羅睿梅, 杜科, 劉坤

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 200090）

高精度鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)中頻模擬器設(shè)計(jì)

羅睿梅, 杜科, 劉坤

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 200090）

在介紹鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)測(cè)距原理基礎(chǔ)上,分析鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)中頻模擬器需具備的功能；著重闡述距離頻差模擬方法以及彈目相對(duì)速度造成的距離頻差細(xì)微變化的模擬方法；多普勒頻率模擬以及由于發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)變化帶來(lái)多普勒頻率變化的模擬方法；基于D觸發(fā)器的回波延時(shí)產(chǎn)生方法。并利用FPGA和DDS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高精度鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器,該模擬器通過(guò)上位機(jī)控制軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,可靈活地模擬不同情況下的目標(biāo),已經(jīng)應(yīng)用于鋸齒波主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的調(diào)試和測(cè)試中。

調(diào)頻；主動(dòng)雷達(dá)；中頻模擬器

0 引言

鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)是根據(jù)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差進(jìn)行距離測(cè)量,與信號(hào)幅度關(guān)系不大。鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)具有測(cè)距精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),降低了測(cè)距系統(tǒng)對(duì)測(cè)量環(huán)境和被測(cè)物體反射的要求,近幾年被廣泛的應(yīng)用于測(cè)距中[1]。

為了對(duì)鋸齒波主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證,需在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬包含目標(biāo)距離、速度信息的鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)的鋸齒波中頻模擬器是雷達(dá)目標(biāo)模擬器的一個(gè)組成部分,主要負(fù)責(zé)模擬包含目標(biāo)的頻差信息、多普勒頻率、回波延時(shí)信息在內(nèi)的中頻信號(hào),其信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后與從導(dǎo)引頭頻率綜合器引出的本振耦合信號(hào)混頻,再用已延時(shí)后的脈沖信號(hào)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,形成了與實(shí)際情況一致的鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)回波信號(hào)。

1 鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)測(cè)距原理

鋸齒波調(diào)頻測(cè)距的原理是發(fā)射信號(hào)頻率以固定調(diào)頻斜率變化,通過(guò)檢測(cè)收發(fā)信號(hào)之間的頻率差,求得收發(fā)信號(hào)之間的延時(shí)時(shí)間,進(jìn)而算出雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離。設(shè)雷達(dá)發(fā)射的是鋸齒波調(diào)頻信號(hào),雷達(dá)發(fā)射信號(hào)起始為F0,調(diào)頻帶寬為B,調(diào)制周期為T,正向調(diào)制發(fā)射信號(hào)。鋸齒波調(diào)頻測(cè)距頻率差與距離關(guān)系圖如圖1所示,圖1中上圖表示為收發(fā)信號(hào)之間頻率時(shí)間圖,下圖為頻率距離關(guān)系圖。

圖中A表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào),B表示雷達(dá)和目標(biāo)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的回波信號(hào),C表示雷達(dá)和目標(biāo)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的回波信號(hào)。

發(fā)射信號(hào)從t1開始調(diào)制,在t2時(shí)刻收到目標(biāo)的反射信號(hào),t2=t1+tr,在t2時(shí)刻接收機(jī)收到的是t1時(shí)刻的頻率F0,而此時(shí)發(fā)射信號(hào)的頻率為F1,所以距離差頻信號(hào)fc=F0-F1,以此類推可計(jì)算出不同時(shí)刻收發(fā)信號(hào)之間的差頻。當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),即存在多普勒效應(yīng)時(shí),回波信號(hào)在頻率方向有一個(gè)大小為fd的平移。由此可得出存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),雷達(dá)導(dǎo)引頭處理系統(tǒng)檢測(cè)到的收發(fā)之間的實(shí)際頻差為

圖1 鋸齒波調(diào)頻測(cè)距差頻-距離關(guān)系圖

式中：fc為距離引起的頻差；fd為多普勒頻率,假設(shè)多普勒頻率為正值。

中頻信號(hào)模擬器需在中頻上模擬目標(biāo)的主要特征信息,由式（1）可知中頻信號(hào)模擬器在頻率上需模擬由距離引起的頻差fc,多普勒頻率fd,還需模擬回波的時(shí)延tr。因此中頻信號(hào)模擬器主要具備以下功能：

a）模擬收發(fā)信號(hào)隨距離變化產(chǎn)生的頻差fc；

b）模擬回波多普勒頻率fd；

c）模擬回波時(shí)間延遲tr。

2 鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)中頻模擬器功能設(shè)計(jì)

