机载雷达杂波模拟器的设计与实现

总体工程

机载雷达杂波模拟器的设计与实现*

孙凤荣,郑伟华

(91404部队, 河北秦皇岛066001)

摘要 给出了机载雷达杂波模拟器的设计和实现方案,该模拟器采用专用软件及专用硬件相结合,实时与非实时相结合的方法,产生的杂波能够满足所要求的功率谱特性,其实测结果和仿真结果能够符合。为机载雷达杂波的模拟和工程实现提供了可行的方法。

关键词 机载雷达;杂波;模拟;设计实现

中图分类号:TN959.7 文献标识码:A

D esign and R eali zati on of A irborne R adar C l utter Si m ul ator

SUN Feng rong,ZHENG W ei hua

(The91404Un i,t PLA, Q inhuangdao066001,Ch i n a)

Ab stract Th is paper presents an a irborne radar c l utter si m ulator desi gn and i m ple m en tati on.T he si m ulator uses specia l soft w are and spec i a l hardware,and comb i nati on o f the m to g enerate i n rea l ti m e or not t he clutter.T he generated cl utter can satisfy the po w er spectru m character i stic requ irement.T he m easured resu lt and si m ulation m a tch perfec tly.T hus a v i able m ethod for si m u l a tion and eng i neer i ng reali zati on of a irborne c l utter g enerati on i s prov i ded.

K ey w ords air bo rne radar;c l utter;s i m u l ation;design and i m ple m en tati on

0 引 言

机载雷达杂波模拟器主要模拟机载雷达的和、方位差、俯仰差和保护通道的基带地杂波、海杂波。从实现手段上分,有专用软件模拟、专用硬件模拟、通用仪器模拟等方法;从实时性上分,有实时模拟和非实时模拟等方法。模拟器采用专用软件及专用硬件,软件与硬件相结合,实时与非实时相结合的方法。

1 系统设计[1-6]

1.1 系统原理及组成

如图1所示,模拟器由一台工控机(主机)、一块专用网卡(PC I卡)、一块时序驱动卡(PC I卡)、4块PCI杂波卡(PC I卡)、一部外置中频调制器(4路)组成。专用网卡、时序驱动卡、杂波卡共6块PC I卡均安装在主机内,4路中频调制器单独安装在工控机外。网卡提供了雷达与模拟器的景信息实时传送接口。每块PCI杂波卡上除了数字电路外,还包括D/A变换器,每块PC I杂波卡输出一路模拟复基带信号(I,Q)。时序驱动卡主要完成雷达与模拟器的时序接口功能,获取雷达时序信号,并向PC I杂波卡和外置的4路中频调制器提供时序控制及中频参数信号。4路中频调制器接收PC I杂波卡输出的模拟复基带信号和驱动卡提供的中频参数信号,完成复基带信号到中频信号的调制,输出4

路模拟中频杂波信号。

图1 系统原理框图

景信息接口主要用来由雷达向模拟器实时地传送景信息数据。景信息数据主要包括以下3个方面:

(1)工作方式:地杂波、海杂波方式。

(2)脉冲重复频率(PRF)信息:信息包括景中含有几种不同PRF的帧、各帧在景中的排列顺序、各帧的PRF值等参数。

(3)波束方位指向:当前景的波束方位指向。

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第30卷 第9期 2008年9月

现代雷达

M ode rn R adar

V o.l30 N o.9

Septe m be r2008

*收稿日期:2008 03 26 修订日期:2008 08 07

首先通过景信息编辑软件编辑若干景(如200景)的信息数据作为景信息文件存储在主机硬盘中,模拟器工作时,景信息文件下载到模拟器硬盘中,由硬件逐景产生杂波信号并输出。当最后一景杂波产生完后,又从第一景开始循环。尽管景是循环的,但杂波数据并不循环。

