TWI766507B - 雷達回波訊號模擬系統 - Google Patents

Abstract

本揭露係提供一種雷達回波訊號模擬系統，包括：一模擬訊號收發器、一模擬器管理主機、和一回波產生器。該模擬訊號收發器，包括：一類比訊號模組；以及一數位訊號模組。該模擬器管理主機，連接該模擬訊號收發器，包括一軌跡匯入模組、一幾何處理模組、以及一任務回波訊號產生模組。該回波產生器，連接該模擬器管理主機，包括：一模型產生模組、以及一孔徑訊號產生模組。

Description

雷達回波訊號模擬系統

本揭露係關於一種雷達模擬系統；特定而言，係關於一種合成孔徑雷達之訊號模擬系統。

現行雷達系統中，成相之解析度隨天線尺寸而增加。合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有之優勢在於，可使用相對小之天線達成較高之解析度。

SAR指的是使用移動式天線，模擬極大天線或孔徑之雷達。SAR通常安裝在飛行或太空載台上，並且相對於安裝天線載台(platform)的飛行路徑成一定角度安裝。SAR從安裝在載台上的SAR傳感器反覆地向雷達對象發射無線電脈衝，並接收由對象反射的無線電波。而SAR載台飛行路徑定義方位角(azimuth)，天線通常聚焦在與方位角正交的方向上。

有鑑於SAR的功能優於一般雷達，若可開發測試SAR功能之模擬系統，則將對於本領域極有助益。

為達成發明之目的，本揭露係提供一種雷達回波訊號模擬系統，包括：一模擬訊號收發器、一模擬器管理主機、和一回波產生器。該模擬訊號收發器，包括：一類比訊號模組；以及一數位訊號模組。該模擬器管理主機，連接該模擬訊號收發器，包括一軌跡匯入模組、一幾何處理模組、以及一任務回波訊號產生模組。該回波產生器，連接該模擬器管理主機，包括：一模型產生模組、以及一孔徑訊號產生模組。

於一實施例，該數位訊號模組另包括一訊號處理單元。

於一實施例，該訊號處理單元係場域可程式閘陣列。

於一實施例，該模擬訊號收發器另包括：一收發單元。

於一實施例，該模擬器管理主機另包括：一任務回波訊號資料庫。

如請求項1之系統，該回波產生器另包括一孔徑訊號資料庫。

於一實施例，該回波產生器另包括一雷達截面積模擬模組。

本揭露之技術特徵，包含特定特徵，係揭示於申請專利範圍，針對本揭露之技術特徵，較佳之理解茲配合說明書、依據本揭露原理之實施例、和圖式將本揭露詳細說明如下。此外，本說明書揭露之內容可為習知技術者所理解並實現，所有不背離發明概念之均等之變更或修改均可為請求項所涵蓋。

本揭露說明書及申請專利範圍中所述之所有技術性及科學用語，除非另有所定義，皆為本揭露所屬技術領域具有通常知識者可知曉之定義。其中單數用語「一」、「一個」、「該」、或其近似用語，除非另有說明，皆可指涉多於一個對象。本說明書使用之「或」、「以及」、「和」，除非另有說明，皆指涉「或/和」。此外，用語「包含」、「包括」皆非有所限制之開放式連接詞。前述定義僅說明用語定義之指涉而不應解釋為對創作標的之限制。除非另有說明，本揭露所用之材料皆為市售易於取得。

本說明書所述之功能單元係定義為模組，以具體強調可獨立運作之功能。 例如，模組可為場域可程式閘陣列(FPGA)、可程式陣列邏輯(programmable array logic)、可程式邏輯設備(programmable logic devices)等可程式硬體設備。

本說明書所述之模組可使用程式碼和/或軟體實施，由各類型之處理器執行。例如，包括可執行程式碼之一或多物理或邏輯單元，前述可執行程式碼可為被組織為對象、過程、或功能。然而，模組之可執行指令無需於物理上位於同一硬體，可包括儲存於不同位置之不同指令，該些指令邏輯上結合時，可實現該模組之功能及目的。

