线性调频连续波雷达相参标校源系统

摘要

本发明公开的一种线性调频连续波雷达相参标校源系统，旨在提供一种可靠性高、具有灵活性的相参标校源系统，本发明通过下述技术方案实现：接收天线对所需标校的线性调频连续波雷达的发射信号进行收集，送至下变频单元，将雷达发射信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波送至基带处理单元进行模数A/D变换，完成接收通道信号量化、延迟回放及相关控制，再根据需要完成距离延迟、叠加多普勒频率后，经数模D/A变换，重新形成模拟信号，送至上变频单元，将基带处理单元产生的基带信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波、放大后完成频谱搬移，送至发射天线，将射频信号转换为电磁波信号向雷达辐射，对外辐射标校源产生信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种线性调频连续波(LFM-CW)雷达的相参体制的标校源系统。

背景技术

线性调频连续波(LFM-CW)雷达是通过频率调制一个连续波信号从而在雷达中获取距离信息的一种技术。雷达中使用的频率调制有很多种，不同体制的雷达、不同用途的雷达、不同性能要求的雷达其发射信号的波形是不同的。LFM-CW雷达采用的是连续波体制，利用在时间上改变发射信号的频率，并测量回波信号相对于发射信号的频率差的方法来测定目标距离，利用多普勒效应，还可以测量目标的径向速度。与其它体制雷达相比，线性调频连续波雷达具有机动性好，能适应复杂和恶劣的环境；接收机灵敏度高；所需的发射峰值功率较低、容易调制、线路简单，尺寸小、重量轻、成本低、信号处理简单等特点。随着雷达作用的日益重要，雷达的功能及性能不断完善提高，使得雷达系统的复杂程度日益加剧，雷达自身测试难度也有所增加。雷达测试技术的发展和完善，产生了海量的雷达测试数据，对这些数据的实时存储、精确分析、高效管理方法，提出了巨大的挑战，对针对雷达全寿命周期内的各个阶段进行的准确、全面的系统功能、性能测试提出了更高的要求。

相参体制的线性调频连续波类标校源系统的测试分为机内测试与脱机测试。机内测试是利用雷达BIT(buih—in—test，机内自检)技术，由雷达自身提供BIT信息，主要用于雷达工作时检查、测试和记录雷达系统性能，监视雷达运行时各个阶段的故障状况，以便用户如实掌握雷达系统的工作情况。脱机测试是利用自动测试系统(ATS，AutomaticTestSystem)对雷达进行测试，并对测试结果进行故障推理。BIT的测试能力要求BIT设备具有发送激励、响应回收及智能分析能力，这需要为全系统和各个分系统甚至个别部件增加大量软硬件，这意味着系统可靠性的降低，使得系统更加复杂，使用和维护更加困难，并且BIT是建立在BIT设备无故障的前提下实现测试能力的，一旦BIT设备发生故障，将导致虚警、无法检测和诊断。对于BIT无法检测出的故障点必须采用机外ATS测试。

目前相参体制的线性调频连续波类标校源系统的雷达测试的内容和范围具有广泛性。测试可以在元器件/芯片级、电路板级到功能单元、子系统级、系统级等不同级别进行；可以对雷达发射信号参数、雷达接收机性能参数和雷达系统性能等不同方面进行测试；还可以对特殊雷达体制所要求的性能指标，如雷达接收机的灵敏度、角跟踪特性、接收机多普勒频率覆盖范围以及测量雷达对于高速目标的测量精度等技术参数进行测试。雷达测试的主要方法有两种：一是利用大量的通用仪器、仪表，配合专用测试工装，对雷达的部分参数(主要是静态参数)进行测试；二是动态检飞，即释放气球、无人机吊放金属标准球进行雷达截面积(RCS)标校、遥控靶机等对雷达的实际检测性能进行测试。以往雷达标校源一般是光纤延时式固定单目标标校信号源，RCS测量采用气球或风筝吊放方式，但由于受天气影响标校成功率不高。

