基于矢量信号源的雷达信号产生系统设计_李文海.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期1引言雷达告警设备主要由天线、接收机、处理器、显示器和控制面板等组成。在实际的使用过程中，频繁出现虚警、漏警、误警等问题，严重干扰了指挥员对威胁态势的正确判断，导致对雷达告警设备产生了一定程度的不信任。现阶段，雷达告警设备的检测主要依靠模拟真实战场环境下的雷达信号，然后通过空间辐射的方法将信号发送到告警天线阵或通过直接馈入方式将射频信号送雷达告警接收机前端，以验证其实际作战效能13。随着各种新体制雷达相继问世，平台所处的信号环境日益复杂，急需一种相对经济、实用，能够仿真多种雷达信号的雷达信号产生系统，以达到验证雷达告警设备性能的目的。测试所需能产生多种雷达信号的信号发生系统具有很高的实用价值。现阶段在该方面的研究主要存在以下三个方面的问题：1）雷达信号生成方面大多通过脉冲描述字（Pulse Description Word，PDW）描述信号方式，相对于该方式虽然能很大程度上减少存储空间，但是PDW一般只能描述脉间信号特征变化，产生的信号样式和适用的硬件设备受限。2）系统一般内置几种雷达信号样式可供选择，不能自行扩展和添加雷达信号样式，功能升级困难。SMW2000A矢量信号源是罗德与施瓦茨公司推出的数字调制信号发生器，具有频带宽、信号样式丰富、精度高和可扩展等优点，能满足产生各种收稿日期：2022年9月13日，修回日期：2022年10月8日作者简介：李文海，男，博士，教授，研究方向：航空电子设备自动测试。王洪春，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：自动测试技术。基于矢量信号源的雷达信号产生系统设计李文海王洪春刘勇文天柱（海军航空大学烟台264001）摘要为了满足雷达告警设备的检测需求，设计并实现了一种雷达信号产生系统。该系统硬件基于矢量信号发生器，软件利用Matlab生成基带信号I/Q数据，通过仪器控制工具箱将数据发送到矢量信号发生器，通过TCP/IP通信协议上基于文本的SCPI命令实现系统的总体控制。最后通过生成线性调频脉冲压缩雷达信号具体实例展示该雷达信号产生系统的应用。该设计与通常的雷达信号产生系统相比更具通用性，具有很强的应用和实用价值。关键词虚拟仪器；雷达信号模拟；矢量信号源；线性调频；相位编码中图分类号TN957DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.017Design of Radar Signal Generation System Based on Vector SourceLI WenhaiWANG HongchunLIU YongWEN Tianzhu（Naval Aviation University，Yantai264001）AbstractTo meet the detection requirements of radar warning equipment，a radar signal generation system is designed andimplemented.The system hardware is based on the general instrument vector signal generator，and the software is based on MatlabApp Designer.The powerful computing power of Matlab and the tool control toolbox are used to generate baseband signal I/Q dataand send the data to the vector signal generator through the LAN bus.Then，the text-based SCPI command on the TCP/IP communication protocol is used to achieve the overall control of the system.Finally，the application of the radar signal generation system is illustrated by a specific example of generating the LFM pulse compression radar signal.This design is more versatile than the usual radar signal generation system and has a strong application and practical value.Key Wordsvirtual instrument，radar signal simulation，vector signal source，LFM，phase codedClass NumberTN957总第 345 期2023 年第 3 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.375总第345期复杂雷达信号的需求。