盛 川,楊春曉,謝軍偉,路文龍

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

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一種制導(dǎo)雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案*

盛 川,楊春曉,謝軍偉,路文龍

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

為有效評估制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能,針對制導(dǎo)雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)及其面臨的干擾環(huán)境,提出一種射頻信號注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過模擬器構(gòu)建了包括雜波、干擾以及目標(biāo)回波在內(nèi)的復(fù)雜電磁環(huán)境,并將信號以射頻注入的方式注入雷達(dá)數(shù)據(jù)處理回路,構(gòu)建了逼真的戰(zhàn)場環(huán)境。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠有效模擬目標(biāo)/欺騙干擾、無源干擾和有源壓制性干擾等復(fù)雜信號,且信號產(chǎn)生靈活、可控,為雷達(dá)抗干擾性能內(nèi)場評估實(shí)驗(yàn)提供了逼真的電磁干擾環(huán)境。

干擾環(huán)境;射頻注入;模擬器

0 引言

目前,雷達(dá)抗干擾性能評估內(nèi)場試驗(yàn)已成為世界各國研究的熱點(diǎn)問題,全面、科學(xué)的抗干擾性能評估,有利于準(zhǔn)確把握雷達(dá)抗干擾性能的優(yōu)缺點(diǎn)及其在作戰(zhàn)中的適用性、有效性,對促進(jìn)雷達(dá)技術(shù)升級和指導(dǎo)戰(zhàn)勤人員操作訓(xùn)練有重要意義,而構(gòu)建逼真的電磁干擾環(huán)境則是進(jìn)行有效內(nèi)場評估試驗(yàn)的前提和基礎(chǔ)[1]。

在內(nèi)場評估試驗(yàn)中,信號注入法是一種將雷達(dá)實(shí)物作為仿真評估一部分的半實(shí)物仿真方法,根據(jù)評估需求模擬產(chǎn)生雷達(dá)目標(biāo)回波和干擾信號,從注入點(diǎn)注入到雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾性能評估。根據(jù)注入點(diǎn)位置分為數(shù)字注入、中頻注入和射頻注入。數(shù)字注入通過計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號處理器產(chǎn)生數(shù)字仿真信號,該方法成本低,但信號及雷達(dá)系統(tǒng)仿真的高度數(shù)字化是以損失信號環(huán)境保真度為代價(jià);中頻注入模擬產(chǎn)生中頻信號注入到中頻接收機(jī),信號產(chǎn)生較為簡單,但置信度不高;射頻注入則是模擬天線輸出端的射頻信號,從天線和差器后注入到接收機(jī)中,包括信號環(huán)境和相控陣天線及接收機(jī)射頻前端的模擬,評估置信度較高[2]。文中設(shè)計(jì)了一種雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng),有效滿足了制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能評估的需求。

1 雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對制導(dǎo)雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn),雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)需模擬目標(biāo)/欺騙干擾、有源壓制性干擾和無源干擾的和差三路信號,以及有源壓制性干擾兩路輔助通道信號[3]。雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)主要由雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理器和射頻信號注入器組成。

雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理器獲得制導(dǎo)雷達(dá)的波束控制指令、收發(fā)指令、波形指令控制和抗干擾性能評估計(jì)算機(jī)的干擾環(huán)境參數(shù),用于控制射頻信號注入器模擬干擾環(huán)境。

射頻信號注入器的功能是產(chǎn)生目標(biāo)/欺騙干擾、有源壓制性干擾、無源干擾的單脈沖和差三路射頻信號及兩輔助通道射頻信號,經(jīng)同軸電纜由射頻注入點(diǎn)注入到制導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)。

圖1 雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 干擾環(huán)境建模

2.1 目標(biāo)/欺騙干擾模擬

目標(biāo)回波的距離和速度模擬是通過控制時(shí)延和多普勒頻移來實(shí)現(xiàn)的;信號幅度隨目標(biāo)RCS起伏變化,可采用施威林(Swerling)模型對起伏特性模擬;角度變化引起高低差及方位差變化,通過天線方向圖控制和/差信號增益模擬角度[4]。

