基于D-F-D架构实现宽带射频阵列集群目标模拟系统

技术领域

本发明属于宽带雷达系统的半实物仿真系统目标模拟领域，具体地，涉及基于D-F-D架构实现宽带射频阵列集群目标模拟系统。

背景技术

随着战场电磁环境日益复杂，新体制雷达、未知信号、复杂波形层出不穷，加之无人机蜂群饱和攻击，或者成体系化作战的无人作战“族群”的涌现，现代雷达系统信息化程度也随之不断提升，适应多目标、多方向、多层次作战环境的宽带多波束雷达是未来发展的重要方向之一。如何在内场进行在宽带多波束雷达照射下的复杂电磁模拟是亟需解决的问题。

传统的多目标模拟方法多采用多通道三元组合成方式，目前的大阵结构一个通道只能模拟一个位置，随着目标数量的增加，需要多套的精控系统和粗控系统，系统复杂，成本极高，且只能适应窄带或者合成宽带信号。

传统的射频仿真系统无法实现瞬时大带宽回波目标的空间角位置模拟，因为传统的射频阵列系统中链路幅相一致性主要是通过调整相应频点的移相器、衰减器的控制字来保证，而移相器和衰减器只能同时响应一个频点的控制字，其余带内频点上的相位畸变无法补偿，导致信号经三元组天线辐射之后无法在空间完成位置合成，所以传统的射频阵列系统并不具备宽带信号模拟的能力。

对现有技术文献检索发现：

专利文献CN112947119B，专利名称为“一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统及方法”的中国专利，该专利文献提出了一种“信号模拟器+馈电通道”一体化的方法，通过数字域调制信号幅度相位，最终实现空间面目标的模拟，其不足在于：该方法依靠基带产生模块产生雷达信号，仅能模拟被动雷达的战场环境，无法接入实际装备模拟主动探测雷达的真实场景，应用场景较为单一。

专利文献CN113296068B，专利名称为“通过数字前端调制实现射频目标模拟的方法及系统”，该专利文献提出了一种利用数字前端调制系统中的数字信号处理模块代替传统阵列控制系统中的精控、粗控模块的方法实现面/体目标模拟，该方法的不足之处在于：仅可接入一路装备的主振信号，无法模拟多装备协同作战的复杂场景，且对平台算力要求较高，带宽有限，扩展性差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于D-F-D架构实现宽带射频阵列集群目标模拟系统。

根据本发明提供的一种基于D-F-D架构实现宽带射频阵列集群目标模拟系统，包括：阵列天线、多通道数字信号处理平台、数字单元、上变频调理单元、下变频调理单元、本振单元；

所述下变频调理单元，对输入的主振耦合信号进行变频至中频，并进行功率控制；

所述本振单元，产生多路上变频调理单元、下变频调理单元需要的本振信号；

所述多通道数字信号处理平台，通过多通道ADC采集来自所述下变频调理单元的信号，对各路信号生成相应的多目标回波信号进行链路映射，进行数据交织重排后传输至每一路的数字单元；

所述数字单元，接收到所述多通道数字信号处理平台的信号之后，先按照协议进行光纤数据解包，恢复回波数据，然后通过幅相补偿滤波器对信号进行通道幅相补偿，最后按照三元组控制原理进行功率控制，最后将信号传输至上变频调理单元；

所述上变频调理单元，对所述数字单元输出的中频信号进行变频，根据系统参数控制回波功率；完成信号变频与功率控制后将信号传输至阵列天线；

所述阵列天线，将来自上变频调理单元的信号向空间辐射，在空间上同时模拟多个目标位置的回波信号。

优选地，在数据流驱动方式中，每帧包括帧头、有效数据和校验数据；

帧标识1、帧标识2组成每帧数据的帧头，为2个32位数据，包含帧类型指示、CPI/PRT同步信息和有效数据长度信息，长度不同；

Data1～DataL组成长度为L的32位有效数据，不同的帧类型有效数据的长度不同；

校验数据为一个32位数据，采用循环冗余校验；

根据映射关系，在同一板卡中，将数据按照板卡通道序号、目标序号进行交织重排，按照光纤通讯协议一次性将PRT内有效数据发送给板卡端。

优选地，所述多通道数字信号处理平台，通过多通道ADC采集之后对每一路信号进行延时以及多普勒调制信号调制生成相应的回波信号；根据目标位置解算出需要辐射信号的天线链路，将生成的多目标回波信号进行链路映射，再通过内部光纤数据交织重排对链路回波信号进行处理，最后通过光纤传输至每一路的数字单元。

