| 标题 | 基于DSP的海防雷达目标模拟器的设计与实现 |
| 范文 | 韩宁 庞郁 李育红 王格芳 摘 要： 针对海防雷达部队训练无目标模拟器导致的训练效果不理想问题，提出了研制海防雷达目标模拟器的解决方案。软件算法部分，在分析海杂波分布特性的基础上，首先利用杂波模拟技术仿真生成海浪杂波，其次基于SwerlingIV模型生成目标回波，然后利用叠加模型生成带杂波的海面目标回波，完成目标回波的模拟仿真工作。硬件上提出CPLD+DSP的解决方案，CPLD完成系统的时序及逻辑控制，DSP将模拟仿真信号实时生成目标回波。相关部门实际使用结果证明了该方案的有效性。 关键词： 海防雷达； 目标模拟器； 数字信号处理； 复杂可编程逻辑器件 中图分类号： TN957.51?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0012?03 0 引 言 海防雷达主要完成对海侦察和警戒任务，同时可为己方火炮进行校射，是遂行海面侦察及作战任务的首要武器力量，在现代化战争中发挥着举足轻重的作用。 海防雷达多配备于高山、海岛等气候恶劣、外部环境复杂的区域，工作时受环境杂波和外部干扰较为严重，为了提高实战时操作手对雷达的操作判读能力，需在平时对操作手进行训练，但诸多因素的限制往往无法顺利开展，故急需开展雷达目标模拟器的研制工作，以提高训练效果。 1 目标模拟器的系统设计 目标模拟器的系统组成如图 1所示。 图1 系统组成框图 如图1所示，系统由杂波生成模块、干扰生成模块、无杂波回波生成模块、带杂波回波生成模块、航迹模拟模块、通信模块及上位机组成，每个模块的功能分述如下： 杂波生成模块主要完成各种海杂波的生成。雷达杂波是雷达工作环境的重要组成部分，杂波的特性对雷达目标检测算法设计影响巨大，因此在雷达回波模拟器中，能否快速有效地模拟海杂波关系到雷达模拟器的性能参数是否可靠[1]。目前对海杂波的建模方法主要有统计建模，散射机理建模以及几年来兴起的混沌理论和多重分形理论建模[2]。为了便于实现，本文选择统计建模方法，选取服从对数?正态分布的海杂波作为建模的分布函数，以此完成海杂波的仿真生成。 无杂波回波生成模块主要完成回波的幅度调制、多普勒调制、以及单多目标的回波叠加等工作，生成不带杂波及干扰的纯净目标回波。 航迹模拟模块主要完成单、多目标的航迹模拟功能。该航迹模拟模块能够模拟多种海上目标，能产生参数可变的气垫船、登陆舰艇等目标，能够产生匀速、匀加速基于带有复杂偏航角的目标运动航迹，目标可以随时停止，可以随时继续开始航行。 通信模块主要负责下位机与上位机的通信，通过上位机输入各种参数来控制下位机的正常运行，输入目标参数并负责将各目标参数转化为雷达柱面坐标体系内的数值。 2 硬件构成 系统硬件构成如图2所示。 图2 系统硬件构成 控制面板负责上位机的通信工作；CPLD负责逻辑及时序控制；利用FPGA的高速处理能力完成回波幅度及相位的调制，产生所需目标回波并生成各种干扰及杂波信号；DDS和PLL锁相环负责产生系统所需时钟，时钟源通过电缆与雷达同步，完成时钟的同步，避免产生虚假动目标；幅度调制模块基于Swerling Ⅳ模型完成回波的复读调制，然后在混频器中将回波上变频至中频，随后经过低通滤波器滤出所需信号，最后完成幅度和相位的校正，得到所需输出信号。 为了降低系统开发成本，减少功耗，本系统采用Altera公司的大规模可编程集成电路Cyclone Ⅱ系列的CPLD来完成逻辑及时序控制的功能。该逻辑控制器可以完成8个端口的逻辑时序控制，并可与多种其他型号的FPGA进行无缝连接，以得到更加优化的处理性能。 对于雷达目标模拟器来说，回波生成模块需要具备以下几方面的特点。 （1） 实时性。实时数据处理，需实时将系统生成的回波转换成模拟信号输出，不能有系统无法接受的延迟产生； （2） 同步和输出精度，因需输出雷达的宽频带信号，故FPGA的输出精度应该控制在可接受的范围之内，否则输出的数据精度无法满足系统要求；另外还需实时提供数据的暂停输出等功能，所以还需要输出数据比较可靠。 基于以上几个方面的要求，本系统选择Altera公司的MAXI系列完成系统所需的实时处理功能。 DDS以雷达同步时钟作为系统的基准时钟源，通过相位累加器对频率控制字进行累加，当相位累加器溢出时，溢出频率就是DDS的输出频率。不同的频率控制字可以得到不同的累加器增量，造成累加器溢出频率也不同。