就设备本身而言，可以实现基带IQ数据生成，但是这些基带IQ数据只能是针对已有的几种信号调制方式，与实际测试需求有一定差距。为解决上述问题，利用Matlab软件与矢量信号发生器，设计并实现了一种雷达信号产生系统，前者负责生成复杂信号的基带IQ数据，后者实现基带IQ数据到射频信号的转化。设计了雷达信号产生系统控制软件，实现加载自定义雷达信号模型，生成所需IQ波形，并控制矢量信号源进行雷达信号的回放。2雷达信号描述方法对比2.1IQ波形经典的I/Q调制是采用相同的本振将I、Q信号混频，其中Q路信号本振回路中，放置一个90移相器，如图1所示。图1I/Q调制原理图根据I/Q调制原理，I支路和Q支路信号可以表示为i(t)=cos(m(t)q(t)=sin(m(t)（1）其中，m(t)为调制信号瞬时相位。根据I/Q调制原理，两路信号经过I/Q调制后的信号：s(t)=Ec(t)i(t)cos(2fc(t)-Ec(t)q(t)sin(2fc(t)=Ec(t)cos(2fc(t)t+m(t)（2）其中，Ec(t)为载波瞬时幅度，fc(t)为载波的瞬时频率。2.2脉冲描述字PDW对每一个雷达脉冲的信号参数生成的数字化描述符。准确的PDW是雷达信号生成的基础和前提。传统的 PDW 主要由脉冲的脉冲幅度（PA）、脉冲宽度（PW）、脉冲重复间隔（PRI）、载波频率（RF）、到达方位（DOA）五个参数构成。对于一般的雷达信号，首先将信号S(t)顺序展开成脉冲序列：S(t)=S(n)n=1其中，S(n)是S(t)的第n个脉冲，每个脉冲可由其PDW完整描述，且雷达脉冲与PDW一一对应。以脉冲描述字PDW的形成建立雷达脉冲的模型，就是以 PDW 的 5 项参数建立他们相应的模型。以频率截变雷达为例，频率捷变范围为RF时，其RF模型为RFi=RF+RF*()-1,1i=1,2,式中，RF为雷达脉冲载频的中心频率，()-1,1为区间-1,1内均匀分布的独立随机数。2.3信号产生需求分析I/Q调制能够非常方便地将独立的信号分量合成到一个复合信号中，通过I和Q数据可以表示信号的大小和相位的任何变化，因此，通过IQ波形可以描述任意信号波形和调制类型。PDW对应雷达信号的一个脉冲，一般只能描述雷达信号脉冲间的参数变化，对于复杂雷达信号描述存在一定限制。尽管随着雷达技术的发展，PDW的参数在不断更新，增加了表征参数包括极化特征PC、信噪比、脉内调制等，但是参数愈加复杂，控制难度较大。矢量信号发生器通常支持通过IQ波形和PDW的两种控制方式产生信号，其中PDW方式只能使用设备内置PDW格式或者通过建立映射方式使用个性化的PDW，这样的系统在产生信号样式方面显然也是不全面的。相比之下，使用IQ波形描述基带信号然后调制产生所需雷达信号的方式技术成熟，具有很强的通用性。3雷达信号产生系统设计3.1设计原理系统主要基于R&S的SMW200A矢量信号源，硬件实现如图2所示。选用性能较好的计算机作为控制器，利用MATLAB完成基带信号的计算和输出，通过LAN网络写入SWM200A矢量信号源存储器，信号源自动读取I/Q数据文件模拟真实的雷达信号68。图2系统硬件组成图图3系统工作流程图李文海等：基于矢量信号源的雷达信号产生系统设计76舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期系统工作流程如图3所示。首先读取雷达发射信号模型，根据雷达信号样式完成基带或者中频模拟信号的计算，得到相应的I/Q数据，写入波形文件；软件加载波形文件，并将数据和控制指令送矢量信号源；信号源接收数据，并根据控制指令播放输出雷达信号9。3.2控制软件设计3.2.1软件界面设计基于 Matlab App Designer 开发雷达信号产生系统的控制软件，软件界面分为波形文件生成、波形预览和设备控制三个区域10，软件交互界面如图4所示。图4设计系统控制软件界面软件的波形文件生成区用于选择或者加载产生雷达信号类型，输入波形参数并调用Matlab函数计算波形I/Q数据后生成波形*.wav文件。波形预览区使用两个坐标区组件，分别显示仿真的雷达基带I/Q信号的时域和总体基带信号的频域波形。设备控制区主要完成矢量信号源的控制。3.2.2软件功能设计软件功能实现主要依托于代码的编写。在App Designer的代码视图中完成代码的编辑工作，主要通过添加属性、回调函数和其他函数的方法实现软件的各个功能11。软件的具体工作流程如图5所示。波形生成和波形预览部分的重要函数有I/Q数据计算函数、波形文件生成函数以及加载信号模型时信号参数获取函数等。