於本揭露，資訊儲存裝置之例示包括但不限於：可攜式磁片、硬碟、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除可程式化唯讀記憶體(EPROM或快閃記憶體)、CD-ROM、光學儲存裝置、磁儲存裝置或前述裝置之任意組合。於本揭露，電腦可讀取介質可以是任何有形介質，儲存供指令執行系統、裝置、或設備使用或與其結合使用之指令程序。

本揭露係提供一種雷達回波訊號模擬系統100，該系統自雷達裝置接收訊號後，產生一任務回波訊號，並傳遞至雷達裝置，藉以判斷雷達裝置對於該任務回波訊號之辨識效能，進而評估雷達裝置對於標的物之辨識能力。

本揭露之系統特別可用於合成孔徑雷達(SAR)。本揭露之系統適用於評估雷達裝置對於多種標的物之辨識能力，例如汽車或飛行器等。

參照圖1，本揭露之系統100包括：一模擬訊號收發器10、一模擬器管理主機20、以及一回波產生器30。該模擬訊號收發器10連接該模擬器管理主機20，以及該回波產生器30連接該模擬器管理主機20。

該模擬器管理主機20之功能係包括：規劃雷達回波訊號模擬系統進行之任務、設定模擬載台軌跡、設定電磁參數、以及資料庫儲存。該回波產生器30之功能係包括：產生合成孔徑回波訊號，以及模擬雷達截面積。

參照圖2，該模擬訊號收發器10係組態為：具有一收發單元130，該收發單元130連接一外部雷達裝置，並自該外部雷達裝置接收雷達訊號後，降頻至基頻訊號；以及將數位模擬訊號升頻為雷達訊號。

該模擬訊號收發器10包括：一類比訊號模組110和一數位訊號模組120。該模擬訊號收發器10自雷達裝置接收雷達訊號後，該類比訊號模組110包括：一升降頻轉換器111和一數位類比訊號轉換器113。

該升降頻轉換器111組態為將訊號頻率升頻或降頻，於本揭露該升降頻轉換器111係用於將雷達訊號降頻至基頻訊號，反之亦將數位模擬訊號升頻為雷達訊號。於本揭露，基頻訊號係定義為雷達裝置所發出並且無混雜任何標的物訊號之訊號，以及數位模擬訊號係本系統所產生之標的物模擬訊號與基頻訊號混合後所產生之訊號，故數位模擬訊號升頻後將為雷達裝置所實際接收之訊號。

該數位類比訊號轉換器113係分別連接該升降頻轉換器111以及該數位訊號模組120，該數位類比訊號轉換器113係用於將基頻訊號轉換為數位訊號並傳遞至該數位訊號模組120，另一方面亦可將數位訊號模組所發出之數位模擬訊號轉換為類比訊號。

該數位訊號模組120包括：一訊號處理單元121，可為中央處理器(Central Processing Unit，CPU)、微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)、場域可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或是其他影像處理電路/元件。

於一較佳實施例，該數位訊號模組120包括：一場域可程式閘陣列121(FPGA)。為符合本系統之模擬器之暫存檔案(PRF)，該場域可程式閘陣列121係設置用於提高訊號合成之反應效率。

該模擬器管理主機20包括一軌跡匯入模組201、幾何處理模組202、和一任務回波訊號產生模組203。

該軌跡匯入模組201係用於提供載台軌跡參數，前述軌跡參數包括但不限於指涉瞬時座標位置、瞬時雷達觀測角、或瞬時雷達斜視角等，其中該座標位置(例如，經緯度及高度)可採用全球大地座標系統(WGS84)，以及瞬時觀測角與斜視角可採用本地切面座標系統(例如：Local east/north/up, ENU或Local north/east/down, NED)和瞬間姿態角(例如：Pitch/Roll/Yaw)。該軌跡匯入模組201係提供取像模式之調整，例如，若用於合成孔徑雷達時，依據拍攝方式以及解析度，取像模式可自聚焦式(spotlight)、航路地圖式(stripmap)、或掃描式(scan)之合成孔徑雷達。此外，該軌跡匯入模組201所提供之軌跡參數亦可包括一預設之雜訊，例如可為軌跡不可量測偏差，如此可模擬標的物實際運動時雷達所接收訊號之實際狀況可能具有之不可預期之偏差。

