专利名称：全信号海面回波模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及星载海洋雷达高度计的地面测试系统，具体地说，涉及其中的海面回波模拟器。
背景技术：
海面回波模拟器是星载海洋雷达高度计地面测试系统中最重要的设备，随着卫星测高技术的发展，当今星载雷达高度计大都采用高脉冲压缩比和长线性调频脉冲(Chirp)发射的体制，其脉冲宽度通常为几十至100微秒左右，很难通过航空校飞达到对仪器进行检测的目的；同时，作为高精度卫星测高仪器的高度计系统也需要精密的地面测试及定标。海面回波模拟器利用对射频海面回波的模拟实现对高度计进行全系统测试，可以精密检测高度计的系统时延，验证去斜精度和高度的动态跟踪能力，验证海洋有效波高和后向散射系数的动态估测能力。
海面回波模拟器的主要功能是模拟海洋表面对高度计发射信号的后向散射，具体包括(1)海洋表面的雷达截面(RCS)；(2)海洋有效波高(SWH)；(3)卫星高度角；(4)高度、高度变化率、高度加速度；(5)海洋后向散射的统计特性；(6)海洋后向散射的空间和时间相关等。
根据海面后向散射模型，全信号回波模拟器提供给高度计的模拟回波功率应该包含三个最基本的信息路径传输延时、海面回波波谱及雷达系统的点目标响应。图1为全系统海面回波模拟器的工作原理框图。可以看出，海面回波模拟器包括海面回波波谱产生器、调制器、延时线、可调衰减器和定时器，其中可调衰减器与高度计的发射机相连，而延时线的输出则与高度计的接收机相连。来自高度计的信号通过可调衰减器控制其幅度，并在精密定时器的控制下被海面回波波谱调制，生成的回波信号经延时线返回给高度计的接收机，再由高度计处理收到的模拟器信号。由于模拟器给出的信号是严格按照高度计海面后向散射模型生成的，因此它可以作为标准来衡量高度计的测量误差，通过对高度计的反复调整使高度计的运行达到最佳状态。
回波模拟器从提供信号的形式及用途上，可分为点目标模拟器和海面目标模拟器；从技术角度上看，可以分为信号重复型和脉冲重建型。下面仅介绍两种现有的回波模拟器脉冲重建去斜型全数字点目标模拟器和脉冲重建型海面目标模拟器。
脉冲重建去斜型全数字点目标模拟器的框图如图2所示。输入的Chirp信号经衰减后被一个具有相同色散和脉宽的上变频Chirp去斜，脉冲捕获环调整Chirp定时直到中频信号在低通滤波器中被检测到。通过数字化采样的I、Q通道的建立，对中频信号进行谱分析。采样点被存储起来以备后来之用；采用微延时技术可以对去斜混频时模拟器和高度计Chirp间的精时间位移进行计算，获得改善的定时用于修正延时计数器对冲击脉冲产生器的触发。与回波到来时刻对应，计数器再次触发脉冲触发Chirp产生器。中频存储信号重新转换回模拟形式并与Chirp混频，再生的波形与从高度计接收到的Chirp具有相同的频率-时间特性。经过上变频后，信号被重新发射回高度计。
该模拟器仅仅实现了对高度计点目标响应的模拟，只能对高度计的系统时延和线性度进行测试，不能对高度计进行全系统测试和定标，而且其微延时的产生是靠高频脉动方法实现的，时间上具有很大的模糊性。
海面目标模拟器是在点目标模拟器的基础上，将海面回波波谱调制到射频信号上，使提供给高度计的信号真实地模拟了海面的后向散射。脉冲重建型海面目标模拟器的结构如图3，包括多频音海洋回波函数发生器(ORF)、调制器、延时器、可调衰减器、定时器和开关，其定时触发来自高度计。高度计的发射触发脉冲启动模拟器的定时，模拟器在定时器的控制下同步触发开关和多频音ORF，高度计的发射脉冲经过开关、可调衰减器到达调制器，同时，多频音ORF生成模拟的海面回波波形在调制器中对高度计脉冲进行调制，调制后的信号经延时后作为海面回波的模拟发回高度计。
