一種間斷照射雷達(dá)信號的調(diào)制參數(shù)測試方法研究

任黎麗 徐海燕 張 穎

（上海精密計(jì)量測試研究所，上海 201109）

1 引 言

在采用半主動(dòng)尋的制導(dǎo)的武器系統(tǒng)中，雷達(dá)、導(dǎo)彈和目標(biāo)是制導(dǎo)系統(tǒng)的三要素。地面、艦艇或飛行器上的照射雷達(dá)向目標(biāo)發(fā)射照射信號，彈上導(dǎo)引頭接收目標(biāo)散射信號并提取目標(biāo)信息。間斷照射半主動(dòng)尋的制導(dǎo)形式是目前較為通用的武器系統(tǒng)制導(dǎo)體制，該體制不僅可以實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)的時(shí)分照射和跟蹤，使武器系統(tǒng)具備攻擊多目標(biāo)的能力，而且還可以實(shí)現(xiàn)照射雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)時(shí)分合一［1-2］。間斷照射雷達(dá)采用了多維副載頻調(diào)制（即存在多個(gè)副載頻的編碼調(diào)制），采用軟件無線電技術(shù)生成指令組合和信號，裝訂間斷照射周期、調(diào)幅度、調(diào)制指數(shù)等指標(biāo)以及指令編碼協(xié)議，在雷達(dá)照射期間按照一定程序給每發(fā)導(dǎo)彈發(fā)送識別碼與修正指令。副載波頻率、調(diào)制指數(shù)等調(diào)制參數(shù)以及編解碼特性是半主動(dòng)雷達(dá)研制、維護(hù)和保障過程中的關(guān)鍵測試指標(biāo)，關(guān)系到導(dǎo)彈成功截獲目標(biāo)的概率。

目前常用的測試方法是通過多個(gè)匹配導(dǎo)引頭比對測試來評價(jià)雷達(dá)信號是否合格，這一方法無法滿足雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)和測試的需求。本文通過分析照射雷達(dá)信號的特征，提出了基于R/S公司FSW頻譜分析儀并結(jié)合軟件無線電技術(shù)的一種間斷照射雷達(dá)信號調(diào)制參數(shù)的便攜式測試方案，為雷達(dá)測試系統(tǒng)的開發(fā)和性能測試提供幫助。

2 間斷照射雷達(dá)信號的基本特征

間斷連續(xù)波信號是一種含無線電修正指令信息的典型復(fù)合調(diào)制信號，其信號形式見公式（1）。

式中：K——消隱開關(guān)脈沖信號；f0——照射載頻；fd——多普勒頻率；m(t)——副載波頻率調(diào)制信號，其表達(dá)式如式（2）：

式中：fi——副載波頻率；i——副載波的個(gè)數(shù)；ai——位信息（0或1）；a(t)——平滑振幅包絡(luò)線；β0——為相位調(diào)制指數(shù)。

振幅包絡(luò)信號a(t)形式如式（3）：

令fc=f0-fd，間斷連續(xù)波信號的表達(dá)式可以展開為［3］：

該信號的時(shí)序圖如圖1所示。

圖1 間斷照射信號時(shí)序圖Fig.1 Time sequence diagram of discontinuous irradiation signal

圖1中，TI為照射期持續(xù)寬度，Tr為照射周期（Tr＞＞TI）。照射器在照射時(shí)間TI內(nèi)輻射含有無線電修正指令的調(diào)制信號，在Tr-TI這段時(shí)間內(nèi)不含有任何指令信息［4］。當(dāng)傳送的信息碼各位均為1時(shí)，在照射時(shí)間TI內(nèi)，副載波頻率調(diào)制信號形式為：

可以看出，調(diào)制信號中包含經(jīng)過幅度調(diào)制的副載波信息和副載波包絡(luò)等信息。根據(jù)修正指令特點(diǎn)，同一時(shí)刻，信號的頻譜上同時(shí)存在多個(gè)副載頻，而且副載頻之間具有相關(guān)性，在解調(diào)時(shí)，對其它幾個(gè)副載頻的抑制度不夠?qū)?dǎo)致誤碼。由于間斷性照射的特點(diǎn)，同一副載頻會在不同的時(shí)間出現(xiàn)在信號頻譜上。因此，從頻域上看，信號非常復(fù)雜。對這樣一個(gè)復(fù)雜的調(diào)制信號，關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)是如何獲取副載波頻率調(diào)制信號m(t)，并進(jìn)行逐級解調(diào)得到副載波頻率fi、副載波包絡(luò)周期τd以及相位調(diào)制指數(shù)β0及編碼信息。

3 測試方法

要獲取解調(diào)參數(shù)和解碼信息，首先要解決信號采集和調(diào)制參數(shù)解調(diào)問題。要采集一個(gè)完整照射周期的信號，數(shù)據(jù)量非常大。傳統(tǒng)的頻譜分析儀中頻采集數(shù)據(jù)的辦法實(shí)現(xiàn)起來比較困難，一般的數(shù)采卡內(nèi)存滿足不了需求，存儲和處理數(shù)據(jù)速度慢、效率低。