2.1 距離頻差fc模擬

由鋸齒波調(diào)頻測(cè)距的原理可知在t2時(shí)刻距離頻差fc：

式中：u為發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率,u=B/T；c為光速；R1為t2時(shí)刻目標(biāo)到雷達(dá)的單程距離。

若導(dǎo)彈和目標(biāo)之間是相對(duì)靜止的,從式（2）很容易計(jì)算出目標(biāo)的距離頻差；但在實(shí)際情況中,彈目之間通常存在相對(duì)速度,因此彈目之間的距離是不斷變化的,由此在回波模擬中必須將不斷變化的距離考慮進(jìn)去,才能實(shí)現(xiàn)高精度的距離頻差模擬。

下列公式計(jì)算在t2時(shí)刻的由于彈目相對(duì)速度v造成的距離頻差Δfc。

式中：v為彈目相對(duì)速度。

所以由式（2）和（3）所述,當(dāng)存在彈目相對(duì)速度v時(shí),中頻信號(hào)模擬器應(yīng)模擬的距離頻差為

由于彈目之間以一定的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng),會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),即目標(biāo)回波信號(hào)相對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)疊加上一個(gè)多普勒頻率[2],這里假設(shè)需模擬的多普勒為正值,當(dāng)發(fā)射頻率為固定值時(shí)：

式中：fd為多普勒頻移；λ為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)。

由鋸齒波調(diào)頻的原理可知,發(fā)射信號(hào)頻率F0是隨著調(diào)頻斜率u變化的,則在t2時(shí)刻發(fā)射信號(hào)的載波頻率Ft2為

根據(jù)式（5）,fd隨著載波頻率的變化而變化,因此在模擬多普勒時(shí),必須考慮載波頻率變化的因素。以模擬t2時(shí)刻的多普勒為例。

2.3 回波時(shí)間延遲tr

回波時(shí)間延遲模擬即為對(duì)雷達(dá)發(fā)射脈沖從發(fā)射至遇到目標(biāo)返回雷達(dá)接收的時(shí)間延遲模擬,延遲時(shí)間可由電磁波傳播距離公式計(jì)算得,以計(jì)算t2時(shí)刻回波延遲時(shí)間為例

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)中頻信號(hào)模擬器需具備的功能,本系統(tǒng)采用“FPGA+DDS”的設(shè)計(jì)方案。本方案的核心控制器是FPGA,信號(hào)產(chǎn)生模塊是DDS。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主控計(jì)算機(jī)用Lab VIEW軟件開發(fā)控制界面,主要負(fù)責(zé)和模擬器通信,發(fā)送中頻信號(hào)模擬器需要的彈目速度、模擬彈目距離、發(fā)射信號(hào)調(diào)頻斜率、發(fā)射信號(hào)載波頻率、重頻周期等參數(shù)；控制器FPGA主要負(fù)責(zé)和上位機(jī)通信、DDS控制時(shí)序的產(chǎn)生、模擬回波延時(shí)功能等；DDS主要負(fù)責(zé)中頻信號(hào)的產(chǎn)生；DDS輸出的信號(hào)是差分信號(hào),因此采用寬帶跨導(dǎo)放大器MAX436轉(zhuǎn)為單端,經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾出中頻信號(hào)再放大輸出[3]。

為保證信號(hào)之間的相參性,中頻信號(hào)模擬器工作所需的時(shí)鐘和同步脈沖信號(hào)都由導(dǎo)引頭的頻率綜合器提供,雷達(dá)回波模擬器所需的本振耦合信號(hào)也由頻率綜合器提供。

由于發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻周期T遠(yuǎn)大于雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)周期Tr,故在一個(gè)完整的調(diào)頻周期內(nèi)包含若干個(gè)脈沖。圖3為發(fā)射信號(hào)與發(fā)射脈沖關(guān)系圖。