由于该模拟器产生的延时是相对于高度计的发射触发脉冲，并不是相对于高度计的发射脉冲，而测试高度计需要的是后者，因此必须采取其它仪器对高度计发射触发脉冲与发射脉冲间的延时进行准确测量，这在实际中是很难实现的。另外，多频音ORF生成的海面回波波形是通过硬件模拟的方法实现的，只能模拟一定海况范围内的海面回波，不能对全海况条件下海面回波进行完全的模拟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供全信号的海面回波模拟器，以解决现有技术中存在的不能准确模拟双程路径传输延时、不能模拟全海况条件下的海面回波、不能由一台回波模拟器既能实现点目标响应模拟又能实现海面回波模拟等问题。
本发明所述全信号海面回波模拟器，包括频综单元、接收单元、上变频单元和数控单元；所述频综单元，用于为上变频单元和接收单元提供标准的本振信号；所述接收单元，用于对来自高度计的发射信号进行处理，并将所获得的I、Q信号送到所述数控单元进行处理；所述上变频单元，用于将来自所述数控单元的海面回波模拟信号或点目标响应信号调制到线性调频脉冲上，并将所得的模拟回波信号发送给高度计；所述数控单元，用于根据所述接收单元的信号捕获跟踪高度计信号、采集和存储去斜后高度计信号，以及完成海面回波模拟信号和点目标响应的数字合成，并输出给所述上变频单元。
本发明通过多频点数字合成技术实现了准确模拟海面回波波谱，避免了采用模拟器件带来的系统复杂、不容易匹配、失真以及动态范围小等缺点的限制；通过采用脉冲重建技术对高度计发射信号的双程时延和卫星平台轨道摄动进行准确模拟，实现了高度计的系统时延及线性度的准确测试；通过模拟射频海面回波，实现对高度计捕获跟踪模式的验证，进而实现了高度计对卫星平台至平均海平面高度、海洋有效波高测量的标定；通过采用可调衰减器模拟海面后向散射系数，实现了高度计自动增益控制(AGC)环的准确测试，进而实现了高度计对海面后向散射系数测量的标定。
图1是全系统海面回波模拟器的工作原理框图；图2是现有的脉冲重建去斜型全数字点目标模拟器的结构框图；图3是现有的脉冲重建型海面目标模拟器的结构图；图4是本发明全信号海面回波模拟器的系统框图；图5是本发明全信号海面回波模拟器的结构框图；图6是频综单元中频率合成器的结构框图；图7是数控单元的结构框图；图8是FPGA电路的功能框图；图9是数控单元的硬件时序图；图10是基于C30的嵌入式软件流程图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明作进一步的详细介绍。图1至图3是对现有技术的介绍，已经在前面详细描述过，此处不再赘述。
本发明综合了点目标模拟器和海面回波模拟器，实现既可以模拟高度计的点目标响应，又可以模拟海面回波信号。
图4、图5给出了本发明全信号海面回波模拟器的框图，它包括频综单元、接收单元、上变频单元和数控单元。
频综单元用于为上变频单元和接收单元提供标准的本振信号，具体包括频率合成器、线性调频脉冲(Chirp)产生器、倍频器、隔离器、第一本振、第二本振、上变频放大器1、上变频放大器2、滤波器和2个混频器。
频率合成器用于产生频综单元内部所需的所有频点，如图6所示，包括晶体振荡器、鉴相器1、2个低通滤波器、压控振荡器1、功分器、分路器、超稳定振荡器USO、放大分路器、窄脉冲形成器、采样器、压控振荡器2、鉴相器2、平衡混频器、5分频器、2个2分频器、78分频器、11倍频器、5个滤波器和6个放大器。晶体振荡器产生的信号经过鉴相器1后进行78分频，经过压控振荡器1后由功分器分为两路，一路直接输出1.17GHz参考信号给第一本振，另一路与来自分路器的信号混频并通过滤波器和放大器后输出1.245GHz参考信号给上变频单元的功分器2；超稳定振荡器(USO)提供的高稳定度、高精度标准参考信号由放大分路器分为4路第一路经过分频、滤波、与第二路75MHz混频后输出80MHz参考信号给数控单元作为定时参考；第二路经分频、混频、滤波、放大、分路后输出75MHz给上变频单元的正交调制器、接收单元的相位检波器作为本振信号；第三路经放大、倍频、滤波、放大后输出550MHz信号给频综单元的Chirp产生器用于生成Chirp信号；第四路经放大、窄脉冲形成器、取样、低通滤波、压控振荡器2、鉴相器2，得到的13.35GHz信号与第三路的550MHz信号进行平衡混频，滤波、放大后输出12.8GHz参考信号给第二本振。