优选地，所述下变频调理单元通过在前端对输入多主振信号进行下变频；

所述多通道数字信号处理平台经过M路多通道AD之后，将多主振信号采样到，在数字域完成多散射点回波信号的能量、距离、多普勒信息调制后将数据进行数据交织处理，其中，根据辐射目标位置进行天线单元映射，将每一路信号同时发送给用于合成空间位置的天线A、B、C，其中使用同一个三元组天线合成的回波信号按照光纤协议进行组包；

数字单元对每一路信号完成幅度和相位补偿以及幅度控制，每个数字幅相控制单元有N路DA信号输出，每路DA与后端的上变频调理单元相连；信号经过上变频调理单元后实现频率转换，最后通过阵列天线向空间辐射电磁波。

优选地，所述多通道数字信号处理平台包括多通道信号处理模块；其中，所述多通道信号处理模块，包括：

通信模块，根据系统指令解算出目标所需的三元组天线链路和链路分配功率，并开发远程实时通信软件；

回波调制模块，对多目标信号进行延时、多普勒的调制；

目标位置调制模块，进行多目标回波通道映射，将目标回波复制、传输至合成位置需要的三个天线链路；

数据交织重排模块，将多路信号按照光纤通信协议组包，将波形数据同时传输给各路数字单元。

优选地，所述数字单元，包括：

数据解调模块，将多通道信号处理平台的光纤传输过来数据解调成波形数据；

幅相补偿模块，对天线链路幅相畸变进行补偿；

幅度控制模块，根据三元组控制原理控制回波信号幅度。

优选地，计算机控制模块，实时发送多目标位置信息以及信号特征给回波调制模块、数字单元的组合；其中，结合多目标位置功率信息以及三元组控制功率解算出多目标中频功率控制值以及天线链路射频功率控制值，分别发送给数字单元的组合、上变频调理单元；

根据运动学模型解算出多目标位置发送给回波调制模块，根据运动学模型解算多目标距离、速度发送给回波调制模块；其中，根据运动学模型解算目标相对位置

优选地，回波调制模块，根据信号特征参数信息进行本振单元、数字单元的组合的参数配置，计算本振单元的工作频点Flo1、Flo2，分别发送给下变频调理单元、上变频调理单元；将信号参数发送给数字单元的组合，配置数字单元的组合中各个数字单元的工作状态；

回波调制模块中的多波束多目标回波信息调制模块，根据多目标距离、速度参数对AD采集进来的主振信号进行延时、多普勒调制；

目标位置调制模块，根据多目标位置信息信息实时进行天线通道选通，将延时、调制后的回波发送至相关的天线通道中；

数据交织重排模块根据数据按照数字单元板卡通道序号、目标序号进行交织重排，按照光纤通讯协议通过高速光纤口一次性将PRT内有效数据发送给数字单元组合5；

数字单元组合中的数字单元，通过高速光纤口接收到回波数据后按照协议进行数据解包，并将数据按照板卡通道一一对应；

数字单元的幅相补偿模块，根据计算机控制模块发送的信号参数配置补偿系数，对数据进行通道幅相补偿；

数字单元中的幅度控制模块，根据计算机控制模块发送的多目标信号中频功率控制字，对各个目标功率进行幅度控制；

数字单元组合的对同一天线通道内的目标回波信号进行时域叠加、动态截位，最后将信号发送给相应的DA；

上变频调理单元接收到数字单元组合输出的多路射频信号，并结合收到的射频功率值分别对每路信号进行射频功率调制；

阵列天线中对应的天线辐射各路信号，在空间上同时模拟多个目标位置的回波信号。

优选地，确保信号能够被所述多通道数字信号处理平台以ADC方式采集至数字域，用公式表示为：

μ＝B/T

S

rect()表示矩形函数；

t表示采样时间；

T表示周期；

f

μ

B表示带宽；

在数字域，信号主要完成多目标回波信息调制以及位置调制，假设有两个目标，相对雷达的多普勒速度分别是fd1、fd2，距离延时分别是t1、t2，用公式表示两个目标的回波信息调制后的信号S