雷达时序接口信号主要由景起始、帧起始、发射起始、中频参数4个信号组成。

模拟器杂波输出包括4路模拟复基带杂波信号和4路模拟中频杂波信号。1.2 各组成部分设计

1.2.1 时序驱动卡

时序驱动卡的硬件实现如图2

所示。

图2 时序驱动卡的硬件实现框图

时序驱动卡的功能包括时钟信号的分路和驱动,雷达同步信号的差分到单端TTL 电平转换、分路及驱动。时序驱动卡采用功分器将雷达输入的正流时钟信号分为2路:一路直接输出到外量中频调制盒;另一路经过偏量后送到时钟分路器,分出4路时钟信号,分别送到4块PC I 杂波板,作为基准信号。采用差分到单端转换器件,将雷达输入的差分同步信号转换为TTL 信号,送到总线驱动芯片,分成4组信号分别送达4块PCI 杂波板,作为同步信号。1.2.2 PC I 杂波板

PCI 杂波卡硬件总体实现框图如图3

所示。

图3 PC I 杂波卡实现框图

PCI 杂波卡的硬件可以划分为5个部分:

1)PC I 接口芯片:采用PLX 公司的PC I 9052芯片,该芯片为PC I TARGET 类型芯片,完成PC I 总线信号驱动和PCI9052总线到本地总线的转换;

2)DDR 存储器:提供2条DDR 内存条插座,可以兼容512MB 和1GB 的DDR 内存条,用作杂波数据的存储空间;

3)FPGA:FPGA 拟采用A ltera 公司的超大规模器件EPI S40F780芯片,完成整个杂波卡的控制功能;

4)双路D /A 变换器:采用14位的双路D /A 变换器,将数字杂波数据更换为基带杂波信号;

5)低通滤波器:采用无源低通滤波器。

PCI 杂波卡为系统硬件的核心部分,其功能包括杂波数据存储,景信息存储,雷达杂波信号发送。每块PC I 杂波卡与雷达间的接口为2个S MA 阴性插座,分别为基带杂波信号的I 路和Q 路信号的输出接口;每块PC I 杂波卡与时序驱动卡间的接口包含一个S MA 阴性插座和一个RJ45插座,其中SMA 阴性插座为相参时钟输入接口,R J45插座为雷达同步信号输入接口。

模拟器主机与PCI 插卡之间的传输协议,包括工作模式定义、杂波数据存储结构、工作模式流程、景信息表的结构和控制信号的定义。

杂波数据在DDR SDRAM 中的存储是以波束指向为单位的分块存储结构,其中每波束指向的杂波数据有4种PRF 的杂波数据构成,为了便于读取,每个PRF 的杂波数据长度为32的倍数。1.2.3 网卡

接收雷达通信总线上的相关内容,并将其转换为硬件协议中量信息的格式,通过PC I 总线发送到PC I 杂波卡,作为杂波数据发送的控制信息。

网卡本地接口采用PC I 标准总线。1.2.4 外置中频调制盒

外置中频调制盒硬件实现如图4

所示。

图4 外置中频调制盒硬件框图

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现代雷达30卷

外置中频调制盒的功能是将4路基带杂波数据调制到中频信号输出。

外置中频调制盒的输入接口为9个S MA 阴性插座,其中一个SMA 阴性插座为正弦时钟信号输入接口,其余8个为4组基带杂波I 、Q 信号输入接口,分别连接到4块PC I 杂波卡的基带杂波信号输出接口;外置中频调制盒的输出接口为4个S MA 阴性插座,为4路经过调制后的中频信号输出接口。

2 软件设计方案

[1-2,7]

软件设计平台:VC++6.0D ri v erstud i o NTDDK

操作系统:W i n dow s 2000

模拟软件的主要功能是首先根据用户输入的参数,产生相应的杂波数据,并将它们分别通过PC I 总线加载到和、方位差、俯仰差和保护4个通道的大容量动态存储器上,之后计算机不再对模拟硬件进行干预,直到需要加载新的杂波数据时,模拟软件才再次对硬件进行操控。软件的主要组成有以下9个模块:1)参数输入模块;2)杂波功率谱产生模块;3)杂波数据产生模块;4)数据存储模块;5)数据组织及格式转换模块;6)数据分析模块;7)数据及进程可视化模块;8)数据加载模块;9)PC I 设备驱动程序模块。