圖3 發(fā)射信號(hào)與發(fā)射脈沖關(guān)系圖

為保證發(fā)射信號(hào)工作與模擬器工作嚴(yán)格同步,導(dǎo)引頭在發(fā)射信號(hào)非調(diào)頻期發(fā)送幾個(gè)毫秒的空脈沖信號(hào),作為和中頻信號(hào)模擬器的同步信號(hào),在空脈沖期間,中頻信號(hào)模擬器做復(fù)位清零的工作。發(fā)射信號(hào)發(fā)射空脈沖完畢后發(fā)送脈沖串,同時(shí)發(fā)射信號(hào)以一定的斜率開始調(diào)頻,中頻信號(hào)模擬器一旦檢測(cè)到脈沖上升沿到來(lái),即開始工作產(chǎn)生目標(biāo)特征信息,這樣就保證了導(dǎo)引頭調(diào)頻時(shí)間和模擬器的工作時(shí)間同步。

3.2 回波時(shí)間延遲模擬功能實(shí)現(xiàn)

回波時(shí)間延遲模擬是將導(dǎo)引頭同步的脈沖信號(hào)作相應(yīng)的延時(shí)。傳統(tǒng)的延時(shí)方法有采用可編程的延時(shí)芯片、模擬延時(shí)方法等。本中頻模擬器采用一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法―基于移位寄存器原理的D觸發(fā)器延時(shí)電路。

基本的移位寄存器由邊沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器組成,每次移位時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí),D觸發(fā)器使移位寄存器輸入端的信號(hào)后左移（或右移）一位,即相當(dāng)于輸入信號(hào)被延遲了一個(gè)移位時(shí)鐘周期。所以邊沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器可以用于脈沖信號(hào)的延時(shí)。延時(shí)電路以邊沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器為基礎(chǔ),不同數(shù)量的D觸發(fā)器串聯(lián)而成不同延時(shí)量的延時(shí)模塊。再將這些延時(shí)模塊通過(guò)單刀雙擲開關(guān)級(jí)聯(lián)起來(lái)就組成了延時(shí)量可控的延時(shí)電路。

用FPGA設(shè)計(jì)延時(shí)電路時(shí),用彈上提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘倍頻后作為D觸發(fā)器的觸發(fā)時(shí)鐘,如彈上提供40 M Hz時(shí)鐘,用FPGA中的PLL模塊將時(shí)鐘4倍頻至160 M Hz（周期6.25 ns）,故延時(shí)電路的模擬延遲時(shí)間精度為6.25 ns,距離精度為0.937 5 m,如果模擬20 km的距離,需要215個(gè)延時(shí)模塊即可。

3.3 距離頻差模擬實(shí)現(xiàn)

中頻信號(hào)模擬器信號(hào)產(chǎn)生模塊采用DDS芯片AD9852,AD9852數(shù)字直接頻率合成器是高度集成化的數(shù)字芯片,它采用先進(jìn)的DDS技術(shù),其內(nèi)部?jī)?nèi)置高性能D/A轉(zhuǎn)換器和比較器,當(dāng)提供給AD9852精確的基準(zhǔn)時(shí)鐘時(shí),并按一定時(shí)序?qū)D9852的寄存器操作,AD9852就會(huì)產(chǎn)生單頻點(diǎn)、線性調(diào)頻、調(diào)相等多模式信號(hào),在此處只需要產(chǎn)生單一頻率的信號(hào)。AD9852產(chǎn)生單頻點(diǎn)信號(hào)只需在相應(yīng)的寄存器寫入控制模式字、頻率字,并且各控制字的寫入嚴(yán)格遵守DDS的控制時(shí)序。

由式（4）可知,當(dāng)存在彈目相對(duì)速度時(shí),距離頻差由fc和Δfc組成。上位機(jī)通過(guò)控制界面設(shè)置固定的彈目距離和調(diào)頻斜率參數(shù),根據(jù)式（2）計(jì)算出fc值,再根據(jù)AD9852頻率和頻率控制字之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,把fc轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率控制字,最后通過(guò)串口發(fā)送給模擬器。

距離頻差模擬的難點(diǎn)在于Δfc的實(shí)現(xiàn)。由式（3）可知,在彈目相對(duì)速度v、調(diào)頻斜率u一定的情況下,Δfc是隨時(shí)間的累積而變化的,實(shí)時(shí)計(jì)算出的Δfc要不停的寫入DDS寄存器,只有解決同時(shí)計(jì)算Δfc和寫入Δfc之間的時(shí)序問(wèn)題,才能保證輸出信號(hào)的頻率精度,從而保證模擬的距離精度。