目標(biāo)回波信號的延時(shí)為tR,多普勒頻移為fd,表達(dá)式為:

(1)

fd=2v/λ

(2)

式中:c為光速;λ為雷達(dá)載波波長。

欺騙干擾信號模擬的時(shí)延、多普勒頻移、幅度控制參數(shù)根據(jù)欺騙干擾方式設(shè)定。目標(biāo)RCS起伏變化采用施威林模型描述,文中不再贅述。

相控陣天線方向圖仿真采用辛克函數(shù)分段擬合子波束天線方向圖,再利用子波束和差運(yùn)算等效和差波束模型,由幅度衰減因子控制和差波束增益獲得和差波束天線方向圖[5]。

2.2 無源干擾模擬

無源干擾信號主要包括無源雜波和箔條干擾,無源雜波有地物和氣象雜波[6]。

2.2.1 雜波建模

對于分辨率較高的制導(dǎo)雷達(dá),采用K分布描述,既能在很寬范圍內(nèi)與觀測雜波數(shù)據(jù)幅度分布匹配,又能正確模擬雜波回波脈沖間的相關(guān)特性,概率密度為:

(x>0,v>-1,a>0)

(3)

式中:Kv(·)為第二類修正貝塞爾函數(shù);a為尺度參數(shù),只與雜波的平均值有關(guān);v為雜波形狀參數(shù)。

根據(jù)雷達(dá)的距離分辨力劃分雜波散射單元。

(4)

式中:a為散射單元寬度(長度等于寬度);δr為雷達(dá)距離分辨單元寬度;ψ為距離環(huán)中心視線方向?qū)?yīng)的擦地角。

由雷達(dá)方程可知,第(m,n)個(gè)散射單元散射功率為:

(5)

式中:Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率;λ為雷達(dá)工作波長;δm,m為第(m,n)個(gè)散射單元的散射系數(shù);Sm,n為第(m,n)個(gè)散射單元的散射面積;Rm為散射單元距雷達(dá)天線的距離;L為雷達(dá)總損耗;Gt,(m,n)為發(fā)射天線增益;Gr,(m,n)接收天線增益。

散射單元回波平均幅度為:

(6)

式中sgn(·)為符號函數(shù)。

第(m,n)個(gè)散射單元的時(shí)延由該點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)的距離Rm,n決定時(shí)延τ(m,n)為:

(7)

式中:Rm,n為服從[Rm,Rm+1]區(qū)間內(nèi)的均勻分布;c為光速。

假設(shè)相干處理期間,各散射單元幅度無起伏,則第(m,n)個(gè)散射單元的第k個(gè)脈沖回波信號為:

ck,(m,n)(t)=

Am,nL(m,n)S[t-τ(m,n)+kT]ej2πfd(m,n)[t-τ(m,n)+kT]

(8)

式中:T為脈沖重復(fù)周期;S(t)為雷達(dá)發(fā)射信號幅度歸一化。

對若干散射單元回波信號進(jìn)行相干合成,得各個(gè)通道的射頻雜波信號為:

(9)

式中:K為相干脈沖數(shù),雷達(dá)發(fā)射對接收的“遮擋”影響表示為:

(10)

2.2.2 箔條回波建模[7]

箔條云在空中運(yùn)動引起多普勒頻移為:

(11)

式中:v為箔條云的運(yùn)動速度;θ為v與雷達(dá)軸線的夾角;λ為雷達(dá)信號波長。

第i根箔條的回波信號為:

(12)

式中:Ri為第i根箔條的位置;Ai為第i根箔條的回波幅度。

第m個(gè)雷達(dá)波束接收的箔條干擾回波為:

(13)

