一种在雷达平台上实现模拟目标的方法

目标模拟按系统结构来区分有两种：独立结构和分立结构。独立结构脱离雷达系统单独实现，应用较广，在一定范围内具有通用性，但成本较高；分立结构又称为自主式结构将目标模拟各主要部件耦合到整个雷达系统中，综合成本低，对于相似体制的雷达系统具有借鉴意义。
    按照电路实现形式来区分，目标模拟可分为3类：全模拟实现，全数字实现，数模结合实现。全模拟实现信号易受干扰，调试困难；全数字实现存储量巨大，存在量化误差。所以，数模结合成为模拟目标的主流电路实现形式。
    目标模拟根据模拟的信号节点来区分，可以分为：辐射式与注入式。两者最根本的区别在于，前者经过天线发射，而后者不经过天线，直接将包含目标信息的信号灌回接收系统。注入式模拟信号只受到内部热噪声影响，信号可重现性良好，所以大部分信号模拟都采用注入方式。注入式目标模拟又可分为目标基带信号模拟，中频视频信号模拟，高频信号模拟等。
    文中介绍的方案由DSP根据点迹信息计算控制量，FPGA产生目标基带信号，利用雷达原有结构调制发射信号。整个方案可以总结为“分立结构+数模结合+基带信号模拟”。

1 模拟目标的实现
1．1 总体结构
    图1所示为某雷达的结构示意图，其中虚线框是为实现模拟功能增加的部件，去掉这些部件即是一不包含模拟功能的常见PD雷达结构示意图。点划线框是为了实现模拟目标功能需要进行控制的部件。

    正常工作时，工作模式转换开关打到发射机端，多普勒调制开关短路，120 MHz信号未经多普勒调制，上变频后脉冲调制，进入发射机。接收回波时，高频信号经接收机放大，下变频，由信号处理机检测出目标信息，送数据处理机，进行滤波、预测、跟踪。
    模拟工作时，工作模式转换开关打到接收机端，信号不经过发射机直接注入和差网络的一端，信号通过和差网格形成幅度几乎相等的和差两路信号送接收机。DSP计算目标信息，并根据目标信息得出各模拟部件的控制量，由FPGA输出。对原来输出到脉冲调制器的调幅信号和0／π编码调相信号延时输出，延时多少根据目标距离信息决定。多普勒调制开关断开，120 MHz信号包含可编程的多普勒信息，上变频到发射频率后交由接收机处理。雷达采用S曲线法测角，因此通过控制和，差增益以及数控移相器来模拟角度信息。
1．2 信号描述
1．2．1 总站同步信号
    图1中信号(1)为脉冲积累周期信号，信号(2)为脉冲重复周期信号的调幅信号，信号(3)为编码调相信号，三者时序，如图2所示。脉冲积累周期由Ⅳ个脉冲重复周期和准备时间构成。编码调相信号与脉冲重复周期信号的调幅信号同步，信号(6)与信号(10)是信号(2)与信号(3)的输出信号，用于调制发射波形。正常工作时，信号(6)与信号(10)转自信号(2)与信号(3)，模拟工作时数据处理机将这两个信号根据目标距离延时后输出。

1．2．2 模式切换信号
    图1中信号(4)为雷达工作模式切换开关，用于控制经过脉冲调制的高频信号的走向。正常工作时信号输出到发射机，模拟工作时信号直接输出到和差网络形成内回路。信号(5)为120 MHz开关，来选择是否加入速度多普勒信息。模拟时开关打开，将多普勒速度调制到120 MHz上。
1．2．3 模拟目标的实现
    一个模拟目标的参数包括延时(距离)，多普勒频率(速度)，和差两路信号幅度比(角度)，以及和路信号幅度(雷达截面积)。
    信号(6)为延时信号，用于模拟目标距离。根据目标距离信息，将总站脉冲重复信号延时后输出，延时为
    t=2r／c (1)
    其中r为模拟目标的距离，将光速c代入式(1)得
    t=r／150 (2)
    延时t的单位为μs。同时延时的还有图1中信号(10)，信号(10)是将总站编码调制信号延时后的信号，在时序上与信号(6)对齐。信号(6)与信号(10)构成了脉冲调制器的输入，这两个信号将调制载波，输出到和差网络。信号(6)，信号(10)输出波形及时序，如图3所示。

