一种雷达回波模拟器的研究与设计
刘亭洲 王海锋 李乐怡
摘 要： 为了满足各型雷达产品的测试要求， 对雷达回波模拟器的要求越來越高， 功能上也要求更加全面。 本文阐述了一种新型雷达回波模拟器的原理及实现方法， 着重介绍了目标回波功能实现原理、 微波链路单元设计、 基带单元设计等内容， 并对系统的关键模块进行了分析。 与传统雷达回波模拟器相比， 增加了噪声干扰、 假目标等设置。 该模拟器技术先进、 功能齐备、 工作稳定可靠， 已运用于实际。
关键词： 目标回波； 微波链路； 基带处理单元
中图分类号： TJ760.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2018）03-0073-05
雷达产品的研制过程一般分为系统调试、 内场调试、 集成测试和外场测试等几个阶段， 每个阶段都需要对雷达系统进行性能评估和系统验证， 如果这些测试都通过真实的目标来实现， 不仅耗资较大， 而且条件也会非常苛刻， 所以雷达回波模拟器的研究就显得非常重要。
1 功能及系统组成
雷达回波模拟器采用高速数字化采样与处理技术， 对雷达导引头输出的射频发射信号经下变频后进行数字化采样， 对于采样的数据进行存储与调制， 模拟目标的距离与速度特性， 利用数字化处理可以方便地进行多目标模拟， 也可以进行目标与干扰的模拟， 以满足雷达产品在复杂电磁环境下性能考核的需要。 由于目标模拟完全在数字化采样后的基带进行， 通过不同的模拟前端配置， 模拟器可以满足不同波段回波模拟的要求。
雷达回波模拟器由3个类似的通道组成，如图1所示。 2个目标通道， 1个信号源通道， 从而产生所需的多个不同距离、 时间的目标信号及信号源信号， 每个通道由微波链路单元、 基带处理单元和显示控制单元等组成， 组成框图如图2所示。
其中， 控制单元主要用于接收仿真机的控制指令， 然后传给每个目标通道的控制模块， 进一步实现对系统可调整器件的控制， 满足实时性要求；模型软件单元包含目标、 干扰模型及信号源模式软件， 还包含了雷达发射的载频及脉内调制信息。
本文主要对微波链路单元和基带处理单元进行分析与研究。
2 系统原理及方案设计
2.1 目标回波功能实现原理
在目标模拟功能中， 模拟器直接接收雷达发出的基准射频信号， 经过微波链路单元的上下变频链路进行下混频， 再被基带处理单元的A/D采集并以数字信号形式进入基带处理单元中， 按照显控单元设置的目标特性对基准信号进行加工， 如延时和多普勒频偏等， 加工后的数字信号含有目标回波特性， 再通过上变频链路变至射频信号输出反馈给雷达接收机， 如图3所示， 两路信号均遵循上述过程完成信号处理及射频发射工作， 除宽带噪声以外其他干扰都在基带处理单元中生成。
2.2 微波链路单元设计
由图2可知， 微波链路由下变频、 上变频、 频综、 测频机等组成。 两路上变频输出设计为开关分离并通过功合器合路， 实现既可以两路单独输出， 也可以合并输出的功能。 下变频是射频输入信号经过数控衰减、 低噪声放大、 开关、 射频下变频、 中频下变频和自动增益控制等处理变为基带信号提供给处理单元。 上变频是对基带信号处理单元产生的目标信号进行上变频， 以变换到相应频段。
频综是将一个或者多个基准参考频率进行加、 减、 乘、 除四则运算， 从而产生新的频率成分的技术， 可分成非相干合成和相干合成两大类。 相干合成又分为直接合成、 间接合成（锁相技术）、 直接数字频率合成。 直接频率合成需要的硬件多， 体积大， 但速度快、 相位噪声低；DDS（Direct Digital Synthesizer， 直接数字式频率合成器）速度快、 频率分辨率高， 但其杂散大、 输出频率低， 一般需要结合锁相技术进行扩展； 锁相技术应用最为广泛， 电路相对简单、 工作频率宽， 但频率切换速度慢。 模拟器的频综采用的是DDS加锁相技术， 频率较低的点频源采用单环锁相， 频率高的点频源采用的是多环锁相， 用来实现低相位噪声， DDS输出的信号和点频源进行混频滤波后输出， 可以实现快速跳频。 频综的输出频率受上位机控制， 其输出端口需要经过放大器隔离， 以防止产生串扰通路。
2.3 基带处理单元设计
航空兵器 2018年第3期
刘亭洲， 等： 一种雷达回波模拟器的研究与设计
基带处理单元是整个系统的核心， 调制产生系统所需的点目标回波信号、 欺骗干扰和噪声等。 基带处理单元采集雷达发射信号经微波下变频后的中频信号， 经数字下变频后得到零中频的复信号， 在复数域进行目标延时多普勒调制， 然后进行数字上变频， 最后经高速DAC（Digital to Analog Converter， 数字模拟转换器）输出给微波上变频， 其功能框图如图4所示。
（1） 点目标/干扰实现原理
