雷達有源干擾信號監(jiān)測方法研究

趙嚴冰，張新立

(中國人民解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326)

0 引言

貼近實戰(zhàn)，構(gòu)設(shè)復雜逼真、分層分級、可調(diào)可控的電磁環(huán)境是試驗訓練的核心要求。目前在構(gòu)設(shè)雷達裝備試驗訓練電磁環(huán)境中，雷達有源干擾環(huán)境是重點內(nèi)容，但是由于缺乏針對性、相關(guān)性、實效性的雷達干擾環(huán)境有感監(jiān)測手段[1]，不能對特定信號的狀態(tài)進行監(jiān)視和測量，無法獲得特定信號的特征參量，不能支撐構(gòu)建環(huán)境和預測環(huán)境的等效性評價，導致在雷達裝備抗干擾評估上難以準確界定外界干擾環(huán)境對雷達的影響程度和影響機理，甚至在問題溯源上，難以清晰判定是干擾所為、還是雷達固有缺陷所致，嚴重影響了試驗鑒定和訓練考評的科學性和權(quán)威性。

本文在分析試驗訓練任務(wù)詳細需求的基礎(chǔ)上，提出了一種用于岸基、艦載雷達的合作式有源干擾監(jiān)測方法,該方法可有效獲取基于受體有感干擾環(huán)境的功率、頻率、時間和特征參數(shù)，并進行了典型配置條件的應用驗證。

1 雷達有源干擾信號監(jiān)測的需求分析

電磁環(huán)境監(jiān)測是為了感知掌握電磁環(huán)境的狀態(tài)，采用與構(gòu)建電磁環(huán)境的信號特性相適應的監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測技術(shù)及方法，對各種或特定信號的狀態(tài)進行監(jiān)視和測量的過程[2]。實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的適應性和實效性，很重要一個環(huán)節(jié)就是電磁環(huán)境的動態(tài)精確感知。雷達有源干擾環(huán)境監(jiān)測作為電磁環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容，就是要在雷達試驗訓練任務(wù)中準確掌握特定雷達裝備所面臨有源干擾電磁環(huán)境在時域、空域、頻域和能域的特征和參數(shù)范圍。與雷達輻射源信號環(huán)境監(jiān)測不同，雷達有源干擾環(huán)境監(jiān)測不適用寬開方式的“盲偵盲測”，這也是由雷達有源干擾信號的特點決定的，很重要的就是雷達有源干擾信號與雷達輻射源信號具有明顯的不同：

1)它只作用于特定的對象，信號樣式與干擾對象匹配；

2)在信號特征上，具有一定的隨機性，既有連續(xù)信號，也有脈沖信號，既有窄帶信號，也有寬帶信號；

3)干擾信號在時間、空間、能量上是不斷變化的，具有一定的人為因素；

4)對于特定的受體對象，干擾信號常常與目標回波信號、雜波信號混合在一起。

因此，根據(jù)雷達試驗訓練任務(wù)需求，宜采用基于受體的有源干擾環(huán)境有感監(jiān)測方法，就是按照面向?qū)ο蟮乃枷?，從受體裝備角度出發(fā)，對不同類型、不同來源的干擾信號進行實時監(jiān)測，以檢驗電磁環(huán)境對雷達的敏感區(qū)域和雷達相關(guān)抗干擾性能指標。這就需要實時采集特定雷達等效天線口面處的干擾信號，并對干擾信號進行錄取分析。雷達有源干擾信號監(jiān)測存在一些難點問題和特殊需求。

首先，雷達有源干擾信號監(jiān)測面臨一些工程技術(shù)的難點問題：

1)采集雷達有源干擾信號，需要架設(shè)在被干擾雷達的較近位置，在采集干擾信號的過程中，也會受到雷達近場大功率發(fā)射信號的影響，以及其非設(shè)定干擾信號的影響，需要對信號進行屏蔽對消處理[3]；

2)需要采集的雷達有源干擾信號可能來自于多個方向，特別是在平臺相對運動時，需要對干擾接收進行針對調(diào)整，實現(xiàn)干擾方向的動態(tài)對準，并且可以多方向接收；

3)采集雷達有源干擾信號，不可避免地會混合各類其它信號，特別是在進行燒穿距離試驗時，目標信號與干擾信號的功率大，需要進行控制與隔離。

另外，雷達有源干擾信號監(jiān)測具有一些特殊的功能需求：

1)為了適應不同環(huán)境條件、不同頻段的監(jiān)測需求，應具備便攜式、可組合、模塊化、儀器化的能力；

2)信號監(jiān)測需要對到達被干擾雷達天線口面處的干擾信號進行測量和等效計算，對干擾參數(shù)和干擾樣式等進行鑒別。

于是，卡夫卡這樣決絕地在日記中表示：“要不顧一切地、不惜任何代價地來寫作，這是我為生存而進行的戰(zhàn)斗?！盵11]536“我寫作，所以我存在”。“在我身上最容易看得出一種朝著寫作的集中。當我的肌體中清楚地顯示出寫作是本質(zhì)中最有效的方向時，一切都朝它涌去，撇下了獲得性生活、吃、喝、哲學思考，尤其是音樂的快樂的一切能力。我在所有這些方面都萎縮了?！盵11]536