首先获取雷达参数、载机参数和环境参数等,根据当前指向范围依次计算每一个指向下所有距离门的理论杂波功率谱,进而计算每一个门的杂波根据,并建立适当的数据结构,以文章形式存储计算的杂波数据,减少重复计算所需时间,便于选择所需的杂波数据。

工作开始时,根据应用需要选择已产生的杂波数据进行文件下载,然后软件与硬件脱离,硬件根据雷达

给定的景信息和相应时序工作。

图5 杂波产生软件流程

输入参数包括:雷达载机参数,雷达天线方向图参

数,杂波参数,扫描方位和俯仰范围参数,(PRF)/脉冲宽度参数等。

杂波功率谱的形状随载机高度、速度、飞行姿态、地面反射特性、天线波束方向图、扫描指向、PRF 等参数的变化而不同,并且很多情况下不同距离门的杂波谱形状也差异很大,不能用固定的谱来对其进行描述。因此机械脉冲多普勒(PD )雷达地面杂波功率谱不能像地面雷达那样简单地用高斯谱或立方谱来描述,必须针对不同的参数对杂波谱进行分析计算才可以得到比较精确的结果。

计算机载雷达的杂波功率谱通常采用距离等多普勒线积分的方法,同一距离门和多普勒带宽内的杂波功率考虑了距离模糊和速度模糊的所有微小地面面积反射功率的总和。有距离模糊时,不同脉冲重复周期(PR I)的同号距离门会在地面上形成多个距离环,因此计算杂波功率的积分区域是所有不同距离上同号距离门圆环与等多普勒线相交区域。

在杂波功率谱计算中有很小的模块,其中对天线方向图的建模需要进一步细化,为了能够较为准确地体现出主瓣与旁瓣波束对地面杂波的贡献,对主瓣和第一旁瓣采用常见的高斯形状做数学建模;而对于子波束除去主瓣与第一旁瓣之外的其余旁瓣形成的旁瓣电平,由于其电平较低,受噪声影响具有不规则的起伏,假设旁瓣电平的最大值为g 2,为简化计算,旁瓣电平用常量g 2表示。

设子波束主瓣方向图函数为高斯状

GMB =exp -2ln2

2

20

| |!u 1

(1)

式中: 0为半功率夹角。

设u 1为主瓣增益,等于g 2时的 值

u 1= 0

ln g 2/(-

2ln2)

(2)

设第一旁瓣方向图用中心位置为+1.5u 1的高斯函数描述

图6 雷达天线方向图

G S l 1( )=g 1exp -2ln2( ?1.5u 1)

2

2

0-sl

1

u 1<| |!2u 1

(3)

21

第9期孙凤荣,等:机载雷达杂波模拟器的设计与实现

式中:g1为第一瓣的峰值,取值 0-sl

1

;g2为 =?u1,?2u1时第一旁瓣增益为

0-sb

1

=0.5u1(-2ln2)/l n(g2/g1)(4)波束半功率夹角随指向变化,指向以2#为间隔,变化规律 0= 0/cos , 0为新的波束半功率夹角; 为当前指向与波束正中心的夹角。杂波数据的参数是以杂波功率谱的产生为基础的。

由于杂波计算后产生大量的中间数据,所以整个计算过程中会牵涉到大量的临时数据的存储、读取和删除工作。对数据的存储和管理也是需要完善考虑的问题,特别是在距离门数较多的情况下更显得尤为重要,对系统的内存和硬盘容量将有更高要求。