波形存储器对不同的溢出频率进行寻址，便可以得到不同的输出频率正弦波，再经过数/模转换和低通滤波器的处理后，得到所需的各种系统时钟[3]。最后经过幅度调制及控制网络得到所需信号。 3 软件构成 如果目标可以表示成独立点散射体的集合，那么雷达回波信号可以表示成如下形式[4]： [Sr（t）=i=1Naisin（2πft+φi）=Asin（2πft+φ）] （1） 式中：[A=iaisinφi2+iaicosφi212，φ=] [arctaniaisinφiiaicosφi]。 其中：[ai]为第[i]个点散射体的幅度；[φi=2πfit，][Ti]是第[i]个散射体的往返时间，而[f]为雷达频率。系统依据上式生成回波。 3.1 目标回波幅度调制仿真技术 表示目标起伏的方法一般有四种统计模型，对每一种模型都有相应的检测概率、虚警概率和积累脉冲的函数所要求的信噪比。这四种Sweriling起伏目标模型可用公式表示如下： [p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2） 海杂波分布较为复杂，起伏大，一般选取第4种模型进行回波幅度的调制。故本系统也选择该模型进行幅度调制。 3.2 目标多普勒调制仿真技术 目标在运动过程中相对雷达会产生多普勒频移，为了使仿真的目标回波更加贴近真实目标回波，需在回波仿真的过程中考虑多普勒的影响。当目标有多普勒调制时，其回波频率有变化，当有多普勒调制时，系统将式（1）所示目标回波用式（3）代替： [Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3） 式中：[fd]为目标的多普勒频率；[τi]为目标散射点的延迟时间。当目标回波有多普勒速度时，就按式（3）进行目标回波的仿真。 3.3 目标航迹生成技术 目标航迹主要是需要将目标的位置信息转化为雷达所需要的柱面坐标系的参数信息，只有转化为柱面坐标系以后，才能生成目标的航迹信息。转化公式如式（4）所示[5]： [xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4） 式中[R]为曲率半径： [R=a1-e2sin2α] （5） 式中：椭球长半轴[a]为6 378 137 m，第一偏心率[e]为0.081 819 2。对于多目标数据，通常也利用式（4）进行仿真模拟。 4 实验验证 为了验证系统是否能按照要求产生所需的目标回波，在系统软硬件调试通过之后，进行了试验验证，设置了相关参数让其生成不同的目标回波，并对其生成回波的频谱进行分析，以检验是否满足系统要求，表1给出了试验所用目标参数及雷达的设定参数值。 表1 试验参数设置 [目标个数＼&信号功率 /dB＼&杂波功率 /dB＼&调频斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脉冲宽度 /μs＼&载频 /GHz＼&重复频率 /Hz＼&发射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&] 图3～图5给出了在不同信噪比条件下，系统生成的目标信号。从图中可以看出，系统生成的目标回波与设置的参数一致，达到了系统所需的要求。 5 结 论 为了解决雷达目标模拟器的实现问题，研究了目标回波模拟的方法，基于CPLD和FPGA的模式实现了雷达回波的快速模拟，试验结果验证了系统的有效性。 图3 无杂波信号 图4 SNR为5 dB时的信号 图5 SNR为10 dB时的信号 参考文献 [1] 周雪峰.船舶导航雷达的回波研究与模拟[D].大连：大连海事大学，2008. [2] 陈闹.韦布尔分布海杂波的建模与FPGA实现[J].火控雷达技术，2013，42（2）：4?7. [3] 高泽溪，高成.直接数字频率合成器及其性能分析[J].北京航空航天大学学报，2009，24（15）：615?618. [4] SKOLNIK M I.雷达系统导论[M].左群声，徐国良，译.北京：电子工业出版社，2009. [5] 尚海英，安卫钰，安建平，等.基于DSP的多目标航迹模拟[J].北京理工大学学报，2010，30（12）：1418?1421. [6] 张思宇，梅军，郑建勇，等.基于FPGA与ARM的高压断路器在线监测系统[J].