I/Q数据计算函数是根据雷达信号特征，生成基带的I/Q信号仿真采样值，并根据载频自动设置矢量信号源的载频参数。I/Q数据计算最终的结果是一维I-data数组和Q-data数组，波形文件生成函数获取该结果，将二者结合成数组 I/Q-data，生成一个包含矢量信号源手册中规定的所必须和可选的标记的文件，即*.wav波形文件。为了确保不发生削波失真，将所有I/Q数据的峰值向量长度标准化为1.0，然后打开空的*.wav波形文件，以二进制方式写入数据。为增强系统的通用性，软件可以加载符合IEEE 1641标准的XML信号模型文件。为方便开发使用，在波形描述 XML 文件的模块中添加基带信号波形表达式。使用 Matlab 自带 xmlread（）函数读取 XML 文件，通过模块内容可以获得信号模型接口，以此为依据在软件界面自动生成参数输入框；读取中的基带信号波形表达式用于生成IQ数据。图5软件工作流程图3.2.3信号源控制模块设计Matlab可以使用仪器控制工具箱直接连接到通用仪器，通过基于文本的SCPI命令，将Matlab中生成的数据发送到仪器，控制仪器和从仪器获取数据1213。该命令基于通用通信协议，如 GPIB、VISA、TCP/IP和UDP，而无需额外编写代码。SMW200A 可通过所有通用远程接口进行控制，在本设计中使用仪器的 TCP/IP控制接口。控制基于Matlab 的仪器控制工具箱，以SCPI指令形式通过LAN总线发送至信号源，完成远程控制信号源产生雷达信号的任务14。信号源的控制模块工作流程如图6所示。首先，直接使用Matlab仪器控制工具箱中的函数OBJ=TCPIP（远程主机，远程端口号）构建TCP/IP对象，通过fopen（OBJ）函数连接到远程主机，实现与仪器通信15。然后，使用SCPI命令控制仪器在通道1播放信号，播放控制流程及命令如下：77总第345期图6信号源控制模块工作流程Step1：使用：MMEM：DATA文件路径/文件名，数据量SCPI命令将二进制数据读取PC文件到远程主机内存；Step2：使用：SOUR1：BB：ARB：WAV：SEL文件路径/文件名SCPI命令控制仪器加载文件；Step3：使用：SOUR1：BB：ARB：STAT ON 命令打开调制开关；Step4：使用：OUTP1：STAT ON命令控制通道1输出信号。SWM200A可以直接显示每个参数设置的SCPI命令，并以图形方式突出显示仪器预设状态的所有修改，并有一个内置的SCPI宏记录器，带有代码生成器，可以记录所有手动操作步骤，并生成带有远程命令序列的文件。因此，对于部分未知SCPI控制命令的操作，可以通过手动操作后查看自动生成的命令代码的方式，这有助于最小化测试自动化所需要的时间。4复杂调制雷达信号的实现相位编码信号具有很强的时延和多普勒分辨能力，且较容易实现波形捷变，但缺点是对多普勒敏感，只能应用于多普勒频率范围较窄的场合。同样作为脉冲压缩雷达的常用信号，线性调频信号具有对多普勒频移不敏感的特性16。下面通过本文设计的雷达信号产生系统，产生线性调频相位编码雷达信号，进行系统的功能验证。一般相位编码信号的复包络可以写成：SPC(t)=|1Pn=0P-1cnv(t-nTp),0tPTp0,其他式中，P为码长，Tp是子脉冲宽度，cn是第n个码的 取 值（1 或 者-1），v(t)表 示 子 脉 冲 函 数，v(t)=1Tp,0tTp0,其他。线性调频信号的复数表达式为SLFM(t)=1Tlrect(tTl)ej(2f0t+kt2)式中，Tl为线性调频信号的时宽，f0表示信号的载频，k为线性调频信号变化的斜率。取信号的脉宽T=Tl=PTp，则在脉冲持续时间内相位编码-线性调频信号的表达式为SLFM-PC(t)=1TPrect(tT)n=0P-1cnv(t-nTP)ej(2f0t+kt2)编码信号选用13位Barker码，即cn=1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1。首先设置较小的线性调频带宽（B=5MHz），使用Matlab进行仿真，得到线性调频-相位编码复合调制信号的时频图，如图7和图8和所示。0102030405060708090100采样点/千个0.50-0.5幅度线性调频-相位编码信号实部线性调频-相位编码信号虚部0102030405060708090100采样点/千个10.50-0.5幅度图7线性调频-相位编码信号时域图线性调频信号和相位编码信号都是广泛应用的脉冲压缩雷达信号类型。线性调频信号带宽较大，进行脉压处理后有较大输出旁瓣，但其匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感；相位编码信号则具有很强的时延和多普勒分辨能力，且较容易实现波形捷变，但相位编码信号对多普勒敏感，当回波信号存在多普勒频移时，会严重影响脉压性能，故只能应用于多普勒频率范围较窄的场合。