专利名称：一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法
一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法技术领域
本发明属于雷达测试技术领域，是一种通过采集雷达发射信号，并进行目标信息 调制，产生合成孔径雷达目标回波信号，设计实现合成孔径雷达回波模拟器的方法。
背景技术：
合成孔径雷达回波模拟器是应用于合成孔径雷达地面测试的设备，能够对雷达成 像性能和指标进行实验室测试和评估。合成孔径雷达(SAR)回波模拟器是通过接收雷达发 射信号，并与目标冲激函数进行卷积运算的调制，得到目标回波信号。
2008年电子科技大学黄延坤的硕士论文《合成孔径雷达回波模拟器的建模仿真与 系统设计》，以及2009年国防科技大学张成迁的硕士论文《高速数据采集回放系统设计与 实现》中，都介绍了一种SAR回波模拟器的设计方法，即通过计算机将回波信号生成，一次性 加载到SAR回波模拟器上的大容量器中，按照雷达PRF进行回波信号的实时回放。2007年 电子科技大学谢勇的硕士论文《SAR回波模拟器中目标信号模块的硬件实现》，以及蔡昌听 的硕士论文《SAR回波模拟器DSP软件的设计及实现》，介绍了使用DSP进行目标冲激函数 计算，FPGA卷积计算及DAC控制，实时生成回波的SAR回波模拟器设计方法。2011年，北京 理工大学丁泽刚的论文《SAR自然场景实时回波模拟器的设计与实现》，介绍了一种使用大 规模DSP并行流水架构实时生成目标场景回波信号，实现回波模拟器的方法。
第一种方法是基于计算机平台的模拟，使用计算机事先将回波数据生成并存储， 能提供精确的回波数据，按雷达发射信号时序实时发射回波，属于雷达开环测试系统，未能 利用雷达本身发射信号进行整机检测。第二种方法，也没有接收真实雷达发射信号，而是根 据雷达参数预置了发射信号数据保存在存储器中，利用该发射信号数据，在高速数字处理 平台上进行目标冲激信号计算、回波信号的计算，产生中频目标回波信号。第三种方法实 现了雷达回波生成的闭环仿真，实时提供雷达飞行航迹，实时生成回波数据，但是该模拟器 仅满足50MHz带宽、IKHz带宽等较低参数指标的雷达测试。目前合成孔径雷达技术发展迅 速，当雷达带宽、分辨率等指标提高时，实时回波模拟器系统的计算量、资源消耗、设计复杂 度将急剧增加。发明内容
本发明的目的在于实现合成孔径雷达的闭环测试，接收雷达本身发射，进行目标 信息卷积调制，实时发射目标回波信号，同时，降低系统实现复杂度，减轻高速数字处理平 台的计算量和实时处理要求。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是
—种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，利用计算机计算目标场景整个合成孔径 的冲激响应函数，传输到由DSP和FPGA等组成的高速数字处理平台的存储器中；利用高速 数字处理平台对采集获取的雷达发射信号和目标冲激函数进行卷积计算，实时模拟生成雷 达运动采集的目标回波信号，并上变频到射频波段发射处理。可接收X、Ku或Ka波段的雷达发射信号，并发射相应波段的目标回波信号，实现对雷达的闭环测试；适用的雷达信 号带宽可达到30MHz_500MHz，最高可实现O. 3m的距离向分辨率，雷达脉冲重复频率可达到 lkHZ_20kHZ，可模拟生成单点目标、多点目标、场景目标的回波信号，目标回波信号能够实 时产生。
所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，是将计算机数据计算与高速数字 处理平台相结合，产生合成孔径雷达目标回波信号的方法，其特征在于
在计算机上根据合成孔径雷达目标冲激函数生成算法进行C语言编程，载入雷达 参数、目标参数和运动平台参数后，进行目标冲激函数的计算，生成数据文件并存储；
高速数字处理平台由FPGA、DSP等组成，接收雷达发射信号，与目标冲激函数进行 卷积计算，得到雷达各个位置处的目标回波信号，并通过数模转换将回波信号实时发射出 去。
所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，其特征在于
合成孔径雷达回波模拟器包括射频部分和中频信号处理部分；
