0 引言

    窄波束高頻地波雷達(dá)用來(lái)探測(cè)海洋的風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)、海上移動(dòng)船艦以及低空飛行目標(biāo)，其分辨能力主要靠龐大的窄波速天線來(lái)決定。而寬波速高頻地波雷達(dá)，由于其天線陣列簡(jiǎn)單，造價(jià)低，占地面積小，其對(duì)目標(biāo)的分辨主要靠算法來(lái)提高，如單極子/交叉環(huán)天線^[1-3]，由于單極子/交叉環(huán)天線是一種小口徑的寬波束天線，海流與目標(biāo)的定向往往通過(guò)超分辨算法(如MUSIC算法^[4])來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需要對(duì)雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行通道校準(zhǔn)，也需要進(jìn)一步檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。對(duì)設(shè)計(jì)制造完成的雷達(dá)，要進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)來(lái)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)，驗(yàn)證雷達(dá)的功能，并且根據(jù)結(jié)果調(diào)節(jié)反饋參數(shù)以及改進(jìn)算法，全部采用實(shí)物對(duì)比實(shí)驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力物力，并且調(diào)試周期較長(zhǎng)。近年來(lái)也出現(xiàn)過(guò)雷達(dá)應(yīng)答器的研制，適用高頻雷達(dá)應(yīng)答器的研究比較少且技術(shù)還不成熟。例如高頻地波雷達(dá)應(yīng)答器^[5]主要應(yīng)用于高頻地波雷達(dá)，由模擬電路實(shí)現(xiàn)，它將接收到的雷達(dá)信號(hào)解調(diào)后經(jīng)延時(shí)器芯片延時(shí)，再將延時(shí)后的信號(hào)調(diào)制還原成雷達(dá)信號(hào)，并且通過(guò)收發(fā)控制脈沖實(shí)現(xiàn)收發(fā)分時(shí)共用。它在一定程度上實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)的通道校準(zhǔn)和模擬目標(biāo)回波的功能，但也存在自身固有的缺陷：(1)采用延時(shí)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)后發(fā)射，使得發(fā)射信號(hào)能夠越過(guò)接收機(jī)的接收盲區(qū)，從而模擬目標(biāo)距離對(duì)回波信號(hào)的影響，不能靈活方便地控制延時(shí)時(shí)間；(2)設(shè)計(jì)中引入了與發(fā)射信號(hào)不同步的時(shí)鐘源，影響了回波信號(hào)與接收機(jī)本征信號(hào)相干性，從而引起相位擾動(dòng)，導(dǎo)致相位無(wú)法校準(zhǔn)；(3)設(shè)計(jì)中沒有加入準(zhǔn)確的多普勒信息，無(wú)法模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。又如高頻地波雷達(dá)應(yīng)答器的設(shè)計(jì)^[6]，與前者的結(jié)構(gòu)類似，性能方面沒有較大的提高。

    為了更好地模擬目標(biāo)回波，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)通道校準(zhǔn)和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備與算法的檢驗(yàn)，一些文獻(xiàn)提出了基于DDS的雷達(dá)應(yīng)答器，其設(shè)計(jì)思路主要為：已知雷達(dá)信號(hào)的波形參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到雷達(dá)信號(hào)時(shí)，用DDS產(chǎn)生已知波形參數(shù)的雷達(dá)信號(hào)并加入延時(shí)和多普勒信息后發(fā)射出去，從而模擬目標(biāo)的距離及運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)的通道校準(zhǔn)和算法檢驗(yàn)?；贒DS的雷達(dá)應(yīng)答器利用FPGA實(shí)現(xiàn)頻率檢測(cè)部分和系統(tǒng)控制部分，能夠靈活地設(shè)置雷達(dá)信號(hào)的延時(shí)時(shí)間和改變多普勒信息，從而更好地模擬目標(biāo)的距離及運(yùn)動(dòng)速度。但它需要知道雷達(dá)信號(hào)的波形參數(shù)，只能用于特定雷達(dá)，應(yīng)用范圍受到限制；并且用DDS產(chǎn)生的模擬回波信號(hào)的時(shí)鐘源和雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的時(shí)鐘源不是同一個(gè)時(shí)鐘源，因此模擬回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的不相干性會(huì)引起相位擾動(dòng)而導(dǎo)致無(wú)法對(duì)接收機(jī)的相位進(jìn)行校準(zhǔn)，從而無(wú)法對(duì)雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行精確的通道校準(zhǔn)。