两路目标回波信号生成之后同时送入目标位置信息调制模块；目标位置信息调制模块根据接收到的两个目标位置

回波数据被映射之后进入数据交织重排模块，数据交织重排模块根据天线链路与板卡号之间的关系进行数据交织处理：

S

S

S

S

S

S

优选地，各个数字单元当接收到数据时根据协议将数据进行还原，并将数据依次通过作为幅相补偿滤波器的幅相补偿模块、幅度控制模块，最后将从同一个天线支路输出的不同目标回波信号进行叠加，送入相应的DA通道，用公式表示为：

S

P

h(n)表示幅相补偿滤波器的响应函数

信号经阵列天线中的天线在空间辐射，完成宽带多目标的模拟：

P

表示用于混频的本振信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过多通道信号处理模块完成集群目标信号的回波调制和分选；通过高速光纤链路完成信号与天线通道的数据传输；通过数字单元完成幅相补偿、幅度调制；通过变频模块完成信号变频，最后实现多装备集群战场环境高逼真电磁环境内场重构，同时对雷达装备在此电磁仿真环境中的制导、探测性能进行验证评估。本发明能克服现有技术系统窄带的特性，解决宽带集群目标模拟技术难题，而且系统简单、造价低廉，需要的算力较少。

2、本发明通过多路信号处理平台完成回波信号的调制和分选，输出多通道信号数据，再通过光纤网络将数据映射至数字单元组，通过数字单元完成各个通道信号的幅相调制，最终信号通过天线在空间辐射，实现宽带集群目标位置的模拟，可以在降低仿真系统构建成本的同时并能够缩短研制周期。

3、本发明通过多通道数字信号处理平台完成集群目标信号的回波调制和分选，并通过高速光纤链路完成信号与天线通道的数据传输，信号经数字单元幅相补偿、幅度调制后将信号进行数模转换，信号经上变频调理之后经天线向空间辐射，实现宽带集群目标高精度模拟，实现多装备集群战场环境高逼真电磁环境内场重构，同时对雷达装备在此电磁仿真环境中的制导、探测性能进行验证评估。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的基于D-F-D架构的多目标模拟系统组成框图。

图2是本发明的工作原理示意图之一。

图3是本发明的工作原理示意图之二。

图4是帧结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出一种采用D-F-D架构(数字-光纤-数字)的内场模拟方法用于实现宽带多目标的模拟，此方法结合传统的回波模拟方法以及射频阵列模拟技术，通过系统前端多通道变频模块对输入多主振信号进行下变频，经过M路多通道AD之后，将多主振信号采样至数字信号处理平台，在数字域完成多散射点回波信号的能量、距离、多普勒信息调制后将数据送入光纤分发模块进行数据交织处理；交织模块根据辐射目标位置将进行天线单元映射，将每一路信号同时发送给用于合成空间位置的天线A、B、C，其中将使用同一个三元组天线合成的回波信号按照光纤协议进行组包；每一路光纤与后端数字幅相控制单元光纤接口连接，数字单元对每一路信号完成幅度和相位补偿以及幅度控制，每个数字幅相控制单元有N路DA信号输出，每路DA与后端的变频模块相连；信号经过变频模块后实现频率转换，最后通过天线向空间辐射电磁波。

本发明通过第一级的多通道数字信号处理平台完成多路信号的信号特征提取、回波信息调制、多波束多目标回波信息调制、目标位置信息调制、数据交织重排等工作；接着通过高速光纤网络将信号传输给第二级相关的数字单元进行相应的幅相调制；最终信号经变频链路、天线在空间合成多路雷达信号的回波信号，模拟战场复杂电磁环境。

本发明要解决的技术问题是提供了一种宽带多波束雷达系统的半实物仿真系统集群目标模拟方法，利用第一级多通道数字信号处理平台对集群目标回波信号的进行调制和分选，利用高速光纤链路完成信号与天线通道的数据传输，利用第二级的数字单元完成各通道信号的幅相调制，实现宽带集群目标位置高精度模拟，提高半实物仿真系统的宽带射频目标模拟能力，减少构建成本。

如图1所示，根据本发明提供的一种基于D-F-D架构实现宽带射频阵列集群目标模拟系统，包含：阵列天线、多通道数字信号处理平台、数字单元、上变频调理单元、下变频调理单元、环形开关矩阵、本振单元、计算机控制模块。