线性调频脉冲(Chirp)产生器需采用与高度计中一样的Chirp产生器，这样能够保证模拟器给出的点目标响应模拟信号具有足够高的保真度。Chirp产生器产生的Chirp信号经过倍频器、隔离器后与12.8GHz的第二本振进行上变频混频，获得13.9GHz±166MHz的Chirp信号，经上变频放大器1和滤波器后与1.17GHz的第一本振混频，通过上变频放大器2后产生15.07GHz±166MHz的Chirp本振信号，提供给接收单元作为“全去斜坡”的参考信号，同时提供给上变频单元用于海面回波中频模拟信号的上变频混频。
频综单元提供的标准本振信号包括Chirp本振信号、中频本振信号、相位灵敏检波本振及正交调制本振。
接收单元用于对来自高度计的发射信号进行处理，包括可调衰减器、中频放大滤波器1、手控衰减器、中频放大滤波器2、自动增益控制衰减器、中频放大滤波器3、相位检波器和2个混频器。高度计的发射信号经过可调衰减器后与频综单元提供的Chirp本振信号进行“全去斜坡”混频，信号变换到第一中频，经过放大滤波及衰减器的增益调整，与中频本振信号进行下变频混频，输出信号为第二中频。再利用自动增益控制及中频放大滤波将信号调整到设计的动态范围中，在相位检波器中进行相位灵敏检波，获得的I、Q信号送给数控单元进行处理。由于信号直接来自高度计，信号的信噪比很高，所以接收单元前端没有采用低噪声放大器，而是直接进行“全去斜坡”混频。考虑到信号很强，混频前利用可调衰减器降低信号幅度，可以为混频器提供过载保护，并通过变换衰减量模拟不同海况下的后向散射系数的大小。
上变频单元包括环行器、带通滤波器、功分器1、2、3、上变频放大滤波器1、上变频放大滤波器2、正交调制器和2个混频器，其作用是将来自数控单元的海面回波模拟信号或点目标响应信号调制到Chirp上，实现射频模拟回波。正交调制器实现数控单元的模拟信号对正交调制本振的正交调制，调制后信号经过上变频放大滤波器1与功分器2的输出信号混频，再经过上变频放大滤波器2后，在混频器中与Chirp本振信号混频，生成Chirp射频模拟回波，输入带通滤波器中。在上变频单元中设有三级带通滤波器，能够有效抑制来自带外的干扰；输出端加隔离器，可以实现信号的良好匹配，并能够实现30dBc的本振抑制。输出信号经过环行器后送回给高度计。
数控单元是整个回波模拟器的核心部分，用于完成海面回波模拟信号和点目标响应的数字合成、完成对高度计信号的捕获跟踪、完成对去斜后高度计信号的采集和存储以保存高度计Chirp信号的副本、完成副本与模拟的信号复相乘并将合成的信号经过DA变换后送给上变频单元中的正交调制器、实现整个模拟器的时序控制、产生定时脉冲、实现信号的全延时、以及控制接收单元的AGC衰减器。图7给出了数控单元的框图，包括计算机、AD转换器、双口RAM、微处理器、相位旋转器、DA转换器和FPGA电路，其中微处理器采用了TMS320C30(以下简称C30)。计算机与C30采用标准的RS232串行通信口实现通信；C30通过自身的数据、地址及控制总线与FPGA电路相连，实现对FPGA电路的初始化；AD转换器、DA转换器、双口RAM、相位旋转器的数据线均并接在C30的数据总线上，控制线与FPGA相连；AD转换器的模拟信号输入口与接收单元的相位检波器的输出相连；DA转换器的模拟信号输出口与上变频单元的正交调制器的输入相连；C30的数据总线还连接接收单元的自动增益控制衰减器的数字输入口；来自频综单元的80MHz时钟和来自高度计的发射触发分别连接在FPGA电路和数控延时器(AD9501)的信号输入端；AD9501的输出送给频综单元的Chirp产生器。