    針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一種全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器，主要用于高頻雷達(dá)系統(tǒng)。全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器采用全數(shù)字處理與控制模式，利用基于FPGA的FFT滑窗對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻率檢測(cè)，能比較準(zhǔn)確地定位雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，同步觸發(fā)全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器進(jìn)行接收，從而可以準(zhǔn)確地計(jì)算應(yīng)答器的發(fā)射信號(hào)在雷達(dá)接收時(shí)間段內(nèi)的延時(shí)范圍，效率較高；利用FPGA中的RAM存儲(chǔ)數(shù)字化地控制延時(shí)時(shí)間，且延時(shí)時(shí)間只受接收機(jī)接收時(shí)間段限制，一個(gè)幀周期內(nèi)的延時(shí)相等，當(dāng)前幀周期內(nèi)的延時(shí)時(shí)間與前一幀周期內(nèi)的延時(shí)相差一個(gè)常量，從而在接收信號(hào)中加入多普勒信息，因此不僅可以靈活地模擬目標(biāo)的距離信息，還能模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，能很好地檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性；全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器與雷達(dá)的同步效果很好，沒有引入其他頻率時(shí)鐘源，能較好地對(duì)接收通道進(jìn)行幅度和相位校準(zhǔn)，并且不需要知道雷達(dá)信號(hào)的波形參數(shù)，在一定程度上擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍和增加了應(yīng)用的靈活性，并且將接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)主要為最大限度地保證應(yīng)答器發(fā)射信號(hào)與原信號(hào)的相干性，從而能夠?qū)邮諜C(jī)通道的相位進(jìn)行校準(zhǔn)。它采用全數(shù)字模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制和實(shí)現(xiàn)，體積小，易便攜，很好地實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)通道校準(zhǔn)和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備與算法的檢驗(yàn)。

1 模擬目標(biāo)距離與運(yùn)動(dòng)速度

    高頻地波雷達(dá)一般采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波（FMICW）波形體制，線性調(diào)頻雷達(dá)發(fā)射一個(gè)具有一定重復(fù)周期T的線性調(diào)頻余弦信號(hào)，在一個(gè)發(fā)射周期內(nèi)發(fā)射信號(hào)的表達(dá)式為：

    雷達(dá)應(yīng)答器為模擬目標(biāo)回波，需要發(fā)射一個(gè)信號(hào)與S_r(t)相同，或發(fā)射的信號(hào)與雷達(dá)接收機(jī)本征信號(hào)混頻后與S_Δ(t)相同。因此，雷達(dá)應(yīng)答器為模擬雷達(dá)回波的延時(shí)特性(即目標(biāo)的距離)，只需要將接收到的雷達(dá)信號(hào)延時(shí)一定時(shí)間后發(fā)射即可。

