雷達距離校準儀的工作原理是什麼?有哪些關鍵技術?

雷達距離校準儀的工作原理是什麼？有哪些關鍵技術？

工程師黃明星 發表於 2018-07-19 07:03:00

雷達是電子裝備的重要門類，從問世至今70餘年，以其在信息獲取、信號處理、測量*估等方面的獨特優勢，在二戰及戰後的各次重大局部戰爭及國民經濟中發揮著重要作用，雷達技術在某種程度上已成為電子科技水平的重要標誌。

隨著雷達測試的要求，雷達信號的模擬仿真技術也應運而生。雷達目標信號模擬是模擬仿真技術與雷達技術相結合的產物，通過模擬仿真方法產生包含目標信息的回波信號，對雷達系統進行調試、分析、標校和*價，已成為現代雷達系統設計的必要手段。

研製完成的雷達距離校準儀採用數字射頻存儲、寬帶微波IQ調製、小型化寬帶合成本振、微波開關濾波等新技術，實現相參雷達的目標回波信號模擬。主要用於雷達定期標校、雷達維修後的目標探測功能的檢驗及標定，以及雷達的科研生產測試，具有一定的通用性。

1 工作原理

雷達距離校準儀採用標準上架式臺式結構設計，考慮到儀器的高可靠性、可擴展性和操作方便性，儀器可分為本振模塊、上下混頻模塊、中頻信號處理模塊、雷達目標模擬模塊、IQ混頻模塊、CPCI主控平臺等部分，其中主控平臺由控制模塊、母板、鍵盤、液晶顯示器、通信接口、系統電源構成，其他部分均採用相對獨立的模塊化設計。各模塊均從儀器後面插入整機，通過母板獲取電源並完成數據交換。圖1是整機組成框圖。

圖1 整機組成框圖

本振模塊提供用於上下混頻模塊的本振信號，下混頻模塊接收來自輸入天線的射頻信號，輸出下混頻後的中頻信號。中頻處理模塊對中頻信號進行濾波放大及功率分配，目標模擬模塊實現雷達目標信號的距離與速度模擬。IQ混頻模塊對加入目標信息的中頻信號進行上混頻，輸出雷達目標模擬信號。所有的控制信息和設置參數由主控機通過CPCI總線發送到相應的模塊，所測得的數據通過接口總線匯總到主控機，由主控機完成相應的處理、顯示。

通過天線接收到的雷達信號送到雷達通用目標模擬信號發生器內。在本裝置內，採用「寬帶混頻接收、大容量高速數字射頻存儲」的方案，實現對雷達發射波形進行採集和存儲。按照先進先出順序，對存儲數據延時後回放，延時大小根據要模擬目標距離確定。目標速度模擬通過對雷達發射信號頻率進行都卜勒頻移來進行，接收和輸出通道分別對雷達發射信號和產生目標回波信號進行幅度調理。

雷達發射信號通過面板輸入埠、程控衰減、開關濾波、低噪聲放大後與本振進行混頻產生中頻信號，為了保證雷達發射信號不失真，接收通道瞬時帶寬大於雷達實際帶寬。混頻器輸出的中頻信號經過濾波後送到數字射頻存儲模塊。包含有目標距離和速度信息的中頻信號經過移相功分器分為兩路正交信號，與本振信號進行IQ混頻，由於上下混頻採用相同本振源，回放的雷達目標回波信號與雷達發射信號相參，控制輸出通道程控衰減器的衰減量，可改變目標回波大小，並能方便地實現與雷達接收機功率匹配。

2 關鍵技術的實現

2.1 數字射頻存儲與信號回放技術

大範圍、高精度的目標信號模擬是本項目的關鍵技術之一。其具體實現框圖如圖2所示，主要包括A/D轉換、降速控制、雙埠RAM及管理、升速控制、D/A轉換和延遲控制邏輯電路。

圖2 數字射頻存儲原理框圖

對採樣頻率和存儲深度進行計算和優化，以滿足瞬時帶寬和量化噪聲要求。升速電路通過利用FPGA搭建合適的高速數據選擇器來實現。延遲控制電路進行存儲器寫地址和讀地址之間的數學運算，實現目標回波距離的模擬。

2.2 都卜勒頻率源及目標速度模擬技術

雷達目標速度的檢測是通過對目標信號的都卜勒頻移測試來實現的，本項目中採用直接數字頻率合成技術來產生都卜勒頻率，原理框圖如圖3所示。

圖3都卜勒頻率源原理框圖

為了提高整機的集成度，採用兩片電路實現雙通道DDS，滿足本設計要求的速度範圍和速度解析度要求，可實現頻率範圍從直流到500 kHz、頻率解析度優於0.01 Hz、相位噪聲優於-130 dBc/Hz@10 kHz和近端雜散小於-70 dB的高性能都卜勒頻率輸出，完全能夠滿足整機性能要求。

為了實現目標速度的模擬，將都卜勒源輸出頻率信號與數字射頻存儲模塊輸出的中頻信號進行混頻，本設計中採用了正交IQ調製技術實現載波與無用邊帶信號的抑制，如圖3中虛線框所示。

