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一种通用的多通道分布式目标回波模拟方法及中频系统.pdf

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一种 通用 通道 分布式 目标 回波 模拟 方法 中频 系统
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摘要
申请专利号:

CN201611122753.5

申请日:

2016.12.08

公开号:

CN106483512A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/40申请日:20161208|||公开
IPC分类号: G01S7/40 主分类号: G01S7/40
申请人: 南京理工大学
发明人: 马晓峰; 李荣环; 盛卫星; 韩玉兵; 张仁李; 吕雅柔
地址: 210094 江苏省南京?#34892;?#27494;区孝陵卫200号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 南京理工大学专利中心 32203 代理人: 薛云燕
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611122753.5

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2019.01.18|||2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提出了一种通用的多通道分布式目标回波模拟方法及中频系统。方法步骤如下:计算不考虑自旋转特性的分布式目标几何中心与雷达的径向速度引起的多普勒频率和距离引起的时间延时;根据目标的散射点空间分布计算径向方向一维距离像;计算分布式目标等效角度以及导向性矢量;确定目标基带回波信号;卷入导向性矢量描述的通道间由于空间角度引起的相位差后得到各通道的目标基带回波信号,然后将其上变频和数模变换得到多通道分布式目标中频回波信号。中频系统为采用VPX架构的高性能处理电路和多块DAC阵?#26800;?#36335;构成的可扩展系统。本发明能够直接应用于数字阵列雷达的中频回波模拟,增加发射机阵列和天线阵列后可以应用于半实物仿真系统的射频回波模拟。