具体来说，本振单元和上下变频调理单元，接收系统控制参数工作在相关的频段上，多种雷达装备的主耦振合信号经射频电缆传输至多通道数字信号处理平台；

多通道数字信号处理平台，通过多通道ADC采集之后对每一路信号进行延时以及多普勒调制信号调制生成相应的回波信号；多通道数字信号处理平台根据目标位置解算出需要辐射信号的天线链路，将生成的多目标回波信号进行链路映射，再通过内部光纤数据交织重排对链路回波信号进行处理，最后通过光纤传输至每一路的数字单元；

数字单元，接收到信号之后先按照协议进行光纤数据解包，恢复回波数据，然后通过幅相补偿滤波器对信号进行通道幅相补偿，最后按照三元组控制原理进行功率控制，最后将信号传输至上变频调理单元；

上变频调理单元，用于对数字单元输出的中频信号进行变频，根据系统参数控制回波功率；

下变频调理单元，用于对输入的主振耦合信号进行变频至中频，并具备功率控制能力；

本振单元，用于产生多路上下变频模块需要的本振信号。

上变频调理单元，完成信号变频与功率控制后将信号传输至阵列天线；

信号经过阵列天线向空间辐射，在空间上同时模拟多个目标位置的回波信号。

环形开关矩阵，包括多个环形器，用于选通射频链路。

其中，使用光纤、射频电缆连接各个模块，最终将射频信号输入至对应的天线，各路天线同时辐射信号，在空间上模拟多目标位置的宽带回波信号。

所述多通道数字信号处理平台包括多通道信号处理模块；

所述多通道信号处理模块，包括：

通信模块，根据系统指令解算出目标所需的三元组天线链路和链路分配功率，并开发远程实时通信软件；

回波调制模块，具备多目标信息调制能力，能够对信号进行延时、多普勒等调制；

目标位置调制模块，具备多目标回波通道映射的能力，能够将目标回波复制、传输至合成位置需要的三个天线链路；

数据交织重排模块，具备将多路信号按照光纤通信协议组包的能力，能够将波形数据同时传输给各路数字单元。

所述数字单元，包括：

数据解调模块，具备将多通道信号处理模块的光纤传输过来数据解调成波形数据的能力；

幅相补偿模块，具备对天线链路幅相畸变补偿的能力；

幅度控制模块，具备可以根据三元组控制原理控制回波信号幅度的能力；

下面对本发明的工作流程进行说明。

计算机控制模块，根据运动学模型解算出多目标位置发送给回波调制模块，根据运动学模型解算多目标距离、速度发送给回波调制模块；具体地，根据运动学模型解算目标相对位置

计算机控制模块，实时发送多目标位置信息以及信号特征给回波调制模块、数字单元的组合；

计算机控制模块，结合多目标位置功率信息以及三元组控制功率解算出多目标中频功率控制值以及天线链路射频功率控制值，分别发送给数字单元的组合、上变频调理单元；

回波调制模块，根据信号特征参数信息进行本振单元、数字单元的组合的参数配置，计算本振单元的工作频点Flo1、Flo2，分别发送给下变频调理单元、上变频调理单元；将信号参数(频点、带宽等)发送给数字单元的组合，配置数字单元的组合中各个数字单元的工作状态；

回波调制模块中的多波束多目标回波信息调制模块，根据多目标距离、速度参数对AD采集进来的主振信号进行延时、多普勒调制；

目标位置调制模块，根据多目标位置信息信息实时进行天线通道选通，将延时、调制后的回波发送至相关的天线通道中；

数据交织重排模块根据数据按照数字单元板卡通道序号、目标序号进行交织重排，按照光纤通讯协议通过高速光纤口一次性将PRT内有效数据发送给数字单元组合5；

数字单元组合中的数字单元，通过高速光纤口接收到回波数据后按照协议进行数据解包，并将数据按照板卡通道一一对应；

数字单元的幅相补偿模块，根据计算机控制模块发送的信号参数配置补偿系数，对数据进行通道幅相补偿；

数字单元中的幅度控制模块，根据计算机控制模块发送的多目标信号中频功率控制字，对各个目标功率进行幅度控制；

数字单元组合的对同一天线通道内的目标回波信号进行时域叠加、动态截位，最后将信号发送给相应的DA；

上变频调理单元接收到数字单元组合输出的多路射频信号，并结合收到的射频功率值分别对每路信号进行射频功率调制；

阵列天线中对应的天线辐射各路信号，在空间上同时模拟多个目标位置的回波信号。

下面对本发明进行更为具体的说明。

假设半实物仿真系统中需要模拟2GHz宽带目标回波，此时使用传统射频阵列系统是无法模拟的，因为传统的射频阵列系统中链路幅相一致性主要是通过调整相应频点的移相器、衰减器的控制字来保证，而移相器和衰减器只能同时响应一个频点的控制字，其余带内频点上的相位畸变无法补偿，导致信号经三元组天线辐射之后无法在空间完成位置合成，所以传统的射频阵列系统并不具备宽带信号模拟的能力。