該幾何處理模組202係整合該軌跡匯入模組201所提供之軌跡參數，另一方面係整合自該回波產生器30所發出之三維之模擬標的模型，並將該軌跡參數以及該雷達標的模型整合至同一座標系統，整合完成後，即可產生一三維標的之軌跡訊號。

除軌跡之外，亦可於軌跡參數中進一步整合瞬時觀測角與斜視角，並根據載台之不同位置與雷達波束寬度(Beam width)，形成載台投影在地表之一多邊型。因此，該幾何處理模組202係用於標示複雜標的位置，即該模擬標的模型所在之地理位置或其座標。於此，雷達系統能自動判斷此標的是否坐落於雷達波束涵蓋範圍內，若是，則繼續執行模擬等工程。

該幾何處理模組202整合完成後，即可將模擬標的之軌跡參數傳遞至該任務回波訊號產生模組203，以一任務回波訊號。

該任務回波訊號產生模組203根據上述軌跡參數以及預設之電磁參數，產生一任務回波訊號。

於一特定實施例，該電磁參數包括但不限於：主波束觀測角(Main beam look angle)、中心頻率(Center frequency)、發射頻寬(Transmit bandwidth)、工作週期(Duty cycle)、脈波往復率(Pulse repeat frequency，PRF)、接收頻寬(Received sampling rate)、天線3dB投影在斜距向與方位向波束寬(Antenna 3dB Beamwidth at elevation and azimuth angle)、發射與接收極化(Transmit & Revived polarization)。於另一特定實施例，該電磁參數包括：針對單點目標所設定之單點接收功率(Point target transmit power)。於另一特定實施例，該電磁參數包括：針對衰減項目所設定之發射功率(transmit power)、發射增益(Transmit gain)、FPGA增益(FPGA gain)、實體天線與模擬器物理距離(Distance between antenna & emulator)。

前述電磁參數適用於自由空間衰減與電纜線等兩種模式，而後者仍須輸入電纜線造成的路徑長(path loss)等效應。

該回波產生器30包括：一模型產生模組301以及一孔徑訊號產生模組302。

該模型產生模組301係用於匯入三維之模擬標的，並使該模擬標的得以被檢視、建議編修、設定電磁材質等，並由該孔徑訊號產生模組302基於該模擬標的之匯入值產生一回波訊號。

該孔徑訊號產生模組302係用於整合預先設定之雷達截面積資料以及雷達之幾何和電磁參數(基於模擬標的之參數)，並產生二維之合成孔徑雷達回波訊號。於一較佳實施例，前述合成孔徑雷達回波訊號包括但不限於：頻率掃頻資訊、角度掃描資訊、隨路徑長度衰減效應、雷達天線場型效應、載台偏移資訊、複雜模型回波能量資訊、複雜模型結構資訊、複雜模型材質資訊、合成孔徑觀測幾何、合成孔徑觀測模式等訊息。

於一較佳實施例，該模擬器管理主機20另包括：一任務回波訊號資料庫204，用於儲存該孔徑訊號產生模組302和該任務回波訊號產生模組203所產生之合成孔徑電磁訊號。該任務回波訊號資料庫204根據預設之最小觀測角度間隔(Minimum look angle interval)、最小掃描角度間隔(Minimum aspect angle interval)、和最小頻率間隔(Minimum frequency interval)，且儲存之訊號根據現有資料庫內容適應性地調整真實需要計算的量。

於一較佳實施例，該回波產生器30另包括一孔徑訊號資料庫303，用於儲存雷達截面積資料，以及該孔徑訊號產生模組302產生之合成孔徑雷達回波訊號。

該孔徑訊號資料庫303所儲存之資料可自動化地根據使用者輸入頻率間隔、方位向角度間隔、入射角角度間隔，適應性地決定最適之資料庫儲存空間。使用者輸入的參數後，可先行比對資料庫內現有的資料內容，若資料庫內並不存在同類資訊，則進行運算；若輸入的資料匹配前述三種間隔，則不予計算，以達成高效能計算目的。