数控单元以C30为核心，通过C30的控制，由FPGA电路实现所有的时序控制。FPGA电路和C30以来自频综单元的80MHz作为时钟基准，以来自高度计的发射触发作为定时基准。图8给出了FPGA电路的框图，包括延时计数器、全延时计数器、2个脉冲产生器、2个数控延时器(AD9501)和2个或门。C30通过总线实现对FPGA电路的初始化和控制，延时计数器用于去斜定时，并通过一个脉冲产生器产生AD变换、写双口RAM需要的脉冲序列；全延时计数器用于模拟回波的定时，并通过另一个脉冲产生器产生DA变换、读双口RAM需要的脉冲序列；AD9501用于提供定时所需的微延时。FPGA电路产生的时序控制信号通过AD9501实现微延时，精确控制Chirp产生器的触发、I、Q信号的采集、RAM存取以及合成的数字信号DA转换。
考虑到C30具有60ns的高速单周期指令执行时间及24位寻址空间，数控单元采用了更为高效的设计1)利用计算机的处理能力，用软件进行海面回波模型和点目标响应的数字合成模拟，大大提高了模拟的准确性和智能性，使全信号的模拟过程得到最大程度的简化；2)采用大存储容量的RAM。计算机给出的模拟信号数据以及数控单元的初始化数据通过RS232串行通信接口传送给C30并存储在RAM中，使数控单元的功能更为灵活；3)采用高速的双口RAM可以更为有效地利用C30的高速处理和运算能力。在C30高速程序指令的控制下，接收单元去斜后的副本信号数据首先在高速双口RAM中进行捕获跟踪算法的处理，直到FPGA电路将高度计信号的定时达到设计的精度内。然后，副本数据与计算机传来的模拟数据进行快速的复相乘运算及相位旋转，结果仍然存储在双口RAM中，当FPGA电路中的延时计数器计数结束时，同步于FPGA电路对Chirp产生器的触发脉冲，复相乘运算的结果经过DA变换送给上变频单元进行正交调制。此外，数控单元通过控制接收单元的AGC衰减器调整副本的幅度，使接收单元始终保持稳定的增益。
图9是数控单元的硬件时序图。所有时序的定时均以频综单元提供的80MHz时钟为时钟基准，以来自高度计的发射触发为定时基准。高度计发射触发脉冲触发FPGA电路，FPGA电路首先产生Chirp触发脉冲序列并启动延时计数器。在一个周期内，前5个脉冲触发频综单元的Chirp产生器，用于对来自高度计的Chirp信号进行“全去斜坡”混频，同时，FPGA电路将产生同步的AD触发脉冲序列，对每个去斜的信号进行128点的数据采集，并将数据实时写入双口RAM中。
为了实现C30处理器对数据的同步处理，C30处理器采用了中断方式，FPGA电路产生一路与AD触发脉冲序列同步的脉冲信号作为处理器的中断触发。当数据成功写入双口RAM后，处理器进入中断服务程序。中断服务程序通过数据处理，在延时计数结束前完成捕获跟踪算法、采集的数据与模拟的数据复相乘运算、相位旋转。
延时计数结束时，FPGA电路产生同一周期内的后5个脉冲触发频综单元的Chirp产生器，同时读出双口RAM中的数据结果，给出DA触发脉冲序列，产生I、Q模拟信号经过上变频单元的正交调制器后，与来自Chirp产生器的Chirp本振进行上变频混频，输出的射频回波模拟信号送给高度计。
数控单元中还包括C30嵌入式软件和回波模拟软件两个软件。基于C30的嵌入式软件流程如图10所示。软件初始化包括初始化FPGA电路、初始化RAM、初始化双口RAM、初始化中断。初始化结束后，C30处理器进入中断等待状态。中断信号来自FPGA电路，同步于AD触发脉冲。中断信号到来时表明接收单元已经完成了对高度计信号的“全去斜坡”，在FPGA电路的控制下，AD采集的数据已经写入双口RAM。这时，软件进入中断服务程序。中断服务程序首先将双口RAM中的数据读入RAM中，然后执行捕获跟踪算法、复相乘、相位旋转，将结果重新写入双口RAM中，最后退出中断服务程序，C30重新进入中断等待状态。