    图1中信号(7)为多普勒调制信号，用于模拟速度。该信号为一模拟信号，输入到多普勒调制模块。多普勒调制模块包含一个电调移相器，将120 MHz连续波按输入信号控制移相后输出，输入信号从O V开始，0 V移O相位，输入12 V移2π相位，最终将多普勒频率调制到了120 MHz上。特定速度的递增电压值为

     P=6△ψ/π         （3）

    其中△ψ为在相邻两个脉冲间隔内，即一个脉冲重复周期Tr内由于速度产生的相位变化，其大小为

    根据式(7)计算出的信号(7)，FPGA根据信号(7)进行数模转换，将数字转换为模拟信号。其波形及时序见图3，图中为了清晰起见，只描绘了短码情形。信号(8)，信号(9)与信号(12)分别控制和差通道信号幅度与差路相位来实现角度模拟。雷达采用S曲线测角，正常工作时，这3个控制量固定。模拟目标工作方式下，输入到接收机的和差两路信号幅度相等。此时，控制差路信号增益，产生不同的和差通道幅度比，来模拟波束内的相对角度。控制差路相位，来模拟目标相对于波束中心的左右偏极性。对于频扫雷达而言每个频点都对应了一个中心角和一条s曲线，要模拟某个角度，首先找到覆盖该角度的频点，然后查S曲线，得出差和增益比为

   
    其中θ为欲模拟角度，θc为查得频点的中心角，Sc为该频点的s曲线，对于负比值(左偏)的目标还要控制移相器进行180°的移相来实现。两路增益具体值的选择有两个原则：一是保证和差两路信号不饱和；二是和增益要固定。前者能保证进入信号处理机的信号不失真，后者保证进入信号处理机用于检测雷达截面积的信号幅度只受信号(11)控制，这样在需要模拟目标等效截面积时只需要控制信号(11)即可。
    信号(11)为激励幅度控制，该信号用于模拟目标的雷达截面积。考虑施威林起伏，由文献知，4种起伏模型是由两种脉间相关性与两种概率密度函数两两组合而成，两种相关性即快变化与慢变化的模拟可以由激励衰减器控制字的快慢变化来实现，此处给出雷达截面积两种随机分布的实现。
    I、Ⅱ类施威林模型的截面积服从参数为σ指数分布，σ是不起伏的雷达截面积，根据文献，可得其雷达截面积为

   
    其中，F-1 1为指数分布的分布函数的反函数，u是0到1上的均匀分布随机变量，可以用混合同余法获得其随机序列。
    Ⅲ、Ⅳ类施威林模型服从参数m=2，β=σ／2的爱尔朗分布，根据文献，可得其雷达截面积为

   
    u1与u2分别服从0到1上的均匀分布，且相互独立。
    根据文献，雷达回波信号幅度可写为

   
    Ki为第i个频点照射时的雷达模拟常数，可以通过试验获得。具体方法为：在一定距离处模拟目标，设置激励衰减控制字产生可控的和通道幅度，从信号处理机获得雷达截面积，再反推出雷达模拟常数。有了雷达模拟常数，根据式(12)就可以计算出带有起伏的和路信号幅度。

2 结束语
    运用上节结果，在某雷达平台上实现了模拟目标航迹，下图为雷达处于模拟工作下的显控截图。文中针对具体雷达系统，提出了以“分立结构+数模结合+基带信号模拟”为特点的雷达目标模拟方案。该方案利用了原有雷达系统硬件结构，将各独立部件耦合到原有雷达系统构件中去。实际证明，该方案能较好的实现模拟目标功能，节约了综合成本，增加了雷达系统检测的手段。