雷达型导弹目标模拟系统的建模与仿真研究

    杨加一

    摘 要： 目前DRFM技术已经成为雷达型导弹目标模拟系统的主流方案。 利用MATLAB工具构造了DRFM系统的整体模型， 同时分析了所构建的模型与现实模型的不同之处和简化方法。 通过对系统模型的仿真， 得到了仿真波形图并对仿真结果进行分析， 完整体现了DRFM系统的整个工作过程。

    关键词： 导弹测试； 雷达目标模拟； DRFM； 建模与仿真

    中图分类号： TJ760.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2018）03-0069-04

    0 引 言

    随着技术的进步和空战模式的不断复杂化， 目前主流的雷达型空空导弹多采用主动式多普勒雷达导引头， 以美国为首的军事强国在持续改进第四代雷达型空空导弹的同时， 积极探索下一代雷达型空空导弹的关键技术， 如AIM-120D 导弹采用了相控阵雷达导引技术， 导弹的目标适应性不断增强、 抗干扰能力不断提高， 发射雷达信号的波形愈加复杂， 对导弹测试和目标信号模拟的要求也越来越高。

    传统同源雷达目标模拟器采用同频率的信号源来产生模拟雷达回波信号， 面对复杂雷达波形模拟时参数性能得不到保证， 以DRFM为核心技术的新型雷达目标模拟系统具有快速准确复制和转发复杂雷达信号的优点， 随着电子器件技术的发展， 其带宽不断增加， 系统处理速度不断加快， 已经成为雷达型导弹目标模拟系统的主流方案。 DRFM的性能直接影响目标模拟系统的输出， 因此， 对DRFM系统的研究具有重要意义。

    本文介绍了一种基于Matlab的DRFM系统建模和仿真方法。

    1 数字射频存储器（DRFM）系统介绍

    DRFM是一种可以存储一定带宽范围内射频信号并可对其进行精确复制输出的设备。 DRFM不但具有宽瞬时带宽输入处理能力， 而且存储频率精度高、 不丢失相位信息、 信号保真度好， 可以更好地接收、 存储、 调制、 转发各类雷达信号， 是现代雷达干扰、 雷达目标模拟技术中的关键部件。 其系统流程结构如图1所示。

    DRFM系统的工作过程大致分为6个步骤：

    （a） 对高频射频信号的频率进行下变频处理；

    （b） 对处理过的模拟数据流进行采样和量化；

    （c） 对经过模数转化后的数字信号进行存储；（d） 对存储的信号进行相应调制， 如延时、 多普勒信息叠加等；

    （e） 对储存或处理过的数字信号通过数模转换重构成模拟信号；

    （f） 对重构的信号进行上变频至相应频率输出。

    根据DRFM的工作原理可以设计出一种基于DRFM的新型雷达目标模拟系统。 系统利用射频前端接收雷达信号， 通过多级下变频进入DRFM单元， 利用高速处理器（如FPGA）作为数据处理系统， 根据操作界面下定的目标信息， 进行延时、 多普勒频率叠加等调制， 再由多级上变频完成雷达目标的模拟过程。 其系统框图如图2所示。

    2 DRFM系统建模与仿真研究

    DRFM系统的性能是制约雷达目标模拟器性能参数的关键因素， 过去受限于器件的性能， DRFM的性能指标处于瓶颈状态， 对其进行仿真和研究的工作也仅限于理论研究。 随着关键微波组件性能的提高和高性能转换器件的不断问世， DRFM的性能得以进一步提高， 在理论上对DRFM的仿真和优化设计已不再是空洞的研究， 通过建模与仿真有利于设计人员对雷达目标模拟系统进行不断的优化与改进。

    2.1 DRFM分建模

    DRFM系统的建模采用Matlab软件的Simulink和Filter Design & Analysis Tool完成， 系统模型可以分为5个部分： 输入信号、 ADC、 DAC、 延时与调制、 相位检测。

    输入部分使用脉冲调制信号， 主要是由输入频率F0与脉冲信号调制而成， 系统由外部时钟输入保证相参性， 其中F0是由多级下变频变频后的基带信号， 为了仿真方便， 简化掉数字测频环节， 假定其是一个已知量， 将其设置为500 Hz， 以避免高频带来的仿真速度极度放慢（实际输入信号频率根据器件的参数不同， 通常频率要高很多）， 脉冲调制信号设置为20 Hz。

    ADC主要是采样量化过程， 量化的位数将关系到谐波和寄生信号， 并影响到采样频率的设置， 通过多次仿真， 将其设置为8 bit。 DAC是一个数模转换过程， 这里将逆量化位数也设定为8 bit。