鑒于雷達有源干擾信號監(jiān)測的需求和特點，需要在信號采集、信號選擇、參數(shù)測量、特征提取和特征分析等方面進行方法和技術(shù)的創(chuàng)新。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

針對雷達有源干擾信號監(jiān)測的需求，監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計主要考慮以下三個基本原則：

1)雷達有源干擾監(jiān)測應是一種“基于受體”的有感環(huán)境監(jiān)測，雷達有源干擾信號具有很強的對象匹配性，監(jiān)測布局需要就近伴隨被干擾對象，并結(jié)合被干擾對象的實際感知情況進行分析測量;

2)雷達有源干擾監(jiān)測應是一種“旁立式”的客觀監(jiān)測，以第三方監(jiān)測的方式為雷達干擾環(huán)境構(gòu)設(shè)以及干擾效果評判提供客觀證據(jù);

3)雷達有源干擾監(jiān)測應是一種“合作式”的監(jiān)測，充分利用試驗訓練中的合作信息，基于先驗知識開展精確監(jiān)測，基于實時協(xié)同，開展動態(tài)監(jiān)測。

監(jiān)測系統(tǒng)組成配置原理圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成原理圖

信號接收單元微波前端采用便攜式、組合雙路設(shè)計，如圖2所示。

圖2 信號接收單元的雙路設(shè)計原理圖

圖3 干擾信號采集時序圖

信號處理單元采用前寬后窄方案，干擾通過多級變頻接收轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一中頻，為了滿足寬帶噪聲的采集，采用高中頻方案，干擾信號經(jīng)過可變帶寬高速采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字IQ信號，干擾信號的采集需要接收采集控制信號以及內(nèi)部的觸發(fā)邏輯實現(xiàn)。數(shù)字IQ數(shù)據(jù)一路通過光纖輸出給信號存儲單元，在輸出時，亦采用觸發(fā)方式，只記錄非雷達發(fā)射周期內(nèi)的信號，并且在每次觸發(fā)之間的數(shù)據(jù)幀中添加時間戳，以表明連續(xù)數(shù)據(jù)幀之間的時間關(guān)系，另外一路輸出給信號分析單元。

信號分析單元用于信號的時頻分析，包括脈沖干擾和噪聲干擾判別、噪聲干擾帶寬估計、干擾信號的信道化測量、干擾信號的頻譜分析和干擾特征參數(shù)估計等。

信號存儲模塊用于高速數(shù)字信號的實時存儲，存儲功能有助于對干擾信號進行離線精細分析，從而滿足特定應用環(huán)境下對影響明顯的干擾信號進行深度分析和數(shù)據(jù)回放。

監(jiān)視控制模塊用于資源管理和控制，采用嵌入式遠程控制模式，完成時間統(tǒng)一、信號采集存儲和測量控制等，包括干擾監(jiān)測模式選擇，監(jiān)測參數(shù)配置、顯示窗口設(shè)置和狀態(tài)顯示等，完成接收外部合作信息(時間、位置、狀態(tài)變化)，進行動態(tài)的閉環(huán)控制。

監(jiān)測系統(tǒng)在具體應用時，需要充分利用試驗訓練任務(wù)的先驗信息。即在任務(wù)前，先測量獲得雷達的基本信息和雷達周圍環(huán)境的基礎(chǔ)信息，比如雷達脈沖信號近場電平、脈寬和周期，然后根據(jù)這些先驗信息計算觸發(fā)電平、預觸發(fā)時長度以及采集時長。對干擾功率、目標回波功率進行預先計算，對雷達附近的電磁環(huán)境進行采集分析，剝離自擾、互擾信號對雷達的影響，合理設(shè)置接收門限和頻率范圍；在任務(wù)中，根據(jù)任務(wù)的推進情況，結(jié)合預設(shè)方案優(yōu)化監(jiān)測模式和參數(shù)；任務(wù)結(jié)束后，與雷達記錄的數(shù)據(jù)進行比對篩選。具體應用模式包括實時感知模式和分析回放模式。實時感知模式支撐對抗雙方的效果評判，重點是干擾有無，干擾的頻率、功率，并能夠?qū)Ω蓴_樣式進行初步評判。分析回放模式主要是對雷達干擾環(huán)境構(gòu)設(shè)情況進行整體評估，結(jié)合采集到的其它信息數(shù)據(jù)，進行考核評估，重點是干擾的頻率、功率的精確測量，干擾樣式分析識別，干擾信號品質(zhì)的比對等[4]。