    雷達(dá)應(yīng)答器模擬多普勒頻率(即目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度)：線性調(diào)頻體制的雷達(dá)一般使用2次傅里葉變換求回波的多普勒頻譜，在每一次線性調(diào)頻掃頻周期內(nèi)對(duì)中頻信號(hào)采樣并進(jìn)行傅里葉變換，稱這一傅里葉變換為第一次傅里葉變換，目的是提取目標(biāo)的距離信息；將第一次傅里葉變換結(jié)果的幅度按同一頻率（同一距離元）按時(shí)間先后排列，得到第二次抽樣信號(hào)，對(duì)第二次抽樣信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，即得到該距離元上目標(biāo)的多普勒譜。進(jìn)行這一處理的前提條件是式(3)中的多普勒頻率Δω遠(yuǎn)小于單位距離元造成的頻移2ατ，這意味著在一次線性調(diào)頻掃頻周期內(nèi)，Δωt可以認(rèn)為是一個(gè)常量，每增加一個(gè)線性調(diào)頻周期，由多普勒頻移導(dǎo)致的接收信號(hào)相位增加值為Δφ=ΔωT。因此，如果能產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，它使混頻信號(hào)式(3)在每一線性調(diào)頻周期增加一個(gè)固定相位值ΔωT，且Δω遠(yuǎn)小于2ατ，雷達(dá)應(yīng)答器就實(shí)現(xiàn)了模擬回波多普勒頻移的功能[7]。

2 全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的硬件系統(tǒng)

    全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器主要包括頻率檢測(cè)模塊、存儲(chǔ)延時(shí)模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、收發(fā)開關(guān)。頻率檢測(cè)模塊為基于FPGA的FFT滑窗頻率檢測(cè)，存儲(chǔ)延時(shí)模塊為基于FGPA的RAM存儲(chǔ)延時(shí)，接收模塊主要由帶通濾波電路與ADC采樣電路組成，發(fā)射模塊主要由DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路與功率放大電路組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的信號(hào)處理

    頻率檢測(cè)模塊與存儲(chǔ)延時(shí)模塊為全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的核心。頻率檢測(cè)模塊為基于FPGA的1 024點(diǎn)FFT滑窗頻率檢測(cè)，窗的大小為512點(diǎn)，其功能類似于頻譜監(jiān)測(cè)。由于高頻地波雷達(dá)一般采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波（FMICW）波形體制，其發(fā)射期與接收期由開關(guān)控制脈沖控制，且為不同的時(shí)間段。因此雷達(dá)應(yīng)答器需要準(zhǔn)確地判斷雷達(dá)信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，從而將接收信號(hào)延時(shí)后發(fā)射的信號(hào)能在雷達(dá)接收機(jī)的接收期內(nèi)，頻率檢測(cè)模塊能比較準(zhǔn)確地定位雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，同步觸發(fā)全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器進(jìn)行接收，從而可以準(zhǔn)確地計(jì)算應(yīng)答器的發(fā)射信號(hào)在雷達(dá)接收時(shí)間段內(nèi)的延時(shí)范圍，效率較高。