    多普勒叠加方式可以采用模拟混频方式直接叠加， 还可以在全数字化信息下直接进行多普勒叠加， 其中应用较多的是使用直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer， DDS）。 直接数字频率合成技术是近年来发展起来的一种新的频率合成技术， 其主要优点是全数字化结构、 相对带宽大、 频率转换时间短、 频率分辨率高。 DDS是从相位出发， 直接采用数字技术形成波形的一种频率合成技術， 即直接通过查表得到所需要的每一点波形对应的数字值， 其核心结构图如图4所示。

    通过将输入的雷达本体和目标的信息以及数字瞬时测频所得的频率值带入式（1）计算出多普勒频率fd， 再通过DDS产生fd大小的数字频率码， 对DRFM所存储的数字化雷达信号信息进行频率累加， 完成多普勒频率叠加过程。

    相位检测是用来检测输入输出部分的相位差异， 其结构图如图5所示。

    通过相位误差检测， 可以实时地看到输入输出信号在什么位置出现了相位误差， 整个系统模型在预期误差位置放置两个相位误差检测模块。

    2.2 DRFM系统模型构建

    将各个分系统整合构建DRFM系统， 并在适当的位置加入频谱分析模块与示波器模块， 整个系统的结构图如图6所示。

    3 仿真结果及分析

    開始仿真后， 通过示波器和频谱分析模块在不同位置观测关键的信号表现。 系统的输入信号经过脉冲调制后的信号如图7所示， 采样与量化后的频谱图如图8所示， 从图8中可以看到采样量化过程产生了谐波与交调分量。

    通过DATA Store Write and Read过程后， 其频谱图未发生变化， 表明理想情况下读写操作过程对信号频谱并没有影响， 频谱图与采样量化后的频谱图一致。 实际器件的读写延时是不可避免的， 因此也可以在读写器后面加入一个延迟模块来模拟真实情况。

    信号经过距离信息输入， 即延时操作后的波形图如图9所示， 进行多普勒叠加后通过滤波器的频谱图如图10所示， 最终输出信号的波形图如图11所示。

    由上述仿真结果可以看到， 输出信号调制了延迟与多普勒信息： 信号延时了0.03 s， 经过计算， 与设计一致； 输出信号的频率发生了多普勒频移， 从频谱图中可以看到信号的峰值在0.4 kHz， 正好符合设计结果， 信号的延时也与输入信息一致。 整个脉冲信号通过DRFM系统， 得到了正确的调制， 使其带有目标信息。

    在DRFM系统前后加入相应的功率增益和衰减调制， 构成信号的上下变频输入输出， 即可实现雷达目标模拟系统的建模和仿真。

    4 小 结

    本文通过分析雷达导弹目标模拟系统的现状， 结合DRFM系统的概念， 利用Matlab工具对整个DRFM系统的工作过程进行了建模与仿真。 通过对现实模型的分析， 构造了DRFM系统的整体模型， 同时分析了所构建模型与现实模型的不同之处和简化方法。 通过对系统模型的仿真， 得到了仿真波形图， 并对仿真结果进行分析， 完整地体现了DRFM系统的整个工作过程， 使设计人员能够更方便地对系统进行优化与改进， 具有工程现实意义。

    参考文献：

    [1] 张蓬蓬， 宋琛， 张俊宝. 雷达型空空导弹发展分析[J]. 飞航导弹， 2015（4）： 30-33.

    Zhang Pengpeng， Song Chen， Zhang Junbao. Development Analysis of Radar AirtoAir Missile[J]. Aerodynamic Missile Journal， 2015（4）： 30-33. （in Chinese）

    [2] 薛文. DDS任意波形发生器的设计与实现[D]. 南京： 南京理工大学， 2004： 22-31.

    Xue Wen. Design and Implementation of Arbitrary Waveform Generator Based on DDS[D]. Nanjing： Nanjing University of Science and Technology， 2004： 22-31.（in Chinese）

    [3] 邢依依. 一种雷达目标模拟器的设计与实现[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2015.

    Xing Yiyi.Design and Implementation of a Radar Target Simulator[D]. Xian： Xidian University， 2015.（in Chinese）

    [4] 曹旭源. 基于DRFM的雷达干扰技术研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2013.

    Cao Xuyuan.Research on Radar Jamming Technology Based on DRFM[D]. Xian： Xidian University， 2013.（in Chinese）

    Abstract： DRFM technology has become the mainstream scheme of radar missile target simulation system. In this paper， the whole model of DRFM system is constructed by using MATLAB tools， and the differences and simplification methods between the constructed model and the real model are analyzed. Through the simulation of the system model， the simulation waveform is obtained， and the simulation results are analyzed. The whole work process of the DRFM system is fully embodied.

    Key words： test of missile； simulation of radar target； DRFM； modeling and simulation