雷达目标特性实时调制方法探究范文

本站小编为你精心准备了雷达目标特性实时调制方法探究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《火控雷达技术杂志》2016年第3期

摘要：本文研究了雷达目标实时模拟中的目标特性调制问题。在目标调制原理的基础上，研究了时域卷积和频域卷积两种目标特性调制方法及其实现结构，对两种方法的计算量及输入输出延迟时间进行了对比，分析了各自的优缺点，并在硬件平台进行了验证，为工程实现提供了一种参考依据。

关键词:雷达目标模拟；数字射频存储；卷积；FFT0

引言

随着雷达技术的迅速发展，现代雷达系统正变得日益复杂、功能多样，测试实验较为困难，加上外场进行雷达检测的技术难度大、成本高，因此需要在实验室环境下采用半实物仿真来测试雷达性能。在半实物仿真中，雷达目标模拟技术用于实时模拟雷达目标回波，能够大大降低雷达研制成本，缩短雷达研制周期，其技术贯穿于雷达研制、调试及使用的各个阶段。为了提高仿真试验中目标模拟的逼真性，专家们对雷达目标特性进行了深入的研究，提出了大量目标RCS模型。这些模型可分为点目标模型和扩展目标模型两大类。点目标模型主要用于常规雷达，将目标作为一个点处理，而扩展目标模型主要用于高分辨率雷达仿真。对于点目标模型，只需要模拟目标幅度起伏、距离位置及速度等即可，对于高分辨雷达来说，为了保证目标模拟的逼真性，目标特性调制方法至关重要。尽管目前目标特性调制技术取得了长足发展，但是对于不同的调制方法的应用研究还不够深入，特别是如何根据目标模拟器平台的特点采用不同的目标特性实时调制方法是工程实现亟待解决的问题。本文对目标调制的时域卷积调制、频域卷积调制方法及其实现结构进行了深入研究，从输入输出延时及计算量方面进行了对比分析;此外，在某射频仿真实验室的目标模拟器平台上进行了测试，验证了结论的可靠性，为工程实现提供了一种参考依据。

1目标特性调制原理

雷达辐射电磁能量并检测目标反射的回波，回波信号的特性提供有关目标的信息，整个过程可以看作是目标特性对雷达发射信号进行了调制。这里以某高分辨雷达为例来说明，目标特性为h(t)，雷达发射信号为s(t)，雷达发射信号经过目标反射后，回波为h(t)*s(t)，其中“*”表示卷积。在雷达端进行匹配滤波处理去掉雷达发射信号s(t)信息后，即可得到目标特性的脉压结果h(t)，实际雷达处理中，目前已经全部采用数字化处理，脉压结果是根据雷达采样率得到的离散数字信号，其物理含义即目标特性。根据信号与系统理论，目标信号建模为雷达信号通过目标特性调制系统的输出，目标特性调制的实现即将目标特性信号h(t)与雷达发射信号s(t)进行卷积的过程。需要说明的是，随着数字器件的高速发展，目前几乎所有的信号处理均在数字域内完成，因此，后面的论述均基于数字信号进行说明，即目标特性信号为h(n)，雷达发射信号为s(n)。卷积运算是数字信号处理的核心运算之一，有很广的应用领域。从大的范围讲，卷积运算可以分为时域算法和频域算法两种实现方式。其中时域算法是根据卷积运算定义的直接实现形式;频域算法是根据圆周卷积定理，将时域卷积转化为频域相乘来完成。

2时域调制及实现结构

设雷达发射信号s(n)和干扰调制序列h(n)分别为长度M、N的两个离散序列，s(n)和h(n)的卷积输出为:(n)=x(n)*h(n)=∑N－1k=0x(n－k)h(k)，n=0，1，…，M+N－2(1)卷积结果y(n)的长度L=M+N－1。根据式(1)可以得到卷积运算的时域实现结构，即卷积运算结果y(n)可以将输入序列x(n)经移位寄存后与干扰调制系数h(n)相乘，最后将各乘积求和得到，因此时域卷积调制也是卷积运算的直接实现结构。采用卷积运算的时域直接结构进行目标特性调制，卷积结果序列y(n)可以随着输入雷达样本信号s(n)的连续输入而连续输出。整个时域卷积运算的输入输出延迟仅有乘法器和加法器的运算延迟，当s(n)输入数据率为fs时，设一次乘加运算需要k个时钟周期，则时域卷积运算的输入－输出延迟为:Δt=k/fs(2)，对于目标特性序列长度为N的调制运算，每产生一个卷积结果点y(n)，需要N次乘法运算和N次加法运算，即时域实现结构每产生一个卷积结果点需要的乘法运算次数和加法运算次数直接由调制序列h(n)的长度N决定。