使李文海等：基于矢量信号源的雷达信号产生系统设计78舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期用线性调频-相位编码混合调制之后的信号会同时具有两种信号类型的优点，有效提高雷达探测目标的能力。02004006008001000频率/MHz1086420幅度谱104线性调频-相位编码信号频谱图8线性调频-相位编码信号频域图软件加载上述雷达信号模型XML描述文件，自动生成参数输入接口。设置信号参数后，生成波形文件，送SMW200A矢量信号源进行信号播放，输出真实的线性调频脉冲雷达信号，作为雷达告警设备检测的电磁环境场景。实验中，在软件界面设置信号参数后生成波形文件和波形时域和频域的仿真结果，如图9所示。-1-0.500.511.522.53频率（单位：Hz）10008006004002000信号频谱幅度谱图9波形参数设置及仿真结果软件界面图10实验设备连接图实验中设备实际连接如图10所示。计算机通过计算产生波形IQ数据文件，数据文件和控制命令通过LAN总线送矢量信号发生器，矢量信号发生器进行波形回放，波形送频谱仪进行结果测量，得到最终的频谱测量结果，测量结果与仿真结果一致。实验结果说明，通过手动输入参数，矢量信号源在雷达信号控制软件的控制之下，成功产生预想的实际雷达信号，该雷达信号产生系统满足设计要求。5结语本文设计了基于Matlab和矢量信号发生器的雷达信号产生系统。该系统能够根据用户需求设计、仿真并模拟多种雷达信号，并且可以模拟采用新技术的雷达信号，可以达到验证机载雷达告警设备性能的目的，与通常的雷达信号产生系统相比更具通用性，具有很强的应用和实用价值。参 考 文 献1陈天驰，李文海，刘勇.机载电子对抗装备射频通道性能检测技术综述 J.电子设计工程，2019，27（4）：122-126.2王炜珽.被动雷达告警接收机关键技术及原位检测方法研究 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2016.3吴阳勇，吴忠德，孙伟超，等.美军机载电子战装备检修现状及对我军的启示 J.舰船电子工程，2021，41（7）：8.4吴阳勇，李文海，王怡苹，等.侦察吊舱动态性能测试环境生成方法研究 J.电光与控制，2021，28（07）：73-77，82.5占超.一种超宽带雷达信号模拟器的设计 J.海军航空工程学院学报，2015（2）：116-119，124.6Liu Y，LI X，Zhang H.Design of Test of Instrument Software Based on 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期验等系统建设。高海况环境试验系统主要由海上试验方舱、水平发射装置、垂直发射装置、倾斜和摇摆装置、记录设备、锚定设备及吊放设备组成。试验方舱主要用于在规定极端温度、时间条件下遂行水中兵器发射试验、运输试验、综合环境适应性试验、装载可靠度试验等，检验兵器的装载、发射及运输安全性。这些极端温度环境，靶场无条件进行。6结语我国对武器装备环境试验及环境适应性的研究工作重视不够、差距明显1314，总体而言，针对装备用材料、工艺、部件开展的环境适应性工作开展较多，针对分系统、整机（雷、弹）开展的工作较少；开展的自然环境试验和实验室环境试验较多，而使用环境试验开展较少；对环境的短期影响考核较多，环境的长期慢作用考核较少。这一现状是多方面的原因造成的，也与国家的经济实力密切相关。未来我们必将走出实验室，更多的走向外场，所以加强环境试验场地的建设成为必然，特别是极端环境条件的试验场。除此之外，一些新的试验手段如仿真技术、虚拟试验技术及相应的评价机制等也应开始广泛研究，为后续的试验考核与评价提供充分的技术支持。世界各国都在进行环境适应性研究，美国、日本等国都在积极进行武器装备海洋适应性研究和建立海洋环境资料数据库等。从提高我国武器装备的使用效能和未来军事斗争的准备需要，我们也应该尽快制订环境适应性评价的指导性标准，明确环境适应性评价的内容和方法，实现从战术技术性能考核向作战适用性转变，并为最终转向实战考核做准备，以适应武器装备试验与鉴定的需要，对打赢未来战争具有十分重大的意义。参 考 文 献1祝耀昌，李敏伟，游亚飞.GJB4239的作用和存在问题分析 J.装备环境工程，2008，5（6）：1-6.2文邦伟，胥泽奇.外军装备环境适应性典型案例 J.装备环境工程，2005，2（3）：83-87.3GJB 4239-2001.装备环境工程通用要求 S.4宣卫芳，胥泽奇，肖敏，等.装备与自然环境试验（基础篇）M.北京：航空工业出版社，2009：2-3.5祝耀昌，王丹.武器装备环境适应性要求探讨 J.航天器环境工程，2008，25（5）：416-422.6祝耀昌，张建军.武器装备环境适应性要求、环境适应性验证要求和环境条件及其相互关系的讨论 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