    系統(tǒng)工作時(shí)的時(shí)序如圖2所示，工作于接收和發(fā)射兩個(gè)狀態(tài)，初始狀態(tài)為接收。在接收時(shí)，發(fā)射控制脈沖TP為低電平，控制收發(fā)開關(guān)使天線與接收模塊接通而與發(fā)射模塊斷開，接收模塊開始對(duì)來(lái)自天線的接收信號(hào)進(jìn)行帶通濾波和采樣。此時(shí)從16位ADC采樣電路輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入頻率檢測(cè)模塊，頻率檢測(cè)模塊中的RAM1對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，頻率檢測(cè)模塊中的RAM1為1 536×16 bit，信號(hào)的采樣頻率為40.96 MHz，RAM1的存儲(chǔ)時(shí)鐘也為40.96 MHz。將采樣輸出的信號(hào)由低地址（起始地址）到高地址（結(jié)束地址）循環(huán)存入RAM1，最多存入1 024+512點(diǎn)的16 bit數(shù)據(jù)，RAM1存滿后存儲(chǔ)地址回到起始地址，新的數(shù)據(jù)從起始地址開始存入RAM1并覆蓋之前存入的數(shù)據(jù)，第一次存入1 024個(gè)的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)fft_trigger，表示觸發(fā)1 024點(diǎn)FFT處理，隨后每存入512個(gè)數(shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)fft_trigger，表示將前一時(shí)刻512個(gè)數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)刻新的512個(gè)數(shù)據(jù)組成新的1 024個(gè)數(shù)據(jù)，觸發(fā)1 024點(diǎn)FFT處理。FFT輸入時(shí)鐘為327.68 MHz，進(jìn)行1 024點(diǎn)FFT時(shí)需要1 024×3個(gè)FFT時(shí)鐘周期，當(dāng)存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)達(dá)到1 024個(gè)時(shí)，開始將數(shù)據(jù)由低地址到高地址輸入FFT模塊，由于FFT模塊的處理速度為數(shù)據(jù)采樣速度的8倍，因此從數(shù)據(jù)開始進(jìn)入FFT模塊到FFT變換輸出全部結(jié)果只需要384個(gè)采樣周期，也為384個(gè)RAM1存儲(chǔ)周期。此時(shí)只存入了1 024+384個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因此1 024點(diǎn)的FFT能在RAM存滿前完成，達(dá)到了實(shí)時(shí)處理的效果，便于對(duì)FFT處理后的信號(hào)頻譜進(jìn)行分析以決定是否進(jìn)入存儲(chǔ)延時(shí)模塊：如果接收的信號(hào)頻譜中特定頻率（雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率）信號(hào)的幅度大于門限值，則進(jìn)入存儲(chǔ)延時(shí)模塊；如果接收的信號(hào)頻譜中特定頻率信號(hào)的幅度小于門限值，則等待fft_trigger信號(hào)并在fft_trigger的上升沿將RAM1中從第512個(gè)地址開始將數(shù)據(jù)送入FFT模塊。繼續(xù)對(duì)新的1 024點(diǎn)FFT處理后的信號(hào)頻譜進(jìn)行分析，以決定是否進(jìn)入存儲(chǔ)延時(shí)模塊，如此進(jìn)行512點(diǎn)滑窗直到信號(hào)頻譜中特定頻率信號(hào)的幅度大于門限值。此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)above_thr，在above_thr上升沿產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)r_trigger，表明接收到了雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，進(jìn)入存儲(chǔ)延時(shí)模塊開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)延時(shí)模塊中的RAM2的寫地址遞增記為Ain，當(dāng)頻率檢測(cè)模塊檢測(cè)到的特定頻率信號(hào)幅度小于門限值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)below_thr，表明結(jié)束存儲(chǔ)。此時(shí)發(fā)射控制脈沖TP為高電平，控制收發(fā)開關(guān)使天線與發(fā)射模塊接通而與接收模塊斷開，準(zhǔn)備發(fā)射。

    在發(fā)射時(shí)，將存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行一定延時(shí)后發(fā)射，利用存儲(chǔ)延時(shí)模塊的RAM2存入和讀出接收信號(hào)時(shí)本身是對(duì)信號(hào)進(jìn)行確定時(shí)間的延時(shí)，也可根據(jù)實(shí)際需要再加入額外的延時(shí)，一個(gè)幀周期內(nèi)的延時(shí)相等，當(dāng)前幀周期內(nèi)的延時(shí)時(shí)間與前一幀周期內(nèi)的延時(shí)相差一個(gè)常量從而加入多普勒信息。延時(shí)完成后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)t_trigger，表示觸發(fā)發(fā)射并開始從RAM2中讀出數(shù)據(jù)依次發(fā)射出去，信號(hào)通過(guò)發(fā)射模塊的DAC模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路經(jīng)天線發(fā)射，發(fā)射時(shí)，存儲(chǔ)延時(shí)模塊中的RAM2的讀地址遞增記為Aout，當(dāng)Aout=Ain-512時(shí)，TP變?yōu)榈碗娖?，控制收發(fā)開關(guān)使天線與接收模塊接通而與發(fā)射模塊斷開，進(jìn)入接收狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)。

