专利名称：双通道雷达回波模拟器及产生双通道雷达回波信号的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷达回波模拟领域，尤其是涉及一种双通道雷达回波模拟器，此外，还涉及了产生双通道雷达回波信号的方法和系统。
背景技术：
雷达利用电磁波在物体表面的反射检测目标。根据目标回波信号的时延判断目标的距离，根据波束指向确定目标的方位。早期的雷达分辨率很低，分辨单元通常大于目标的尺寸，只能将目标视为点目标。成像雷达的出现扩展了原始的雷达概念。使雷达具有对运
动目标和区域目标具有识别和成像的能力，并在微波遥感方面表现出越来越大的潜力。相比于传统的光学成像，雷达具有全天时、全天候等优势。合成孔径雷达(SAR)的概念是由美国Goodyear公司Carl Wiley于1951年率先提出。合成孔径雷达是一种高分辨的微波成像系统，在微波遥感领域占有重要的地位。合成孔径雷达通过在距离向上发射具有大的时宽带宽积的信号，然后采用脉冲压缩来获得距离向上的高分辨率；在方位向上利用目标与雷达的相对运动形成的轨迹来构成合成孔径，以此获得高的方位向分辨率。经过近60年的发展，SAR的功能大大增强，使其不仅用于军事侦察，同时也应用于遥感、地质地形测绘、海洋观测、环境监测等民用领域。随着技术的不断发展，SAR的功能得到极大扩展，双通道干涉SAR的出现为实现三维地形测绘、运动目标检测等提供了很好的技术手段，双通道干涉SAR在国内外的军用和民用领域发挥着越来越大的作用。雷达回波模拟器的发展是雷达技术不断发展的必然需求，随着雷达性能的不断提高，同时雷达应用场景和环境的复杂化、多样化，对雷达性能的测试问题逐渐凸现出来。在研制过程中，需要通过多次试验来检测和验证雷达工作性能的好坏。传统的方法是使用飞行器来做外场试验，提供雷达的测试数据，但是外场测试消耗较多的人力、物力、财力资源，付出代价很大，而且外场测试无法提供各种复杂情况下测试数据。因此，通过模拟仿真来获得雷达回波数据是一个很重要的途径。雷达回波模拟器以实测或理想数据为原型，模拟仿真真实环境下雷达接收的回波信号，能够节省试验成本、加快研制进度，对于雷达的设计、调试和性能评估等具有重要的意义。然而，现有雷达回波模拟器只能产生一路回波信号。因此，本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种双通道雷达回波模拟器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双通道雷达回波模拟器，其能够产生两路相位相同或不同的回波信号，也能够产生两路固定相位差的回波信号，还能够根据雷达与被测目标距离的变化，产生不同延迟的干涉SAR回波信号；此外，还提供一种产生双通道雷达回波信号的方法以及一种双通道雷达回波信号产生系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双通道雷达回波模拟器，其包括电源、频率综合器、FPGA控制电路、第一 DDS、第二 DDS、第一上变频器、第二上变频器及功分网络，该电源用于对频率综合器、第一 DDS、第二 DDS、FPGA控制电路、第一上变频器和第二上变频器进行供电；该频率综合器用于分别为FPGA控制电路、第一DDS、第二DDS、第一上变频器和第二上变频器提供时钟信号；FPGA控制电路向第一 DDS和第二 DDS发送控制信号，分别对第一DDS和第二 DDS进行触发控制 ，第一 DDS接收FPGA控制电路发送来的控制信号，输出第一中频信号，且输出至第一上变频器；第二DDS接收FPGA控制电路发送来的控制信号，输出第ニ中频信号，且输出至第二上变频器；第一上变频器对第一中频信号进行上变频，得到第一射频信号；第二上变频器对第二中频信号进行上变频，得到第二射频信号；功分网络接收第一射频信号和第二射频信号，并将第一射频信号分解为ニ路第一 1/2分支信号，再将其中一路第一 1/2分支信号分解为ニ路第一 1/4分支信号，以及将第二射 频信号分解为ニ路第二 1/2分支信号，其中二路所述第一 1/4分支信号的相位一致，第一 1/2分支信号与第二1/2分支信号之间具有相位差。