因为计算机产生的数据和加载到模拟器板卡上的数据间存在着存储方式和格式的差别,所以在加载数据前还需要进行数据的组织和格式转换。为了保证计算过程中的精度,在计算杂波数据时使用的是double 类型的数据,一个数据占用64位宽度,浮点类型;加载到模拟器上的数据是short类型,一个数据占用16位宽度,整型数据。另外,对于模拟器硬件大容量动态存储器的加载过程并非简单的文件顺序读写加载,需要对原有的数据进行分割或组合,以满足相关的传输要求,传输协议由PC I板卡设计人员提供。

设计中对产生的部分中间载波数据进行频谱的分析和幅度统计,以便为数据的可视化提供数据源。可视化编程能让用于对程序运行进程状态和生成数据结果有直观的了解,通过建立运行条、消息空间、视图作图等手段,可以让用户有效的监控程序的运行。预计在本设计中建立距离门数据计算进程、帧数据计算进程、指向计算进程等;建立杂波功率谱视图、杂波幅度统计图等。

3 关键技术[1-2,7]

3.1 杂波数据的产生

杂波数据根据杂波模型产生,使杂波数据满足要求的幅度分布与谱分布。杂波的谱分布与很多参数有关,如平台高度、平台速度、波速方位指向、波速俯仰指向、雷达工作模式、PRF、雷达波形等,且每个距离单元的谱分布都不相同。因此,产生杂波数据的计算量非常大,杂波数据只能离线产生。

所有情况下的杂波数据数据量是极大的,因此,离线杂波数据产生带来的另一个问题是要求模拟器硬件电路具有海量存储器,这也是极其难实现的。现采用的办法是把影响雷达杂波谱分布的参数分为2部分,一部分让其固定不变(称为固定系数),如平方高度、平方速度、波束俯仰指向、雷达工作模式、雷达方位扫描区域等,在上述参数固定的情况下,产生另一部分参数(称为可变参数)变化时所有情况下的杂波数据,如PRF、雷达波束方位指向等,这样产生的杂波数据量大大减少,使硬件电路对其进行存储变成可能。

3.2 脉压雷达杂波数据产生

产生出来的杂波数据为常规雷达杂波数据,每个距离单元产生一个数据,但对于脉冲压缩波形,应将每个杂波数据变成一个脉压波形,每个波形是相互重叠的,叠加后就得到脉压雷达杂波数据。将常规雷达杂波数据变为脉压雷达杂波数据的过程称为波形调制,常规雷达杂波数据与脉压波形相卷积就可实现波形调制。波形调制可采用硬件实现与软件实现2种方案,硬件实现将大大增加模拟器的设备量和硬件成本,以海杂波方式为例,信号波形的时带积约为20000,卷积若用FI R来实现,当波形采样率为2倍带宽时,每个PC I杂波板需要用4个40000阶的实FI R才能实现波形调制。

采用软件实现方案完成波形调制,克服了硬件实现的困难,但缺点是增加了数据产生的计算量,杂波数据产生速度较慢。

4 结束语

机载雷达杂波模拟器采用专用软件及专用硬件,软件与硬件相结合,实时与非实时相结合的方法,产生的杂波能够满足所要求的功率谱特性,已应用于工程测试,其实测结果和仿真结果能够符合,为机载雷达杂波的模拟及工程实现提供了可行的方法。

参 考 文 献

[1] 米切尔.雷达系统模拟[M].北京:科学出版社,1982.

[2] M e rrill I.Sko l n i k.雷达手册.第2版[M].北京:电子工

业出版社,2003.

[3] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理.第3版[M].西安:西安电

子科技大学出版社,2002.

[4] 谢君明.高速数字电路设计与噪声控制技术[M].北京:

电子工业出版社,1999.

[5] 何 友.雷达自动检测与恒虚警处理[M].北京:清华大

学出版社,1999.

[6] 许 欣.基于FPGA的嵌入式系统设计[M].北京:机械

工业出版社,2004.

[7] 圣 文.雷达系统建模与仿真导论[M].北京:国防工业

出版社,2006.

孙凤荣 女,1963年生,高级工程师,硕士。研究方向为信号处理。

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