3频域调制及其实现结构

卷积运算的频域算法其基本原理是根据圆周卷积定理，两个序列离散傅立叶变换的乘积等于它们圆周卷积的离散傅立叶变换。若输入序列s(n)的长度为M，调制序列h(n)的长度为N，为了方便，则二者线性卷积后的输出序列y(n)长度为L=M+N－1，分别取x(n)和h(n)的L≥M+N－1点的离散傅立叶变换X(k)和H(k)，将两者相乘再求其逆变换即可得到两个序列的圆周卷积，并且此时的圆周卷积与线性卷积相等。y(n)=IFFT［FFT(x(n))•FFT(h(n))］(3)根据式(3)可以得到频域卷积运算的实现结构，即卷积运算结果y(n)可以将输入序列x(n)经FFT处理后与目标特性系数h(n)的FFT结果相乘，最后将其乘积做IFFT得到。采用频域卷积进行目标特性调制，卷积结果需要等到x(n)和y(n)序列完成FFT并相乘做完IF-FT后才能输出，整个运算的输入－输出延迟为2次L点FFT的时间，当s(n)输入数据率为fs时，则频域卷积运算的输入输出延迟为:Δt=2Nfs+ρ•2Nlog2(2N)+2Nfs(2)从图4可以看出，对于目标特性序列长度为N的调制运算，整个频域卷积过程的计算主要包括2次L点FFT和1次L点IFFT运算。

4对比分析

理论上来说，时域卷积与频域卷积均可有效的实现目标特性调制，但是对于雷达半实物仿真而言，目标模拟器的工程实现在不同的应用下需求不同，因此，从工程实现的角度对两种方法进行对比分析是非常有必要的，本文中从输入输出延时及计算量两个方面进行了对比。根据上述时域卷积及频域卷积的实现结构，当调制序列h(n)长度为N时，对时域调制、频域调制的运算效率(每计算一个卷积结果点需要的乘法运算次数)。其中fs为输入数据率，设乘法运算时钟频率与输入序列x(n)数据率fs相同，每次乘法运算需要k个时钟周期完成。当调制序列h(n)长度N＞32时，采用频率调制每计算一个卷积结果点需要的乘法运算次数小于时域调制的乘法运算次数，且当卷积调制点数N越大，运算效率提高越明显。但采用频域调制与时域调制对比，具有较大的输入输出延迟。

5基于某DRFM平台的对比数据

常用的目标特性调制通常采用数字射频存储(DigitalRadioFrequencyMemory，缩写为DRFM)的方法。DRFM系统对接收到的雷达信号进行高速采样、存储、目标特性调制处理，生成与雷达信号相参的目标信号，已成为射频仿真领域一个非常重要的技术措施。

针对本文的分析结果，基于某射频仿真实验室的目标模拟器平台，该平台采用DRFM技术，采样率为3Gsps，能够适应最大瞬时带宽为1GHz;分别将时域卷积与频域卷积算法在该平台上实现，得到结论如下:1)目标调制运算的输入输出延迟对于该特定DRFM平台，采用时域卷积的方法，调制模块输入输出延时为100ns，而采用频域卷积的方法调制模块输入输出延时为6.5μs;2)目标特性序列的长度根据目标特性调制原理，目标特性序列h(n)的长度直接决定经过卷积调制产生的目标信号距离覆盖范围。因此在运算资源有限的情况下，需要进行高运算效率的调制算法设计，尽可能拓展调制序列h(n)长度，以实现大的距离覆盖范围。对于该特定DRFM平台，目标特性调制算法在FPGA内实现，平台内FPGA资源有限，采用时域卷积的方法，调制序列h(n)的长度只能达到32，而采用频域调制的方法，调制序列h(n)的长度能达到1024。实际平台验证与前文中对比分析结论一致。

6结论

雷达目标模拟技术贯穿于雷达研制、调试及使用的各个阶段，目标特性实时调制是目标模拟的关键技术，本文对时域调制及频域调制方法进行了研究，对两种方法的运算量和输入输出延迟的对比分析，结果表明，时域卷积输入输出延时小，运算量大，频域卷积输入输出延时大，运算效率高，并且通过实物DRFM平台对分析结论进行了验证，为工程实现提供了重要的参考依据。

参考文献:

［1］黄培康，殷红成．雷达目标特性［M］．北京:电子工业出版社，2005．

［2］韩俊宁．准数字示样的DRFM技术［D］．西安:西安电子科技大学，2006．

［3］万永伦．宽带雷达信号产生与处理技术［D］．西安:西安电子科技大学，2007．

［4］王宗博．宽带宽脉冲信号干扰技术研究［D］．北京:北京理工大学，2009.

作者：刘佩颐 单位：电子科技大学