较佳地，该FPGA控制电路包括FPGA芯片；FPGA芯片包括串ロ通信模块、寄存器、双ロ RAM、AD随机采样�？楹虳DS控制�？椋黄渲校硗ㄐ拍？橛糜诙越邮盏氖萁�3取2操作处理；寄存器用于存储所述串ロ通信�？榻邮盏降氖荩凰� RAM用于实现触发信号的延迟；AD随机采样�？橛糜诙栽肷胁裳匀范ǖ谝� DDS和第二 DDS中雷达发射信号的地址数据；DDS控制�？橛胨� RAM配合，用于根据高度数据来对所述触发信号进行延迟输出，井根据寄存器中的数据来选择第一 DDS和第二 DDS中的雷达发射信号。本发明还提供的一种产生双通道雷达回波信号的方法包括对第一路雷达回波基带信号进行上变频，形成第一中频信号；对第二路雷达回波基带信号进行上变频，形成第二中频信号，其中，第二路雷达回波基带信号与第一路雷达回波基带信号之间具有相位差；对第一中频信号进行上变频，得到第一射频信号；对第二中频信号进行上变频，得到第二射频信号；将第一射频信号分解为ニ路第一 1/2分支信号，再将其中一路第一 1/2分支信号分解为ニ路第一 1/4分支信号；将第二射频信号分解为ニ路第二 1/2分支信号；选取一路第一1/2分支信号、ニ路第一 1/4分支信号、一路第二 1/2分支信号作为雷达回波信号。较佳地，第一路雷达回波基带信号和第二路雷达回波基带信号是通过以下步骤从第一 DDS和第二DDS中选择的对噪声进行采样，以确定选择第一路雷达回波基带信号和第ニ路雷达回波基带信号的地址数据；根据高度数据来对触发信号进行延迟输出，以调节雷达发射信号的产生时间，井根据地址数据来选择所述第一路雷达回波基带信号和第二路雷达回波基带信号。本发明提供的一种产生双通道雷达回波信号的系统包括上位机和上述双通道雷达回波模拟器；该上位机包括上位机控制装置，上位机控制装置包括复位模块、准备�？�、单值发送模块、文件发送�？楹蛥⑹胺⑺湍？椋黄渲校次荒？榉⑺透次皇葜罠PGA芯片；准备�？橛糜诩扑闼邮盏母叨仁荻杂Φ磨私剖荩约笆导史⑺偷母叨鹊ブ凳莺兔苛礁龈叨鹊ブ凳葜溲映偈奔涫荩坏ブ捣⑺湍？橛糜诜⑺陀勺急改？榧扑愕玫降母叨鹊ブ凳荩晃募⑺湍？榘ǚ⑺臀募≡衲？�、文件发送开始�？�、文件发送结束�？椋黄渲校⑺臀募≡衲？橛糜谘≡窀叨任募荩晃募⑺涂寄？榉⑺透叨任募荩晃募⑺徒崾？橛糜诮崾鼻案叨仁菸募姆⑺停粎⑹胺⑺湍？榘ùシ⑿藕叛≡衲？�、发射波形选择�？楹头⑺脱映倌？椋黄渲校シ⑿藕叛≡衲？橛糜谘≡衲诓看シ⑿藕呕蛘咄獠看シ⑿藕牛环⑸洳ㄐ窝≡衲？橛糜诖拥谝� DDS和第二 DDS中选择预存储的发射波形；发送延迟�？橛糜谘≡窳礁龈叨仁葜涞姆⑺褪奔浼涓簟＝霞训兀衔换刂谱爸没拱úㄐ紊赡？楹筒ㄐ蜗略啬？椋黄渲校ㄐ紊赡？橛糜谏傻谝缓偷诙状锘夭ɑ藕牛徊ㄐ蜗略啬？橛糜诮状锘夭ɑ藕畔略氐降谝� DDS和第二 DDS中。与现有技术相比，本发明具有以下优点由于本发明实施例设有两个直接数字合成器、两个上变频器以及ー个功分网络，再通过FPGA控制电路的控制，形成分别处理具有相位差的两路雷达回波基带信号的两条路径，能够产生两路相位相同或不同的回波信号，也能够产生两路固定相位差的回波信号，并输出给双通道干涉雷达(特别是干涉SAR雷达系统)的双通道接收机，用于测试接收机的两个通道相位一致性，并验证接收机的性能，并且，本发明实施例在模拟装载平台运动过程 中，能够观测不同距离目标的雷达回波。