权利要求书

1.一种通用的多通道分布式目标回波模拟方法,其特征在于,模拟过程包括以下几个
步骤:
S01:计算不考虑自旋转特性的分布式目标几何中心与雷达的径向速度引起的多普勒
频率fd和距离引起的时间延时τ;
S02:根据目标的散射点空间分布计算径向方向的一维距离像;
S03:计算分布式目标几何中心对应的角度与所有散射点合成回波等效角度在方位与
俯仰方向的偏差,得出分布式目标等效角度计算导向性矢量
S04:实时采样基带发射信号并将其与一维距离像进行卷积,再经过时延τ与多普勒fd的
调制后得到目标基带回波信号;
S05:卷入导向性矢量描述的通道间由于空间角度引起的相位差后得到每个
通道的目标基带回波信号;
S06:将各通道基带回波信号上变频和数模变换得到多通道分布式目标中频回波信号。
2.根据权利要求1所述的通用的多通道分布式目标回波模拟方法,其特征在于,步骤
S02所述根据目标的散射点空间分布计算径向方向的一维距离像,具体为:基于分布式目标
多散射点模型计算一维距离像,散射点Pn包含的信息有空间三维坐标(xn,yn,zn)与散射点
等效雷达截面积σn;分布式目标一维距离像的横轴为各散射点相对雷达距离与目标几何中
心相对雷达距离之差,纵轴为接收机输出的回波功率;各散射点回波的功率根据雷达方程
计算得出。
3.根据权利要求1所述的通用的多通道分布式目标回波模拟方法,其特征在于,步骤
S03所述计算分布式目标几何中心对应的角度与所有散射点合成回波等效角度在方位与俯
仰方向的偏差,得出分布式目标等效角度计算导向性矢量具体为:
基于分布式目标多散射点模型计算分布式目标几何中心对应的角度与合成回波等效
角度在方位与俯仰向的偏差;
由公式计算得出分布式目标
几何中心位置与合成回波等效位置在俯仰方向上的距离偏差gy;
其中,ak和分别为第k个散射点回波幅度和相位,k=1,…,N,yl代表散射点在视线坐
标系的OY轴上的坐标;视线坐标系原点位于分布式目标几何中?#27169;琌X轴沿雷达与目标连接
方向,OZ与OY分别对应方位和俯仰方向;由公式Δθ=gy/R计算得出俯仰方向上分布式目标
几何中心对应的角度与合成回波等效角度的偏差,其中R为分布式目标几何中心到雷达的
距离;由公式θ0=θT+Δθ得到散射点合成回波等效俯仰角θ0,其中θT为分布式目标几何中心
方向与雷达法线方向的在俯仰方向的夹角;同理可得散射点合成回波等效方位角
其中
4.一种通用的多通道分布式目标回波模拟中频系统,其特征在于,采用VPX架构的高性
能处理电路和多块高速DAC阵?#26800;?#36335;构成可扩展系统,其中:
高性能处理电路包括多核DSP和FPGA,负责采样雷达发射基带信号,并根据上位机设定
的目标相对于雷达的相关参数,产生单通道的目标基带回波信号;
高速DAC阵?#26800;?#36335;包括FPGA和DAC,负责将目标基带回波信号卷入导向性矢量,进行数
字正交上变频处理,产生多通道分布式目标中频回波信号。
5.根据权利要求4所述的通用的多通道分布式目标回波模拟中频系统,其特征在于,所
述高性能处理电?#20998;?#30340;DSP功能由8个处理内核并行完成:
(1a)内核0?#20309;?#24635;控内核,通过千兆网口与上位机进行数据?#25442;ィ?#23558;上位机设定的参数
发?#36879;?#20854;他内核,同步协调其他内核的处理时序,获得处理结果;
(1b)内核2:计算时延τ对应的时钟周期个数和多普勒fd对应的DDS频率控制字,发?#36879;?br />本板FPGA;计算分布式目标一维距离像,发?#36879;?#20869;核1;计算分布式目标等效角度
发?#36879;?#20869;核3~7;
(1c)内核3~7:根据分布式目标等效角度计算所有通道对应的导向性矢量
并发?#36879;?#20869;核1;
(1d)内核1:使用串行RapidIO,将从其他?#31169;?#25910;到的数据发?#36879;?#26412;板FPGA。
6.根据权利要求4所述的通用的多通道分布式目标回波模拟中频系统,其特征在于,所
述高性能处理电?#20998;?#30340;FPGA电?#26041;?#26500;,包括:
(2a)ADC接口模块:接收ADC采样的雷达发射基带信号;
(2b)SRIO接收模块:使用SRIO串行协议接收本板DSP计算好的分布式目标回波参数;
(2c)卷积模块:将采样得到的雷达发射基带信号与分布式目标一维距离像进行卷积处
理;
(2d)距离延时模块:对卷积模块输出的信号进行延时;
(2e)多普勒调制模块:使用fd对应的DDS控制字,产生对应频率的正弦信号;距离延时模
块输出的信号卷上?#33487;?#24358;信号,得到单通道基带雷达目标回波信号;
(2f)SRIO发送模块:使用SRIO串行协议,将多普勒调制模块输出的基带雷达目标回波
信号与本板DSP计算好的全部通道的导向性矢量,发?#36879;?#25152;有高速DAC阵?#26800;?#36335;。
7.根据权利要求4所述的通用的多通道分布式目标回波模拟中频系统,其特征在于,所
述高速DAC阵?#26800;?#36335;的FPGA电?#26041;?#26500;,包括:
(3a)SRIO接收模块:采用SRIO串行协议接收高性能处理电路的FPGA发送过来的,基带
雷达目标回波信号与当前板卡通道对应的导向性矢量;
(3b)导向性矢量复乘模块:将基带雷达目标回波信号与当前板卡通道对应的导向性矢
量进行复乘,得到当前板卡中各通道的基带雷达目标回波信号;
(3c)DAC接口模块:将各通道的基带雷达目标回波信号发?#36879;?#30456;应的DAC。

说明书

一种通用的多通道分布式目标回波模拟方法及中频系统

技术领域

本发明涉及雷达目标回波模拟技术领域,特别是一种通用的多通道分布式目标回
波模拟方法及中频系统。

背景技术

高精度复杂测试条件和环境的构建是多功能、高性能雷达系统研制过程中的至关
重要的一个?#26041;?#21644;必备条件。各种类型的回波模拟器,如基带回波模拟器、中频回波模拟器
和射频回波模拟器等已经成为了雷达系统研制过程中各个阶段不可缺少的部分。