射频部分负责接收雷达发射的X、Ku或Ka波段射频信号，并下变频到900MHz的中 频，以便进行数字信号处理，同时负责将生成的目标回波信号上变频到相应的X、Ku或Ka波 段，并发射出去，供雷达接收处理；
中频信号处理部分负责将雷达发射信号转换为I/Q两路基带信号，与目标冲激函 数进行卷积运算生成目标回波基带信号，并通过数字上变频得到中频回波信号，然后经过 数模转换得到目标回波的模拟信号。
所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，其所述的计算机进行目标冲激函 数计算和数据生成，包括如下步骤
步骤Al :根据合成孔径雷达目标冲激函数计算算法，用C语言进行软件编写，软 件包括参数载入、参数计算、数据计算、生成频域数据、数据量化、数据存储、数据下载等部 分；
步骤A2 :载入雷达参数，包括波长、带宽、脉冲宽度、脉冲重复周期等，载入运动 平台参数，包括飞行高度、飞行速度等，载入目标参数，包括目标位置、场景大小、散射系数 等;
步骤A3 :进行关键参数计算，得到数据矩阵点数、分辨率、数据播放时间等参数；
步骤A4:按照程序算法，生成时域形式的一个完整合成孔径的目标冲激函数数 据；
步骤A5 :为降低高速数字处理平台的计算量和时间消耗，将目标冲激函数转换为 频域形式；
步骤A6 :将生成的目标冲激函数按8bit或16bit进行量化，并存储；
步骤A7 :将数据文件传送到高速数字处理平台的存储器中。
所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，其所述的高速数字处理平台产生 目标回波信号，包括如下步骤
步骤B1:接收雷达发射信号的中心频率900MHz的中频信号，并按脉冲宽度进行检 波采样，经过数模转换(ADC)后得到中频数字信号；
步骤B2 :在FPGA中进行数字下变频设计，对接收到的中频数字信号进行下变频及正交解调处理，得到I/Q两路基带发射信号；
步骤B3 :每个脉冲重复周期(PRT)内的发射信号与目标冲激函数分别进行卷积运 算，得到数字域基带目标回波信号；
步骤B4 :在FPGA中进行数字上变频设计，将生成的基带目标回波信号进行上变频 及正交调制，得到900MHz中频的目标回波信号；
步骤B5 :经过数模转换(DAC)后，将雷达在各个位置处的中频模拟回波信号发射 出去。
所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，所述步骤B3中发射信号与目标 冲激函数的卷积运算，采用频域相乘的方法实现，包括如下步骤
步骤Cl :对I/Q两路的基带发射信号进行傅里叶变换(FFT)，得到其频域数据；
步骤C2 :计算机根据雷达参数计算整个合成孔径的目标冲激函数时，生成频域的 目标冲激函数数据,并传送到高速数字平台中的存储器中；
步骤C3 :将存储器中存储的目标冲激函数频域数据，按每个脉冲重复周期(PRT) 载入FPGA缓存中，与发射信号进行复数相乘；
步骤C4 :对复数相乘后的数据进行逆傅里叶变换(IFFT)，得到I/Q两路基带目标 回波信号。
本发明的特点和效果是根据合成孔径雷达回波模拟的方法进行回波模拟器的设 计，接收雷达发射信号，利用卷积运算调制生成目标回波信号，并实时发射出去，实现对雷 达的闭环测试。本发明是在满足合成孔径雷达最高O. 3m分辨率、信号带宽30MHz—500MHz、 脉冲重复频率lkHz_20kHz等参数情况下，能够模拟产生单点目标、多点目标、场景目标的回 波信号，实现对雷达闭环实时测试的一种合成孔径雷达回波模拟器设计方法。本发明利用 计算机进行目标冲激函数的计算，能减轻目标冲激函数计算对高速数字处理平台的系统资 源消耗和时间消耗，降低系统实现的复杂度，同时高速数字处理平台的卷积运算可以实现 实时发射目标回波信号，满足合成孔径雷达的地面测试需要。根据本发明提出的实现方法， 已经研制出了包括目标冲激函数计算机处理软件、信号卷积处理板卡在内的合成孔径雷达 回波模拟器原理样机。
图1为合成孔径雷达回波模拟器实现流程图2为目标冲激函数生成流程图3为目标回波信号生成流程图4为卷积运算生成基带回波信号流程图。
具体实施方式
本发明提出的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法包括以下步骤