本系統(tǒng)采用中頻數(shù)字化方案，在進(jìn)行信號處理前，先對其進(jìn)行數(shù)字化正交接收處理，將信號變換為兩個(gè)正交數(shù)字序列，通過軟件無線電正交解調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)信號的相位和幅度信息的快速提取。同時(shí)，還可在一定程度上能克服因衰落或多普勒頻移等因素引起同頻同相不滿足而導(dǎo)致的信號失真。

3.1 正交采樣法

射頻信號經(jīng)過射頻前端處理模塊變?yōu)榛鶐盘?，變換為同向分量I（t）和正交分量Q（t），再分別通過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行量化得到數(shù)字化的同向分量I（n）和正交分量Q（n）。正交采樣法原理圖如圖2所示。

圖2 正交采樣法原理圖Fig.2 Schematic diagram of orthogonal sampling

間斷連續(xù)波信號U(t)用同相和正交分量可以表示為［5］：

假設(shè)公式（1）中信號的包絡(luò)KU0用A(t)表示，相位用Φ(t)表示，則：

由（6）式和（7）式可以得到：

信號經(jīng)過正交雙通道相位檢波得到：

經(jīng)A/D數(shù)字化以后，設(shè)置采樣間隔為Δt，得到離散的兩組數(shù)據(jù)I(nΔt)和Q(nΔt)。

3.2 解調(diào)算法

1）脈沖包絡(luò)

量化后得到消隱開關(guān)脈沖信號包絡(luò)：

2）副載波頻率調(diào)制信號

對I(t)與Q(t)分別求導(dǎo)，可得：

聯(lián)合（8）式和（13）、（14）式得：

圖3給出了由上述分析得到的副載波頻率調(diào)制信號正交解調(diào)算法原理框圖。

圖3 正交解調(diào)算法原理圖Fig.3 Schematic diagram of orthogonal demodulation

采用正交解調(diào)算法解調(diào)時(shí)，若本地載頻有偏差Δω，則：

去除直流分量就可以得到副載波頻率調(diào)制信號m(t)。這種正交解調(diào)算法解調(diào)調(diào)頻信號可以克服由于本地載頻測量存在的頻差以及由于信道噪聲和其他干擾影響對幅度的影響。

3）調(diào)制指數(shù)

由式（4）和式（5）可以得出，調(diào)制指數(shù)β0為系統(tǒng)最大相位偏移。計(jì)算公式為：

式（19）中，Δωm為最大頻偏，Ω為調(diào)制頻率，最大頻偏與調(diào)制信號的振幅UΩ和調(diào)制頻率Ω有關(guān)，k為比例系數(shù)，與系統(tǒng)調(diào)制器件及工作狀態(tài)有關(guān)。

4）方案實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)解調(diào)復(fù)合調(diào)制雷達(dá)照射信號的算法中，解調(diào)過程中采用二次正交解調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)，即被測復(fù)合調(diào)制信號通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸階段進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊，首先進(jìn)行一次解調(diào)（調(diào)頻解調(diào)），此時(shí)解調(diào)出來的信號波為調(diào)幅波，該調(diào)幅波再經(jīng)過第二次解調(diào)（調(diào)幅解調(diào)），得到最終的原始副載波調(diào)制信號。照射信號解調(diào)流程如圖4所示。

利用頻譜分析儀FSW26的數(shù)字化零頻處理技術(shù)［6-8］，將照射信號轉(zhuǎn)化為基帶信號，基于GPIB總線分別采集同向分量I（t）和正交分量Q（t）；在計(jì)算機(jī)上基于Labview軟件，通過正交解調(diào)頻算法獲得調(diào)幅信號，通過解調(diào)幅和FFT算法獲得副載波頻率值fi，通過計(jì)算最大頻偏得到調(diào)制指數(shù)值β0，通過包絡(luò)檢波法獲得副載波包絡(luò)周期值τd，最后，通過時(shí)域頻率時(shí)序的分布，確定無線電修正指令的編碼序列。

圖4 照射信號解調(diào)流程圖Fig.4 Demodulation flowchart for irradiation signal

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

假設(shè)照射信號的載頻為X波段，把仿真信號直接輸入頻譜儀FSW26，由頻譜儀上觀察的信號頻譜圖如圖5所示。

圖5 仿真信號頻譜圖Fig.5 Simulation signal spectrogram

計(jì)算機(jī)通過GPIB總線控制頻譜儀采集數(shù)字化零頻處理后的基帶信號，再由軟件解調(diào)獲取最終的調(diào)制和編碼信息，如圖6所示。

圖6 間斷照射信號調(diào)制參數(shù)檢測示意圖Fig.6 Schematic diagram of modulation parameters detection for discontinuous signal

圖6中，測量結(jié)果表明解調(diào)的副載波頻率誤差小于10Hz，副載波包絡(luò)周期誤差小于7μs，信息碼和地址碼調(diào)相指數(shù)誤差小于3%，根據(jù)解碼結(jié)果，軟件可以正確解調(diào)出修正指令，所測結(jié)果滿足要求。

5 結(jié)束語

本文簡單介紹了間斷照射雷達(dá)信號的基本特性，提出了基于高性能頻譜分析儀，通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)制參數(shù)的解調(diào)和解碼的通用測試方案，可以方便地實(shí)現(xiàn)不同工作時(shí)序和調(diào)制信息的照射信號的調(diào)制參數(shù)的解調(diào)和解碼，為雷達(dá)研制、生產(chǎn)和維護(hù)提供便攜的測試手段。

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