基于SINC函數靶標雷達電磁輻射特性的實現

黃 翌,楊志謙，段曉超

(中國電子科技集團第38研究所孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

基于SINC函數靶標雷達電磁輻射特性的實現

黃 翌,楊志謙，段曉超

(中國電子科技集團第38研究所孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

介紹了靶標雷達如何模擬雷達工作，詳細討論了如何使用現場可編程門陣列(FPGA)查表方式實現SINC函數擬合雷達副瓣波形，敘述了通過配置參數實現不同型號雷達副瓣特性的模擬方法，并給出了計算公式和實現，最后，對量化誤差進行了分析。通過誤差分析可知，該方法可以逼真地模擬雷達天線副瓣電磁輻射特性，同時極大地降低了靶標雷達的研制、使用、維護成本，加快了研制周期。

反輻射導彈；SINC函數；副瓣；誤差分析

0 引 言

現代戰爭中，通過反輻射作戰壓制或摧毀對方雷達和指揮通信系統，奪取戰場上的主動權，進而取得戰爭勝利，已成為常用的作戰形式[1]。反輻射導彈能夠識別跟蹤雷達電磁波并摧毀雷達，在高科技電子戰中發揮著極其重要的作用。靶標雷達作為反輻射導彈攻擊試驗目標并驗證性能用的電子裝備，可以對反輻射導彈進行真實使用環境下的全面測試，是驗證反輻射導彈武器系統的重要手段[2]。

為配合反輻射導彈的研制和試驗，靶標雷達應該采用能夠真實工作的實物雷達，然而采用真實雷達有研制周期長、靈活性低、維護成本高的缺點，特別是靶標雷達在試驗中具有相當高的損毀幾率[3]。因此研究設計一種能夠完全模擬真實雷達工作時發射電磁波輻射特性的可編程專用靶標雷達具有十分重要的實用價值。

1 反輻射導彈

反輻射導彈是一種以雷達或其他電磁輻射源為攻擊目標的導彈，使用反輻射導彈摧毀對方雷達和電磁干擾源以奪取制電磁權，進而壓制對方防空系統取得制空權，從而獲得戰場主動權，已成為現代戰爭的普遍方式。反輻射導彈的優點主要為：(1)有效殺傷對方雷達或輻射源使其喪失工作能力，迫使其他雷達或輻射源不能正常開機，導致整個防空系統癱瘓，具有很強的殺傷力、威懾力。(2)采用被動搜索跟蹤方式，本身無電磁輻射，同時其雷達反射面積很小，因而隱蔽性好，不易被發現。(3)飛行速度快，其通常為超音速飛行，使對方沒有足夠的反應時間，具有快速打擊能力。(4)跟蹤頻率范圍寬，接收機靈敏度高，能夠在遠距離上發現多種類型的雷達或輻射源，能從目標的側后方發動攻擊。 (5)自主作戰能力強，對輻射源具有記憶能力，一旦捕獲目標，便可自動跟蹤并攻擊目標，即便目標關機或啟動干擾措施，仍能對目標進行精確打擊。

作戰中，雷達陣地為防御反輻射導彈的進攻采取多種方法對抗。如用假目標欺騙導引頭的偵察設備，改變雷達參數來破壞導引頭的目標跟蹤，采用關機戰術使導引頭找不到目標等。因此，導引頭技術是影響反輻射導彈命中概率的關鍵技術，必須具有寬頻帶甚至超寬頻帶的覆蓋頻域、寬瞬時帶寬、高靈敏度、大動態范圍、瞬時自動增益控制、高測角精度、很強的信號分選和選擇能力、很強的抗干擾能力、智能化的戰斗使用方式[4]。

2 靶標雷達輻射源特性

反輻射導彈發現并摧毀雷達目標的重要措施之一是提高電磁波探測的靈敏度，使其能夠檢測并識別雷達輻射源的副瓣，跟蹤副瓣進行目標打擊。對雷達天線方向圖常用SINC函數進行描述，表達式為SINC(x)=sin(πx)/(πx)。SINC函數具有特殊的性質，其函數曲線如圖1所示[5]。SINC函數的圖形與雷達天線的方向圖存在共性，具有明顯的“主瓣”和“副瓣”，并且“主瓣”和“副瓣”也具有相似的波形，只是在幅度上有少許區別[6]。

靶標雷達要驗證反輻射導彈對雷達電磁輻射的探測靈敏度，只需要定向模擬真實雷達的副瓣輻射特性，所以采用的發射機可以比真實雷達使用的發射機功率小得多，這樣可以極大地降低研制難度和成本。靶標雷達工作時，將天線朝向反輻射導彈發射方向，通過模擬真實雷達副瓣產生電磁輻射，對反輻射導彈進行定向引導。真實雷達在實際工作時，天線轉動，輻射的電磁場在空間點的強弱變化可以用SINC函數曲線進行擬合。靶標雷達定向工作時通過在時間上控制發射機功率增益的變化，可以模擬真實雷達天線轉動時對反輻射導彈的電磁輻射效果。

靶標雷達針對不同型號雷達的副瓣特性，采用可配置參數的方式，按照SINC函數曲線控制發射機功率，使靶標雷達的電磁輻射信號在信號類型、變化特點上與模擬的真實雷達一致，滿足反輻射導彈探測跟蹤雷達副瓣的試驗要求。