首先，利用计算机编程进行目标冲激响应函数的计算，将雷达参数、运动平台参 数、目标场景参数等载入到程序中，运行程序后生成数据文件并传输到高速数字处理平台 的存储器中；其次，回波模拟器接收雷达发射信号，经过下变频处理后，利用FPGA将其转化 为I/Q两路基带信号，利用自身的高速数字处理平台将发射信号与目标冲激函数进行卷积运算，得到目标回波信号，通过信号上变频处理后发射射频回波信号，供雷达接收、处理，实 现雷达成像性能的测试。
本发明的特点在于将计算机的数据计算与高速数字处理平台相结合，由计算机计 算出目标冲击函数，再由以高速数字处理平台为主的回波模拟器根据雷达发射信号和目标 冲击函数生成并发射回波信号。其中，回波模拟器包括射频部分和中频信号处理部分。射 频部分负责接收雷达发射的X、Ku或Ka波段的射频信号，信号带宽为30MHz-500MHz，并下 变频到900MHz中频处，以便进行数字信号处理，同时负责将生成的目标回波信号上变频到 相应的射频波段，并发射出去，供雷达接收处理，实现对雷达的闭环测试；中频信号处理部 分负责将雷达发射信号转换为I/Q两路基带信号，与目标冲激函数进行卷积运算生成目标 回波基带信号，并通过数字上变频得到中心频率为900MHz的中频回波信号，然后经过数模 转换得到目标回波的模拟信号，雷达脉冲重复频率为lkHz-20kHz，可模拟生成单点目标、多 点目标、场景目标的回波信号，目标回波信号实时产生。
本发明合成孔径雷达回波模拟器实现方法的另一实施例如图1所示，主要有
在计算机上根据合成孔径雷达目标冲激函数生成算法进行C语言编程，设计目标 冲激函数生成软件，载入雷达参数、目标参数和运动平台参数后，进行目标冲激函数的计 算，生成数据文件并存储；
回波模拟器接收雷达发射信号，由高速数字处理平台与目标冲激函数进行卷积计 算，得到雷达各个位置处的目标回波信号，并通过上变频、数模转换等处理将回波信号按射 频波段发射出去。
其中，计算机进行目标冲激函数计算和数据生成的具体实施步骤如图2所示，主 要有
步骤Al :根据合成孔径雷达目标冲激函数计算算法，用C语言进行软件编写，软 件包括参数载入、参数计算、数据计算、生成频域数据、数据量化、数据存储、数据下载等部 分；
步骤A2 :载入雷达参数，包括波长、带宽、脉冲宽度、脉冲重复周期等，载入运动 平台参数，包括飞行高度、飞行速度等，载入目标参数，包括目标位置、场景大小、散射系数 等;
步骤A3 :进行参数计算，得到数据矩阵点数、分辨率、数据播放时间等参数；
步骤A4:按照程序算法，生成时域形式的一个完整合成孔径的目标冲激函数数 据；
步骤A5 :为降低高速数字处理平台的计算量和时间消耗，将目标冲激函数转换为 频域形式；
步骤A6 :将生成的目标冲激函数按8bit或16bit进行量化，并存储；
步骤A7 :将数据文件传送到高速数字处理平台的存储器中。
其中，高速数字处理平台产生目标回波信号的具体实施步骤如图3所示，主要有
步骤B1:接收雷达发射信号的中心频率900MHz的中频信号，并按脉冲宽度进行检 波采样，经过数模转换(ADC)后得到中频数字信号；
步骤B2 :在FPGA中进行数字下变频设计，对接收到的中频数字信号进行下变频及 正交解调处理，得到I/Q两路基带发射信号；
步骤B3 :每个脉冲重复周期(PRT)内的发射信号与目标冲激函数分别进行卷积运 算，得到数字域基带目标回波信号；
步骤B4 :在FPGA中进行数字上变频设计，将生成的基带目标回波信号进行上变频 及正交调制，得到900MHz中频的目标回波信号；
步骤B5 :经过数模转换(DAC)后，将雷达在各个位置处的中频模拟回波信号发射 出去。
其中，发射信号与目标冲激函数的卷积运算采用频域相乘的方法实现，其具体实 施步骤如图4所示,主要有
步骤Cl :对I/Q两路的基带发射信号进行傅里叶变换(FFT)，得到其频域数据；
步骤C2 :计算机根据雷达参数计算整个合成孔径的目标冲激函数时，生成频域的 目标冲激函数数据,并传送到高速数字平台中的存储器中；
步骤C3 :将存储器中存储的目标冲激函数频域数据，按每个脉冲重复周期(PRT) 载入FPGA缓存中，与发射信号进行复数相乘；
步骤C4 :对复数相乘后的数据进行逆傅里叶变换(IFFT)，得到I/Q两路基带目标 回波信号。
本发明上述的方法，已经在计算机、高速数字处理平台上得到验证，应用C语言、 DSP、FPGA等软件进行了数据生成、信号产生的处理，方法的有效性得到了验证。