电测与仪表，2013，50（7）：85?88. [7] 郑琴，巩向武，吴文华.结合PSO的PF用于雷达海杂波反演大气波导[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2013，14（3）：322?325. [8] 周建明.L波段捷变频频率源关键技术研究[J].哈尔滨工程大学学报，2008（12）：14?17. [9] 张炜，杨虎.基于CORDIC算法的直接数字频率合成器实现方法[J].重庆邮电学院学报：自然科学版，2006（5）：11?14. [10] 王超，李毅，袁乃昌.高分辨雷达目标回波模拟器设计[J].系统工程与电子技术，2007（8）：10?13. [p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2） 海杂波分布较为复杂，起伏大，一般选取第4种模型进行回波幅度的调制。故本系统也选择该模型进行幅度调制。 3.2 目标多普勒调制仿真技术 目标在运动过程中相对雷达会产生多普勒频移，为了使仿真的目标回波更加贴近真实目标回波，需在回波仿真的过程中考虑多普勒的影响。当目标有多普勒调制时，其回波频率有变化，当有多普勒调制时，系统将式（1）所示目标回波用式（3）代替： [Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3） 式中：[fd]为目标的多普勒频率；[τi]为目标散射点的延迟时间。当目标回波有多普勒速度时，就按式（3）进行目标回波的仿真。 3.3 目标航迹生成技术 目标航迹主要是需要将目标的位置信息转化为雷达所需要的柱面坐标系的参数信息，只有转化为柱面坐标系以后，才能生成目标的航迹信息。转化公式如式（4）所示[5]： [xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4） 式中[R]为曲率半径： [R=a1-e2sin2α] （5） 式中：椭球长半轴[a]为6 378 137 m，第一偏心率[e]为0.081 819 2。对于多目标数据，通常也利用式（4）进行仿真模拟。 4 实验验证 为了验证系统是否能按照要求产生所需的目标回波，在系统软硬件调试通过之后，进行了试验验证，设置了相关参数让其生成不同的目标回波，并对其生成回波的频谱进行分析，以检验是否满足系统要求，表1给出了试验所用目标参数及雷达的设定参数值。 表1 试验参数设置 [目标个数＼&信号功率 /dB＼&杂波功率 /dB＼&调频斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脉冲宽度 /μs＼&载频 /GHz＼&重复频率 /Hz＼&发射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&] 图3～图5给出了在不同信噪比条件下，系统生成的目标信号。从图中可以看出，系统生成的目标回波与设置的参数一致，达到了系统所需的要求。 5 结 论 为了解决雷达目标模拟器的实现问题，研究了目标回波模拟的方法，基于CPLD和FPGA的模式实现了雷达回波的快速模拟，试验结果验证了系统的有效性。 图3 无杂波信号 图4 SNR为5 dB时的信号 图5 SNR为10 dB时的信号 参考文献 [1] 周雪峰.船舶导航雷达的回波研究与模拟[D].大连：大连海事大学，2008. [2] 陈闹.韦布尔分布海杂波的建模与FPGA实现[J].火控雷达技术，2013，42（2）：4?7. [3] 高泽溪，高成.直接数字频率合成器及其性能分析[J].北京航空航天大学学报，2009，24（15）：615?618. [4] SKOLNIK M I.雷达系统导论[M].左群声，徐国良，译.北京：电子工业出版社，2009. [5] 尚海英，安卫钰，安建平，等.基于DSP的多目标航迹模拟[J].北京理工大学学报，2010，30（12）：1418?1421. [6] 张思宇，梅军，郑建勇，等.基于FPGA与ARM的高压断路器在线监测系统[J].电测与仪表，2013，50（7）：85?88. [7] 郑琴，巩向武，吴文华.结合PSO的PF用于雷达海杂波反演大气波导[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2013，14（3）：322?325. [8] 周建明.L波段捷变频频率源关键技术研究[J].