本文的設(shè)計(jì)思想：以同步脈沖作為基準(zhǔn)信號(hào),首先在FPGA中利用時(shí)鐘測(cè)出重頻周期Tr,并在空脈沖期間對(duì)數(shù)據(jù)清零程序復(fù)位,在脈沖低電平期間在FPGA中計(jì)算出一個(gè)脈沖周期產(chǎn)生的距離頻差值k[k=（2vu/c）Tr],當(dāng)每個(gè)脈沖上升沿到來(lái)時(shí)計(jì)算隨同步脈沖變化的累積距離頻差值K=k+ik（i=0,…,N）,其中N為整個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù),N=T/Tr,同時(shí)把計(jì)算出的Δfc和fc值發(fā)送給DDS頻率寄存器模塊。這樣就巧妙的實(shí)現(xiàn)了計(jì)算Δfc和發(fā)送Δfc同步。圖4為Δfc實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖4 Δfc實(shí)現(xiàn)流程圖

3.4 多普勒模擬實(shí)現(xiàn)

由于多普勒頻率值相對(duì)發(fā)射信號(hào)的頻率要低得多,直接對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行多普勒調(diào)制很難實(shí)現(xiàn)。所以在中頻上產(chǎn)生多普勒頻率,再與導(dǎo)引頭本振耦合信號(hào)混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)多普勒頻率模擬。本設(shè)計(jì)產(chǎn)生的中頻信號(hào)頻率為60 MHz。由公式（9）可知,模擬多普勒由兩部分組成fd和Δfd組成。在發(fā)射起始頻率和彈目相對(duì)速度一定的情況下,fd為定值,可由上位機(jī)計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)和fd對(duì)應(yīng)的DDS頻率寄存器值,由上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送至模擬器。Δfd的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與距離頻差變化值Δfc實(shí)現(xiàn)過(guò)程一致。在此不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高精度的鋸齒波調(diào)頻主動(dòng)雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器的原理進(jìn)行了研究；介紹了硬件實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)模擬器的過(guò)程；該中頻信號(hào)模擬器對(duì)由于彈目速度產(chǎn)生的距離頻差和由于波長(zhǎng)變化產(chǎn)生的多普勒變化進(jìn)行了模擬,真實(shí)地模擬了目標(biāo)的特征信息,對(duì)鋸齒波主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的調(diào)試和驗(yàn)證具有重要意義；而且該中頻信號(hào)模擬器通過(guò)上位機(jī)控制軟件設(shè)置載頻、調(diào)頻斜率等調(diào)頻參數(shù),可用于多種鋸齒波主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的調(diào)試設(shè)計(jì),具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

[1] 郭渭榮,栗蘋,陳慧敏.鋸齒調(diào)頻連續(xù)波建模與仿真[J].紅外與激光,2009.

[2] 劉曉寧,盧巖輝,吉峰.主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器[J].制導(dǎo)與引信,2008.

[3] 王靜,陳伯孝.基于DDS的末制導(dǎo)雷達(dá)中頻模擬器設(shè)計(jì)[J].制導(dǎo)與引信, 2008.

Design of the High Precision of Intermediate Frequency Simulator for Sawtooth FM Active Radar Seeker

LUO Rui-mei, DU Ke, LIU Kun
（Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

According to the introduction of the principle of the measuring distance with sawtooth FM.Analyses the function of the intermediate frequency simulator of active radar which must have.Describes in details the method of the simulation of rang-frequency and the method of the compensating error because of the velocity between seeker and targets；the method of the simulation of Doppler frequency and the method of the compensating error because of the vary of the signal carrier's wavelength；the method of the time delay based on D register and the distance warp because of high velocity.The IF simulator used FPGA and DDS,and it can simulate flexibly the different targets controlled by computer；it is also successfully used in the debug of the sawtooth FM active radar seeker.

frequency modulation；active radar；intermediate frequencysimulator

TJ765.3

A

1671-0576（2014）02-0006-05

2014-03-28

羅睿梅（1976-）,女,高級(jí)工程師,碩士研究生,主要從事雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試設(shè)備研究。