同时，本发明实施例能够根据双通道干涉雷达与被测目标之间距离的变化，产生不同延迟的干渉SAR回波信号。根据上位机发送的高度数据，本发明提供的实施方式可以用于测试双通道干渉雷达的跟踪算法。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在权利要求书、说明书及其附图中所特别指出的结构来实现和获得。
图I为本发明双通道雷达回波模拟器的系统框架示意图；图2为本发明FPGA控制装置系统框架示意图；图3为本发明的上位机控制装置与FPGA芯片之间的通信示意图；图4为本发明实施例的雷达回波模拟器工作时的操作流程。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明做详细的阐述。本发明实施例提供的产生双通道雷达回波信号的系统包括上位机和双通道雷达回波模拟器。图I显示了双通道雷达回波模拟器的系统框架示意图。该双通道雷达回波模拟器包括电源(未图示)、频率综合器、FPGA控制电路、第一 DDS (第一直接数字式频率合成器)、第二 DDS (第二直接数字式频率合成器)、第一上变频器、第二上变频器及功分网络。电源将220V交流电压转换成直流电压，用于提供+12V/1A、+15V/3A、+5V/3A、-5V/1A直流，并对频率综合器、第一 DDS、第二 DDS、FPGA控制电路、第一上变频器和第二上变频器进行供电。频率综合器在没有外部IOOMHz參考时钟输入时，利用自身的晶振产生75MHz时钟信号、IOOMHz时钟信号、I. 03GHz时钟信号、12. 55GHz时钟信号，而在有外部參考时钟输入的情况下，频率综合器的内部晶振不工作，且可以提供各种与外部时钟信号相干的时钟信号，并产生75MHz、IOOMHz、I. 03GHz、12. 55GHz四种频率的时钟信号。
FPGA控制电路包括FPGA芯片、AD (模数)采集芯片、电平转换芯片、串口，FPGA芯片包括串口通信�？椤⒓拇嫫�、双口 RAM、AD随机采样�？�、DDS控制�？楹湍诖シ⑿藕挪？�。FPGA控制电路通过串口与计算机相连。FPGA控制电路以频率综合器提供的IOOMHz时钟信号作为FPGA芯片的时钟信号，利用FPGA芯片，根据串口通信协议，通过串口接收上位机控制装置发送来的参数数据(如高度单值数据、高度文件数据、触发信号选择数据、发射波形选择数据、发送延迟时间数据);FPGA控制电路向第一 DDS和第二 DDS发送控制信号，对第一 DDS和第二 DDS进行触发控制。其中，控制信号包括一个触发信号以及两个地址信号，触发信号既可以是内部触发信号也可以是外部触发信号。内部触发信号是由FPGA芯片内部的内部触发信号产生模块产生的；外部触发信号是由外部触发源产生的。FPGA芯片内部的DDS控制�？楦莞叨仁�(即高度单值数据和高度文件数据)对触发信号进行一定的延迟，然后DDS控制�？榻谎映倭艘欢ㄊ奔涞拇シ⑿藕欧直鹗涑龈谝� DDS和第二DDS,并用于触发控制第一 DDS和第二 DDS ;两个地址信号用于选择第一 DDS或者第二 DDS中预存储的波形。第一 DDS和第二 DDS中预先存储有具有相位差的雷达发射信号(作为雷达回波基带信号)，具体地说是四个雷达发射波形(也即第一至第四雷达回波基带信号)。从本质上说，雷达回波信号就是将雷达的发射信号延迟后的信号。如果设计人员在设计雷达，需要变换雷达系统时，就需要生成适合该雷达系统的雷达发射信号，此时该雷达发射信号可由上位机中的波形生成�？