CN103760535A - 一种高分辨雷达目标回波信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标特征响应模型的高分辨雷达回波信号产生方法。该方法利用DRFM技术能完整保留射频信号细微特征的特点，通过下变频和A／D采样获取雷达发射信号采样序列；通过试验或电磁场数值计算方法获取目标特征响应模型；将雷达发射信号采样序列与目标特征响应模型进行卷积，卷积后的数据序列通过D／A和上变频恢复为射频信号，作为高分辨雷达模拟目标回波信号输出。采用该技术产生的模拟目标回波信号不但保留了发射信号的相位信息，而且包含了被探测目标的特征信息，可以用于高分辨雷达测试。该方法已经在我院研制的某型设备中使用，验证了该方法的有效性和正确性。

Description

一种高分辨雷达目标回波信号产生方法

技术领域

本发明涉及一种高分辨雷达目标回波信号产生方法，该方法产生的目标回波信号不但保留了雷达发射信号相位信息，而且携带被探测目标特征信息，可以用于高分辨雷达测试，属装备测试技术领域。

背景技术

早期的雷达多采用非相参点频率工作体制，使用与雷达发射机同步且同频工作的普通微波信号源就可以产生满足测试需求的模拟目标回波信号。后期出现了非相参捷变频雷达，采用瞬时测频加频率引导技术，来满足雷达的脉间频率捷变的要求。其工作原理是用瞬时测频技术快速测量雷达发射机的工作频率，并输出测频码；快速频率引导电路根据测频码的数值，快速引导微波振荡器的工作频率到雷达发射机的工作频率上，保证模拟回波信号的频率始终跟踪捷变频雷达的发射机的频率变化；采用开环引导、闭环校准技术来保证模拟目标回波信号的频率跟踪精度在整个带宽范围内满足非相参雷达测试要求。由于频率跟踪精度低，该方法不能满足相参和准相参雷达回波信号模拟需求。伴随相参雷达出现，采用声表面波延迟线或光纤延迟线技术产生相参雷达的模拟目标回波信号。其工作原理是将雷达发射信号通过换能器转换为声表面波或光波，由声表面波延迟线或光纤延迟线进行延时，延时后的声波或光波再由换能器转换为无线电波，利用声波在声波延迟线或光波在光纤延迟线中的传播来等效电磁波在空间中的传播，由于延迟线能保留原雷达发射信号的相位信息，可以用于相参和准相参雷达回波信号的模拟，但缺点是延迟线一旦做好后，延迟时间是固定不变的，不能模拟目标距离的连续变化，也就不能测量雷达的距离跟踪性能，而且采用延迟线对雷达发射信号直接延时，无法在模拟回波信号中叠加目标特征信息。采用数控延迟线技术，可以实现模拟回波延时的步进式变化，但无法在模拟目标回波信号中附加目标特征信息，无法适应现代高分辨雷达测试对模拟目标回波信号的要求。迫切需要产生模拟目标距离连续可调，且模拟回波信号中能够附加目标特征信息的高分辨雷达回波信号，满足高分辨雷达测试的需求。

发明内容

本发明涉及到一种基于目标特征响应模型的高分辨雷达模拟回波信号产生方法，该方法的基本步骤是：①将雷达发射信号通过下变频器转换为基带信号，然后利用A／D转换器对基带信号进行采样；②将A／D采样信号存储在数据存储器内；③通过试验手段或电磁场数值计算方法，获取舰船、角反射器等目标的特征响应模型；④将雷达发射信号采样值与目标特征响应模型进行卷积运算，获取携带目标特征的雷达回波信号采样序列；⑤将获取的雷达回波信号采样序列经D／A转换为基带信号；⑥通过上变频器将恢复后的基带信号转换为射频信号，作为模拟雷达回波信号输出。

附图说明

图1模拟器总体框图

图2连续采样循环存储原理框图

具体实施方式

本发明的具体内容是：

1、回波信号模拟器总体设计

本发明的高分辨雷达回波信号模拟采用基于DRFM技术的舰船等扩展目标回波信号生成技术。高分辨雷达一般采用相参体制，利用DRFM技术能很好地保持雷达发射信号相位信息的技术优势，将雷达发射信号采样序列与舰船、角反射器等目标的特征响应模型进行卷积运算，得到模拟目标回波信号。采用该技术产生的模拟目标回波信号既保留了相参雷达发射信号的相位等细微特征信息，又叠加了舰船、角反射器等目标的特征信息，可以用于高分辨雷达导引头的性能测试。

