[2πf_d·t])为多普勒调制因子，

记为目标RCS调制因子，其中p_t为雷达发射功率，r₀为目标到雷达的径向距离，f_d为多普勒频率，exp为指数。

从上式可以看出，目标回波是雷达照射波束内全部散射点回波的叠加，它可以看作是雷达发射信号经过一个系统后的输出。因而目标回波可表示为雷达发射脉冲s(t)与目标回波系统函数(冲击响应序列)h(t)的卷积，即

上式中的系统函数包含了波束照射范围内所有散射点回波的延迟、幅度以及相位等信息，此时在某个采样时刻(代表不同的等距离环)的回波系统函数将是落入该时刻所代表距离门的所有散射点信息的叠加。

3.实时动态卷积原理

在数字信号处理领域，离散时间系统的输出响应，可以直接由输入信号与系统单位冲激响应的离散卷积得到。离散卷积在电子通信领域应用广泛，是工程应用的基础。如果直接在时域进行卷积，卷积过程中所必须的大量乘法和加法运算，一定程度地限制了数据处理的实时性，不能满足时效性强的工程应用。

设线性时不变系统的冲激响应为h(n)，则冲激响应函数T和输入δ(n)之间有关系：

h(n)＝T(δ(n))

假设该系统的输入为x(n)，输出为y(n)，δ(n-k)冲击响应序列，则根据线性时不变系统的定义，有：

线性时不变系统的输出信号可以由输入信号与单位冲激响应的卷积求得。实际应用中，x(n)与y(n)的序列长度均为有限的，假设均为N，显然，求出N点的y(n)需要N²复数乘法，当序列长度大时，所需计算量是庞大，在需要实时处理的系统中，难以满足实时性要求。

将M点序列x(n)，L点序列h(n)分别作扩展，构造新的序列x′(n)、h′(n)，

为傅里叶变换的旋转因子，使得长度N满足如下条件：

N＝M+L-1

即有：

根据时域循环卷积定理，x(n)与h(n)的线性卷积可以用循环卷积来代替，X′为x(n)的频域函数，H′为h(n)的频域函数，IDFT为逆傅里叶变换。即：

y(n)＝y′(n)＝x(n)*h(n)＝IDFT[X′(k)H′(k)]

通过将弱散射点剔除、强散射点在距离单元上进行整合，得到离散不等间隔的强散射点序列。同时利用FPGA的FIFO进行散射点间隔调整，实现了非等间隔的动态卷积。按照距离门精细度，通过离线计算得到多散射点大型目标调制信息后，将多散射点目标信息调制通过动态卷积结构实现目标特性模拟。具体方式为在FPGA内将实时采样的基带雷达信号与离散的多散射点目标信息进行复乘，得到大型目标回波的基带信号，如图5所示。

基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统的工作流程框图如6所示。

工作步骤如下：

1)系统开始工作，根据选定的目标，按网络剖面建立目标的RCS模型；

2)通过设置天线类型和参数，对天线辐射场求解，建立天线方向图数据文件；

3)综合上述数据，计算目标全空域RCS；

4)同时根据运动场景规划，计算整个运动过程的相对位置关系；

5)依据相对位置关系，对目标不同阶段的RCS进行提取；

6)通过将距离维度和速度维度的散射点特征进行整合，生成体目标散射文件；

7)微波单元将雷达发射信号进行变频后，中频单元对信号进行采集和数字下变频处理；

8)实时动态卷积模块读取散射点目标文件，通过调整个散射点延时与基带信号进行动态卷积；

9)生成的基带体目标回波通过数字上变频模块进行插值和变频，输出中频回波；

10)中频回波信号经过微波单元变频到射频频段输出给雷达；

11)在完成试验后，根据指令结束流程。

Claims (3)

1.基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统，其特征在于，所述系统包括：主控单元，中频单元，微波单元，其中：

所述主控单元为系统控制中心，用于完成系统工作流程及模式的控制，根据设定的工作流程及模式，通过PCIE接口分别对中频单元和微波单元进行参数的配置及下发，工作过程中接收中频单元和微波单元的工作状态和波形数据，并将数据进行显示、分析和保存；

所述中频单元为系统信号处理中心，用于完成目标特性的调制，中频单元接收微波单元的中频激励信号，将中频激励信号模数转换后进行目标回波特性的调制，调制后的信号通过数模转换输出为中频回波信号给微波单元；

所述微波单元与中频单元连接，接收被测雷达的射频激励信号，并将其变频为中频激励信号提供给中频单元，同时也将中频单元输出的中频回波信号变频为射频回波信号发射给被测雷达，从而完成射频信号上下变频、功率调制、检波输出功能。

2.基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统，其特征在于，采用权利要求1所述的中频单元，还用于生成1GHz范围内带宽可调、功率可调的白噪声信号，白噪声信号单独输出，或者在基带叠加到目标回波信号后进行输出，用于实现不同信噪比指标下的雷达大型目标模拟。

3.基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的基于实时动态卷积的雷达大型目标模拟系统，所述的方法包括以下过程：

包括实时生成和数据回放两种方法；

实时生成方式是通过线馈或空馈的方式接收被测雷达的射频激励信号，然后将接收的射频激励信号变频成中频激励信号，经中频单元完成模数转换、数字下变频、目标特性动态卷积、数字上变频、数模转换处理，输出中频回波信号，最后经微波单元进行变频，输出射频回波信号；

数据回放方式是通过预先生成回波数据存储到DDR中，系统工作时，中频单元按照一定的时序对数据进行读出，并经数字上变频、数模转换输出中频回波信号，输出的中频回波信号经微波单元变频，输出射频回波信号。

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