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1 引言 隨著(zhù)科技的發(fā)展和需求的不斷提高，雷達系統變得越來(lái)越復雜，種類(lèi)越來(lái)越多，對于復雜系統的設計、監測和維護變得越來(lái)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(wèn)題的有效手段，雷達系統模擬是數字技術(shù)和雷達技術(shù)相結合的產(chǎn)物，具有靈活性和經(jīng)濟性的優(yōu)點(diǎn)。用軟件建立符合用戶(hù)需求的模型，區別于實(shí)物模型易受環(huán)境、物質(zhì)、技術(shù)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(fā)射波形經(jīng)過(guò)延遲和多普勒頻移后的復現波形，而且波形振幅受到天線(xiàn)方向圖的雙程波瓣調制，利用DSP的高速計算性能，可以實(shí)現目標回波信號的實(shí)時(shí)計算輸出。 2 雷達目標回波的模擬 2.1 點(diǎn)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(diǎn)目標。設雷達發(fā)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(jīng)過(guò)恒定多普勒理論簡(jiǎn)化后可表示為： 其中τ為回波信號的雙程時(shí)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(diǎn)目標情況。 2.2 點(diǎn)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(jīng)過(guò)雷達接收機的相干解調后輸出的信號,可表示為： 上式?jīng)]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(jiǎn)化為： 設相干脈沖雷達脈沖重復間隔為T(mén)，復調函數u(t)＝a（t）exp[jθ(t)]，則點(diǎn)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(shí)可取為0，雷達點(diǎn)目標回波的全部信息都包含在這兩個(gè)正交分量中。fd是該點(diǎn)目標的多普勒頻移；a（kT）為雷達發(fā)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(guān)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(diǎn)有關(guān)，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(cháng)，R為目標與雷達間的距離，G為受天線(xiàn)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(xiàn)的調制 單脈沖跟蹤雷達采用和差波束來(lái)對目標進(jìn)行跟蹤，這種雷達系統的天線(xiàn)在一個(gè)角平面內有4個(gè)部分重疊的子波束，如圖1所示。 4個(gè)子波束分別對接收到的目標回波進(jìn)行幅度調制，可以得到4路信號，雷達將這4路信號進(jìn)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(xiàn)中心指向的偏離誤差，所以可以調整天線(xiàn)指向，實(shí)現對目標的跟蹤。從波束截面圖方向看，4個(gè)波束的中心位置如圖1所示，其中原點(diǎn)為天線(xiàn)軸向，α軸為方向角方向，β軸為俯仰角方向，設由4個(gè)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(jìn)行處理，也可以看作是和差方向圖調制的結果。以?xún)蓚�(gè)波束為例，將兩個(gè)子波束、和波束、差波束的方向圖表示如圖2所示。 要模擬點(diǎn)目標Σ，Δα，Δβ信號，最直接的辦法是產(chǎn)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(jìn)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(gè)角度考慮，采用4個(gè)精密衰減器來(lái)模擬4個(gè)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(gè)目標信號通道，在數據輸出時(shí)再使用衰減器來(lái)產(chǎn)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(shí)時(shí)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(shí)間間隔T獲得的目標信息。當這個(gè)時(shí)間間隔足夠小時(shí)，可以用直接段（或旋）去逼近目標的飛行軌跡，同時(shí)可以認為在這樣一個(gè)微小的時(shí)間間隔內目標是勻加速運動(dòng)的。因此任意飛行軌跡可視為直線(xiàn)運動(dòng)和勻速空間圓周運動(dòng)的組合。 根據以上兩種基本運動(dòng)軌跡，可以組合出很多種復雜的運動(dòng)軌跡，圖3為用TMS320C6201實(shí)現的，基于直線(xiàn)和圓周運動(dòng)進(jìn)行組合而產(chǎn)生的一個(gè)復合軌跡。 4 基于TMS320C6201的實(shí)現 4.1 TMS320C6201簡(jiǎn)介 TMS320C6201是TI公司推出的一款定點(diǎn)數字信號處理器，CPU內含有8個(gè)并行處理的運算單元，指令長(cháng)達256b，采用改進(jìn)的哈佛結構，即程序存儲器和數據存儲器分開(kāi)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(shí)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(xiàn)XB，自舉控制邏輯、多通道緩沖串口、定時(shí)、中斷選擇子、Power－down邏輯。軟件設計可采用C語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言和線(xiàn)性匯編語(yǔ)言等。 4.2 基于TMS320C6201的實(shí)現 由于模擬雷達回波信號有實(shí)時(shí)性的要求，因此在實(shí)現過(guò)程中，采用了C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程的方法，框架程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，對運行速度要求高的子程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，因此這就涉及到C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)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(shí)，主調C程序會(huì )自動(dòng)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(shí)A0－A9，B0－B9寄存器的值會(huì )自動(dòng)恢復，其余則需人工恢復； （2）主調C程序進(jìn)行匯編函數調用時(shí)，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(cháng)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(gè)數多于10個(gè)時(shí)，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(diǎn)型，則放在寄存器A4中返回，如果返回值是雙精度或是長(cháng)雙精度型，則放在A(yíng)5：A4中返回，如果返回值是一個(gè)結構類(lèi)型，則將結構地址放在A(yíng)3中返回。 （4）任何一個(gè)在匯編語(yǔ)言中聲明的對象都要使其在C中是可訪(fǎng)問(wèn)的，那么在匯編語(yǔ)言中必須用.def或.global進(jìn)其聲明為外部變量。同樣在匯編語(yǔ)言中要引用C函數或對象時(shí)，必須用.ref或.global將C對象聲明，將這產(chǎn)生一個(gè)在匯編語(yǔ)言函數中沒(méi)有定義的由鏈接器辨識的外部引用。 圖3即為用TMS320C6201實(shí)現的目標軌跡之一，將整個(gè)系統放在硬件平臺上進(jìn)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(xiàn)調制后的目標回波信號振幅。 5 目標通道實(shí)現 計算機通過(guò)PCI接口卡和模擬器實(shí)現數據接口。目標數據存儲器采用了高速大容量同步動(dòng)態(tài)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(gè)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(guò)PCI接口把事先計算好的目標數據送往輸入雙口RAM，再通過(guò)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(jìn)行天線(xiàn)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(jīng)過(guò)D/A變換后得到。 6 結語(yǔ) 本文簡(jiǎn)要介紹了雷達視頻模擬的理論，并介紹了C語(yǔ)言和匯編程序混合編程的一些約定，對目標軌跡的模擬進(jìn)行了分析，基于簡(jiǎn)單的基本軌跡實(shí)現各種復合軌跡，較逼真地復現實(shí)際環(huán)境中目標的運動(dòng)。 |