现有的模拟器一般为单通道模拟器,无法模拟目标空间角度特性,而多通道模拟
器可以灵活地实现空间多目标动态角度变化情况的模拟。另外,现有模拟器一般为采用单
散射点目标模型的简化模拟器,无法模拟复杂多散射点目标的一维距离像动态变化,角度
?#20102;?#31561;真?#30340;?#26631;回波特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用的多通道分布式目标回波模拟方法及中频系统,
从而实现针对?#25105;?#21457;射波形的复杂目标回波空间、时间和频率时变特性动态模拟,该中频
系统系统结构紧凑,可扩展性强,通过增加射频发射通道和天线,可以构建?#25105;?#22797;杂目标的
半实物模拟射频环境。

实现本发明目的的技术解决方案为:

一种通用的多通道分布式目标回波模拟方法,模拟过程包括以下几个步骤:

S01:计算不考虑自旋转特性的分布式目标几何中心与雷达的径向速度引起的多
普勒频率fd和距离引起的时间延时τ;

S02:根据目标的散射点空间分布计算径向方向的一维距离像;

S03:计算分布式目标几何中心对应的角度与所有散射点合成回波等效角度在方
位与俯仰方向的偏差,得出分布式目标等效角度计算导向性矢量

S04:实时采样基带发射信号并将其与一维距离像进行卷积,再经过时延τ与多普
勒fd的调制后得到目标基带回波信号;

S05:卷入导向性矢量描述的通道间由于空间角度引起的相位差后得到
每个通道的目标基带回波信号;

S06:将各通道基带回波信号上变频和数模变换得到多通道分布式目标中频回波
信号。

进一步地,步骤S02所述根据目标的散射点空间分布计算径向方向的一维距离像,
具体为:基于分布式目标多散射点模型计算一维距离像,散射点Pn包含的信息有空间三维
坐标(xn,yn,zn)与散射点等效雷达截面积σn;分布式目标一维距离像的横轴为各散射点相
对雷达距离与目标几何中心相对雷达距离之差,纵轴为接收机输出的回波功率;各散射点
回波的功率根据雷达方程计算得出。

进一步地,步骤S03所述计算分布式目标几何中心对应的角度与所有散射点合成
回波等效角度在方位与俯仰方向的偏差,得出分布式目标等效角度计算导向性矢
量具体为:

基于分布式目标多散射点模型计算分布式目标几何中心对应的角度与合成回波
等效角度在方位与俯仰向的偏差;

由公式计算得出分布式
目标几何中心位置与合成回波等效位置在俯仰方向上的距离偏差gy;

其中,ak和分别为第k个散射点回波幅度和相位,k=1,…,N,yl代表散射点在视
线坐标系的OY轴上的坐标;视线坐标系原点位于分布式目标几何中?#27169;琌X轴沿雷达与目标
连接方向,OZ与OY分别对应方位和俯仰方向;由公式Δθ=gy/R计算得出俯仰方向上分布式
目标几何中心对应的角度与合成回波等效角度的偏差,其中R为分布式目标几何中心到雷
达的距离;由公式θ0=θT+Δθ得到散射点合成回波等效俯仰角θ0,其中θT为分布式目标几何
中心方向与雷达法线方向的在俯仰方向的夹角;同理可得散射点合成回波等效方位角
其中

一种通用的多通道分布式目标回波模拟中频系统,采用VPX架构的高性能处理电
路和多块高速DAC阵?#26800;?#36335;构成可扩展系统,其中:

高性能处理电路包括多核DSP和FPGA,负责采样雷达发射基带信号,并根据上位机
设定的目标相对于雷达的相关参数,产生单通道的目标基带回波信号;

高速DAC阵?#26800;?#36335;包括FPGA和DAC,负责将目标基带回波信号卷入导向性矢量,进
行数字正交上变频处理,产生多通道分布式目标中频回波信号。

进一步地,所述高性能处理电?#20998;?#30340;DSP功能由8个处理内核并行完成:

(1a)内核0?#20309;?#24635;控内核,通过千兆网口与上位机进行数据?#25442;ィ?#23558;上位机设定的
参数发?#36879;?#20854;他内核,同步协调其他内核的处理时序,获得处理结果;

(1b)内核2:计算时延τ对应的时钟周期个数和多普勒fd对应的DDS频率控制字,发
?#36879;?#26412;板FPGA;计算分布式目标一维距离像,发?#36879;?#20869;核1;计算分布式目标等效角度
发?#36879;?#20869;核3~7;

