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1 引言 隨著科技的發展和需求的不斷提高，雷達系統變得越來越復雜，種類越來越多，對于復雜系統的設計、監測和維護變得越來越困難。正是在這樣的情形下，使雷達模擬成為解決這一系列問題的有效手段，雷達系統模擬是數字技術和雷達技術相結合的產物，具有靈活性和經濟性的優點。用軟件建立符合用戶需求的模型，區別于實物模型易受環境、物質、技術等條件的約束，具有良好的可控性。 雷達目標模擬是雷達系統模擬的重要組成部分。雷達目標信號可以視為發射波形經過延遲和多普勒頻移后的復現波形，而且波形振幅受到天線方向圖的雙程波瓣調制，利用DSP的高速計算性能，可以實現目標回波信號的實時計算輸出。 2 雷達目標回波的模擬 2.1 點目標回波信號 由于本文要模擬的雷達目標尺寸小于雷達分辨單元，因此將此目標視為點目標。設雷達發射信號表示為： 其中u（t）是復調制函數，f0是載頻。 則目標回波的視頻信號經過恒定多普勒理論簡化后可表示為： 其中τ為回波信號的雙程時延，fd為目標回波的多普勒頻移， 。 上式適用于v＜＜c，BT＜＜c/2v的點目標情況。 2.2 點目標回波的相干視頻模擬 目標回波的相干視頻信號是指目標回波信號經過雷達接收機的相干解調后輸出的信號,可表示為： 上式沒有考慮復反射系數γ引起的附加相移，在不考慮τ及由τ引起的附加固定相位項exp（－j2πfoτ），則上式可簡化為： 設相干脈沖雷達脈沖重復間隔為T，復調函數u(t)＝a（t）exp[jθ(t)]，則點目標回波的相干視頻信號采樣可用其正交分量表示為： 其中k表示采樣號，θ(kT)為目標回波的初始相位，計算時可取為0，雷達點目標回波的全部信息都包含在這兩個正交分量中。fd是該點目標的多普勒頻移；a（kT）為雷達發射信號復調制函數的包羅函數，A（kT）＝ ，γ為復反射系數，他與雷達截面積σ的關系為 ，式中φ表示反射信號附加的相移。雷達截面積不僅與目標的大小、反射特性等特點有關，還受目標起伏特性的影響，此處雷達截面積采用swelling模型。λ為雷達波長，R為目標與雷達間的距離，G為受天線方向圖影響的雷達單邊功率增益，L為系統損耗因子。 因此，雷達回波的數字模擬主要是模擬目標的振幅A（kT）和多普勒頻移fd。 2.3 天線的調制 單脈沖跟蹤雷達采用和差波束來對目標進行跟蹤，這種雷達系統的天線在一個角平面內有4個部分重疊的子波束，如圖1所示。 4個子波束分別對接收到的目標回波進行幅度調制，可以得到4路信號，雷達將這4路信號進行和差處理，由差信號的大小可以得到目標位置（方位角、俯仰角）與天線中心指向的偏離誤差，所以可以調整天線指向，實現對目標的跟蹤。從波束截面圖方向看，4個波束的中心位置如圖1所示，其中原點為天線軸向，α軸為方向角方向，β軸為俯仰角方向，設由4個波束接收到的目標信號為A1，A2，A3，A4，那么和信號Σ，方位差信號Δα、俯仰差信號Δβ可以分別表示為： Σ＝A1＋A2＋A3＋A4 Δα＝A2＋A4－A1－A3 Δβ＝A1＋A2－A3－A4 雷達按照上式對回波信號進行處理，也可以看作是和差方向圖調制的結果。以兩個波束為例，將兩個子波束、和波束、差波束的方向圖表示如圖2所示。 要模擬點目標Σ，Δα，Δβ信號，最直接的辦法是產生一路Σ信號，然后分別用圖2所示的和、差波束方向圖對數據進行調制，從而得到Σ，Δα，Δβ信號，但是必須采用多通道結構。如果換一個角度考慮，采用4個精密衰減器來模擬4個子波束的調制，得到4路信號后，再使用上式求出Σ，Δα，Δβ信號就可以只用一個目標信號通道，在數據輸出時再使用衰減器來產生Σ，Δα，Δβ信號，目標的航跡在模擬器中可按主機傳送的參數，由DSP實時計算得出。 3 目標軌跡的模擬 由于雷達獲得的是離散的目標信號，即以一定時間間隔T獲得的目標信息。當這個時間間隔足夠小時，可以用直接段（或旋）去逼近目標的飛行軌跡，同時可以認為在這樣一個微小的時間間隔內目標是勻加速運動的。因此任意飛行軌跡可視為直線運動和勻速空間圓周運動的組合。 