以上过程的执行在FPGA电路中的全延时计数结束前完成。回波模拟软件是依据海面回波模型来实现对海面回波的真实模拟的。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.全信号海面回波模拟器，其特征在于，包括频综单元、接收单元、上变频单元和数控单元；所述频综单元，用于为上变频单元和接收单元提供标准的本振信号；所述接收单元，用于对来自高度计的发射信号进行处理，并将所获得的I、Q信号送到所述数控单元进行处理；所述上变频单元，用于将来自所述数控单元的海面回波模拟信号或点目标响应信号调制到线性调频脉冲上，并将所得的模拟回波信号发送给高度计；所述数控单元，用于根据所述接收单元的信号捕获跟踪高度计信号、采集和存储去斜后高度计信号，以及完成海面回波模拟信号和点目标响应的数字合成，并输出给所述上变频单元。
2.根据权利要求1所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述频综单元包括频率合成器、线性调频脉冲产生器、倍频器、隔离器、第一本振、第二本振、第一上变频放大器、第二上变频放大器和2个混频器；所述频率合成器，用于产生所述频综单元内部所需的所有频点，并输出给所述线性调频脉冲产生器；所述线性调频脉冲产生器，用于产生负线性调频斜率的线性调频脉冲信号，该信号经过倍频器、隔离器后与第二本振进行上变频混频，获得线性调频脉冲信号，经第一上变频放大器和滤波器后与第一本振混频，通过第二上变频放大器后产生线性调频脉冲本振信号，输出到所述接收单元和所述上变频单元中。
3.根据权利要求2所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述频率合成器进一步包括晶体振荡器、第一鉴相器、2个低通滤波器、第一压控振荡器、功分器、分路器、超稳定振荡器、放大分路器、窄脉冲形成器、采样器、第二压控振荡器、第二鉴相器、平衡混频器、78分频器、5分频器、2个2分频器、11倍频器、5个滤波器和6个放大器；所述晶体振荡器的信号经过所述第一鉴相器、所述78分频器和所述第一压控振荡器后，由所述功分器分为两路，一路输出到所述第一本振，另一路与来自所述分路器的信号混频并通过所述滤波器和所述放大器后，输出给所述上变频单元的第二功分器；所述超稳定振荡器的参考信号由所述放大分路器分为4路第一路经过所述5分频器、滤波器和2分频器，与第二路混频后输出给所述数控单元；第二路经所述2分频器、混频器、滤波器、放大器和分路器后输出给所述上变频单元的中频正交调制器、所述接收单元的相位检波器；第三路经所述放大器、11倍频器、滤波器、放大器后输出给所述频综单元的线性调频脉冲产生器；第四路经所述放大器、窄脉冲形成器、采样器、低通滤波器、第二压控振荡器和第二鉴相器后与第三路信号进行平衡混频，经所述滤波器、放大器后输出给所述第二本振。
4.根据权利要求1至3任一所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述接收单元包括可调衰减器、第一中频放大滤波器、手控衰减器、第二中频放大滤波器、自动增益控制衰减器、第三中频放大滤波器、相位检波器和2个混频器；来自高度计的发射信号经过可调衰减器后与所述频综单元提供的线性调频脉冲本振信号进行全去斜坡混频，信号变换到第一中频，经过所述第一中频放大滤波器及所述手控衰减器的增益调整，与中频本振信号进行下变频混频，输出信号为第二中频，再经过所述自动增益控制衰减器及所述第三中频放大滤波器将信号调整到设计的动态范围中，在所述相位检波器中进行相位灵敏检波，并将获得的I、Q信号送给所述数控单元进行处理。
