雷達(dá)對(duì)抗仿真信號(hào)環(huán)境實(shí)現(xiàn)方法研究?

胡 輝 劉尚富

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430000）（2.海軍士官學(xué)校 蚌埠 233012）

1 引言

隨著電子戰(zhàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用日益增強(qiáng)，電子戰(zhàn)裝備受到世界各國(guó)軍方的高度重視。雷達(dá)電子對(duì)抗裝備以電磁波的輻射和接收為基礎(chǔ)，廣泛采用各種先進(jìn)技術(shù)，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。要全面試驗(yàn)鑒定這些系統(tǒng)的技術(shù)和作戰(zhàn)性能，除了要在研制和生產(chǎn)部門進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試、考核外，還必須在電子靶場(chǎng)的盡可能近似實(shí)戰(zhàn)條件的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)和鑒定，這就不得不依賴于雷達(dá)電子對(duì)抗仿真系統(tǒng)。雷達(dá)信號(hào)出于反偵察、抗干擾的需要，許多雷達(dá)都可以改變信號(hào)調(diào)制波形和參數(shù)，如信號(hào)載頻、脈沖重頻、脈沖波形等。目前寬帶雷達(dá)采用了頻率捷變、寬脈沖線性調(diào)頻和相位編碼脈沖等技術(shù)，波形復(fù)雜。如何產(chǎn)生這些復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)，形成逼真的雷達(dá)對(duì)抗信號(hào)環(huán)境，是我們一個(gè)特別關(guān)心的課題。本文論述了用直接頻率合成器（FFS）、頻率綜合器（SFS）、數(shù)字調(diào)諧振蕩器（DTO）、壓控振蕩器（VCO）以及任意波形發(fā)生器（AWG）生成雷達(dá)對(duì)抗仿真試驗(yàn)信號(hào)的原理和實(shí)現(xiàn)方法［1］。

2 由射頻源構(gòu)成的信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)

由射頻源構(gòu)成的信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。主控計(jì)算機(jī)通過(guò)人工鍵入，調(diào)用內(nèi)置雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)或仿真計(jì)算機(jī)提供雷達(dá)參數(shù)的形式，形成態(tài)勢(shì)文件，選擇脈沖丟失準(zhǔn)則，計(jì)算實(shí)際脈沖丟失概率。同時(shí)進(jìn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)分配（或人工分配），滿意后，為通道控制器提供雷達(dá)特征參數(shù)。當(dāng)通道控制器收到指定的雷達(dá)參數(shù)后，按各自的時(shí)序、丟失脈沖準(zhǔn)則和通道射頻源數(shù)目N生成一串或N串（含若干部雷達(dá)信號(hào)）數(shù)字脈沖描述字，再由這些脈沖描述字控制各自的射頻通道，每個(gè)射頻通道就會(huì)產(chǎn)生一串由若干部雷達(dá)信號(hào)組成的射頻脈沖流，通過(guò)各自的射頻放大器輻射到雷達(dá)偵察機(jī)天線，這樣在雷達(dá)偵察機(jī)周圍就可以形成二至四個(gè)集群目標(biāo)和二至三個(gè)方位的密集背景目標(biāo)信號(hào)，以檢測(cè)雷達(dá)偵察機(jī)的戰(zhàn)技指標(biāo)［2］。

圖1 信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)組成框圖

雷達(dá)對(duì)抗信號(hào)環(huán)境仿真系統(tǒng)的射頻源通道最為關(guān)鍵的微波器件就是射頻源，能產(chǎn)生微波信號(hào)的射頻源目前有4種可供選擇：直接頻率合成器（FFS），頻率綜合器（SFS），數(shù)字調(diào)諧振蕩器（DTO），壓控振蕩器（VCO）［3］。

2.1 由FFS、SFS組成的射頻通道

FFS通道模擬的主要對(duì)象是與相位有關(guān)系的相參雷達(dá)（線性、非線性調(diào)頻和脈內(nèi)調(diào)相雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)），也可根據(jù)需要模擬極窄脈沖寬度雷達(dá)，頻率分集、捷變、重頻抖動(dòng)、天線掃描等各種需要的普通雷達(dá)。當(dāng)然這些通道模擬出來(lái)的雷達(dá)脈沖信號(hào)不論是在頻域還是在時(shí)域上，都是高質(zhì)量、可信的，是雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器精度的具體體現(xiàn)，為了充分利用FFS速度快的優(yōu)點(diǎn)，象脈沖壓縮、脈沖多普勒和連續(xù)波雷達(dá)等占空比較大、頻率變換不大的雷達(dá)信號(hào)一般用SFS作為射頻源的通道來(lái)完成。由于SFS的調(diào)諧速度比較慢，因此，它不適合模擬多部雷達(dá)信號(hào)，但模擬單部雷達(dá)信號(hào)頻率精度高，采用這種源的原因就是為了與FFS通道互補(bǔ)，提高FFS通道的效率。由FFS、SFS組成的射頻通道原理相同［4］。如圖2所示。