椴⒂刹ㄐ蜗略啬？橄略氐降谝� DDS和第二 DDS中。第一 DDS和第二 DDS分别以75MHz作为基带本振信号，该基带本振信号作为第一 DDS和第二 DDS的时钟信号。第一 DDS以频率综合器提供的I. 03GHz时钟信号的频率作为本振频率，对由第一DDS中预存储或者上位机的波形下载�？橄略叵吕吹牡谝焕状锘夭ɑ藕沤猩媳淦担浠怀傻谝恢衅敌藕�(即第一 IF信号)，其中第一雷达回波基带信号包括第一 I路雷达回波基带信号及第一 Q路雷达回波基带信号。第二 DDS以频率综合器提供的I. 03GHz时钟信号的频率作为本振频率，对由第二 DDS中预存储或者上位机的波形下载�？橄略叵吕吹牡诙状锘夭ɑ藕沤猩媳淦担浠怀傻诙衅敌藕牛渲械诙状锘夭ɑ藕虐ǖ诙� I路雷达回波基带信号及第二 Q路雷达回波基带信号。第一 DDS在FPGA控制电路的触发控制下，输出第一 I路雷达回波基带信号、第一 Q路雷达回波基带信号和第一中频信号，且输出至第一上变频器；第二 DDS在FPGA控制电路的触发控制下，输出第二 I路雷达回波基带信号、第二 Q路雷达回波基带信号和第二中频信号，且输出至第二上变频器；其中，I路表示同相支路，Q路表示正交支路，第一 I路雷达回波基带信号与第二 I路雷达回波基带信号、第一Q路雷达回波基带信号与第二Q路雷达回波基带信号之间具有一定的相位差;第一DDS和第二 DDS输出的I路雷达回波基带信号和Q路雷达回波基带信号用于检验中频信号是否正确。第一上变频器以频率综合器提供的12. 55GHz时钟信号的频率作为本振频率，并对第一 DDS输出的第一中频信号进行上变频，然后输出第一射频信号(即第一 RF信号)。第二上变频器以频率综合器提供的12. 55GHz时钟信号的频率作为本振频率，并对第二 DDS输出的第二中频信号进行上变频，然后输出第二射频信号(即第二 RF信号)。
功分网络包括三个功分器，功分器全称为功率分配器，其用于将一路输入信号变为两路信号而输出。第一上变频器发送第一射频信号至功分网络的第一功分器，第一功分器将该第一射频信号分解成两路1/2分支信号，然后再将第一功分器输出的一路1/2分支信号输入至第二功分器，该第二功分器将该1/2分支信号分解成两路1/4分支信号；第二上变频器发送第二射频信号至功分网络的第三功分器，第三功分器将该第二射频信号分解成两路1/2分支信号。第一功分器输出的一路1/2分支信号、第二功分器输出的两路1/4分支信号以及第三功分器输出的一路1/2分支信号作为雷达回波信号，并由功分网络进行输出。其中，第二功分器输出的两路1/4分支信号的相位完全一致；第一功分器输出的一路1/2分支信号和第三功分器输出的1/2分支信号两者的相位差是固定的，这两路相位差固定的1/2分支信号可以通过对第一 DDS和第二 DDS中预存储的雷达回波基带信号进行调整而得到。该功分网络输出的雷达回波信号可以传送至双通道干涉雷达(特别是指干渉SAR雷达系统)的双通道接收机，以用于测试双通道接收机的两个通道的相位是否一致，并验证双通道接收机的性能。此外，第一功分器与第三功分器同时输出信号，以用于进行雷达回波信号的干渉。上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机。上位机包括上位机控制装置、 波形生成�？楹筒ㄐ蜗略啬？椤Ｆ渲校钡谝� DDS和第二 DDS中预先存储的波形不合适雷达系统时就需要产生适合该雷达系统的雷达回波基带信号，该雷达回波基带信号由波形生成�？椴�。波形生成�？楦堇状镎丈涞降哪勘甑奶匦�、目标数量及杂波等參数，调整频率、信号周期等參数，来生成雷达回波基带信号。