2.3 有源壓制性干擾模擬

有源壓制性干擾信號是通過對噪聲源調(diào)制獲得具有壓制性的干擾信號,通過雷達(dá)天線主瓣或旁瓣進(jìn)入接收機(jī)。信號模擬時(shí),可通過調(diào)制方式的組合形成多種樣式的有源壓制性干擾信號,此處不再贅述。角度模擬根據(jù)干擾源相對雷達(dá)的位置控制和/差信號增益實(shí)現(xiàn),天線方向圖模型與目標(biāo)回波模擬時(shí)模型一致。此外,輔助通道信號模擬要對輔助天線方向圖模擬[8]。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 基帶樣本信號產(chǎn)生模塊

目標(biāo)/欺騙干擾信號和無源干擾信號的模擬通過對發(fā)射信號的基帶樣本信號進(jìn)行一系列調(diào)制產(chǎn)生,基帶樣本信號產(chǎn)生模塊對發(fā)射信號進(jìn)行采樣。基帶樣本信號產(chǎn)生模塊如圖2所示。

圖2 基帶樣本信號產(chǎn)生模塊

雷達(dá)發(fā)射信號中頻信號下變頻后,通過高速A/D采樣輸出至波形存儲器,測頻單元對波形存儲器中波形樣本進(jìn)行測頻,測頻結(jié)果用于數(shù)字下變頻,再經(jīng)過抽取濾波處理,獲得基帶樣本。

3.2 相控陣天線仿真器

相控陣天線仿真器通過軟件實(shí)現(xiàn),根據(jù)任意掃描角下的天線方向圖技術(shù)參數(shù),包括天線增益、主瓣寬度、第一副瓣電平、第一零值點(diǎn)位置、第一副瓣電平位置等技術(shù)參數(shù),計(jì)算出天線方向圖技術(shù)參數(shù),輸入到建立的相控陣天線模型中,計(jì)算得到相控陣天線方向圖。

3.3 目標(biāo)/欺騙干擾模擬

目標(biāo)/欺騙干擾射頻信號產(chǎn)生,首先通過中頻信號產(chǎn)生電路模擬產(chǎn)生中頻信號,再經(jīng)過射頻和差網(wǎng)絡(luò)模擬輸出和差三路射頻信號。目標(biāo)/欺騙干擾中頻信號產(chǎn)生框圖如圖3所示。

圖3 目標(biāo)/欺騙干擾中頻信號產(chǎn)生框圖

基帶樣本信號通過時(shí)延調(diào)制、多普勒調(diào)制及幅度控制輸出后,再經(jīng)過上變頻及高速D/A產(chǎn)生中頻信號。欺騙干擾信號模擬的原理與目標(biāo)模擬相同,只是對基帶樣本信號的延時(shí)、多普勒頻移和幅度調(diào)制參數(shù)要根據(jù)欺騙干擾方式設(shè)置。目標(biāo)/欺騙干擾信號射頻和差網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 目標(biāo)/欺騙信號射頻和差網(wǎng)絡(luò)

目標(biāo)/欺騙干擾中頻信號與DRFM本振信號混頻后,經(jīng)過放大器、固定衰減器和數(shù)控衰減器控制輸出一定功率電平的目標(biāo)/欺騙干擾信號,射頻信號由功分器分為和差三路,通過實(shí)時(shí)控制0/π移相器的移相量和數(shù)控衰減器的衰減量,模擬輸出和信號、高低差和方位差信號,實(shí)現(xiàn)角度的模擬,通過調(diào)節(jié)各支路的電調(diào)移相和電調(diào)衰減器,可保證各支路的幅相一致性,最終輸出和差三路射頻信號。

3.4 無源雜波干擾模擬

無源雜波干擾射頻信號產(chǎn)生按和信號、高低差和方位差信號分別模擬。首先通過無源雜波中頻信號產(chǎn)生電路模擬產(chǎn)生三路中頻信號,再分別經(jīng)過上變頻等處理得到射頻信號。無源雜波中頻信號產(chǎn)生框圖如圖5所示。

