2系统设计要求

本模拟器是为了对干扰机性能评估而研制开发的，模拟器在设计上满足通用性要求，能模拟不同体制雷达的功能和性能。如连续波雷达信号，脉冲压缩信号，脉冲多普勒雷达信号，和差波束相控阵雷达信号，主要信号方式有单脉冲，连续波信号。调制形式有调频(线性调频和非线性调频)和调相(巴克码和伪随机码)。雷达视频模拟器是整个仿真系统的重要组成部分，模拟器不仅要产生目标回波及杂波信号，还要产生针对干扰侦察机的回波信号及发射信号，由于雷达仿真系统和干扰侦察机处在同一实验环境，经过方向图调制的发射信号通过馈线方式传送给干扰机，没有空间时间延迟，因此干扰机的回波信号和发射信号在距离时间上是重叠的。干扰机产生的干扰信号也会和干扰机的回波信号叠加在一起，模拟侦察机接收的发射信号功率受雷达距离方程调制，整个雷达仿真事件的过程要受控制台预先设置的场景控制，各种参数的设置要满足信号处理性能指标要求。

在模拟器设计上不同体制雷达的目标、杂波类型参数有所不同，要结合具体雷达的参数设置，例如PD体制的雷达目标、杂波产生要比常规体制脉冲雷达的目标、杂波产生复杂得多，要考虑距离和速度模糊问题，模糊的目标在不同CPI间距离位置不同，多谱勒频率也会在不同的滤波器中出现，信号处理根据这些差异解出目标的真实距离和速度。雷达视频模拟器需要设置的参数很多，如杂波的种类、杂波的分布类型、杂波的区域、杂波的中心频率等。目标的类型、速度、RCS截面积，天线方向图，天线转速等，天线转速决定了一个波束宽度内要产生的目标回波数。雷达视频模拟器参数设置和整个雷达仿真系统紧密结合在一起，只有设置正确信号处理才能得到正确的处理结果。

3 目标回波模拟

目标回波信号的模拟采用相干视频信号模拟的方法，目标回波位置是通过对基准信号的延迟检测来确定的。目标信号形式，目标类型、截面积、目标的距离、方位中心点通过控制台发送给模拟器，模拟器每帧接收一次数据，通过计算重复周期、天线方向图波瓣宽度和天线扫描周期的关系在下帧目标相应的距离和方位上产生带方向图调制具有一定宽度的脉冲串回波。再在幅度上乘以目标功率因子u，相位上乘以多谱勒频移fd，就形成了相干视频回波信号。

设相干脉冲雷达的脉冲重复周期为T，则点目标回波的相干视频SI，SQ信号可表示为：

式中，k表示采样序列，θ(kT)为目标回波的初始相位。

对干扰机目标回波的模拟要和发射机映射功率相关，根据单基雷达方程可知，雷达接收回波功率PR为：

式中，PT为雷达发射功率，G为雷达天线发射增益，σ为目标散射截面积，R为目标距离，λ为雷达波长，L为天线传输损耗。 由上式可知，模拟器产生的干扰机目标回波功率与目标模拟器的发射功率成正比，与距离的4次方成反比，与目标截面积成正比，此外目标回波功率还受雷达接收天线方向图和模拟器发射天线方向图的调制。

此外，目标回波幅度具有一定的起伏特性，通常将雷达目标分为Swerling(I～Ⅳ)四种模型，也就是根据目标的雷达截面积(RCS)的概率密度函数和相关函数将目标区分这四种类型。典型的SwerlingI型和SwerlingⅡ型目标，其RCS的概率密度函数都是指数分布：

其中，σ为目标起伏全过程的平均值。Swerling I型和SwerlingⅡ型目标的信号幅度都是瑞利分布，其区别在于Swerling I型为慢起伏，即从一次扫描到下一次扫描是不相关的，而脉冲间是相关的；SwerlingⅡ型为快起伏，即脉冲与脉冲间的起伏是统计独立的。 SwerlingⅢ型和SwerlingⅣ型目标，其RCS为χ2分布：

其中，σ也是目标起伏全过程的平均值。SwerlingⅢ型和SwerlingⅣ型目标回波的振幅特性为Rice分布，而SwerlingⅢ型为慢起伏，SwerlingⅣ型为快起伏。目标起伏模型的数据库可以在初始化阶段由计算机直接调入FPGA输入缓存内。模拟器根据终端发送的目标类别调用数据库进行相关运算。