圖2 FFS、SFS通道示意圖

對(duì)脈內(nèi)頻率調(diào)制的過(guò)程就是表的調(diào)用過(guò)程：利用接收到的批號(hào)作為首地址，尾地址則根據(jù)設(shè)備要求按一定速度進(jìn)行順序?qū)ぶ?，從而獲得所需的頻率控制碼。在此地址順序變化采用計(jì)數(shù)器，利用從FFS變頻得到的時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)獲得。這樣也有力地保證了信號(hào)相參。相位調(diào)制碼型主要有二相碼、四相碼、多相碼、偽隨機(jī)碼等四種。據(jù)此分析，只須將幾種碼型固化到EPROM內(nèi)即可。相位碼的調(diào)用與頻率控制中的表的調(diào)用類似，只不過(guò)這里的地址則是以通道控制器送來(lái)的碼型碼作為首地址，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值作為尾地址，時(shí)鐘也是從FFS處變頻獲得，這有力地保證了信號(hào)相參［5］。

2.2 由DTO組成的射頻通道

目前在實(shí)際雷達(dá)信號(hào)環(huán)境中，還存在著大量的非相參雷達(dá)，用DTO組成的射頻通道主要解決非相參雷達(dá)信號(hào)的模擬［5］。由DTO組成的射頻通道原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 DTO通道示意圖

對(duì)DTO通道而言，預(yù)置所有脈內(nèi)調(diào)制形式。簡(jiǎn)言之，就是通過(guò)初始化過(guò)程形成脈內(nèi)頻率調(diào)制波形表。具體指表方法如下：以頻率值為數(shù)據(jù)，以批號(hào)時(shí)間為地址，表內(nèi)頻率值為各頻段所對(duì)應(yīng)的DDS頻率值或DTO頻率變化值。其次過(guò)程就是在工作過(guò)程中，根據(jù)通道控制器送來(lái)的頻率控制信息對(duì)頻率進(jìn)行控制。對(duì)脈內(nèi)頻率調(diào)制的過(guò)程與FFS通道同。但對(duì)DTO，則要將主頻碼與頻率偏移值經(jīng)D/A變換再求和加到DTO的控制端［6］。

考慮到DTO的置頻速度以及選擇開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟速度等問(wèn)題，有關(guān)控制信號(hào)必須提前發(fā)射脈沖信號(hào)給出。

2.3 由VCO組成的射頻通道

研究工作說(shuō)明：當(dāng)射頻通道硬件結(jié)構(gòu)和軟件控制策略確定后，射頻通道所能承受的信號(hào)密度在脈沖丟失概率一定的情況下，主要取決于射頻源的響應(yīng)時(shí)間和信號(hào)流的占空比，其它原因影響較小，而信號(hào)的占空比在雷達(dá)參數(shù)設(shè)定以后其值是相對(duì)固定的，除非人為改變雷達(dá)參數(shù)，否則它是無(wú)法再改善的。射頻源的響應(yīng)時(shí)間利用高技術(shù)（如FFS））是可以改善的。但其價(jià)值昂貴，價(jià)格與響應(yīng)時(shí)間提高的比例不是線關(guān)系，在實(shí)際設(shè)備中不能大量采用這種射頻源，因此，對(duì)模擬脈沖密度為主要功能的通道可采用數(shù)個(gè)相對(duì)價(jià)廉的VCO射頻源。其示意圖見(jiàn)圖4。其工作原理就是用通道控制器生成的一個(gè)時(shí)序上的脈沖描述字控制對(duì)應(yīng)的射頻源，形成射頻脈沖后輸出。增加一個(gè)射頻源就相當(dāng)于把一個(gè)通道的效率提高一倍。這里要考慮到通道內(nèi)的其它器件存在的響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題，即射頻源與其它器件要相匹配［7］。

圖4 VCO通道示意圖

3 AWG產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)

借助于軟件無(wú)線電的思想，采用通用的硬件平臺(tái)，采用更換軟件的方法能完成各種特定信號(hào)的生成，任意波形發(fā)生器（以下簡(jiǎn)稱AWG）就是按照這種思路設(shè)計(jì)的特殊信號(hào)源［8］。