於一較佳實施例，該回波產生器30另包括一雷達截面積模擬模組304，可根據預設之模擬參數模擬雷達截面積(Radar Cross Section，RCS)，單獨儲存於該孔徑訊號資料庫303。

於一較佳實施例，該模擬器管理主機20和該回波產生器30分別包括一信號同步系統(圖未揭露)，用以連接該模擬器管理主機20和該回波產生器30之間的電信訊號。

參照圖3，依據本系統，該模擬訊號收發器10自外部雷達裝置接收雷達訊號(S01)後，將訊號降頻至基頻訊號，並轉換為數位訊號以混合模擬標的訊號。另一方面，該回波產生器30匯入三維模擬標的後，將雷達截面積資料與模擬標的之參數整合，產生合成孔徑回波訊號，以及將其傳遞至該模擬器管理主機20(S02)。而後，該模擬器管理主機20整合軌跡參數以及合成孔徑回波訊號中的模擬標的參數，產生任務回波訊號，表示該次合成孔徑雷達掃描地區所獲得之訊號內容，並將其傳遞至該模擬訊號收發器10，用以混合該數位訊號(S03)。最後，將該數位訊號轉換為雷達可實際接收之訊號，再傳遞至雷達裝置(S04)，藉以評估合成孔徑雷達之成相功能。

於本說明書實施例揭示之內容，本揭露所屬領域具有通常知識者可明顯得知前述實施例僅為例示且可組合實施；本揭露所屬技術領域具有通常知識者可藉由諸多變換、替換而實施，並不背離本揭露。依據說明書實施例，本揭露可有多種變換仍無礙於實施。本說明書提供之請求項界定本揭露之範圍，該範圍涵蓋前述方法與結構及與其相等之創作。

100:雷達回波訊號模擬系統 10:模擬訊號收發器 110:類比訊號模組 111:升降頻轉換器 113:數位類比訊號轉換器 120:數位訊號模組 121:訊號處理單元 130:收發單元 20:模擬器管理主機 201:軌跡匯入模組 202:幾何處理模組 203:任務回波訊號產生模組 204:任務回波訊號資料庫 30:回波產生器 301:模型產生模組 302:孔徑訊號產生模組 303:孔徑訊號資料庫 304:雷達截面積模擬模組 S01- S04:實施步驟

圖1 本揭露之雷達回波訊號模擬系統之系統架構圖。

圖2 模擬訊號收發器之結構示意圖。

圖3 本揭露之雷達回波訊號模擬系統之實施流程示意圖。

100:雷達回波訊號模擬系統

10:模擬訊號收發器

110:類比訊號模組

120:數位訊號模組

20:模擬器管理主機

201:軌跡匯入模組

202:幾何處理模組

203:任務回波訊號產生模組

204:任務回波訊號資料庫

30:回波產生器

301:模型產生模組

302:孔徑訊號產生模組

303:孔徑訊號資料庫

304:雷達截面積模擬模組

Claims (7)

1. 一種雷達回波訊號模擬系統，包括：一模擬訊號收發器，包括：一類比訊號模組；以及一數位訊號模組，其中該數位訊號模組與該類比訊號模組連接；一模擬器管理主機，連接該模擬訊號收發器，包括：一軌跡匯入模組；一幾何處理模組，其中該幾何處理模組與該軌跡匯入模組連接；以及一任務回波訊號產生模組，其中該任務回波訊號產生模組與該幾何處理模組連接；以及一回波產生器，連接該模擬器管理主機，包括：一模型產生模組；以及一孔徑訊號產生模組，其中該孔徑訊號產生模組與該模型產生模組連接。
2. 如請求項1之系統，其中該數位訊號模組另包括一訊號處理單元。
3. 如請求項2之系統，其中該訊號處理單元係場域可程式閘陣列。
4. 如請求項1之系統，其中該模擬訊號收發器另包括：一升降頻收發器。
5. 如請求項1之系統，其中該模擬器管理主機另包括：一任務回波訊號資料庫。
6. 如請求項1之系統，其中該回波產生器另包括一孔徑訊號資料庫。
7. 如請求項6之系統，其中該回波產生器另包括一雷達截面積模擬模組。

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