4杂波模拟

杂波信号是雷达回波信号的重要组成部分，对杂波进行模拟，首先要选取杂波模型。由于实际影响杂波统计特性的因素很多，所以无法从理论上预测杂波的统计特性，实际上环境杂波信号的数学形式与目标的信号形式是一样的，只是幅度的起伏特性和强度不同，以及多普勒频谱的变化范围不同而已。杂波起伏调制函数包含两个参数，一个是杂波幅度起伏模型函数，另一个是杂波多普勒频率起伏模型函数。在早期的雷达系统中，由于雷达的分辨率较低，雷达杂波被认为是大量近似相等的独立单元散射体的回波相互叠加。杂波的幅度分布特性近似服从高斯分布模型。但是，现代雷达的分辨率越来越高，使得相邻散射单元的回波在时间性和空间上均存在一定的相关性，因而上述假设已经不成立，而且许多实测数据也已经证实，在低仰角或高分辨率雷达情况下，杂波分布的统计特性明显偏离高斯分布特性。所以，现代雷达环境杂波的幅度分布特性，用非高斯分布模型来模拟能更精确地描述实际雷达回波的统计特性。 非高斯幅度概率密度分布的常用模型主要有韦伯尔分布、对数正态分布和K分布三种形式。目前有两种产生方法具有代表性，其一是球不变随机过程法(SIRP)，这种方法的基本思路是：产生一个相关的高斯随机过程，然后用具有所要求的概率密度函数(pdf)的随机序列进行调制。这种方法受所求序列的阶数及自相关函数的限制，同时计算量非常大，不易形成快速算法。其二是零记忆非线性变换法(ZMNL)，这种方法的基本思路是：首先产生相关的高斯随机序列，然后经某种非线性变换得到需要的相关非高斯随机序列。这种方法比较经典，硬件实现相对简单，首先通过伪随机码序列电路产生均匀分布的随机变量，通过设定相关系数线性滤波器变换后，经指定的非线性设备就可以产生不同分布非高斯序列，具体实现方法可以参考文献。

5硬件组成

为了满足不同雷达体制的模拟要求，系统要具有一定的可编程性，本雷达模拟器采用PC104加FPGA组合的结构，系统框图如图1所示。

PC104为总线嵌入式单板计算机，其主要配置为550 MHz Intel Mobile PentiumⅢCPU芯片，256 MBSDRAM，128 MB FLASH RAM，内装VxWorks实时操作系统。主要用来存储目标、杂波数据库，和FPGA进行数据交换以及和终端、监控网络通讯任务，FPGA采用Altera公司新推出的Stratix系列大容量的现场可编程门阵列器件。他内部集成了大容量存储器和高速DSP模块，适用于复杂运算，主要完成不同体制雷达工作时序配置，参数分解，目标、杂波生成及相关运算。 由于模拟不同体制雷达的电路结构不同，全部集成一块芯片中完成不太现实，系统应具有自动软件加载功能，根据模拟不同雷达态势加载相应的软件。雷达参数设置主要有：雷达工作频段，脉冲重复频率，天线转速，天线波束宽度，信号调制方式，目标运动速度，杂波分布类型及区域，杂波谱宽等，这些参数在程序初始化阶段发送到模拟器。目标航迹位置参数包括目标起伏分布类型、目标代号、目标的距离、方位中心点，目标RCS标志。

6工作原理及实现

6.1数据传输

PC104和FPGA之间有16位数据总线和地址总线，通过地址译码电路，PC104内存数据被快速写入FPGA命令寄存器和双口RAM内，第一类传输数据是雷达工作模式命令参数，第二类是波形数据库，包括不同时宽线性调频波形码数据，杂波位置及幅度调制数据，辛格、高斯、余割平方三种类型方向图调制数据，PD模式距离模糊数据表格，这个过程在初始化期间完成。在工作过程中PC104还承担目标方位、距离信息数据传输，FPAG从输入缓存RAM内读出目标参数进行相关运算。在本模拟器的实现中，PC104除了传送数据外还要和终端、监控系统进行其他通讯任务。

6.2 目标、杂波数据处理

由于数据库提供的数据是最基本的核数据，主要是目标、杂波的位置信息，因此大量数据产生在FPGA内完成，FPGA根据目标位置触发和工作参数实时产生各种形式的目标数据，如目标方向图调制，波束宽度内目标数量，目标的多谱勒频率，目标类型等，根据杂波位置参数在相应区域产生杂波数据，包括杂波类型，杂波相关，杂波谱宽及杂波功率等，使产生的数据近似于真实雷达回波数据。

6.3 信号输出

按雷达定时信号要求将I，Q数字视频信号传送到数模转换器变成接收机基带信号或送数字视频信号到信号处理机供调试使用。雷达模拟器时序关系通过PC104控制，由可编程器件FPGA产生实现。这些时序、参数通过驱动设备送往模拟器各个处理单元，FPGA将产生数字信号存储到输出缓存，并按雷达天线扫描方式顺序输出，图2、图3、图4是不同体制雷达目标产生及杂波信号生成画面。

7 结语 该雷达模拟器采用了软硬件相结合的方法实现，通过嵌入式计算系统将数据和命令参数加载到硬件系统后，再由FPGA根据雷达的工作参数实时处理，形成所需的目标、杂波回波信号。

系统采用通过目标、杂波模型来模拟目标、杂波数据，满足不同体制雷达目标、杂波数据的需求，硬件采样PC104+FPGA的方法使系统结构紧湊在一块电路板上，通过软件配置就可完成不同体制雷达目标、杂波环境的模拟。对于干扰侦察机测试具有重要的价值。