3 靶標雷達模擬雷達副瓣的實現

靶標雷達的工作時序和發射功率增益控制采用現場可編程門陣列(FPGA)編程實現，其工作原理框圖如圖2所示。對圖1中的SINC函數進行量化，取x從0到1，步進0.1，計算y=SINC(x)，得到發射功率增益權重值為w(11)=(1, 0.983 6, 0.935 5, 0.858 4, 0.756 8, 0.636 6, 0.504 6, 0.367 9, 0.233 9, 0.109 3, 0)。主控計算機計算發射功率增益乘以增益權重，得到發射機功率增益碼值，寫入FPGA內部的“功率增益參數表”中。

如圖3所示，靶標雷達要模擬雷達實際工作時的副瓣效果，需要在每個工作周期(即導前重復周期PRT)內根據SINC函數的擬合量化值打入當前發射機的功率增益碼值。“時序產生”模塊根據調制步進個數(MSN)和調制重復周期個數(MRTN)產生“功率增益參數表”地址，查表得到相應的功率增益碼值，通過控制發射機電磁波功率，模擬雷達實際工作時的副瓣效果。

“參數計算”模塊的功能是根據主控計算機設置的調制周期(MRT)、調制深度(MD)、調制占空比(MP)、導前重復周期(PRT)等參數，計算出MSN和MRTN。參數意義如圖4所示，MRT控制產生副瓣的重復周期，MD控制發射功率的衰減深度，MP設置副瓣占每個調制周期的百分比，可以得到MSN和MRTN公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中：PM為調制占空比；TM為調制周期；TMRT為調制重復周期；NMS為調制步進個數；DM為調制深度；TPRT為脈沖重復周期；NMRT為調制周期個數。

根據得到的NMS和NMRT參數，“時序產生”模塊在每個導前判斷是否需要改變發射功率增益。調制步進個數NMS決定發射功率增益需要維持多少個導前周期，“時序產生”模塊每經過NMS個導前，發射功率增益輸出值就要變化一次，經過DM×NMS個導前周期后，發射功率增益衰減為最大。然后按照同樣的方式反向進行發射功率增益控制，經過(DM-1)×NMS個導前周期后，功率增益恢復為不衰減值。“時序產生”模塊將維持此時的功率增益值，經過NMRT-(DM×2-1)×NMS個導前周期后，重復上述過程。如此循環往復，如圖4所示，每經過NMRT個導前周期(即每經過TMR時間)，將重復模擬1次雷達的副瓣波形。通過這種可配置參數的方式，利用FPGA產生不同時序，來模擬不同工作模式下雷達在空間形成的不同副瓣輻射特性。

4 誤差分析

“功率參數增益表”中的增益碼值是根據SINC函數曲線進行量化后寫入的，存在量化誤差。由圖3所示，量化采用舍入方式，其中量化階為副瓣功率增益碼值數。設y為量化前的SINC函數，yq為量化后的值，得到相對量化誤差公式[7]:

(4)

設定副瓣增益衰減的顆粒度為10階，根據相對誤差公式可以得到，相對量化誤差最大為4.32%，可以實現用戶單位提出的指標要求。通過增加量化階可以更好地擬合SINC函數曲線，減小擬合誤差，但是相應地需要增加FPGA資源的消耗。通過實際測試，10階的量化功率增益碼值已經能夠很好地實現雷達副瓣波形特性的模擬，完成對反輻射導彈的功能驗證。

5 結束語

本文提出了一種低成本、易于研制和維護的可編程靶標雷達的設計方法，分析了如何基于SINC函數實現靶標雷達對雷達天線副瓣的模擬，詳細討論了利用FPGA擬合SINC函數曲線的方法，并實現了發射功率增益控制的原理。最后，對實現中采用數字擬合量化造成的量化誤差進行了具體分析，指出通過增加量化階可以減小量化誤差。該方法的優點在于能夠極大地降低研制維護成本，加快靶標雷達的研制周期，提高模擬多種雷達特性的靈活度，保證對雷達天線副瓣輻射特性模擬的逼真度。

[1] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].3版.西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[2] 金士堯,凌云翔,毛羽剛.武器對抗仿真平臺的研究[J].系統仿真學報,1999,11(4):240-244.

[3] 龍筆虎,孫國政.用于反輻射導彈試驗及對抗演練的雷達系統研究[J].艦船電子工程,2001(2):57-64.

[4] 胡磊,李相平,趙臘.反輻射導彈對抗技術研究[J].艦船電子對抗,2009，32(1):28-31.

[5] 劉敬興,葉春令,王華.基于FPGA的脈沖壓縮雷達目標模擬器設計[J].電訊技術,2013，53(9):1238- 1242.

[6] 劉鵬,蔣賢芬,曾憲清.計算機仿真中魚雷指向性圖波束擬合[J].艦船電子工程,2008,28(12):101-103.

[7] 王建新.直接數字頻率合成中幅度量化誤差分析[J].數據采集與處理,1994,9(2):96-102.

Realization of Electromagnetism Radiation Characteristics for Target Radar Based on SINC Function

HUANG Yi,YANG Zhi-qian,DUAN Xiao-chao

(Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

This paper introduces how the target radar simulates radar operation,discusses how to use field programmable gate array (FPGA) look-up table method to fit the waveform of radar side-lobe by using SINC function in detail,expatiates the simulation method using parameter deploy to realize the side-lobe characteristics of different types of radars,and gives the calculation formula and realization,finally analyzes the quantitized error.The error analysis shows that the method can realistically simulate the electromagnetic radiation characteristics of radar antenna side-lobe,and also reduce the cost of development,usage and and maintenance,as well as shorten the development period.

anti-radiation missile;SINC function;side-lobe;error analysis

2016-11-01

TN957;TP391.9

A

CN32-1413(2017)01-0047-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.010