5.根据权利要求1至3任一所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述上变频单元包括环行器、带通滤波器、第一功分器、第二功分器、第三功分器、第一上变频放大滤波器、第二上变频放大滤波器、正交调制器和2个混频器；所述正交调制器将来自所述数控单元的模拟信号与正交调制本振进行正交调制，调制后信号经过第一上变频放大滤波器与第二功分器的输出信号混频，再经过第二上变频放大滤波器后，在混频器中与线性调频脉冲本振信号混频，生成线性调频脉冲射频模拟回波，经过所述带通滤波器滤波后，经所述环行器返回给高度计。
6.根据权利要求5所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述上变频单元还包括隔离器，位于所述带通滤波器和所述环行器之间，用于实现30dBc的本振抑制。
7.根据权利要求1至3任一所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述数控单元包括计算机、AD转换单元、双口RAM、微处理器、相位旋转器、DA转换单元和FPGA电路；所述计算机，用于完成海面回波模拟信号和点目标响应的数字合成，并将模拟的信号数据通过串行通信接口输出给所述微处理器；所述AD转换单元，用于将来自所述接收单元的I、Q信号进行模数转换，并存储在所述双口RAM中；所述双口RAM，用于存储来自所述微处理器和所述AD转换单元的数据；所述微处理器，用于执行捕获跟踪高度计信号算法，将高度计线性调频脉冲信号的副本数据与所述计算机传来的模拟信号进行复相乘运算，并把结果输出到所述双口RAM中存储，同时输出给所述接收单元中的自动增益控制衰减器；所述相位旋转器，用于将所述微处理器输出的数据进行相位旋转，并经过所述DA转换单元的转换，输出给所述上变频单元；所述FPGA电路，用于产生时序控制信号，控制所述数控单元的所有时序。
8.根据权利要求7所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述微处理器采用的是TMS320C30。
9.根据权利要求7或8所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述FPGA电路进一步包括延时计数器、全延时计数器、第一脉冲产生器、第二脉冲产生器、2个数控延时器和2个或门；所述微处理器通过总线实现对所述FPGA电路的初始化和控制；所述延时计数器用于去斜定时，并通过所述第一脉冲产生器产生AD变换、写双口RAM需要的脉冲序列；所述全延时计数器用于模拟回波的定时，并通过所述第二脉冲产生器产生DA变换、读双口RAM需要的脉冲序列；所述数控延时器用于提供定时所需的微延时，控制所述线性调频脉冲产生器的触发、I、Q信号的采集、双口RAM存取以及合成的数字信号DA转换。
10.根据权利要求9所述的全信号海面回波模拟器，其特征在于，所述数控延时器采用AD9501。
全文摘要
本发明提供一种全信号海面回波模拟器，用于模拟射频海面回波，包括频综单元、接收单元、上变频单元和数控单元；频综单元用于为上变频单元和接收单元提供标准的本振信号，接收单元用于对来自高度计的发射信号进行处理，上变频单元用于将来自数控单元的海面回波模拟信号或点目标响应信号调制到Chirp上，数控单元则主要用于完成海面回波模拟信号和点目标响应的数字合成。本发明通过多频点数字合成技术实现了准确模拟海面回波波谱，避免了采用模拟器件带来的系统复杂、不易匹配、失真以及动态范围小等缺点；通过采用脉冲重建技术对高度计发射信号点目标响应的双程时延和卫星平台轨道摄动进行准确模拟，实现了高度计的系统时延及线性度的准确测试。
文档编号G01S7/40GK1548984SQ03131100
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月14日 优先权日2003年5月14日
发明者郭伟, 张晓辉, 郭 伟 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心