如图2所示，本发明的解决方案是采用数字阵列的架构并将数字信号处理平台一分为二，第一级负责模数转换、回波调制、目标位置信息调制，并通过多路光纤将信号送入第二级，第二级主要由多路数字单元组成，主要负责通道幅相补偿、幅度控制。

以一个雷达装备接入仿真系统为例，雷达主振信号带宽B＝2GHz，载频为f

μ＝B/T

S

rect()表示矩形函数；

t表示采样时间；

T表示周期；

f

μ表示调频斜率；

B表示带宽。

在数字域，信号主要完成多目标回波信息调制以及位置调制，假设有两个目标，相对雷达的多普勒速度分别是fd1、fd2，距离延时分别是t1、t2，用公式表示两个目标的回波信息调制后的信号S

两路目标回波信号生成之后同时送入目标位置信息调制模块；目标位置信息调制模块根据接收到的两个目标位置

假设阵列由200个天线组成，一个板卡四个通道，一共需要50块板卡组成第二级数字调制系统，回波数据被映射之后进入数据交织重排模块，数据交织重排模块根据天线链路与板卡号之间的关系进行数据交织处理，

S

S

S

S

S

S

采用XX_bit数据帧格式的数据流驱动方式实现。每帧由帧头、有效数据和校验数据三部分组成。

帧标识1、帧标识2组成每帧数据的帧头，为2个32位数据，包含帧类型指示、CPI/PRT同步信息和有效数据长度信息，长度不同；Data1～DataL组成长度为L的32位有效数据，不同的帧类型有效数据的长度不同；校验数据为一个32位数据，采用循环冗余校验(CRC)，以确保数据传输的高可靠性，如图4所示。

根据映射关系，A1、A2、A3、A4在同一板卡中，将数据按照板卡通道序号、目标序号进行交织重排，按照光纤通讯协议一次性将PRT内有效数据发送给板卡端。

数字单元组主要对回波数据进行幅相补偿以及第一级幅度控制。各个数字单元光纤通路始终保持连接状态，当接收到数据时根据协议将数据进行还原，并将数据依次通过作为幅相补偿滤波器的幅相补偿模块、幅度控制模块，最后将从同一个天线支路输出的不同目标回波信号进行叠加，送入相应的DA通道，以通道1为例，用公式可表示为：

S

S

P

h(n)表示幅相补偿滤波器的响应函数；

其中滤波器系数可以通过以下方式计算。通过阵列校准得到有效带宽内通道1的幅相特性，进而得到补偿滤波器的幅相特性，最后通过智能寻优算法求解滤波器系数；幅度控制值可以根据目标位置由幅度重心公式求解得到。

信号经过DA后变成模拟信号，再经过上变频调理单元，将频率上变至雷达工作频段，并根据接收系统根据运动模型计算出的回波功率值实时控制功率。所涉及到的天线通道均采用以上方式生成各自需要的信号，信号经天线在空间辐射，完成宽带多目标的模拟。

P

表示用于混频的本振信号；

传统的系统可模拟目标数量有限，且受限于设计理念，无法完成宽带信号的回波模拟。本发明系统通过基于D-F-D架构的宽带集群目标模拟方法，在数字域完成主要信号调制、回波模拟、数据映射等工作，实现所需的经济成本和时间成本较低，系统复杂度较低，D-F-D架构让系统具备丰富的计算资源以及较强可重构能力，系统具备多通道信号输入能力且通道间的相位差可以精准控制，方便后续接入MIMO雷达等多波束装备，扩展性强。

本发明实际使用非常方便、高效，研制成本低廉，系统较为简洁。本发明经过两级信号处理模块进行回波调制、分选、高速光纤传输、数字幅相补偿，之后经过变频模块在空间中完成集群目标模拟。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。