第1种方法侧重于单台设备和设备中分系统静态性能的测试，不能全面体现系统的整体动态性能。测试使用的仪器仪表繁多、精密且价值昂贵，不可能依据雷达数量同时部署于所有单位，不便于随时对雷达进行检测，从而使这种测试方法受到了很大的限制。且此种方法需依靠仪表产生众多繁杂的输入激励信号，而雷达数字插件内部目前多采用超大规模集成电路，FPGA输入管脚多为双向且信号绝大多数只在印制板内部互联，仪表提供的激励信号一是数量上不能满足需求，另一是复杂度不能满足测试需求。由于多方面原因，部分分系统的实测指标达不到设计指标要求或部分性能由于老化而有所下降，这种情况会对实际测试工作带来多大影响，这一影响是否处于可接受的范围内，该方法均不能给出快速、直观的结论。往往需要依靠技术人员的实际经验和简单的理论计算加以分析和判断，缺乏一种客观、科学的手段做出准确的界定和实际的检验。

第2种方法虽然能对雷达的关键性能，如探测威力、探测精度等完成测试，但动态检飞和实际工作存在较大的差异，对设备性能的检验也不全面，更不可能模拟雷达探测不同类型目标的状态，其主要原因在于动态检飞的目标的速度、高度与距离有限，动态检飞的设定航线与实际任务中探测目标的飞行轨迹有着本质的区别，具有很大的局限性。并且，动态检飞受人力、物力、空域等限制，成本高，而为了得到准确的数据，还往往需要大量的检飞架次，实际操作中不可能经常性地进行或根据需要随时组织。

外场雷达目标特性测量中的主要问题之一是如何高精度标校，即在RCS与雷达测得的功率或电压之间建立严格的数学关系。常用的标校方法分为相对标校和绝对标校两种，相对标校法通过对RCS已知且各向同性的标准目标与待测目标所测得的功率(或电压)比来推算目标的RCS值，其标校体的RCS值是精确测量的。绝对标校法则要对测量雷达参数直接标校，然后按雷达方程算出目标的RCS值。实际使用中，相对标校法的代表是标校球标校法，而绝对标校法的代表是信号源标校法。这两种方法各有优缺点。采用标校球标校法只需准备氢气(氦气)球，利用绞车将标校球释放至空中即可，设备简单易操作，但标校球标校法受气象条件制约比较大。而采用信号源标校法，设备相对比较复杂，技术要求高。相比较标校球标校法，信号源标校法中雷达天线与信号源天线对准精度引起的误差要小。由于目标特性测量雷达多在宽带和多极化条件下，会对RCS测量结果的精度造成较大的影响。

目前缺乏对线性调频(LFM)连续波-(CW)-高频(HF)雷达进行外场调试与测试的手段。现有技术公开了一种准相参体制的雷达性能测试系统，它是基于数字正交调制技术(DQM)和直接数字频率合成(DDS)技术的全数字模拟系统，主要是通过模拟LFM-CW-HF的目标信号和干扰信号来完成对LFM—CW—HF雷达的性能测试，但准相参体制LFM—CW—HF雷达采用数字正交调制技术、直接数字频率合成技术要占有大量的仪表资源。

目前产生线性调频信号有模拟法和数字法两种基本方法。传统的模拟法又分为有源法和无源法。有源法是用线性锯齿形电压控制振荡器(VCO)产生线性调频信号，这也叫直接合成法。应用这种方法要得到很好的线性的话，就必须对VC0及锯齿波形发生器进行很好的优化设计。直接合成法模拟产生线性调频信号，虽然是一种比较简单的产生FMCW信号的方法，但是它存在着一个比较突出的问题，就是产生的线性调频信号的载波与基准信号的相位不相参，不能保证信号的相参性、长稳和短稳性能不够理想、频率会随温度的变化产生漂移、相位噪声指标不高等。这些不足决定了直接VCO方式产生的线性调频连续波信号，在要求信号周期间严格相参，同时保证低相噪和高频率稳定度的LFMCW雷达中的使用受到了限制，对于振荡器来说不管长期稳定度和短期稳定度都比较差，当温度变化时产生的振荡频率会有漂移，相位噪声性能亦不佳。无源法常用的方式是利用声表面波(SAW)器件来完成波形信号的谱展宽和压缩。这种方式多用于脉冲体制雷达中，以实现对脉冲调频信号的压缩处理。采用这种方式生成调频连续波信号，主要是要设计一个具有线性群延迟特性的全通或带通网络。该方式生成的线性调频信号时宽带宽积受器件水平的限制，无法实现大时宽带宽积性能，限制了其使用范围。可见，用模拟法难以达到所要求的信号的性能指标。数字法是一种新发展的方式，它分为波形存储直读法和直接数字合成频率(DDS)法两种方法。波形存储直读法是在特定采样频率f、信号E、信号时宽Z下将LFM信号的采样值存储于存储器中，在时钟下将读出的波形通过数模转换及低通滤波后直接生成模拟信号的一种方法；直接数字频率合成法是通过相位累加、幅度查表以及数模变换来生成模拟信号的一种方法。波形存储直读法的优点是原理简单、成本低，但是其缺点是结构相对复杂；直接数字频率合成法的优点是集成度高、灵活性好、电路结构简单等，但其缺点是成本较高、幅相补偿能力较弱等。DDS技术比传统的频率合成技术具有更高的频率分辨率、其相位的变化是连续的、其频率的切换速率也比普通的方法高，而且还能够对输出信号进行调制，因此能满足现代雷达信号的要求。目前产生一些雷达信号还用到这种方法。它主要利用一个或多个不同的参考频率源经谐波发生器产生多个离散频率的输出信号，经过倍频、分频、混频、滤波以及模拟开关等途径直接产生多个离散频率的输出信号；用这种方法得到的信号的优点是频率稳定度比较高，相位噪声比较低、频率变换速度比较快；同时其也不可避免的有许多缺点，比如其结构较同类信号发生器较复杂、调试难度比较大，还有就是对杂散抑制做得不是很好。