(1c)内核3~7:根据分布式目标等效角度计算所有通道对应的导向性矢
量并发?#36879;?#20869;核1;

(1d)内核1:使用串行RapidIO,将从其他?#31169;?#25910;到的数据发?#36879;?#26412;板FPGA。

进一步地,所述高性能处理电?#20998;?#30340;FPGA电?#26041;?#26500;,包括:

(2a)ADC接口模块:接收ADC采样的雷达发射基带信号;

(2b)SRIO接收模块:使用SRIO串行协议接收本板DSP计算好的分布式目标回波参
数;

(2c)卷积模块:将采样得到的雷达发射基带信号与分布式目标一维距离像进行卷
积处理;

(2d)距离延时模块:对卷积模块输出的信号进行延时;

(2e)多普勒调制模块:使用fd对应的DDS控制字,产生对应频率的正弦信号;距离
延时模块输出的信号卷上?#33487;?#24358;信号,得到单通道基带雷达目标回波信号;

(2f)SRIO发送模块:使用SRIO串行协议,将多普勒调制模块输出的基带雷达目标
回波信号与本板DSP计算好的全部通道的导向性矢量,发?#36879;?#25152;有高速DAC阵?#26800;?#36335;。

进一步地,所述高速DAC阵?#26800;?#36335;的FPGA电?#26041;?#26500;,包括:

(3a)SRIO接收模块:采用SRIO串行协议接收高性能处理电路的FPGA发送过来的,
基带雷达目标回波信号与当前板卡通道对应的导向性矢量;

(3b)导向性矢量复乘模块:将基带雷达目标回波信号与当前板卡通道对应的导向
性矢量进行复乘,得到当前板卡中各通道的基带雷达目标回波信号;

(3c)DAC接口模块:将各通道的基带雷达目标回波信号发?#36879;?#30456;应的DAC。

本发明与现有技术相比,其显著优点为:(1)采用的多通道技术可以灵活地实现空
间多目标动态角度变化情况的模拟;采用分布式目标模拟技术,可以动态的模拟复杂多散
射点目标的一维距离像变化,角度?#20102;?#31561;真?#30340;?#26631;回波特性,更加真?#26723;?#32473;出复杂目标回
波空间、时间和频率的时变特性;采用发射基带信号采样调制技术,可以应用于?#25105;?#20307;制和
?#25105;?#21457;射波形回波的模拟;(2)基于VPX总线架构的多通道分布式目标回波模拟中频系统,
具有系统内部互联数据带宽宽、可扩展性强和可靠性高的特点;(3)中?#30340;?#25311;系统可以根据
?#23548;?#30340;目标回波复杂程度和带宽的需要,扩展标准的通用高性能处理电路规模;可以根据
空间目标角度模拟精确程度确定通道数量,通过增加标准的高速DAC阵?#26800;?#36335;数量方便地
实现通道数量的扩展;(4)该中频系统,通过增加射频发射通道和天线后,可以构建?#25105;?#22797;
杂目标的半实物模拟射频环境,应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明中数字阵列雷达分布式目标回波模拟方法的流程图。

图2是本发明中数字阵列雷达分布式目标回波模拟系统的总体框图。

图3是本发明中模拟系统各模块间的数据传递关系示意图。

图4是本发明中高性能处理电路的DSP的核间通信结构示意图。

图5是本发明中高性能处理电路的FPGA电?#26041;?#26500;框图。

图6是本发明中高速DAC阵?#26800;?#36335;的FPGA电?#26041;?#26500;框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

本发明通用的多通道分布式目标回波模拟方法,包括以下几个步骤:

S01:计算不考虑自旋转特性的分布式目标几何中心与雷达的径向速度引起的多
普勒频率fd和距离引起的时间延时τ;

S02:根据目标的散射点空间分布计算径向方向的一维距离像;

根据目标的散射点空间分布计算径向方向的一维距离像,散射点Pn包含的信息有
空间三维坐标(xn,yn,zn)与散射点等效雷达截面积(RCS)σn;分布式目标一维距离像的横轴
为各散射点相对雷达距离与目标几何中心相对雷达距离之差,纵轴为接收机输出的回波功
率;各散射点回波的功率根据雷达方程计算得出;

