雷达导引头DBS回波信号模拟器设计

摘要：半实物仿真是雷达导引头研制过程中性能评估及验证的有效手段，为实现在实验室内对雷达导引头DBS成像算法的评估验证，设计一种基于FPGA和DSP硬件实现的DBS回波信号模拟器，实现了目标方位上回波信号的模拟。模拟器的数据采集结果经DBS成像处理后，与理论仿真结果进行对比分析，验证了所设计雷达导引头DBS回波信号模拟器的正确性。该模拟器已成功应用于导引头研制阶段DBS成像算法的评估验证。
关键词：雷达导引头；DBS回波信号模拟器；半实物仿真

0 引言
    随着导弹技术的发展，精确制导武器逐步成为现代战争的主要武器之一。精确制导武器的打击精度主要依赖于导引头的制导精度，为提高导弹打击精度，对雷达导引头的高分辨能力提出了更高的要求。提高距离分辨率可采用宽带信号处理技术，提高方位分辨率的方法主要有合成孔径雷达(SAR)成像和多普勒波束锐化(DBS)成像技术等。基于高实时性及工程实现难度低的优势，目前DBS成像技术在弹载平台上获得了广泛工程应用。
    雷达导引头研制阶段对DBS成像算法评估验证，外场试验和调试成本较高，且对于一些边界条件的验证也无法实现。在实验室内采用DBS回波信号模拟器可缩短研制周期，降低研制成本。
    对常规雷达导引头的考核，目标模拟器仅需要模拟目标的距离信息；对于应用DBS技术的高分辨雷达导引头，模拟器则需要模拟目标的距离和方位信息。为实现不同方位不同距离目标回波信号的模拟仿真，本文结合DBS成像技术和回波信号模拟理论，设计了一种基于FPGA和DSP硬件实现的DBS回波信号模拟器，应用于雷达导引头DBS成像技术的性能评估及仿真验证。

1 雷达导引头目标回波信号模型
    首先简要介绍目标回波信号模拟理论，雷达发射的脉冲信号照射到目标，脉冲信号经过时间延迟、幅度和相位经过目标后向散射系数调制即得到目标的回波信号。
    假设雷达发射的脉冲是线性频率调制脉冲：
   
    式中：A(t)为脉冲幅度；τ为脉冲宽度；ω0为载频；μ为线性频率调制系数；t为时间；rect(·)是矩形函数。
    由此可得目标的回波表达式为：
   
    去载频后得到的视频回波信号表达式为：
   
    式中：td是雷达与目标之间的延迟时间；b为点散射体的幅度，其受空间传输距离、单元后向散射系数及天线方向图等因素影响；R为目标斜距；i为单元距离向指数；j为单元方位向指数；λ为信号波长；exp[-j4πRij(nTx)／λ]为多普勒分量，它决定方位分辨率；n(t)为噪声信号。

2 回波信号模拟器的设计
2．1 总体设计思路
    目标模拟器主要用于目标回波信号的模拟，目标模拟需要提供目标的电磁特征，包括信号的幅度、相位、频率、延迟时间及到达角度。模拟器输出为视频回波信号，经信号源上变频为射频信号后输出。
    模拟器主要由DSP，FPGA以及D／A模块实现，通过计算机控制界面输入雷达导引头的特性参数，由DSP处理模块完成时间延迟和多普勒频率的计算。通过数据总线将数据下发到FPGA，由FPGA模块完成对雷达发射信号的调制运算。发射信号的波形数据用Matlab仿真产生，在FPGA设计时通过IP核调用存入ROM中。D／A模块主要完成输出信号的数／模转换。模拟器硬件实现框图如图1所示。

    模拟器设计n个通道，模拟n个方位，每个通道上可设置m个不同距离的目标，即实现n×m个点阵目标的模拟。通道i的信号设计框图如图2所示，其中多普勒频移fd1及距离延时控制由DSP处理模块根据计算机控制界面输入数据计算得到；距离延时控制实现计算机控制界面输入的距离信息的转换，其他目标的位置通过固定延迟1，2，…，m来控制，最后通过求和即可实现同一方位不同距离目标回波信号的叠加。不同通道信号产生框图如图3所示。
2．2 目标信号、噪声产生模块的设计
    信号的波形数据用Matlab仿真产生，在FPGA设计的时候通过IP核调用存入ROM中，为了完成多种回波信号的模拟，分别将脉冲信号、线性调频信号和非线性调频信号存于3个ROM中，如图4所示，控制模块用于接收DSP的控制信号，选通相应的发射信号。

    在雷达系统中存在着许多噪声源，包括外部噪声与接收机噪声，它们的和形成了回波巾总的噪声。通常，可将噪声看作高斯白噪声。实际上，所有情况下的噪声都看作是在接收信号s(t)上进行相加的高斯白噪声。本设计叠加了高斯白噪声。
2．3 多普勒频率的设计思路
    对模型进行简化，假设俯仰角β=0，那么：
   
    由上式可知，在方位角α确定时，fd也是一个定值，这种定值的设计在FPGA中是通过DDS混频来实现的。多普勒频率调用Xilinx的IP核DDS产生。

3 模拟结果分析
    模拟器参数设置：导弹平台速度为300 m／s；目标所在方位角分别是59°，60°，60．5°，61°；选用8μs非线性调频信号；设置四个通道，每个通道上五个目标距离间隔为150 m；对模拟器进行试验验证，试验过程中采集的回波数据如图5所示，1路为帧同步信号，2路和3路分别为I，Q两路信号。

    将试验时采集到的数据导入到Matlab，进行脉压和FFT处理，结果如图6所示。
    选择同样的参数，用Matlab模拟回波信号，并且进行信号处理，得到FFT处理后的灰度图如图7所示。
    经过仔细对比，理论仿真与采集数据的处理结果基本一致，从而验证了所研制模拟器的正确性。由于噪声的缘故，在0通道会积累一定的幅度，从图7可以看出来。

4 结语
    目标回波信号模拟器是雷达导引头研制和调试阶段的必备工具。本文设计的目标回波信号模拟器，实现了不同方位不同距离目标回波信号的模拟仿真，并通过与理论仿真结果对比分析，验证了模拟器设计的正确性。该模拟器已成功应用于导引头研制阶段评估验证DBS成像算法，并获得了较好的效果。