发明内容

本发明的目的是针对目前现有线性调频连续波雷达测试技术存在的不足之处，提供一种可靠性高、集成度高、具有灵活性的线性调频连续波雷达相参标校源系统，该系统可完成雷达距离标定、雷达发射信号功率检测、雷达灵敏度测试、改善因子测试、通道检测及航迹处理检测等功能。

本发明的上述功能可通过以下措施来达到，一种线性调频连续波雷达相参标校源系统，包括：连接发射天线的上变频单元，相连接收天线的下变频单元，连接在上变频单元与下变频单元之间的基准源，相连基准源及电源的基带处理单元，其特征在于，接收天线对所需标校的线性调频连续波雷达的发射信号进行收集，送至下变频单元，下变频单元将接收天线收集的雷达发射信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波，完成雷达发射信号的低噪声放大、频谱搬移以及频带信号，送至基带处理单元进行处理，基带处理单元将下变频单元送来的模拟信号进行采样、滤波和模数A/D变换，根据基准源提供的基带处理的时钟信号，完成接收通道信号量化、数字下变频DDC、数字上变频(DUC)、存储、延迟回放及相关控制，再根据需要完成距离延迟、叠加多普勒频率后，经数模D/A变换，重新形成模拟信号，送至上变频单元，上变频单元将基带处理单元产生的基带信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波、放大后完成频谱搬移，送至发射天线，发射天线接收上变频单元输出的射频信号，将射频信号转换为电磁波信号向雷达辐射，对外辐射标校源产生信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

可靠性高、集成度高。本发明采用连接发射天线的上变频单元，连接接收天线的下变频单元，连接在上变频单元与下变频单元之间的基准源，相连基准源及电源的基带处理单元，集成度组成的线性调频连续波雷达相参标校源系统，功能强大、性价比高，能够有效地控制需要测试的距离与速度范围，与传统的利用通用仪表测试相比具有集成度高的优势,又可以达到对目标检测的有效测试的可靠性。

具有灵活性。本发明采用下变频单元将接收天线收集的雷达发射信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波，完成雷达发射信号的低噪声放大、频谱搬移以及频带信号，送至基带处理单元进行处理，工作体制先进。利用具有相参性，性价比高的延时转发器，延时转发器自身的任意波形发生器可在无接收信号时自行产生各种信号，收发天线极化正交，可以同时满足对垂直和水平极化校准要求，收发延迟可连续调整，且调整后保持同定不变，增益不随时间、温度、湿度等因素变化保持恒定，对接收信号进行不失真延迟、放大等处理，能满足对目标特性测量雷达发射的各种脉冲波形的标校要求。灵活性高，可重复使用。解决了传统标校源可靠性低、体积笨重、频率稳定性差、易被干扰、适用性差使用环境要求高、测试覆盖不全面等问题。

系统功能完备。本发明基带处理单元将下变频单元送来的模拟信号进行采样、滤波和模数A/D变换，根据基准源提供的基带处理的时钟信号，完成接收通道信号量化、数字下变频DDC、数字上变频(DUC)、存储、延迟回放及相关控制，再根据需要完成距离延迟、叠加多普勒频率后，经数模D/A变换，重新形成模拟信号，送至上变频单元，上变频单元将基带处理单元产生的基带信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波、放大后完成频谱搬移，送至发射天线，可完成雷达距离标定、雷达发射信号功率检测、雷达灵敏度测试、改善因子测试、通道检测及航迹处理检测等雷达主要功能的测试，可对雷达系统进行全面的系统功能、性能测试。接收的雷达信号处于信号源放大器线性区域、其放大后辐射的信号处于RCS测量雷达接收机线性区域等因素，能满足RCS雷达宽频带多种信号工作要求。