S03:计算分布式目标几何中心对应的角度与所有散射点合成回波等效角度在方
位与俯仰方向的偏差,得出分布式目标等效角度计算导向性矢量具体
为:

基于分布式目标多散射点模型计算分布式目标几何中心对应的角度与合成回波
等效角度在方位与俯仰向的偏差;

由公式计算得出分布式
目标几何中心位置与合成回波等效位置在俯仰方向上的距离偏差gy;

其中,ak和分别为第k(k=1,…,N)个散射点回波幅度和相位,yl代表散射点在视
线坐标系的OY轴上的坐标;视线坐标系原点位于分布式目标几何中?#27169;琌X轴沿雷达与目标
连接方向,OZ与OY分别对应方位和俯仰方向;再由公式Δθ=gy/R计算得出俯仰方向上分布
式目标几何中心对应的角度与合成回波等效角度的偏差,其中R为分布式目标几何中心到
雷达的距离;最后由公式θ0=θT+Δθ得到散射点合成回波等效俯仰角θ0,其中θT为分布式目
标几何中心方向与雷达法线方向的在俯仰方向的夹角;同理可得散射点合成回波等效方位
角其中

S04:实时采样基带发射信号并将其与一维距离像进行卷积,再经过时延τ与多普
勒fd的调制后得到目标基带回波信号;

S05:卷入导向性矢量描述的通道间由于空间角度引起的相位差后得到
每个通道的目标基带回波信号;

S06:将各通道基带回波信号上变频和数模变换得到多通道分布式目标中频回波
信号;

一种通用的多通道分布式目标回波模拟中频系统,即采用VPX架构的高性能处理
电路和多块高速模数转换器(Digital to Analog Converter,DAC)阵?#26800;?#36335;构成的高效紧
凑的可扩展系统;高性能处理电?#20998;?#35201;由多核数?#20013;?#21495;处理器(Digital Signal
Processor,DSP)和现场可编程门电路(Field Programmable Gate Array,FPGA)组成,负责
采样雷达发射基带信号,并根据上位机的设定计算得到的目标相对于雷达的相关参数,产
生单通道的目标基带回波信号;高速DAC阵?#26800;緶分?#35201;由FPGA和DAC组成,负责将目标基带
回波信号卷入导向性矢量,进行数字正交上变频处理,产生多通道分布式目标中频回波信
号。

所述高性能处理电?#20998;?#30340;DSP功能由8个处理内核并行完成:

(1a)内核0?#20309;?#24635;控内核,通过千兆网口与上位机进行数据?#25442;ィ?#23558;上位机设定的
参数发?#36879;?#20854;他内核,同步协调其他内核的处理时序,获得处理结果;

(1b)内核2:计算时延τ对应的时钟周期个数和多普勒fd对应的直接数字频率合成
器(Direct Digital Synthesizer,DDS)频率控制字,发?#36879;?#26412;板FPGA;计算分布式目标一
维距离像,发?#36879;?#20869;核1;计算分布式目标等效角度(θ0,υ0),发?#36879;?#20869;核3~7;

(1c)内核3~7:根据分布式目标等效角度(θ0,υ0)计算所有通道对应的导向性矢量
a(θ0,υ0),并发?#36879;?#20869;核1;

(1d)内核1:使用串行RapidIO(Serial RapidIO,SRIO),将从其他?#31169;?#25910;到的数据
发?#36879;?#26412;板FPGA;

所述高性能处理电?#20998;?#30340;FPGA电?#26041;?#26500;包括:

(2a)ADC接口模块:通过FMC(FPGA Mezzanine Card)标准接口接收外接的接收模
数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)采样的雷达发射基带信号;

(2b)SRIO接收模块:使用SRIO串行协议接收本板DSP计算好的分布式目标回波参
数;

(2c)卷积模块:将采样得到的雷达发射基带信号与分布式目标一维距离像进行卷
积处理;

(2d)距离延时模块:对卷积模块输出的信号进行延时;

(2e)多普勒调制模块:使用fd对应的DDS控制字,产生对应频率的正弦信号;距离
延时模块输出的信号卷上?#33487;?#24358;信号,得到单通道基带雷达目标回波信号;