模拟器以DRFM电路为核心，由程控本振、上变频器、下变频器、低通滤波器、采样电路A／D转换器、译码电路D／A转换器、数据存储器、存储控制器、数字滤波器和主控制器等组成，如图1所示。

模拟器的工作过程是：将雷达发射信号作为模拟器的射频输入，通过下变频器转换为基带信号，然后通过采样电路A／D转换器对基带信号进行采样和量化编码，并将获得的数字量保存到数据存储器内；通过存储控制器控制数据存储器的数据输出延迟时间(该延迟时间代表模拟目标的距离信息)，输出数据在数字滤波器内与目标特征信息进行卷积运算；数字滤波器的输出经译码器D／A转换器转换为基带信号，经上变频器转换为射频信号作为模拟目标回波信号输出。

根据奈奎斯特采样定理，若A／D转换器的采样速率f_s不低于基带信号x(t)频率f_H的两倍，则采样信号x(n)=x(nT_s)(其中T_s=1／f_s为采样间隔)将包含原信号x(t)的所有信息。再经D／A转换器恢复后的信号和原输入信号x(t)的相位信息和频率信息相同，经上变频器恢复为射频信号。由于输出端的上变频器和输入端的下变频器采用同一个本振，输出射频信号与输入射频信号具有相同的频率和相位等特征信息，但在时间上有一个延迟(该延迟时间代表模拟目标的距离信息)，延迟时间通过控制数据存储器数据读出的时间改变，可以实现延迟时间的连续可调变化。

通过控制本振信号的频率可以改变***工作的射频频率。控制数据存储器内数据写入和读出的时间间隔可以控制模拟目标到雷达的距离，模拟装置的工作频率和模拟距离信息由主控制器根据模拟器的工作参数和状态设定。

2、DRFM的采样数据循环存储方法

雷达导引头一般采用脉冲体制，在脉冲持续期间将雷达发射信号进行采样存储，经延时和滤波处理后再还原成高频信号输出，数据存储器的容量由采样速率和脉冲宽度决定。考虑到本发明的通用性，采用连续采样循环数据存储方式对采样数据进行存储。

连续采样循环存储技术的原理框图如图2所示。电路由ADC、DAC、双端口RAM、写地址产生电路、读地址产生电路、写清零定时器和可控延时电路等组成。电路处于连续工作状态，输入信号x(t)经过ADC转换为数字信号x(n)，在写地址产生电路的控制下，从左端口顺序循环存入同步双端口RAM。由于数据的存入是顺序循环进行的，电路可以连续采样并存储采样数据。被存储数据在读地址产生电路的控制下，从同步双端口RAM的右端口依次读出数据，经滤波后送给DAC恢复为模拟信号e(t)。写清零定时器按周期T给写地址产生电路送出清零脉冲，使双端口RAM左口的数据从0地址开始写入。同时该清零脉冲通过可控延时电路进行延时后，向读地址产生电路提供清零脉冲，使双端口RAM的右口从0地址开始顺序读出数据。可控延时电路控制两个清零脉冲之间的时间间隔，该时间间隔可以通过延时设置进行修改。显然，两个清零脉冲之间的时间差就是输出信号相对输入信号的时间差，即模拟目标回波的距离数值。

采用连续采样、循环存储技术后，可以适用于一般脉冲雷达、宽脉冲雷达和连续波雷达。

3、舰船等目标响应模型的获取

产生高分辨雷达模拟目标回波和假目标干扰信号的关键是获取目标特征响应h(t，θ)，本发明采取基于MDA和MLSSM的快速计算方法分析复杂目标电磁散射特性，在此基础上，提取舰船目标、角反射器干扰等的特征响应函数。