監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)重點是寬帶采集技術(shù)和干擾信號測量分析技術(shù)。為了適應不同頻段雷達有源干擾信號監(jiān)測的需求，需要綜合考慮工作帶寬、瞬時帶寬、采樣頻率和數(shù)據(jù)抽取率等的組合關(guān)系，保證寬帶信號的采集和測量要求，系統(tǒng)采用直接射頻采樣和可變帶寬中頻采樣方法，結(jié)合可編程數(shù)字濾波技術(shù)來實現(xiàn)干擾信號近似無損采集[5]。干擾信號監(jiān)測需要結(jié)合一些先驗知識，如雷達的波形參數(shù)，其次是對各類干擾進行預先分析和測量，分析各類干擾信號在時域、頻域、時頻域、空時域和其它變換域上的特征參數(shù)，建立特征參數(shù)集，提取不同干擾樣式之間的細微特征區(qū)別，并建立模版庫，實現(xiàn)干擾樣式準確識別。

3 監(jiān)測方法驗證

為了驗證監(jiān)測方法的技術(shù)可行性，為樣機研制提供參考，筆者基于現(xiàn)有的條件搭建了驗證環(huán)境，并進行試驗驗證，如圖4所示。

圖4 試驗驗證配置圖

試驗驗證基本原理如下：設(shè)置功率計觸發(fā)輸出電平為A1，雷達脈沖信號進入功率計后，如果雷達脈沖信號S1高于所設(shè)置的觸發(fā)輸出電平A1，則功率計輸出觸發(fā)信號S2，此時信號S2與信號S1具有相同的脈寬和周期，波形比S1滯后t1，高電平為固定值A(chǔ)2。頻譜儀為外部觸發(fā)并設(shè)置觸發(fā)參數(shù)，則頻譜儀內(nèi)部生成觸發(fā)信號S3與信號S1具有相同的脈寬和周期，并且時間同步，設(shè)置頻譜儀為下降沿觸發(fā)，工作長度為雷達脈沖信號的周期與脈寬的差值，則會生成頻譜儀內(nèi)部采集控制信號S4，所頻譜儀采集的信號即為所需信號。頻譜儀可以通過遠程控制在瞬態(tài)模式下進行頻域、時域等測量分析[6]，產(chǎn)生的中頻信號送往高速記錄儀，導入計算機內(nèi)利用其它工作軟件進行時頻分析、精細測量和干擾識別等。

試驗驗證的基本步驟為：

l)雷達正常開機觀測目標，監(jiān)測驗證系統(tǒng)開機，獲取初始化參數(shù)；

2)干擾模擬器產(chǎn)生不同類型的干擾信號，實時對雷達進行干擾；

3)雷達接收干擾信號，進行各種抗干擾操作，監(jiān)測驗證系統(tǒng)接收干擾信號并進行分析；

4)對記錄數(shù)據(jù)進行分析計算。

試驗驗證過程中，干擾模擬器分別產(chǎn)生了窄帶瞄準、寬帶阻塞、掃頻干擾、閃爍噪聲、雜亂脈沖等類型的干擾信號。掃頻干擾測試結(jié)果如圖5所示。通過驗證表明：監(jiān)測方法的技術(shù)路線是可行的，同時需要重點完善干擾信號的采集功能，一是需要建立比較完善的觸發(fā)機制，包括觸發(fā)延時和預觸發(fā)的設(shè)置，以便能夠靈活調(diào)整信號的采集位置。二是需要建立兩級的保護措施，對雷達發(fā)射信號需要事先采集，得出功率-時間變化曲線，然后根據(jù)功率變化情況調(diào)整參數(shù)，得出合適的觸發(fā)電平。干擾信號實時采集時也需要進行保護，通過開關(guān)矩陣進行信號的調(diào)整，確保干擾信號的大動態(tài)接收。

圖5 掃頻干擾測試結(jié)果

4 結(jié)束語

雷達有源干擾信號監(jiān)測對于準確把握雷達裝備實際的干擾環(huán)境，準確評估有源干擾對雷達系統(tǒng)的影響，準確使用各種抗干擾措施具有重要的意義和作用[7]。本文針對雷達抗干擾試驗訓練中有源干擾信號動態(tài)實時監(jiān)測需求，提出了一種“基于受體”的“協(xié)作式”有感環(huán)境監(jiān)測方法，設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)方案，搭建了驗證系統(tǒng)，測試驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，并提出了監(jiān)測方法改進建議，可為后續(xù)的工程實踐提供方案依據(jù)。