(2f)SRIO发送模块:使用SRIO串行协议将多普勒调制模块输出的基带雷达目标回
波信号与本板DSP计算好的全部通道的导向性矢量发?#36879;?#25152;有高速DAC阵?#26800;?#36335;。

所述高速DAC阵?#26800;?#36335;的FPGA电?#26041;?#26500;包括:

(3a)SRIO接收模块:采用SRIO串行协议接收高性能处理电路的FPGA发送的基带雷
达目标回波信号与当前板卡通道对应的导向性矢量;

(3b)导向性矢量复乘模块:将基带雷达目标回波信号与当前板卡通道对应的导向
性矢量进行复乘,得到当前板卡中各通道的基带雷达目标回波信号;

(3c)DAC接口模块:将各通道的基带雷达目标回波信号发?#36879;?#30456;应的DAC。

本发明采用的多通道技术可以灵活地实现空间多目标动态角度变化情况的模拟;
采用分布式目标模拟技术,可以动态的模拟复杂多散射点目标的一维距离像变化,角度闪
烁等真?#30340;?#26631;回波特性,更加真?#26723;?#32473;出复杂目标回波空间、时间和频率的时变特性;采用
发射基带信号采样调制技术,可以应用于?#25105;?#20307;制和?#25105;?#21457;射波形回波的模拟。

本发明给出的基于VPX总线架构的多通道分布式目标回波模拟中频系统,具有系
统内部互联数据带宽宽、可扩展性强和可靠性高的特点。该中?#30340;?#25311;系统可以根据?#23548;?#30340;
目标回波复杂程度和带宽的需要,扩展标准的通用高性能处理电路规模;可以根据空间目
标角度模拟精确程度确定通道数量,通过增加标准的高速DAC阵?#26800;?#36335;数量方便地实现通
道数量的扩展。另外,该中频系统,通过增加射频发射通道和天线后,可以构建?#25105;?#22797;杂目
标的半实物模拟射频环境,应用前景广阔。

实施例1

本实施例提供了一种直接应用于96阵元数字阵列雷达系统中频回波模拟的96通
道分布式目标回波模拟中频系统,采用VPX 6U结构的高性能处理电路和多块高速DAC阵列
电路组成的高效紧凑系统架构的基础上,产生基于多散射点模型的多通道数字阵列雷达分
布式目标中频回波。

图1给出了模拟方法的流程图,包括以下步骤:

S01:计算不考虑自旋转特性的分布式目标几何中心与雷达的径向速度引起的多
普勒频率fd和距离引起的时间延时τ;

S02:根据目标的散射点空间分布计算径向方向的一维距离像,散射点Pn包含的信
息有空间三维坐标(xn,yn,zn)与散射点等效雷达截面积(RCS)σn;分布式目标一维距离像的
横轴为各散射点相对雷达距离与目标几何中心相对雷达距离之差,纵轴为接收机输出的回
波功率;各散射点回波的功率根据雷达方程计算得出;

S03:计算分布式目标几何中心对应的角度与所有散射点合成回波等效角度在方
位与俯仰向的偏差,得出分布式目标等效角度计算导向性矢量具体方
法为,先由公式计算得出分布式
目标几何中心位置与合成回波等效位置在俯仰方向上的距离偏差gy,其中,ak和υk分别为第
k(k=1,…,N)个散射点回波幅度和相位,yl代表散射点在视线坐标系的OY轴上的坐标;视
线坐标系原点位于分布式目标几何中?#27169;琌X轴沿雷达与目标连接方向,OZ与OY分别对应方
位和俯仰方向;再由公式Δθ=gy/R计算得出俯仰方向上分布式目标几何中心对应的角度
与合成回波等效角度的偏差,其中R为分布式目标几何中心到雷达的距离;最后由公式θ0=
θT+Δθ得到散射点合成回波等效俯仰角θ0,其中θT为分布式目标几何中心方向与雷达法线
方向的在俯仰方向的夹角;同理可得散射点合成回波等效方位角其中

S04:实时采样基带发射信号并将其与一维距离像进行卷积,再经过时延τ与多普
勒fd的调制后得到目标基带回波信号;