点目标回波/干扰状态用于产生简单的点目标或点目标+干扰（即两个目标）；每个目标速度独立可设；每个目标距离独立可设；每个目标幅度独立可设。 以上目标的各种信息由上位机软件通过TCP（Transmission Control Protocol， 传输控制协议）下发到基带处理单元。 基带运算单元首先将采集到的信号进行数字下混频， 根据输入的波门信号和目标的延迟量得到回波信号的位置信息， 然后调制多普勒频率， 最后进行数字上混频。 数字下混频在ADC（Analog to Digital Converter）采样之后进行正交下混频， 得到复信号， 便于频率搬移等操作。 目标回波信号实现原理框图见图5。 欺骗干扰、 多普勒闪烁和转发的硬件实现跟点目标是一样的， 只是延时、 多普勒和幅度参数规律不同。
（2） 噪声干扰实现原理
噪声干扰是一种遮盖式有源干扰。 根据噪声带宽又可分为多普勒噪声、 瞄准式噪声和宽带压制噪声。 基带单元负责产生窄带噪声干扰， 包括多普勒噪声、 瞄准式噪声和大带宽的压制噪声。
一定带宽的噪声信号的产生可以通过对伪随机序列进行加窗， 确定噪聲序列的频谱， 然后做IFFT（Invert Fast Fourier Transformation， 反向快速傅里叶变换）， 得到时域的模板序列， 对该模板序列进行随机移位叠加， 最后进行调频， 将噪声移到一定的载频上。 由于有多种噪声带宽， 因此需要选择不同的倍频因子， 控制调频噪声的带宽。 这种方法产生的噪声为零中频噪声， 原理图如图6所示。
噪声干扰实现的过程为调制出一定带宽的零中频噪声信号， 将其调制到目标回波的载频上， 从而达到干扰的目的。 噪声波门即根据用户设置的重复周期和占空比产生一个波门信号去调制连续的噪声信号， 得到10%～100%的间断噪声。
（3） 假目标实现原理
雷达模拟器具有产生10个独立假目标的能力。 独立假目标硬件实现上跟点目标相似， 每个独立假目标可分别预设不同的延迟和多普勒频率。 产生1～10个假目标需要非常高的片外存储读写带宽。 将预处理后零中频的复信号的采样率抽取到75 MHz进行处理， 可实现最大10个独立假目标， 其实现原理如图7所示。
3 关键模块设计
3.1 正交混频
正交采样技术在信号处理领域应用非常广泛， 其可以保留采样信号复包络的幅度、 相位等信息。 本文采用了数字正交混频的方法， 对低中频带通信号进行采样， 再通过数字信号处理的方法获取正交信号， 如图8所示。
一般而言， 正交混频后还需滤波， 可根据具体情况设置适合系统的优化算法， 这里不再赘述。
3.2 FIR滤波
FIR（Finite Impulse Response， 有限长单位冲激响应）滤波即非递归型滤波， 具有高可靠性、 高信噪比、 高精度等特点， 基本工作原理如图9所示。
4 结 论
该雷达回波模拟器是将信号采集、 数字信号处理及微波射频接收发射系统集成一体的雷达测试设备， 该设备以雷达发射的射频信号为基础， 通过数字信号处理技术生成目标反射波， 用户可以根据不同测试的需求设置目标的多种物理特性， 如目标距离、 目标速度、 回波功率等等。 在对某型雷达产品调试和试验的实际应用中， 该模拟器的各项性能均表现良好， 相关指标满足测试系统的要求。
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Abstract： In order to meet the test requirements of all kinds of radar products， the requirements of radar echo simulator are higher and higher， and the function is also more comprehensive. This paper describes the principle and realization method of a new type of radar echo simulator， emphatically introduces the realization principle of target echo， the design of microwave link unit， the design of baseband unit， and the key modules of the system are analyzed. Compared with traditional radar echo simulator， the simulator increases noise interference， false target and other settings. The simulator is advanced， fully functional and reliable， and has been used in practice.
Key words： target echo； microwave link； baseband processing unit
