一種基于數(shù)字頻率合成的多普勒頻移模擬器

一種基于數(shù)字頻率合成的多普勒頻移模擬器

1種數(shù)字頻率合成的多普勒頻移模擬多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接收器之間存在相對(duì)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，稱為多普勒頻率轉(zhuǎn)換值。多普勒導(dǎo)航雷達(dá)正是利用這一特性進(jìn)行自身速度的測(cè)試的導(dǎo)航雷達(dá)。目前國內(nèi)外常見的多普勒導(dǎo)航雷達(dá)一般工作在Ku波段,通過測(cè)試四個(gè)不同方向的波束分時(shí)工作得到不同的多普勒頻移值,進(jìn)而解算出自身三軸向速度。在雷達(dá)性能測(cè)試時(shí),需要根據(jù)給定速度值,產(chǎn)生相應(yīng)的多普勒頻移,并將其調(diào)制到雷達(dá)發(fā)射信號(hào)上反饋給雷達(dá),雷達(dá)接收到信號(hào)后進(jìn)行解調(diào),最后測(cè)量出多普勒頻移值,并根據(jù)頻移值計(jì)算出速度。本文介紹一種基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)的多普勒頻移模擬器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多普勒測(cè)速雷達(dá)性能進(jìn)行測(cè)試,實(shí)現(xiàn)飛行模擬。DDS作為新一代頻率合成技術(shù),具備輸出頻率分辨率高、頻率切換速度快,相位變化連續(xù)以及數(shù)字化可控等優(yōu)點(diǎn)。2模擬器的功能要求2.1波束指向的影響根據(jù)多普勒效應(yīng),不同波束指向,多普勒頻移值不同,其與雷達(dá)俯仰角、滾動(dòng)角及波束指向角相關(guān),且雷達(dá)前向波束對(duì)應(yīng)頻差為正值,后向波束對(duì)應(yīng)頻差為負(fù)。模擬器應(yīng)根據(jù)不同波束指向,輸出不同頻率值,且其頻移精度直接影響雷達(dá)測(cè)速精度。根據(jù)雷達(dá)的工作狀態(tài),要求模擬器根據(jù)頻率為f1的輸入信號(hào),產(chǎn)生頻率為f1±fD的輸出信號(hào),其中0≤fD≤+20kHz,fD頻率精度≤1Hz。2.2產(chǎn)生具有可控輸出信號(hào)的功率控制根據(jù)雷達(dá)工作動(dòng)態(tài)范圍,模擬器具備1dB衰減步進(jìn)、90dB衰減動(dòng)態(tài)功率控制功能。3模擬器的組成和工作原則3.1飛行狀態(tài)檢測(cè)及誤差控制模擬器由軟件控制及硬件平臺(tái)構(gòu)成,其中軟件基于VB語言,讀取給定的三軸向速度及被測(cè)雷達(dá)波束指向角相關(guān)信息,計(jì)算出四波束對(duì)應(yīng)多普勒頻移值。將該頻率值以串口的形式發(fā)送至本振源,控制DDS輸出頻率。同時(shí)接收雷達(dá)回饋信息、檢測(cè)雷達(dá)跟蹤狀態(tài)及輸出的速度信息,并與給定的速度信息進(jìn)行比較,計(jì)算測(cè)速精度。根據(jù)給定飛行姿態(tài)計(jì)算出對(duì)應(yīng)波束回波功率,并以此控制模擬器輸出功率,檢測(cè)雷達(dá)跟蹤狀態(tài)。硬件主要由PIN開關(guān),上下變頻器,本振源、延遲線、數(shù)控衰減器及工控機(jī)組成,如圖1所示,喇叭天線接收到待測(cè)雷達(dá)信號(hào),經(jīng)四波束PIN開關(guān)將分時(shí)工作的四通道信號(hào)合一,單刀雙擲開關(guān)將收發(fā)分離。接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)入下變頻器,經(jīng)兩次變頻后產(chǎn)生中頻進(jìn)行延遲處理,模擬回波返回時(shí)間。延遲后中頻信號(hào)經(jīng)兩次上變頻后放大輸出,經(jīng)數(shù)控衰減器(控制回波能量)進(jìn)入四波束開關(guān),經(jīng)天線進(jìn)入被測(cè)雷達(dá)接收機(jī)。方案采用混頻的方式,使得接收到的脈沖信號(hào)產(chǎn)生頻偏,頻移值為多普勒頻移值。由于被測(cè)雷達(dá)與模擬器本振源的非相干性,二者頻率漂移量不可控,采用圖1所示漂移對(duì)效法,上下變頻中應(yīng)用同一本振信號(hào),能有效抵消因模擬器本振源的不穩(wěn)定性而引入的頻率誤差,保證輸出頻移的精度。同時(shí),在第二本振中加入多普勒頻偏,二者在在上下變頻中,第二本振誤差抵消的同時(shí)將其頻差帶入雷達(dá)發(fā)射信號(hào)中。3.2dds特性參數(shù)模擬器的功能在于模擬雷達(dá)飛行中因多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生的頻率偏移,核心問題在于如何消除系統(tǒng)誤差,確保產(chǎn)生多普勒頻移的精度。因此變頻的實(shí)現(xiàn)方案對(duì)此至關(guān)重要。本文采用圖2所示的方案確保輸出頻移的精確度。頻率為f0基準(zhǔn)晶振經(jīng)M次倍頻濾波后,產(chǎn)生頻率為Mf0的信號(hào),放大功分后,作為上下變頻的第一本振信號(hào)。f0基準(zhǔn)晶振經(jīng)N次倍頻濾波后,產(chǎn)生頻率為Nf0的信號(hào),作為下變頻第二本振信號(hào)?；鶞?zhǔn)晶振進(jìn)行P次倍頻后,作為DDS的參考基準(zhǔn)信號(hào),通過DDS頻率控制碼,使DDS輸出頻率為Nf0±fD,經(jīng)低通濾波后,作為上變頻的本振信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用一個(gè)基準(zhǔn)晶振,保證其相干性,經(jīng)過上下變頻的對(duì)消,輸出頻率為f1±fD,DDS輸出頻率的精度決定了頻移的精度。DDS與其他頻率合成技術(shù)相比較具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn):(1)頻率分辨率高。現(xiàn)有工藝水平可以達(dá)到(μHz級(jí));(2)頻率轉(zhuǎn)換速率快。DDS的頻率轉(zhuǎn)換速率是頻率控制字的傳輸時(shí)間和以低通濾波器為主的器件頻率響應(yīng)時(shí)間之和,其轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)μs甚至ns級(jí);(3)輸出相位連續(xù)。通過DDS可以有效的控制模擬器頻移值,并使其連續(xù)可變。4模擬測(cè)試功能通過本方案實(shí)現(xiàn)的多普勒雷達(dá)模擬器,與雷達(dá)對(duì)接后,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的模擬測(cè)試功能,跟蹤誤差小于10Hz,測(cè)速精度遠(yuǎn)大于雷達(dá)性能要求。且跟蹤速度連續(xù)可變,通過控制數(shù)控衰減器,有效實(shí)現(xiàn)雷達(dá)鎖定和丟失功能,滿足雷達(dá)靈敏度測(cè)試要求。5數(shù)字頻率合成器本文闡述了多普勒頻移模擬器的設(shè)計(jì)方案,通過上下變頻中本振頻率的差異使得Ku波段的接收信號(hào)產(chǎn)生頻偏,實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的模擬。該頻