S05:卷入导向性矢量描述的通道间由于空间角度引起的相位差后得到
每个通道的目标基带回波信号;

S06:将各通道基带回波信号上变频和数模变换得到多通道分布式目标中频回波
信号;

下面结合96通道中?#30340;?#25311;系统的要求,对模拟方法及中频系统的具体实?#32440;?#34892;说
明。

模拟系统的总体结构如图2所示,主要由一块高性能处理电路和三块高速DAC阵列
电路组成。高性能处理电路的主要器件为一片DSP和一片FPGA,通过千兆网口与上位机软件
进行数据?#25442;ィ?#36890;过ADC电路采样待测系统的雷达发射基带信号,通过SRIO?#25442;换?#21644;VPX机
箱背板与三块高速DAC阵?#26800;緶方?#34892;数据?#25442;ァ?#39640;速DAC阵?#26800;?#36335;的主要器件为FPGA和DAC
阵列,输出多通道数?#31181;釁道?#36798;分布式目标回波模拟信号。

模拟系统各模块间的数据传递关系如图3所示。上位机软件根据界面设置,计算设
定的目标速度、目标散射点信息、雷达与目标姿态、雷达与目标坐标等参数,发?#36879;?#39640;性能
处理电路的DSP。高性能处理电路的DSP依此计算目标多普勒频率对应的DDS频率控制字、目
标距离对应的延时量、目标一维距离像、96通道导向性矢量等参数,并发?#36879;?#26412;板FPGA。高
性能处理电路的FPGA接收ADC采样后输出的雷达基带发射数?#20013;?#21495;,并根据DSP计算得到的
相关参数,通过卷积处理产生单通道基带雷达分布式目标回波基带信号,之后将此基带信
号与96通道导向性矢量通过VPX总线根据SRIO协议分别发?#36879;?块高速DAC阵?#26800;?#36335;。高速
DAC阵?#26800;?#36335;的FPGA分别接收雷达分布式目标回波基带信号和与其对应的32通道导向性矢
量,并由此产生32通道基带雷达分布式目标回波基带信号,发?#36879;?#21508;自的DAC。一块高速DAC
阵?#26800;緶分?#30340;32路DAC在内部对基带信号做上变频处理,产生32通道雷达分布式目标回波
中?#30340;?#25311;信号。3块高速DAC阵?#26800;?#36335;共产生96通道的目标回波中?#30340;?#25311;信号。

高性能处理电?#20998;蠨SP的软件实现采用了多核并行处理方式,DSP的核间通信结构
如图4所示,下面详?#38468;?#32461;每个处理内核完成的工作。

(1)内核0:

通过千兆网UDP协议,接收上位机软件参数设定帧,并?#20113;?#36827;行校验与解帧。通过
MessageQ核间通信方式,将目标速度、雷达方程相关参数、目标散射点参数、雷达姿态与目
标姿态、雷达坐标与目标坐标、坐标系转换关系发?#36879;鳦ore2。通过Notify核间通信方式,将
控制参数发?#36879;鳦ORE1。

(2)内核2:

根据公式PINC=fd/fFPGA×232=2v/λ×232/fFPGA计算高性能处理电路FPGA中DDS的
频率控制字PINC,其中fd为多普勒频率,?#23435;?#38647;达发射信号波长,v为雷达与目标的相对速度
(在上位机中设定),fFPGA为高性能处理板卡的工作时钟频率。

由地理坐标系下的雷达坐标(XR,YR,ZR)与目标坐标(XT,YT,ZT)根据公式
计算雷达与目标相对距离R。地理坐标系的原点设
为雷达所在位置,OX轴指向正北方向,OY轴竖直朝上指向天空,OZ轴指向正东方向。根据公
式n=2R/C×fFPGA计算距离对应的高性能处理电路FPGA中需要的延时周期个数DELAY,其中
R为目标与雷达的相对距离,C为光速,fFPGA为高性能处理板卡的工作时钟频率。

根据雷达方程计算分布式目标第n个(n=1,…,N)散射点的回波功率Prn,公式如
下。其中,R为之前求得的目标与雷达距离,总增益G、第n个散射点的等效雷达截面积σn、雷
达发射功率Pt等参数是上位机直?#30001;?#23450;的。