附图说明

图1是本发明线性调频连续波雷达相参标校源系统的原理框图。

图2是本发明标校源应用示意图。

图3是本发明标校源发射信号线性调频和散射回来的接收信号频率的变化示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述优选的实施例中，针对相参体制的线性调频连续波类标校源的一种线性调频连续波雷达相参标校源系统，包括：连接发射天线的上变频单元，连接接收天线的下变频单元，连接在上变频单元与下变频单元之间的基准源，相连基准源及电源的基带处理单元，其中，电源主要为整个标校源系统提供稳定可靠的供电并具有输入保护、输出电源过压、欠压、过流保护等功能。基准源主要产生基带处理单元所需的时钟信号以及上变频单元、下变频单元所需的本振信号。接收天线对所需标校的线性调频连续波雷达发射信号进行收集，送至下变频单元，下变频单元将接收天线收集的雷达发射信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波，完成雷达发射信号的低噪声放大、频谱搬移以及频带信号，送至基带处理单元进行处理，基带处理单元将下变频单元送来的模拟信号进行采样、滤波和模数A/D变换，根据基准源提供的基带处理的时钟信号，完成接收通道信号量化、数字下变频DDC、数字上变频(DUC)、存储、延迟回放及相关控制，再根据需要完成距离延迟、叠加多普勒频率后，经数模D/A变换，重新形成模拟信号，送至上变频单元，上变频单元将基带处理单元产生的基带信号与基准源产生的本振信号进行变频、滤波、放大后完成频谱搬移，送至发射天线，发射天线接收上变频单元输出的射频信号，将射频信号转换为电磁波信号向雷达辐射，对外辐射标校源产生的信号。

线性调频连续波雷达开机辐射信号，标校源系统通过接收天线对雷达辐射信号进行侦收获得雷达激励信号，通过存储、延时转发，雷达再接收的方式，实现标校源系统的相参体制。

参阅图2。应用时，标校源放置在距离线性调频连续波雷达为R的平整地面上，架设高度与雷达高度基本一致。线性调频连续波雷达发射天线将雷达辐射信号给标校源接收天线，标校源发射天线将标校源辐射信号发送给线性调频连续波雷达接收天线。

以下对本发明所具备的各项功能分别进行具体说明。

参阅图3。LFM-CW雷达以初始频率f

LFM-CW雷达的发射信号和接收信号的频率f在一个调制周期T

当接收信号相对于发射信号频率f的两条曲线均为负斜率时，根据相似△三角形的几何关系，可线性三角形调制获得两条曲线之间的瞬时频率差

式中，△f为频率调制的范围，R为标校源与LFM-CW雷达间的距离，c为电磁波在空间的传输速度，约为3×10

则标校源与LFM-CW雷达间的距离

式中，

标校源对LFM-CW雷达距离进行标定时，首先设定LFM-CW雷达的工作频率f

对于该线性调频连续波雷达系统，在已知LFM-CW雷达系统与标校源距离R、LFM-CW雷达系统发射天线增益G

LFM-CW雷达发射信号功率检测发射功率

在雷达灵敏度测试中，标校源将信号延迟至雷达盲区外，然后通过发射天线辐射信号至雷达系统，根据雷达传输功率P

其中，G

对于系统灵敏度为P

因此，在已知LFM-CW雷达发射功率G

改善因子测试。调节标校源系统模拟目标的多普勒特征，统计LFM-CW雷达系统在不同多普特征下的检测结果，即可测得雷达的改善因子。

通道检测及航迹处理。设置标校源输出一含多普勒特征的模拟目标信号，经发射天线辐射该信号至LFM-CW雷达系统，LFM-CW雷达接收分系统对此信号进行放大、变频及SFC控制处理；信号处理分系统将接收分系统送出的差频IQ模拟信号进行数字采样，解算；数据处理和通信控制分系统根据上述信号处理分系统解算的目标信号完成数据处理，建立目标运动的轨迹，从而实现雷达系统的通道检测及航迹处理的检验。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。