波形下载装置通过SPI (同步串行外设接ロ)通信协议，将雷达回波基带信号下载到第一 DDS和第二 DDS中。上位机控制装置通过串ロ通信协议，发送复位数据、高度单值数据、高度文件数据、发射波形选择数据和触发信号选择数据等參数数据至FPGA控制电路，并经串ロ通信�？槭涓鳩PGA芯片进行处理；对于參数数据“触发信号选择”用于选择内部触发信号或外部触发信号。其中内部触发信号表明该触发信号是由FPGA控制电路产生的，而外部触发信号表明该触发信号是由外部触发源产生的。由于卫星距离地面的高度在300knT490km之间，需要的分辨率为I. 5m。在实际的发送过程中，只需发送有效的高度范围为0knTl90km即可，相对于I. 5米的16进制数为0x0000000^0x0001EECA,由于串ロー次只能发送ー个8bit的数据，因此，把高度值分解成4个8bit的数据进行发送(发送顺序由高字节到低字节)。为了区分高度单值数据、高度文件数据和參数数据，在每发送ー个有效数据前面需加上一个标识。其中，高度单值数据包括一个高度数据；高度文件数据包括多个高度单值数据，表示卫星在不同时刻距离地面的距离；參数数据包括触发信号选择数据、发射波形选择数据及发送延迟时间数据。表I显示了发送不同參数数据所对应的标识。表I
权利要求
1.一种双通道雷达回波模拟器，其包括电源； 其特征在于 该双通道雷达回波模拟器还包括频率综合器、具有FPGA芯片的FPGA控制电路、第一DDS、第二 DDS、第一上变频器、第二上变频器及功分网络；其中， 所述频率综合器，其用于分别为所述FPGA芯片、所述第一 DDS、所述第二 DDS、所述第一上变频器和所述第二上变频器提供时钟信号； 所述FPGA控制电路，其向所述第一 DDS和所述第二 DDS发送控制信号，分别对所述第一 DDS和所述第二 DDS进行触发控制； 所述第一 DDS，其接收所述FPGA控制电路发送来的控制信号，输出第一中频信号，且输出至所述第一上变频器； 所述第二 DDS，其接收所述FPGA控制电路发送来的控制信号，输出第二中频信号，且输出至所述第二上变频器； 所述第一上变频器，其对所述第一中频信号进行上变频，得到第一射频信号； 所述第二上变频器，其对所述第二中频信号进行上变频，得到第二射频信号； 所述功分网络，其接收所述第一射频信号和所述第二射频信号，并将所述第一射频信号分解为ニ路第一 1/2分支信号，再将其中一路所述第一 1/2分支信号分解为ニ路第一 1/4分支信号，以及将所述第二射频信号分解为ニ路第二 1/2分支信号，其中二路所述第一 1/4分支信号的相位一致，所述第一 1/2分支信号与所述第二 1/2分支信号之间具有相位差。
2.根据权利要求I所述的双通道雷达回波模拟器，其特征在于，所述FPGA控制电路包括FPGA芯片；所述FPGA芯片包括串ロ通信�？�、寄存器、双ロ RAM、AD随机采样�？楹虳DS控制�？椋黄渲校� 所述串ロ通信�？椋溆糜诙越邮盏氖萁�3取2操作处理； 所述寄存器，其用于存储所述串ロ通信�？榻邮盏降氖荩� 所述双ロ RAM，其用于实现触发信号的延迟； 所述AD随机采样�？椋溆糜诙栽肷胁裳匀范ㄋ龅谝� DDS和所述第二 DDS中雷达发射信号的地址数据； 所述DDS控制�？椋溆胨鏊� RAM配合，用于根据高度数据来对所述触发信号进行延迟输出，以调节雷达发射信号的产生时间，井根据所述寄存器中的地址数据来选择所述第一 DDS和所述第二 DDS中的雷达发射信号。