根据舰船目标的几何参数，用Ansys建立目标的几何模型并进行剖分，采用八叉树结构对剖分后的结构进行分组，先用一个立方体将第一层包围住，将该立方体等分为八个子立方体结点形成第一层组结点，然后再对每个子立方体依次进行细分，直至最底层的立方体的尺寸达到所需精度要求。对剖分后的模型进行Morton编码，确定阻抗矩阵中需要满秩填充和低秩填充的子块，再利用矩阵分解算法对阻抗矩阵的远场作用子块进行填充，根据等效原理，远场作用子块表示为以下形式：

[Z_mn]=[Z_mp]·[Z_qp]^-1·[Z_qn]     (1)

利用QR分解和奇异值分解对[Z_mn]进一步压缩得到低秩表示矩阵，进而得到阻抗矩阵改进的MLSSM表示为：

$\left[Z_l\right]=\left[{\hat{Z}}_l\right]+\left[U_l\right]\·\left[Z_{l-1}\right]\·{\left[V_l\right]}^H---\left(2\right)$

利用广义最小余量法求解线性方程组的解得到电流系数，根据电流系数得到舰船目标模型的散射特性，进而获取舰船目标响应模型h(t，θ)。

4、基于目标响应模型的模拟回波信号生成

本发明采用基于目标响应模型和DRFM技术的扩展目标回波信号生成技术产生携带目标特征信息的高分辨雷达回波信号。

根据计算或试验获取的舰船等目标的模型转换为强散射点的几何分布模型，表示为：

$h(t,\mathrm{\θ})=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i\left(\mathrm{\θ}\right))\exp [-j2\mathrm{\πc}{\mathrm{\τ}}_i\left(\mathrm{\θ}\right)/\mathrm{\λ}],0\≤t\≤l_{\max }/c---\left(3\right)$

其中，M为扩展目标散射中心的个数；a_i(θ)是第i个散射中心的强度；τ_i(θ)是第i个散射中心的时延；θ是扩展目标的姿态角；λ是发射信号的波长；c是信号的传播速度；l_max是目标的最大尺寸。

雷达发射信号为s(t)，则雷达发射信号照射到目标时的回波响应表示为：

r(t，θ)=s(t)*h(t，θ)     (4)

扩展目标的回波信号的模型可以看成是雷达发射信号s(t)经过一个***后的输出，该***的***函数h(t，θ)取决于目标本身的电磁散射特性。该目标的散射特性不仅与目标自身的结构特性有关系，还与雷达发射信号的频率、信号特征以及目标的姿态角有关。对一般单脉冲雷达导引头，发射信号为点频单脉冲信号，s(t)可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}s\left(t\right)=\mathrm{rect}(t/T_s)\·\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\\ \mathrm{rect}\left(t\right)=\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}1& \left|t\right|\≤\frac{\mathrm{\τ}}{2}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.\end{array}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，T_s为点频单脉冲信号的周期；τ为矩形波的脉冲宽度；f₀为载波的中心频率。则扩展目标回波信号可表示为：

扩展目标回波r(t，θ)是一系列冲激函数的叠加，这些冲激函数具有不同的时间延迟、相位和幅度，它的作用就是对雷达发射信号做准确的延迟，并对回波信号的幅度和相位进行相应的调制。

本发明已经应用于我院研制的某型设备，取得了较好的效果。

Claims (1)

1.本发明涉及到一种基于目标特征响应模型的高分辨雷达模拟回波信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：①将雷达发射信号通过下变频器转换为基带信号，然后利用A／D转换器对基带信号进行采样；②利用采样信号循环存储技术，在写清零定时器和可控延时电路的控制下，将A／D采样信号存储在数据存储器内；③通过试验手段或电磁场数值计算方法，获取舰船、角反射器等目标的特征响应模型；④采用数字卷积滤波器技术，将雷达发射信号采样值与目标特征响应模型进行卷积运算，获取携带目标特征的雷达回波信号采样序列；⑤将获取的雷达回波信号采样序列经D／A转换为基带信号；⑥恢复后的基带信号通过上变频器转换为射频信号，经过功率控制后作为模拟雷达回波信号输出。由于上变频器和下变频器采用同一本振源，保证了输出模拟回波信号与雷达发射信号的相位信息相同，只是在其上叠加了目标特征信息，且在时间上有一个延迟，该延迟时间代表了模拟距离的数值。

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