雷達導引頭DBS回波信號模擬器設計

摘要：半實物仿真是雷達導引頭研制過程中性能評估及驗證的有效手段，為實現在實驗室內對雷達導引頭DBS成像算法的評估驗證，設計一種基于FPGA和DSP硬件實現的DBS回波信號模擬器，實現了目標方位上回波信號的模擬。模擬器的數據采集結果經DBS成像處理后，與理論仿真結果進行對比分析，驗證了所設計雷達導引頭DBS回波信號模擬器的正確性。該模擬器已成功應用于導引頭研制階段DBS成像算法的評估驗證。
關鍵詞：雷達導引頭；DBS回波信號模擬器；半實物仿真

0 引言
隨著導彈技術的發展，精確制導武器逐步成為現代戰爭的主要武器之一。精確制導武器的打擊精度主要依賴于導引頭的制導精度，為提高導彈打擊精度，對雷達導引頭的高分辨能力提出了更高的要求。提高距離分辨率可采用寬帶信號處理技術，提高方位分辨率的方法主要有合成孔徑雷達(SAR)成像和多普勒波束銳化(DBS)成像技術等。基于高實時性及工程實現難度低的優勢，目前DBS成像技術在彈載平臺上獲得了廣泛工程應用。
雷達導引頭研制階段對DBS成像算法評估驗證，外場試驗和調試成本較高，且對于一些邊界條件的驗證也無法實現。在實驗室內采用DBS回波信號模擬器可縮短研制周期，降低研制成本。
對常規雷達導引頭的考核，目標模擬器僅需要模擬目標的距離信息；對于應用DBS技術的高分辨雷達導引頭，模擬器則需要模擬目標的距離和方位信息。為實現不同方位不同距離目標回波信號的模擬仿真，本文結合DBS成像技術和回波信號模擬理論，設計了一種基于FPGA和DSP硬件實現的DBS回波信號模擬器，應用于雷達導引頭DBS成像技術的性能評估及仿真驗證。

1 雷達導引頭目標回波信號模型
首先簡要介紹目標回波信號模擬理論，雷達發射的脈沖信號照射到目標，脈沖信號經過時間延遲、幅度和相位經過目標后向散射系數調制即得到目標的回波信號。
假設雷達發射的脈沖是線性頻率調制脈沖：

式中：A(t)為脈沖幅度；τ為脈沖寬度；ω0為載頻；μ為線性頻率調制系數；t為時間；rect(·)是矩形函數。
由此可得目標的回波表達式為：

去載頻后得到的視頻回波信號表達式為：

式中：td是雷達與目標之間的延遲時間；b為點散射體的幅度，其受空間傳輸距離、單元后向散射系數及天線方向圖等因素影響；R為目標斜距；i為單元距離向指數；j為單元方位向指數；λ為信號波長；exp[-j4πRij(nTx)／λ]為多普勒分量，它決定方位分辨率；n(t)為噪聲信號。

2 回波信號模擬器的設計
2．1 總體設計思路
目標模擬器主要用于目標回波信號的模擬，目標模擬需要提供目標的電磁特征，包括信號的幅度、相位、頻率、延遲時間及到達角度。模擬器輸出為視頻回波信號，經信號源上變頻為射頻信號后輸出。
模擬器主要由DSP，FPGA以及D／A模塊實現，通過計算機控制界面輸入雷達導引頭的特性參數，由DSP處理模塊完成時間延遲和多普勒頻率的計算。通過數據總線將數據下發到FPGA，由FPGA模塊完成對雷達發射信號的調制運算。發射信號的波形數據用Matlab仿真產生，在FPGA設計時通過IP核調用存入ROM中。D／A模塊主要完成輸出信號的數／模轉換。模擬器硬件實現框圖如圖1所示。

模擬器設計n個通道，模擬n個方位，每個通道上可設置m個不同距離的目標，即實現n×m個點陣目標的模擬。通道i的信號設計框圖如圖2所示，其中多普勒頻移fd1及距離延時控制由DSP處理模塊根據計算機控制界面輸入數據計算得到；距離延時控制實現計算機控制界面輸入的距離信息的轉換，其他目標的位置通過固定延遲1，2，…，m來控制，最后通過求和即可實現同一方位不同距離目標回波信號的疊加。不同通道信號產生框圖如圖3所示。