根據以上兩種基本運動軌跡，可以組合出很多種復雜的運動軌跡，圖3為用TMS320C6201實現的，基于直線和圓周運動進行組合而產生的一個復合軌跡。 4 基于TMS320C6201的實現 4.1 TMS320C6201簡介 TMS320C6201是TI公司推出的一款定點數字信號處理器，CPU內含有8個并行處理的運算單元，指令長達256b，采用改進的哈佛結構，即程序存儲器和數據存儲器分開設置，程序存儲器為512kb，或作為外部存儲器的Cache。數據存儲器為512kb，指令周期為5ns，時鐘為200MHz。理想情況下，每次執行8條指令，故可以達到1600MIPS，芯片內集成外設包括：外存儲器接口EMIF，主機口HPI，擴展總線XB，自舉控制邏輯、多通道緩沖串口、定時、中斷選擇子、Power－down邏輯。軟件設計可采用C語言，匯編語言和線性匯編語言等。 4.2 基于TMS320C6201的實現 由于模擬雷達回波信號有實時性的要求，因此在實現過程中，采用了C語言與匯編語言混合編程的方法，框架程序使用C語言編寫，對運行速度要求高的子程序采用匯編語言編寫，因此這就涉及到C語言與匯編語言混合編程的接口約定，現將部分接口約定總結如下： （1）C函數調用匯編程序時，主調C程序會自動保存A0－A9，B0－B9寄存器的值，其余寄存器的值如有必要需人工保存，返回時A0－A9，B0－B9寄存器的值會自動恢復，其余則需人工恢復； （2）主調C程序進行匯編函數調用時，函數的參數傳遞遵循以下規則：8/16b參數依次存入A4，B4、A6、B6、A8、B8、A10、B10、A12、B12；如果傳遞的是長型，雙精度等32/64b參數，則將參數存入一對奇偶寄存器對中，如A5：A4，B5：B4，A8：A7等。當需要傳遞的參數個數多于10個時，則多出的參數置于stack中。 （3）如果C調用函數中做了正確的函數返回聲明，則被調用的匯編函數可以返回有效值。如果返回值是整型或32位的浮點型，則放在寄存器A4中返回，如果返回值是雙精度或是長雙精度型，則放在A5：A4中返回，如果返回值是一個結構類型，則將結構地址放在A3中返回。 （4）任何一個在匯編語言中聲明的對象都要使其在C中是可訪問的，那么在匯編語言中必須用.def或.global進其聲明為外部變量。同樣在匯編語言中要引用C函數或對象時，必須用.ref或.global將C對象聲明，將這產生一個在匯編語言函數中沒有定義的由鏈接器辨識的外部引用。 圖3即為用TMS320C6201實現的目標軌跡之一，將整個系統放在硬件平臺上進行調試，可以得到與其要求的目標軌、目標的多普勒頻移和天線調制后的目標回波信號振幅。 5 目標通道實現 計算機通過PCI接口卡和模擬器實現數據接口。目標數據存儲器采用了高速大容量同步動態存儲器（SDRAM），SDRAM映射在TMS320C6201的外部存儲器的空間的CE2和CE3空間，EPROM映射在CE1空間，而輸入輸出雙口RAM都映射在CE0空間。 整個工作流程如下： （1）在主機中根據雷達調試要求設置載機高度、載機速度、雷達載頻以及目標的各項參量，預先計算目標數據。 （2）主機通過PCI接口把事先計算好的目標數據送往輸入雙口RAM，再通過TMS320C6201把輸入雙口RAM中的數據存入目標SDRAM中。 （3）在主機和TMS320C6201將目標數據送入存儲器后，TMS320C6201根據下一幀的PRF值，計算目標數據的存放地址，從該地址取出一幀目標數據送往目標幅度輸出雙口存儲器，再由輸出雙口存儲器輸出到后級電路，TMS320C6201還要根據當前的波束指向輸出衰減器控制數據，對目標信號進行天線方向圖調制，形成目標和差信號。 （4）數字、視頻輸出 信號合成與輸出電路將目標、雜波、噪聲數據合成得到數字雷達回波信號后直接輸出Σ，Δα，Δβ數字信號，視頻輸出由Σ，Δα，Δβ數字信號經過D/A變換后得到。 6 結語 本文簡要介紹了雷達視頻模擬的理論，并介紹了C語言和匯編程序混合編程的一些約定，對目標軌跡的模擬進行了分析，基于簡單的基本軌跡實現各種復合軌跡，較逼真地復現實際環境中目標的運動。 |