圖5 無源雜波中頻信號產(chǎn)生框圖

基帶樣本與雜波調(diào)制序列實(shí)時(shí)卷積,再經(jīng)過延時(shí)/插值、上變頻,高速A/D轉(zhuǎn)換后輸出中頻雜波信號,其中,雜波調(diào)制序列通過對雷達(dá)的工作體制、參數(shù)及地/海雜波場景的分析,選擇合適的雜波模型產(chǎn)生。無源雜波干擾射頻信號模擬框圖如圖6所示。

圖6 無源雜波干擾信號模擬框圖

三路雜波中頻信號分別經(jīng)上變頻、放大、固定衰減器、數(shù)控衰減器、0/π移相器、電調(diào)衰減和電調(diào)移相等射頻電路,模擬輸出和差三路無源雜波干擾射頻信號。

3.5 有源壓制性干擾模擬

有源壓制性干擾射頻信號的模擬共產(chǎn)生5路信號,三路用于模擬和差信號,兩路用于模擬旁瓣對消系統(tǒng)輔助通道的信號。有源壓制性干擾信號模擬框圖如圖7所示。

圖7 有源壓制性干擾信號模擬框圖

有源壓制性干擾視頻信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生視頻信號,與頻率調(diào)制信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的頻率調(diào)制信號疊加,控制壓控振蕩器產(chǎn)生頻率和帶寬符合要求的射頻信號,經(jīng)過幅度調(diào)制、射頻放大和固定衰減器控制,輸出功率電平符合要求的射頻噪聲,再經(jīng)數(shù)控衰減器控制干擾信號的強(qiáng)弱,經(jīng)功分器后輸出5路信號,三路用于模擬和信號、高低差和方位差信號,通過調(diào)整0/π移相器的移相量和數(shù)控衰減器的衰減量來模擬角度;另外兩路用于模擬旁瓣對消系統(tǒng)輔助通道的信號。

3.6 多通道射頻信號合成

多通道射頻信號合成模塊將目標(biāo)回波、欺騙干擾、無源干擾和有源壓制性干擾的三路和差信號,以及有源壓制性干擾的兩路輔助支路信號進(jìn)行合成處理,形成和信號、高低/方位差信號和輔助通道信號,輸出到接收機(jī)射頻前端。多通道射頻信號合成模塊如圖8所示。

圖8 多通道射頻信號合成模塊

4 測試結(jié)果與分析

通過在實(shí)驗(yàn)室搭建測試平臺,實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)的測試,基帶樣本產(chǎn)生模塊提供基帶樣本信號,各信號產(chǎn)生模塊根據(jù)信號參數(shù)及模型在計(jì)算機(jī)控制下產(chǎn)生目標(biāo)回波信號、欺騙干擾信號、無源干擾信號和有源壓制性干擾信號,通過示波器和頻譜儀觀察分析信號波形和頻譜圖。

4.1 目標(biāo)回波信號測試

目標(biāo)在100 km時(shí)回波信號如圖9所示。

圖9 Rm=100 km時(shí)目標(biāo)回波

4.2 有源壓制性干擾信號測試

有源壓制性干擾信號產(chǎn)生阻塞式干擾和間歇瞄準(zhǔn)式干擾進(jìn)行測試分析,阻塞式干擾信號頻譜圖、間歇瞄準(zhǔn)式干擾信號波形分別如圖10、圖11所示。

圖10 阻塞式干擾信號頻譜圖

圖11 間歇瞄準(zhǔn)式干擾信號波形

分析圖10、圖11可知,阻塞式干擾能在較寬頻段內(nèi)覆蓋雷達(dá)信號,只要雷達(dá)信號頻率在其覆蓋范圍內(nèi),都將受到有效干擾;間歇瞄準(zhǔn)式干擾信號功率集中且信號間歇出現(xiàn),目標(biāo)回波信號受到間歇干擾,雷達(dá)很難從回波中檢測出目標(biāo)。

4.3 欺騙干擾信號測試

根據(jù)上位機(jī)軟件或DSP控制各駐留波位的欺騙干擾參數(shù),產(chǎn)生假目標(biāo),其分布如圖12所示,橫縱坐標(biāo)分別表示距離和強(qiáng)度。確定假目標(biāo)的回波時(shí)移范圍與距離延遲精度,模擬欺騙干擾信號,欺騙干擾信號波形如圖13所示。

