一种特殊辐射信号模拟装置及实现方法与流程

技术特征：

1.一种特殊辐射信号模拟装置，其特征在于：包括依次相连的约束条件构造单元、阵列加权系数解算单元、发射阵列幅度控制单元和发射天线阵列单元，依次相连的战情参数管理单元、雷达信号源单元和上变频单元，以及依次相连的接收阵列幅度控制单元、接收天线阵列单元、下变频单元和中频信号处理单元；所述阵列加权系数解算单元与接收阵列幅度控制单元相连，所述上变频单元与发射天线阵列单元相连；其中，所述发射天线阵列单元为若干发射天线阵元组成的一个发射天线阵列，所述接收天线阵列单元为若干接收天线阵元组成的一个接收天线阵列；

所述约束条件构造单元，用于预先测算出干扰源的位置或者威胁源的方位，构造出约束条件给阵列加权系数解算单元；

所述阵列加权系数解算单元，用于根据约束条件，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

所述发射阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述接收阵列幅度控制单元，用于根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向；

所述战情参数管理单元，用于管理仿真参数、下发仿真参数、控制整个模拟实验进程，为雷达信号源单元提供数据支持，分别为约束条件构造单元和阵列加权系数解算单元提供仿真环境参数；

所述雷达信号源单元，用于根据战情参数管理单元提供的数据支持，产生相应的雷达波形，产生雷达发射中频信号给上变频单元；

所述上变频单元，用于将雷达发射中频信号调制到仿真实验要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

所述发射天线阵列单元，用于根据发射阵列幅度控制单元对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

所述接收天线阵列单元，用于根据接收阵列幅度控制单元对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，通过移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向，接收来自空间的雷达回波信号；

所述下变频单元，用于将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；

所述中频信号处理单元，用于将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

2.根据权利要求1所述的一种特殊辐射信号模拟装置，其特征在于：所述约束条件构造单元包括依次相连的预知信息探测分析模块、强干扰及强回波方位角度计算模块和方位向约束条件构造模块，所述方位向约束条件构造模块与阵列加权系数解算单元相连；

所述预知信息探测分析模块，为一个无源探测设备，用于通过在不同的方位向进行扫描，将扫描到的回波数据传递给强干扰及强回波方位角计算模块；

所述强干扰及强回波方位角度计算模块，用于根据回波数据，采用最大幅度法和相应的判决门限，计算得到强干扰位置对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

所述方位向约束条件构造模块，用于根据方位角构造约束条件。

3.根据权利要求1所述的一种特殊辐射信号模拟装置，其特征在于：所述发射阵列幅度控制单元包括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，所述发射ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述发射程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个发射天线阵元调制不同的衰减值，所述发射程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使发射信号波束中心指向要求的方位。

4.根据权利要求1所述的一种特殊辐射信号模拟装置，其特征在于：所述接收阵列幅度控制单元包括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，所述接收ROM存储器用于存储阵列加权系数，所述接收程控衰减器用于增益控制、并根据阵列加权系数对各个接收天线阵元调制不同的衰减值，所述接收程控移相器根据仿真实验下发的波束指向、调制不同的初始相位、使接收天线合成波束中心指向要求的方位。

5.根据权利要求1所述的一种特殊辐射信号模拟装置，其特征在于：所述中频信号处理单元包括依次相连的A/D变换器和FPGA信号处理板，所述A/D变换器用于将中频模拟信号转换为数字信号，所述FPGA信号处理板用于雷达数据处理。

6.根据权利要求1～5所述的一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)战情参数管理单元设置相应的仿真参数，包括雷达发射信号样式、工作频率、工作带宽、仿真空间环境参数；

战情参数管理单元给雷达信号源单元传递达发射信号样式、工作频率和工作带宽，雷达信号源单元根据战情参数管理单元提供的数据支持，生成满足要求的数字中频信号，经DA变换后产生模拟形式的雷达发射中频信号给上变频单元；

2)上变频单元根据仿真实验要求的工作频率，通过混频电路将雷达发射中频信号调制到要求的射频频段，送给发射天线阵列单元；

3)战情参数管理单元下发仿真空间环境参数给约束条件构造单元中的预知信息探测分析模块，预知信息探测分析模块根据仿真空域参数对相应的方位向进行扫描，得到不同方位向的强干扰的回波数据给强干扰及强回波方位角计算模块；

强干扰及强回波方位角计算模块采用最大幅度法和相应的判决门限，得到强干扰回波对应的方位角给方位向约束条件构造模块；

方位向约束条件构造模块根据方位角，构造出约束条件w^TP(θ)＝0给阵列加权系数解算单元；

4)阵列加权系数解算单元根据约束条件，以及仿真参数管理单元下发的窗函数，通过非线性规划算法计算阵列加权系数，并将阵列加权系数输送给发射阵列幅度控制单元和接收阵列幅度控制单元；

5)发射阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个发射天线阵元的辐射方向，将上变频单元送入的射频频段由各个发射天线阵元向空间辐射出去；

6)接收阵列幅度控制单元根据阵列加权系数，通过调制，对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制，并控制各个接收天线阵元的辐射方向，由接收天线阵列单元接收来自空间的雷达回波信号；

7)下变频单元将接收天线阵列单元接收到的雷达回波信号下变频到中频后输送给中频信号处理单元；中频信号处理单元将下变频单元下变频后的中频模拟信号转换为数字信号，提取出雷达回波信号的特征参数信息，并通过目标回波信号的信息解算得目标特征参数。

7.根据权利要求6所述的一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤4)中的通过非线性规划算法计算阵列加权系数，具体为，