根据分布式目标姿态、散射点位置与设定的雷达方程参数计算得出一维距离像,
此一维距离像横轴为各散射点相对雷达距离与目标几何中心相对雷达距离之差,纵轴为接
收机输出的回波功率。

根据模拟方法的步骤S03,计算分布式目标等效角度

最后将计算好的本板FPGA中DDS的频率控制字PINC、距离对应的延时周期个数
DELAY、分布式目标一维距离像发?#36879;?#20869;核1,将计算好的分布式目标合成回波等效角度发
?#36879;?#20869;核3~7。

(3)内核3~7:

根据公式计算第n
个(n=1,…,96)通道,即阵列雷达中第n个阵元相对阵面中心位置的相位差其中θ
和分别为目标的俯仰角与方位角,x和y分别为阵面上阵元位置的坐标,?#23435;?#38647;达发射信号
的波长。内核3~6分别计算20个阵元的内核7计算16个阵元的计算完成后,
这些核将计算好的导向性矢量发?#36879;?#20869;核1。

(4)内核1:

使用串行RapidIO(Serial RapidIO,SRIO),将从其他?#31169;?#25910;到的数据发?#36879;?#26412;板
FPGA。

高性能处理电?#20998;?#30340;FPGA电?#26041;?#26500;如图5所示,包括ADC接口模块、SRIO接口模块、
分布式目标卷积模块、距离延时模块、多普勒调制模块、SRIO发送模块,每个模块负责的具
体工作如下:

ADC接口模块:通过FMC标准接口接收外接的ADC采样的雷达发射基带信号;

SRIO接口模块:使用SRIO串行协议接收本板DSP计算好的分布式目标回波参数;

分布式目标卷积模块:将采样得到的雷达发射基带信号与分布式目标一维距离像
进行卷积处理;

距离延时模块:使用FPGA内部的块随机存储器(BLOCK RAM)对分布式目标卷积模
块输出的信号进行存储,经过延时DELAY后进行读取,从而模拟雷达模拟目标的距离信息;

多普勒调制模块:使用DDS,根据计算好的多普勒频率对应的频率控制字PINC,产
生频率等于分布式目标几个中心速度对应的多普勒频率的正交正弦信号,将其与距离延时
模块输出的正交信号进行复乘,得到单通道的分布式目标雷达基带回波模拟信号;

SRIO发送模块:将多普勒调制模块输出的单通道分布式目标雷达基带回波模拟信
号与所有通道的导向性矢量通过SRIO协议,由VPX总线发?#36879;?#39640;速DAC阵?#26800;?#36335;;

高性能处理电?#20998;?#30340;单个FPGA的电?#26041;?#26500;如图6所示,包括SRIO接收模块、导向性
矢量复乘模块、DAC接口模块,每个模块负责的具体工作如下:

SRIO接收模块:采用SRIO串行协议接收高性能处理电路的FPGA发送的基带雷达目
标回波信号与当前板卡通道对应的导向性矢量;

导向性矢量复乘模块:将基带雷达目标回波信号与此FPGA对应的16个通道信号的
导向性矢量进行复乘,得到16个通道的基带雷达目标回波信号;

DAC接口模块:将16通道分布式目标雷达基带回波模拟信号发?#36879;?片DAC,使其在
DAC内部进行上变频,得到16通道分布式目标雷达中频回波模拟信号。

上述中频系统可以模拟?#25105;?#21457;射波形,?#25105;?#31354;间角度、速度和距离的复杂分布式
目标的动态中频回波信号模拟。

在上面介绍的数字阵列雷达分布式目标回波模拟中频系统的基础上,可以通过添
加相应频段的射频发射组件(包括上变频、滤波和功率放大)与阵列天线,构建半实物射频
模拟仿真环境。该半实物射?#30340;?#25311;仿真系统,可以在微波暗室中,模拟?#25105;?#21457;射波形,?#25105;?br />空间角度、速度和距离的复杂分布式目标的射频动态回波,为雷达系统提供从天线、射频电
路到数字处理部分的系统级调试需要的分布式目标模拟测试环境。

关于本文
本文标题:一种通用的多通道分布式目标回波模拟方法及中频系统.pdf
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