哈尔滨工程大学学报，2008（12）：14?17. [9] 张炜，杨虎.基于CORDIC算法的直接数字频率合成器实现方法[J].重庆邮电学院学报：自然科学版，2006（5）：11?14. [10] 王超，李毅，袁乃昌.高分辨雷达目标回波模拟器设计[J].系统工程与电子技术，2007（8）：10?13. [p（σ）=4σσ2avexp-2σσav， σ≥0] （2） 海杂波分布较为复杂，起伏大，一般选取第4种模型进行回波幅度的调制。故本系统也选择该模型进行幅度调制。 3.2 目标多普勒调制仿真技术 目标在运动过程中相对雷达会产生多普勒频移，为了使仿真的目标回波更加贴近真实目标回波，需在回波仿真的过程中考虑多普勒的影响。当目标有多普勒调制时，其回波频率有变化，当有多普勒调制时，系统将式（1）所示目标回波用式（3）代替： [Sr（t）=i=1Naisin（2π（f+fd）（t-τi）+φi）] （3） 式中：[fd]为目标的多普勒频率；[τi]为目标散射点的延迟时间。当目标回波有多普勒速度时，就按式（3）进行目标回波的仿真。 3.3 目标航迹生成技术 目标航迹主要是需要将目标的位置信息转化为雷达所需要的柱面坐标系的参数信息，只有转化为柱面坐标系以后，才能生成目标的航迹信息。转化公式如式（4）所示[5]： [xyz=（R+d）cosαcos β（R+d）cosαsin β[R（1-e2）+d]sinα] （4） 式中[R]为曲率半径： [R=a1-e2sin2α] （5） 式中：椭球长半轴[a]为6 378 137 m，第一偏心率[e]为0.081 819 2。对于多目标数据，通常也利用式（4）进行仿真模拟。 4 实验验证 为了验证系统是否能按照要求产生所需的目标回波，在系统软硬件调试通过之后，进行了试验验证，设置了相关参数让其生成不同的目标回波，并对其生成回波的频谱进行分析，以检验是否满足系统要求，表1给出了试验所用目标参数及雷达的设定参数值。 表1 试验参数设置 [目标个数＼&信号功率 /dB＼&杂波功率 /dB＼&调频斜率 /（Hz/s）＼&1＼&10＼&1.5＼&100＼&脉冲宽度 /μs＼&载频 /GHz＼&重复频率 /Hz＼&发射功率 /W＼&5＼&2＼&200＼&100＼&] 图3～图5给出了在不同信噪比条件下，系统生成的目标信号。从图中可以看出，系统生成的目标回波与设置的参数一致，达到了系统所需的要求。 5 结 论 为了解决雷达目标模拟器的实现问题，研究了目标回波模拟的方法，基于CPLD和FPGA的模式实现了雷达回波的快速模拟，试验结果验证了系统的有效性。 图3 无杂波信号 图4 SNR为5 dB时的信号 图5 SNR为10 dB时的信号 参考文献 [1] 周雪峰.船舶导航雷达的回波研究与模拟[D].大连：大连海事大学，2008. [2] 陈闹.韦布尔分布海杂波的建模与FPGA实现[J].火控雷达技术，2013，42（2）：4?7. [3] 高泽溪，高成.直接数字频率合成器及其性能分析[J].北京航空航天大学学报，2009，24（15）：615?618. [4] SKOLNIK M I.雷达系统导论[M].左群声，徐国良，译.北京：电子工业出版社，2009. [5] 尚海英，安卫钰，安建平，等.基于DSP的多目标航迹模拟[J].北京理工大学学报，2010，30（12）：1418?1421. [6] 张思宇，梅军，郑建勇，等.基于FPGA与ARM的高压断路器在线监测系统[J].电测与仪表，2013，50（7）：85?88. [7] 郑琴，巩向武，吴文华.结合PSO的PF用于雷达海杂波反演大气波导[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2013，14（3）：322?325. [8] 周建明.L波段捷变频频率源关键技术研究[J].哈尔滨工程大学学报，2008（12）：14?17. [9] 张炜，杨虎.基于CORDIC算法的直接数字频率合成器实现方法[J].重庆邮电学院学报：自然科学版，2006（5）：11?14. [10] 王超，李毅，袁乃昌.高分辨雷达目标回波模拟器设计[J].系统工程与电子技术，2007（8）：10?13. |
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