王孝輝

摘 要：設(shè)計了一種便攜式雷達目標(biāo)模擬器，采用RS422串口控制的方式，將控制系統(tǒng)集成于雷達目標(biāo)模擬器內(nèi)部，提高了雷達目標(biāo)模擬器的可移植性、可替換性、便攜性?？刂葡到y(tǒng)采用FPGA+DSP的解決方案，F(xiàn)PGA完成雷達目標(biāo)距離延時信息的模擬和多普勒頻率的測頻，DSP完成數(shù)據(jù)通信、射頻模塊的控制和多普勒頻率的自校準(zhǔn)功能。經(jīng)試驗驗證，該型雷達目標(biāo)模擬器滿足實際使用需求，具有一定的通用性。

關(guān)鍵詞：雷達目標(biāo)模擬器；目標(biāo)模擬；FPGA；DSP

中圖分類號：TB 文獻標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.28.094

雷達的英文為Radar-Radio Detection and Ranging，意為無線電檢測與測距。由此名稱可見：雷達的根本任務(wù)是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測量其距離。通常，雷達通過測量脈沖的發(fā)射信號與接收反射信號間的時間間隔測距，雷達是利用目標(biāo)對電磁波的反射（或稱為二次散射）現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置的。因此，空中一切飛行的目標(biāo)都可能作為雷達的探測目標(biāo)。

雷達目標(biāo)模擬技術(shù)，是系統(tǒng)模擬技術(shù)和雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，雷達目標(biāo)模擬技術(shù)模擬的對象是雷達的目標(biāo)和環(huán)境，其模擬的結(jié)果是復(fù)現(xiàn)包含雷達目標(biāo)的及目標(biāo)環(huán)境信息的雷達回波信號。

設(shè)計了一種便攜式雷達目標(biāo)模擬器，采用串口RS422接口與主機進行數(shù)據(jù)通信，最終完成雷達目標(biāo)模擬的過程。此種設(shè)計對測試設(shè)備的系統(tǒng)選擇不具有依賴性，可適用于PXI、PCI等其他多種總線形式的計算機系統(tǒng)架構(gòu)，該雷達目標(biāo)模擬器設(shè)計合理，可移植性強。

1 雷達目標(biāo)模擬器的組成及工作原理

1.1 雷達目標(biāo)模擬器的組成

圖1所示為便攜型雷達目標(biāo)模擬器的組成框圖。該型雷達目標(biāo)模擬器主要由控制板1、控制板2和一塊功穩(wěn)放大組件構(gòu)成。功穩(wěn)放大組件是該款雷達目標(biāo)模擬器的射頻處理核心模塊，其主要完成對射頻基準(zhǔn)信號的功率穩(wěn)定處理、目標(biāo)距離延時信息和多普勒頻率速度信息等的加載。控制板2主要依據(jù)控制板1產(chǎn)生的DA控制信號產(chǎn)生需要的多普勒頻率，同時與控制板1構(gòu)成一個多普勒頻率自校準(zhǔn)的環(huán)路，在實際使用過程中當(dāng)環(huán)境溫度等條件發(fā)生變化導(dǎo)致多普勒頻率發(fā)生偏移時，對多普勒頻率進行校準(zhǔn)?？刂瓢?經(jīng)由RSS422接口與主機進行數(shù)據(jù)通信，接收主機設(shè)置的目標(biāo)相對速度、目標(biāo)距離、回波信號衰減量等信號；同時能夠根據(jù)主機下發(fā)的指令信息對雷達產(chǎn)生的脈沖重復(fù)頻率進行延時處理，加載目標(biāo)的距離信息；根據(jù)主機下發(fā)的目標(biāo)相對速度信息，產(chǎn)生一路DA信號給控制板2的壓控振蕩器產(chǎn)生需要的多普勒頻率，并能夠完成對控制板2產(chǎn)生的多普勒頻率的測頻功能，對多普勒頻率進行模擬器內(nèi)部的自校準(zhǔn)；根據(jù)主機下發(fā)的輸出信號衰減量控制指令，產(chǎn)生另一路DA控制信號，控制功穩(wěn)放大組件內(nèi)部的電調(diào)衰減控制器對產(chǎn)生的帶有目標(biāo)信息的射頻信號進行需要的功率衰減。