4 全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器的程序設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后開始初始化，此時(shí)TP為低電平，系統(tǒng)工作在接收狀態(tài)，接收模塊開始工作并將ADC采樣輸出的數(shù)據(jù)存入頻率檢測(cè)模塊中的RAM1，此時(shí)只需檢測(cè)fft_trigger信號(hào)的上升沿：如果沒有檢測(cè)到fft_trigger信號(hào)的上升沿則繼續(xù)等待，如果檢測(cè)到fft_trigger信號(hào)的上升沿則開始進(jìn)行FFT變換。對(duì)FFT結(jié)果進(jìn)行分析，如果特定頻率信號(hào)幅度小于門限值則繼續(xù)進(jìn)行1 024點(diǎn)滑窗FFT變換，如果特定頻率信號(hào)幅度大于門限值則存儲(chǔ)延時(shí)模塊開始工作，存儲(chǔ)延時(shí)模塊中的RAM2開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)過(guò)程中如果檢測(cè)到特定頻率信號(hào)幅度小于門限值則存儲(chǔ)結(jié)束進(jìn)入延時(shí)階段，此時(shí)TP變?yōu)楦唠娖綔?zhǔn)備發(fā)射，延時(shí)完成后開始發(fā)射，發(fā)射完成后系統(tǒng)重新進(jìn)入接收狀態(tài)。

5 實(shí)測(cè)結(jié)果

    全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中取得了較好的效果，能很好地模擬目標(biāo)的距離和運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)通道校準(zhǔn)和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備與算法的檢驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，由于雷達(dá)應(yīng)答器的方位角與距離已知，雷達(dá)接收機(jī)接收到雷達(dá)應(yīng)答器發(fā)射的信號(hào)后經(jīng)信號(hào)處理得出應(yīng)答器模擬目標(biāo)的測(cè)試方位角，將測(cè)試方位角與實(shí)際方位角對(duì)比即可對(duì)雷達(dá)接收機(jī)通道在該方向進(jìn)行校準(zhǔn)。為了校準(zhǔn)接收機(jī)的所有測(cè)試方向，需要將雷達(dá)應(yīng)答器在雷達(dá)360°的方位上移動(dòng)。同樣應(yīng)答器模擬的目標(biāo)距離和速度信息已知，雷達(dá)接收機(jī)接收到雷達(dá)應(yīng)答器發(fā)射的信號(hào)后經(jīng)信號(hào)處理得出應(yīng)答器模擬目標(biāo)的測(cè)試距離與測(cè)試速度，將其與實(shí)際的模擬目標(biāo)的距離和速度對(duì)比即可檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。圖4為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到的二維距離多普勒譜圖，圖5為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到的多普勒譜圖。由圖4和圖5可見，在第8個(gè)距離元(即20 km)處出現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)，此信號(hào)為雷達(dá)應(yīng)答器所模擬的目標(biāo)回波信號(hào)，信號(hào)的信噪比約為15 dB，經(jīng)信號(hào)處理后可以得到此模擬目標(biāo)的方位角、距離和運(yùn)動(dòng)速度，將其與實(shí)際設(shè)定的方位角、距離和運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比即可對(duì)雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行通道校準(zhǔn)，也可以進(jìn)一步檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

    全數(shù)字高頻雷達(dá)應(yīng)答器采用基于FPGA的全數(shù)字處理與控制模式，不僅可以靈活地模擬目標(biāo)的距離信息，還能模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，能很好地檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與算法的準(zhǔn)確性。它與雷達(dá)的同步效果很好，沒有引入其他頻率時(shí)鐘源，能較好地對(duì)接收通道進(jìn)行幅度和相位校準(zhǔn)，并且不需要知道雷達(dá)信號(hào)的波形參數(shù)，在一定程度上擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，增加了應(yīng)用的靈活性，并且將接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)主要為最大限度地保證應(yīng)答器發(fā)射信號(hào)與原信號(hào)的相干性，從而能夠?qū)邮諜C(jī)通道的相位進(jìn)行校準(zhǔn)。

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