3.1 AWG的組成

AWG組成框圖如圖5所示，主要由采樣時(shí)鐘發(fā)生器、地址發(fā)生器、波形存儲(chǔ)矩陣、高速D/A、低通濾波組成。一般的AWG都配置了大硬盤、CPU和程控接口等，AWG等效于高速DAC加上配套的外圍器件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

圖5 AWG組成框圖

AWG產(chǎn)生信號(hào)的質(zhì)量由高速D/A的采樣率、垂直分辨率、波形存儲(chǔ)長(zhǎng)度、時(shí)鐘質(zhì)量等因素決定，同時(shí)隨機(jī)提供的軟件及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)決定了使用的方便性和設(shè)備功能，高性能的AWG離不開(kāi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和配套軟件［9］。

多數(shù)AWG具有序列地址控制功能，波形存貯器可以分段工作，因此AWG能執(zhí)行序列功能。序列功能對(duì)復(fù)雜的時(shí)變多路信號(hào)、復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的生成非常有用。

3.2 由AWG組成的信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)

雷達(dá)信號(hào)出于反偵察、抗干擾的需要，許多雷達(dá)都可以改變信號(hào)調(diào)制波形和參數(shù)，如信號(hào)載頻、脈沖重頻、脈沖波形等。目前寬帶雷達(dá)采用了頻率捷變、寬脈沖線性調(diào)頻和相位編碼脈沖等技術(shù)，波形復(fù)雜。雷達(dá)電子對(duì)抗信號(hào)生成所需的AWG性能一般都比較高，最近幾年由于DAC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展帶動(dòng)了AWG技術(shù)的發(fā)展，能很好地滿足復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的需要。由AWG組成的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)見(jiàn)圖 6［10］。

圖6 AWG組成的信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)框圖

采用外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。工作時(shí)外部計(jì)算機(jī)通過(guò)IEEE488接口和RS232接口控制AWG和變頻器組，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)刷新工作［11］。

圖7表示三種雷達(dá)的信號(hào)形式和調(diào)制器波形。圖7（a）表示簡(jiǎn)單載頻矩形脈沖調(diào)制信號(hào)波形，AWG采用長(zhǎng)度為τ的正弦信號(hào)與時(shí)間為Tτ-τ的空信號(hào)（指輸出為零的信號(hào)）結(jié)合即可產(chǎn)生。

圖7（b）為脈沖壓縮雷達(dá)采用的線性跳頻信號(hào)，線性調(diào)頻公式為

式中：fo為起始頻率，C＝ΔB/τ，ΔB為載波頻率變化。AWG的公式編輯器可以完成線性調(diào)頻信號(hào)生成。

圖7（c）為相位編碼脈沖壓縮雷達(dá)的相位編碼信號(hào)，與圖7（b）不同，脈沖串內(nèi)存在多個(gè)子脈沖（子脈寬為τ0），生成公式與上式相同，但參數(shù)C不同（C＝ΔBo/τ0，ΔBo為子脈沖頻率變化）。當(dāng)采用巴克碼時(shí)，符合位發(fā)生變化時(shí)，起始相位相差180°，AWG生成該信號(hào)基本方法相同12］。

圖7 三種典型雷達(dá)信號(hào)和調(diào)制波形（τ為脈寬，Tτ為脈沖重復(fù)周期）

4 結(jié)語(yǔ)

用直接頻率合成器（FFS）、頻率綜合器（SFS）、數(shù)字調(diào)諧振蕩器（DTO）、壓控振蕩器（VCO）生成雷達(dá)對(duì)抗仿真試驗(yàn)信號(hào)的方法和技術(shù)是比較成熟的，在已裝備某試驗(yàn)基地的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器中就應(yīng)用了這種技術(shù)，而采用AWG產(chǎn)生特殊信號(hào)，在技術(shù)上是一個(gè)新的領(lǐng)域，需要較多的相關(guān)知識(shí)，才能很好地完成復(fù)雜信號(hào)的生成輸出。AWG采用通用的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，結(jié)合了軟件無(wú)線電的有關(guān)原理，波形數(shù)據(jù)文件的產(chǎn)生主要依賴于軟件。因此該方法既滿足的特定信號(hào)生成的要求，又可根據(jù)使用要求的變化，擴(kuò)展應(yīng)用范圍，滿足多種使用要求。