通過調整相位偏移寄存器的值，提高邊帶抑制指標。校準後中頻輸出信號的載波抑制及鏡像抑制指標典型值為-50 dB，達到了比較滿意的效果。

2.3 寬帶微波IQ調製與校準技術

本設計中要實現頻率範圍1～18 GHz寬頻帶IQ混頻，具體為採用1 GHz～4 GHz射頻IQ混頻和4 GHz～18 GHz微波IQ混頻，能夠改善載波洩漏指標。調節IQ調製器的IQ輸入差模電壓，能夠改善鏡像抑制指標。本儀器具有1～18 GHz寬帶矢量調製功能，具有較大的靈活性。微波IQ調製器的頻率範圍可達3～20 GHz， IQ調製器校準電路原理框圖如圖4所示。

圖4 IQ 調製器校準電路原理框圖

數控移相器原理框圖如圖5所示。每一級電路由兩隻單刀雙擲開關、延時線構成，通過控制，可以選擇不延時或者延時。對於60 MHz中頻，第一級的移相為1°，第二級的移相為2°，第三級的移相為4°，第四級的移相為8°。故四階數控移相器可實現的移相範圍為0～15°，移相解析度為1°。

圖5數控移相器原理框圖

加入中頻移相器並進行IQ幅度補償後，儀器輸出信號的載波洩漏及鏡像抑制指標改善10～20 dB，典型指標達-40 dB，滿足了儀器的測試需求。

2.4 小型化低相噪寬帶合成本振技術

小型化寬帶本振源是本項目的關鍵模塊件之一，其性能指標直接影響到整機的技術指標。主要包括參考板、本振板、倍頻分頻板，提供用於上下變頻的本振信號，要求頻率範圍1 GHz～18 GHz，採用鎖相頻率合成加開關倍頻分頻濾波技術。

參考模塊提供本振板需要的10 MHz、1 GHz低相噪參考信號。在本儀器中使用了表面聲波壓控振蕩器及常規鎖相電路形式，實現了1 GHz低相噪參考信號輸出，其相噪為-130 dBc/Hz@10 kHz。

為了降低電路的複雜度，實現本振頻率合成的小型化，本振電路採用了體積與重量都較小的微波寬帶VCO進行設計。本振板原理框圖如圖6所示。本振板輸出的5～10 GHz信號經倍頻、分頻、濾波、放大、穩幅後輸出1～20 GHz本振信號，其典型輸出功率大於16 dBm。

圖6 本振模塊原理框圖

基於自主創新的電路拓撲結構設計的1～20 GHz寬帶本振在不使用YIG振蕩器的情況下，已經達到了常規用YIG振蕩器及取樣環技術所能達到的相噪指標，頻率解析度3.725 Hz，省掉了常規實現方法的小數分頻板和YIG驅動板，體積、重量均大幅降低，處於國內領先水平。

3 國內外同類產品對比分析

國外雷達目標模擬信號發生器及相關技術較為成熟，其技術方案從最初延遲線、光纖延遲到現在應用最為廣泛的數字射頻存儲技術等不同階段，其典型產品有美國郝爾利（Herley）公司研製的變色龍II雷達目標模擬器。

變色龍II雷達目標模擬器採用雙數字射頻存儲通道，每個通道都具有10位幅度解析度的信號採集與複製功能，射頻通道接收載頻1～18 GHz雷達發射信號，通過下變頻將載頻頻率搬移到中低頻上送數字射頻存儲通道，將模擬信號轉換為數位訊號進行存儲，主控系統根據要設置的目標距離信息和速度信息控制數字射頻存儲模塊產生距離延時，控制都卜勒源產生都卜勒頻率。並通過上變頻將含有目標距離和目標速度信息的基帶信號上混頻到射頻頻段回饋給雷達。由於接收下混頻和回放上混頻均採用同一本振源，使得回放含有模擬距離和速度信息的雷達目標回波信號與雷達發射信號相干。該雷達目標模擬器由兩個標準機櫃組成，體積與重量龐大，最大模擬目標距離300 km。

國內雷達目標信號發生器仍以專用為主，技術路線也主要基於從中頻上進行模擬，並儘量利用雷達中現有的技術。從中頻頻率和數位訊號進行目標距離模擬已成為雷達自檢自測試功能，從雷達發射頻率實現目標模擬仍以延遲線（包括光纖）方式為主，即通過對雷達發射信號進行不同延遲後，回饋給雷達接收埠來實現目標距離模擬。這種類型模擬器的主要不足是模擬距離不能任意設置，體積比較龐大，難以模擬長距離的目標。

本項目研製的雷達距離校準儀根據具體要求，採用適合現場使用緊湊型一體化結構，頻率覆蓋範圍寬，一臺儀器幾乎覆蓋了多種型號雷達的工作頻率範圍。

從與國內外同類產品的性能對比中，可知本產品已達到較高水平，跟國外產品的性能指標相當， 處於國內領先水平。與國外產品相比，在可擴展性、體積重量方面具有很大優勢。

在雷達距離校準儀的設計中，採用數字射頻存儲、寬帶微波IQ調製、小型化寬帶合成本振、微波開關濾波等新技術，實現對相參雷達的目標回波信號模擬。主要用於雷達定期標校、雷達維修後的目標探測功能的檢驗及標定等。可以產生和模擬固定距離靜目標、產生和模擬勻速運動動目標、接收埠增益可程控、目標回波信號大小可程控、採用橫軸為距離縱軸為幅度笛卡爾坐標圖顯示方式，實現目標距離動態刷新；產生和模擬雷達目標輸出信號與接收雷達發射信號相參，可接收和回放出脈衝體制和連續波體制雷達目標信號，包括脈內調製特徵為二相碼、四相碼、線性調頻的雷達目標信號，適應脈衝體制和連續波體制雷達的目標距離和速度探測性能測試。

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