4-1)对于阵列天线，若不采用加权因子，假设辐射方向为方位0度，则天线阵的方向图为式(1)，

$E\left(\sin \mathrm{\ψ}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ψ}}_n=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{e}^{j(n-1)\left(kd\sin \mathrm{\ψ}\right)},n=1,2,\mathrm{...},N---\left(1\right)$

其中，N为天线阵中阵元的数目，Ψ_n为第n个天线阵元的相对相位，Ψ_n以第一个天线阵元作为天线阵的相位参考，j为虚数单位，d为阵元间距、其以波长为单位，k为波数，k＝2π/λ，λ为发射信号的波长；

4-2)将式(1)用远场阵列的方向图表示为，

$\left|E\left(sin\mathrm{\ψ}\right)\right|=\sqrt{E\left(sin\mathrm{\ψ}\right)E^{*}\left(sin\mathrm{\ψ}\right)}---\left(2\right)$

求和后并化简得，

$\left|E\left(\sin \mathrm{\ψ}\right)\right|=\left|\frac{\sin \left(\right(Nkd\sin \mathrm{\ψ})/2)}{\sin \left(\right(kd\sin \mathrm{\ψ})/2)}\right|---\left(3\right)$

|E(sinψ)|在ψ＝0取得最大值，对其归一化后的场强方向图为式(4)，

$\left|E\left(\sin \mathrm{\ψ}\right)\right|=\frac{1}{N}\left|\frac{\sin \left(\right(Nkd\sin \mathrm{\ψ})/2)}{\sin \left(\right(kd\sin \mathrm{\ψ})/2)}\right|---\left(4\right)$

则归一化的辐射方向图为式(5)，

$G\left(sin\mathrm{\ψ}\right)=|E\left(sin\mathrm{\ψ}\right){|}^2=\frac{1}{N^2}{\left(\frac{sin\left(\right(Nkdsin\mathrm{\ψ})/2)}{sin\left(\right(kd\sin \mathrm{\ψ})/2)}\right)}^2---\left(5\right)$

若辐射方向为ψ₀，将阵列的主波束扫描至角度正弦为sinψ₀处，由改变两个阵元的相位差来实现的，则归一化的辐射方向图为式(6)，

$G\left(sin\mathrm{\ψ}\right)=\frac{1}{N^2}{\left(\frac{sin\[(Nkd/2)(sin\mathrm{\ψ}-{\mathrm{sin\ψ}}_0\]}{sin\[(kd/2)(\sin \mathrm{\ψ}-{\mathrm{sin\ψ}}_0\]}\right)}^2---\left(6\right)$

对应的第n个阵元的相对相位为

4-3)对各个天线阵元进行加权，并在指定的方位波束指向零陷的形成，使发射波束在指定方位的角度形成零陷外，其他方位不改变天线的方向图，使其误差最小；

采用非线性规划的方法实现最小误差，具体为，

4-3-1)得到原始的天线方向加权因子w0，其是一个N×1维的向量；

4-3-2)构造非线性规划的目标函数；

采用两个向量之间的2-范数来定义两个向量之间的误差，构造目标函数为式(7)，

$\min f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(x\right(i)-w0(i\left)\right)}^2/w0{\left(i\right)}^2---\left(7\right)$

其中，x(i)为待求解的阵列加权系数，ω0(i)为迭代初始值、即原始的天线方向加权因子w0，ω0(i)根据仿真参数管理单元下发的窗函数得到；

4-3-3)构造零陷约束条件；

a)指定需要形成零陷的角度θ，其由强干扰及强回波方位角计算模块得到；θ是一个矢量，对应在天线的多个方向上形成零陷，形成零陷的角度不在天线的主瓣内，形成零陷的角度的数目m≤N/2；

b)构造约束条件；

加权以后在指定的方向形成零陷，即指定的方向加权后的功率和接近于零，因此构造约束条件为式(8)，

w^TP(θ)＝0 (8)

其中，w为待求解的阵列加权系数向量，P(θ)为指定的零陷对应的方向的各个天线阵元的增益数值，若θ为一个矢量，则P(θ)为一个矩阵；

c)约束条件分析；

将P(θ)拆为两个实矩阵P_re(θ)和P_im(θ)，P_re(θ)对应于P(θ)的实部，P_im(θ)对应于P(θ)的虚部；这样，约束条件变为式(9)，

w^TP₁(θ)＝0 (9)

其中，P₁(θ)＝[P_re(θ)；P_im(θ)]；

4-3-4)利用非线性规划求解满足约束条件的最优加权值，输出新加权系列加权后的方向图，观测重新加权后的方向图是否满足要求，若满足则输出该方向图，若不满足则返回步骤4-3-1)。

8.根据权利要求7所述的一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤5)中的发射阵列幅度控制单元括依次相连的发射ROM存储器、发射程控衰减器和发射程控移相器，发射阵列幅度控制单元通过发射ROM存储器将阵列加权系数存储、通过发射调制程控衰减器对不同发射天线阵元因子的幅度进行控制、通过发射程控移相器控制各个发射天线阵元的辐射方向；

所述步骤6)中的接收阵列幅度控制单元括依次相连的接收ROM存储器、接收程控衰减器和接收程控移相器，接收阵列幅度控制单元通过接收ROM存储器将阵列加权系数存储、通过接收调制程控衰减器对不同接收天线阵元因子的幅度进行控制、通过接收程控移相器控制各个接收天线阵元的辐射方向。

9.根据权利要求7所述的一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤4-1)中的阵列天线为阵元数位32的线性均匀线性阵列。

10.根据权利要求7所述的一种特殊辐射信号模拟装置的实现方法，其特征在于：所述步骤4-3)中的对各个天线阵元进行加权，是采用窗函数对天线方向图进行加权，所述窗函数为矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克本窗、3阶卡塞尔窗、6阶卡塞尔窗或泰勒窗。