圖12 假目標(biāo)分布圖

圖13 欺騙干擾信號波形圖

分析圖13可知,在不同距離延時(shí)上產(chǎn)生了幅度不同的欺騙干擾信號,使得目標(biāo)回波信號難以分辨,實(shí)現(xiàn)了欺騙干擾的目的。

4.4 無源干擾信號測試

無源干擾信號測試選擇產(chǎn)生地雜波、氣象雜波和箔條干擾,無源干擾分部如圖14所示,包括地雜波(近距)、氣象雜波(中距)和箔條干擾(遠(yuǎn)距),橫軸表示距離,縱軸表示雜波強(qiáng)度。根據(jù)無源干擾分部情況模擬產(chǎn)生無源雜波,通過示波器觀察輸出波形,地雜波、氣象雜波、箔條干擾波形如圖15所示。

圖14 無源干擾分布圖

圖15 地雜波、氣象雜波、箔條干擾波形圖

分析圖15可知,在不同距離上產(chǎn)生了強(qiáng)度不同的無源干擾信號,目標(biāo)回波信號淹沒在雜波信號中,達(dá)到有效干擾目的。

5 結(jié)語

文中通過對制導(dǎo)雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)及面臨的干擾環(huán)境分析,提出了制導(dǎo)雷達(dá)射頻信號注入系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),并對目標(biāo)/欺騙干擾、無源干擾和有源壓制性干擾的射頻信號產(chǎn)生模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過在實(shí)驗(yàn)室搭建測試臺進(jìn)行功能測試,產(chǎn)生目標(biāo)回波信號、有源壓制性干擾信號、欺騙干擾信號和無源干擾信號,利用示波器和頻譜儀觀察分析中頻信號頻譜或波形。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以靈活模擬復(fù)雜且逼真的電磁干擾環(huán)境,能夠有效滿足制導(dǎo)雷達(dá)的抗干擾性能評估要求。不足的是該系統(tǒng)前端的模型還有待于深入研究,以提高信號的置信度。

[1] 付云, 謝軍偉, 張啟亮, 等. 射頻注入式雷達(dá)抗干擾性能評估研究 [J]. 飛航導(dǎo)彈, 2011(8): 83-86.

[2] 崔建竹, 盛驥松. 注入式雷達(dá)信號仿真技術(shù) [J]. 艦船電子對抗, 2007, 30(5): 75-79.

[3] 張啟亮. 某型制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能評估研究 [D]. 西安: 空軍工程大學(xué), 2009.

[4] 許德志, 丁才成. 一種基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器研究與實(shí)現(xiàn) [J]. 電子科技, 2010, 23(3): 59-61.

[5] 張濤. 有源相控陣?yán)走_(dá)箔條干擾仿真系統(tǒng)建模與軟件設(shè)計(jì) [D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2012.

[6] 陳伯孝. 現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) [M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2012: 220-221.

[7] 楊春曉, 謝軍偉, 盛川, 等. 基于中頻注入的雷達(dá)信號模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 16(4): 83-87.

A Design Scheme of Guidance Radar RF Signal Injection System

SHENG Chuan,YANG Chunxiao,XIE Junwei,LU Wenlong

(Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

In order to evaluate guidance radar’s anti-jamming performance effectively, a guidance radar RF signal injection system was proposed. The system uses simulator to structure complex electronic jamming environment including clutter, jamming and target echo. Then the system injects the signal into the radar in the form of RF. The test results shows that this guidance radar RF signal injection system can simulate target echo, deception jamming, clutter and barrage jamming, and it can produce signal flexibly. It has great value which matches design requirement well, and satisfies assessment.

electronic warfare environment; RF injection; simulator

2015-12-10

盛川(1979-),男,湖南益陽人,副教授,博士研究生,研究方向:雷達(dá)抗干擾關(guān)鍵技術(shù)。

TN95

A