1.2 雷達目標(biāo)模擬器的工作原理

圖1所示，雷達產(chǎn)生并輸出給雷達目標(biāo)模擬器的射頻基準(zhǔn)首先經(jīng)過AGC（Automatic Gain Control，自動增益控制）環(huán)路進行功率穩(wěn)定，然后進入脈沖調(diào)制器，與經(jīng)由控制板1進行延時處理后的脈沖重復(fù)頻率信號進行脈沖調(diào)制，然后進入調(diào)幅器，將多普勒頻率信號加載至經(jīng)脈沖調(diào)制后的射頻載波信號上，再進入電調(diào)衰減控制器，根據(jù)主機控制對加載目標(biāo)信息后的射頻信號進行需要的功率衰減，最后經(jīng)由天線進行輸出，返還給雷達本身，完成整個目標(biāo)回波模擬的過程。

在整個目標(biāo)模擬過程中，脈沖重復(fù)頻率的延時時間DT（Delay Time）根據(jù)雷達的基本原理，可由以下公式得到：

其中l(wèi)為雷達發(fā)射機與目標(biāo)之間的距離，c為電磁波傳輸速度，由于其在空氣中傳輸?shù)乃俣燃s為光速，即為3×108m/s。

目標(biāo)模擬過程中，需要加載的多普勒頻率fd可由多普勒效應(yīng)公式推得：

其中v為雷達與目標(biāo)之間相對速度，λ為無線電波信號的波長，θ為目標(biāo)相對運動方向與無線電波發(fā)射方向的夾角，在實際模擬過程中假設(shè)該夾角為零，即目標(biāo)與雷達相對運動方向與無線電波發(fā)射方向成一直線且兩者間距離正縮短。

所以，在實際的雷達目標(biāo)模擬過程中，僅需無線電波信號的中心頻率和設(shè)置的目標(biāo)相對速度，即可以得到需要加載的多普勒頻率fd。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖2所示為控制系統(tǒng)的功能框圖。控制系統(tǒng)在該型雷達目標(biāo)模擬器中起著至關(guān)重要的控制作用，其通過串口RS422接收主機下發(fā)的目標(biāo)距離信息、目標(biāo)相對速度信息和需要的輸出射頻信號衰減量，對雷達輸出的脈沖重復(fù)頻率進行延時處理，并產(chǎn)生兩路DA控制信號輸出至控制板2和功穩(wěn)放大組件。控制系統(tǒng)的電路設(shè)計采用的是經(jīng)典的DSP+FPGA的架構(gòu)，主要由DSP系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、脈沖整形電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和電源電路等部分組成。其中脈沖整形電路主要完成對脈沖重復(fù)頻率信號和多普勒頻率進行整形處理；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)DSP輸出的12位數(shù)字信號的模擬量轉(zhuǎn)換輸出；電源電路將5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為FPGA、DSP等板上芯片需要的供電電壓。

控制系統(tǒng)最終輸出多普勒頻率控制信號DA1、衰減控制信號DA2及延時脈沖信號，并完成對產(chǎn)生的多普勒頻率進行測頻和自校準(zhǔn)功能。

3 技術(shù)參數(shù)

經(jīng)試驗驗證，本文提出的雷達目標(biāo)模擬器達到的技術(shù)指標(biāo)如下：最大輸出功率：0dBm；功率穩(wěn)定度≤1dB；多普勒頻率精度10Hz；多普勒頻率范圍6～320 kHz；距離延時分辨率10ns；延時時間范圍0～300μs；衰減器可調(diào)步長1dB；輸出動態(tài)范圍100dB，主機程序可控。該型雷達目標(biāo)模擬器的各項指標(biāo)均能夠滿足試驗和使用要求，對主機系統(tǒng)不具有依賴性，僅需RS422接口即可調(diào)試或使用，并經(jīng)過試驗和測試驗證，使用效果良好。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)實際使用環(huán)境需求，提出了一種便攜型雷達目標(biāo)模擬器，具備如下優(yōu)點：調(diào)試和聯(lián)試方便，對計算機系統(tǒng)不具有依賴性；占用系統(tǒng)資源少，僅需一個RS422接口，同時減少了測試系統(tǒng)內(nèi)部接線，降低受干擾幾率；采用模塊化設(shè)計，將所有資源整合至一個單元內(nèi)部，集成度高。經(jīng)實際驗證，本雷達目標(biāo)模擬器完全滿足使用需求，具備一定的通用性。