以上所述仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，其特征在于，包括以下步骤 在计算机上根据合成孔径雷达目标冲激函数生成算法进行C语言编程，载入雷达参数、目标参数和运动平台参数后，进行目标冲激函数的计算，生成数据文件并存储； 回波模拟器接收雷达发射信号，与目标冲激函数进行卷积计算，得到雷达各个位置处的目标回波信号，并通过数模转换将回波信号实时发射出去。
2.如权利要求1所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，其特征在于，所述回波模拟器包括射频部分和中频信号处理部分，其中 射频部分负责接收雷达发射的X、Ku或Ka波段射频信号，并下变频到900MHz的中频处，以便进行数字信号处理，同时负责将生成的目标回波信号上变频到相应的X、Ku或Ka波段，并发射出去，供雷达接收处理； 中频信号处理部分负责将雷达发射信号转换为I/Q两路基带信号，与目标冲激函数进行卷积运算生成目标回波基带信号，并通过数字上变频得到中频回波信号，然后经过数模转换得到目标回波的模拟信号。
3.如权利要求1所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，其特征在于所述的计算机进行目标冲激函数计算和数据生成，包括如下步骤 步骤Al :根据合成孔径雷达目标冲激函数计算算法，用C语言进行软件编写，软件包括参数载入、参数计算、数据计算、生成频域数据、数据量化、数据存储、数据下载等部分； 步骤A2 :载入雷达参数，包括波长、带宽、脉冲宽度、脉冲重复周期等，载入运动平台参数，包括飞行高度、飞行速度等，载入目标参数，包括目标位置、场景大小、散射系数等； 步骤A3 :进行关键参数计算，得到数据矩阵点数、分辨率、数据播放时间等参数； 步骤A4 :按照程序算法，生成时域形式的一个完整合成孔径的目标冲激函数数据；步骤A5:为降低高速数字处理平台的计算量和时间消耗，将目标冲激函数转换为频域形式； 步骤A6 :将生成的目标冲激函数按8bit或16bit进行量化,并存储； 步骤A7 :将数据文件传送到高速数字处理平台的存储器中。
4.如权利要求1所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，其特征在于所述的高速数字处理平台产生目标回波信号，包括如下步骤 步骤B1:接收雷达发射信号的900MHz的中频信号，并按脉冲宽度进行检波采样，经过数模转换后得到中频数字信号； 步骤B2 :在FPGA中进行数字下变频设计，对接收到的中频数字信号进行下变频及正交解调处理，得到I/Q两路基带发射信号； 步骤B3 :每个脉冲重复周期内的发射信号与目标冲激函数分别进行卷积运算，得到数字域基带目标回波信号； 步骤B4 :在FPGA中进行数字上变频设计，将生成的基带目标回 波信号进行上变频及正交调制，得到900MHz的中频目标回波信号； 步骤B5:经过数模转换后，将雷达在各个位置处的中频模拟回波信号发射出去。
5.如权利要求3所述的一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法， 其特征在于所述步骤B3中发射信号与目标冲激函数的卷积运算， 采用频域相乘的方法实现，包括如下步骤步骤Cl :对I/Q两路的基带发射信号进行傅里叶变换，得到其频域数据； 步骤C2 :计算机根据雷达参数计算整个合成孔径的目标冲激函数时，生成频域的目标冲激函数数据,并传送到高速数字平台中的存储器中； 步骤C3 :将存储器中存储的目标冲激函数频域数据，按每个脉冲重复周期载入FPGA缓存中，与发射信号进行复数相乘； 步骤C4 :对复数相乘后的数据进行逆傅里叶变换，得到I/Q两路基带目标回波信号。
全文摘要
一种合成孔径雷达回波模拟器实现方法，包括以下步骤在计算机上根据合成孔径雷达目标冲激函数生成算法进行C语言编程，载入雷达参数、目标参数和运动平台参数后，进行目标冲激函数的计算，生成数据文件并存储；回波模拟器接收雷达发射信号，与目标冲激函数进行卷积计算，得到雷达各个位置处的目标回波信号，并通过数模转换将回波信号实时发射出去。本发明减轻了目标冲激函数计算的系统资源消耗，降低了系统实现的复杂度，同时高速数字处理平台的卷积运算实现了实时发射目标回波信号，满足合成孔径雷达的地面测试需要。
文档编号G01S7/40GK103018725SQ20121049949
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者王斌, 王森, 程威, 李代松, 胡志友 申请人:北京振兴计量测试研究所