3.—种产生双通道雷达回波信号的方法，其特征在干 对第一雷达回波基带信号进行上变频，形成第一中频信号； 对第二雷达回波基带信号进行上变频，形成第二中频信号，其中，所述第二路雷达回波基带信号与所述第一路雷达回波基带信号之间具有相位差； 对所述第一中频信号进行上变频，得到第一射频信号； 对所述第二中频信号进行上变频，得到第二射频信号； 将所述第一射频信号分解为ニ路第一 1/2分支信号，再将其中一路所述第一 1/2分支信号分解为ニ路第一 1/4分支信号； 将所述第二射频信号分解为ニ路第二 1/2分支信号； 选取一路所述第一 1/2分支信号、ニ路所述第一 1/4分支信号、一路所述第二 1/2分支信号作为雷达回波信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述第一路雷达回波基带信号和所述第ニ路雷达回波基带信号是通过以下步骤从第一 DDS和第二 DDS中选择的 对噪声进行采样，以确定选择所述第一路雷达回波基带信号和所述第二路雷达回波基带信号的地址数据； 根据高度数据来对所述触发信号进行延迟输出，以调节雷达发射信号的产生时间，并根据所述地址数据来选择所述第一路雷达回波基带信号和所述第二路雷达回波基带信号。
5.一种产生双通道雷达回波信号的系统，其特征在于该系统包括上位机和如权利要求I或2所述的双通道雷达回波模拟器； 所述上位机包括上位机控制装置，所述上位机控制装置包括复位�？�、准备�？椤⒌ブ捣⑺湍？椤⑽募⑺湍？楹蛥⑹胺⑺湍？椋黄渲校� 所述复位�？椋浞⑺透次皇葜罠PGA芯片； 所述准备�？椋溆糜诩扑闼邮盏母叨仁荻杂Φ磨私剖荩约笆导史⑺偷母叨鹊ブ凳莺兔苛礁龈叨鹊ブ凳葜溲映偈奔涫荩� 单值发送�？椋溆糜诜⑺陀勺急改？榧扑愕玫降母叨鹊ブ凳荩� 文件发送�？榘ǚ⑺臀募≡衲？�、文件发送开始模块、文件发送结束�？椋黄渲校� 发送文件选择�？椋溆糜谘≡窀叨任募荩� 文件发送开始模块发送高度文件数据； 文件发送结束�？橛糜诮崾鼻案叨仁菸募姆⑺停� 參数产生及发送模块包括触发信号选择模块、发射波形选择�？楹头⑺脱映倌？椋黄渲校� 触发信号选择�？椋溆糜谘≡衲诓看シ⑿藕呕蛘咄獠看シ⑿藕牛� 发射波形选择�？椋溆糜诖拥谝� DDS和第二 DDS中选择预存储的发射波形； 发送延迟�？椋溆糜谘≡窳礁龈叨仁葜涞姆⑺褪奔浼涓�。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述上位机控制装置还包括波形生成模块和波形下载模块；其中，波形生成模块用于生成所述第一和第二雷达回波基带信号；波形下载�？橛糜诮隼状锘夭ɑ藕畔略氐剿龅谝� DDS和所述第二 DDS中。
全文摘要
本发明公开了一种双通道雷达回波模拟器，以及产生双通道雷达回波信号的方法和系统。在该双通道雷达回波模拟器中，频率综合器用于提供时钟信号；FPGA控制电路向第一DDS和第二DDS发送控制信号；第一DDS和第二DDS分别接收FPGA控制电路发送来的控制信号，分别输出第一中频信号和第二中频信号，至第一上变频器和第二上变频器；第一上变频器对第一中频信号进行上变频，得到第一射频信号；第二上变频器对第二中频信号进行上变频，得到第二射频信号；功分网络接收第一射频信号和第二射频信号，并对它们进行分解。通过设置两条信号处理路径，本发明能根据雷达与被测目标距离的变化，产生不同延迟的干涉SAR回波信号。
文档编号G01S13/90GK102866389SQ20121033508
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者顾翔, 杨启伦, 张云华 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心
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