宽带雷达射频仿真系统关键技术研究

摘要

射频仿真系统（Radio Frequency Simulation System，RFSS）是一种针对雷达系统进行性能测试与评估的半实物仿真系统。在射频仿真系统中，可以构造出各种背景条件下的复杂电磁环境以及不同电磁散射特性的目标回波信号，从而实现对雷达系统的硬件在回路仿真。射频仿真系统的应用可以有效地缩短雷达制导武器系统的研制时间，节省研发所需的费用，降低雷达信号参数泄露的风险。为了尽可能真实地反应出雷达系统的性能，需要射频仿真系统提供较为逼真的雷达回波信号。而如何实时地生成逼真的雷达目标回波信号一直以来都是射频仿真系统所面临的最为关键的技术问题。这一关键技术问题不仅涉及到相关硬件系统的性能，也涉及到相应的目标模型和回波生成算法等方面，因此需要对这些关键技术展开研究和分析。
　　本论文针对宽带雷达射频仿真系统中目标回波的高逼真度、实时生成这一前沿课题，围绕宽带目标回波生成方法、高性能硬件平台设计、回波信号杂散抑制和幅相特性校准等关键技术问题展开研究，具体工作和创新可以概括为以下几点：
　　1.研究了宽带射频仿真系统中窄带目标的距离、功率和速度等基本信息的模拟方法。重点研究和分析了宽带雷达复杂目标的电磁散射特性模拟方法，由于直接卷积无法满足系统实时性的需求，提出了一种基于散射中心模型的目标回波模拟方法。该方法通过几何绕射理论（Geometrical Theory Diffraction，GTD）模型提取目标散射中心，采用多散射中心同时计算回波并叠加的方式来实现等效的目标回波重构，在保证目标回波模拟准确性的前提下，极大地提升目标回波产生的实时性。
　　2.实现了1GHz带宽的低杂散宽带数字射频存储（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）平台的硬件设计。宽带模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）与宽带数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）是硬件平台中对性能影响最为关键的两个器件。因此，重点对宽带ADC的性能进行了分析，研究了量化误差、通道失配以及采样时钟等因素对其性能的影响。此外，对宽带 DAC的输出信号进行了建模与分析，针对所采用的芯片的不同输出模式分别进行了性能分析，并研究了转换时钟的抖动与杂散对输出信号的影响。探讨了基于抖动（Dither）技术的宽带ADC无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range，SFDR）性能提升方法。
　　3.对宽带DRFM平台中雷达目标回波实时重构算法进行了研究、设计与实现。根据现有硬件平台的计算能力及目标回波的计算要求，研究了宽带雷达回波信号的实时重构方法，在此基础上设计了数字信号处理的流程。对其中的正交混频、多路并行有限冲击响应FIR滤波器以及多普勒频率调制等关键模块进行了详细的设计与分析。
　　4.对宽带DRFM平台性能进行了测试与分析。首先对宽带ADC与DAC的硬件性能进行了测试与分析，测试结果表明，在100MHz～1100MHz的频带内，宽带ADC与宽带DAC的SFDR指标均优于-50dBc。其次，对目标回波模拟性能进行了测试，分别验证了目标距离模拟、速度模拟以及电磁散射特性模拟这三个方面，实测性能均达到了-50dBc以上的精度。
　　5.针对宽带DRFM平台幅相特性畸变这一实际问题，提出了一种基于数字预失真技术的幅相特性校正方法，首次将混合蛙跳算法（Shuffled Frog Leaping Algorithm，SFLA）引入任意幅频和相频特性的数字预失真FIR滤波器系数设计。在给定滤波器幅相特性及阶数的情况下，采用SFLA设计的滤波器比逆傅里叶变换方法设计的滤波器更能吻合幅相特性要求，而相比于遗传算法（Genetic Algorithm，GA），当滤波器阶数大于15时，SFLA也能求得更好的滤波器系数，且具有更快的求解速度。通过仿真和实验表明，经过预失真处理后的宽带DRFM幅相特性可以得到有效地提升。
　　6.研究了基于信道化DRFM的宽带雷达目标回波系统的带宽扩展技术，提出了一种针对线性调频（Linear Frequency Modulation，LFM）信号的信道化带宽扩展方法。针对该方法中可能出现的误差因素进行了详细的分析与建模，通过仿真验证了关键因素对扩展后信号质量的影响，论证了该带宽扩展方法的可行性。

目录

声明

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究历史与现状

1.3本文的主要研究工作及内容安排

第二章 宽带雷达目标回波信号的数学模型及模拟方法

2.1宽带雷达射频仿真系统组成及工作原理

2.2低分辨率雷达系统目标回波模拟方法

2.3基于散射中心模型的宽带雷达目标回波模拟方法

2.4本章小结

第三章 宽带DRFM平台的硬件设计与分析

3.1宽带DRFM平台硬件研制

3.2宽带双通道TIADC性能分析

3.3宽带DAC性能分析

3.4基于Dither技术的宽带ADC SFDR性能提升方法

3.5本章小结

第四章 基于DRFM平台的宽带雷达目标信号的实时重构

4.1宽带雷达目标信号的实时重构方法

4.2宽带目标回波信号实时重构的关键模块设计与实现

4.3本章小结

第五章 宽带DRFM平台性能测试、分析与补偿

5.1宽带DRFM平台实物及测试环境

5.2宽带ADC性能测试与分析

5.3宽带DAC性能测试与分析

5.4雷达目标回波模拟性能测试与分析

5.5宽带DRFM性能对比分析

5.6本章小结

第六章 宽带DRFM平台的幅相特性校正与补偿

6.1宽带DRFM平台幅相特性模型

6.2闭环回路在线幅相特性估计方法

6.3预失真复系数FIR滤波器系数优化设计

6.4宽带DRFM平台幅相校准的实验验证与分析

6.5本章小结

第七章 基于信道化DRFM的宽带雷达目标回波信号模拟系统

7.1基于信道化原理的DRFM带宽扩展技术

7.2两通道的信道化宽带DRFM系统

7.3信道化DRFM系统的性能仿真与分析

7.4信道化DRFM的通道不一致性误差补偿

7.5本章小结

第八章 全文总结与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文