雷達角度欺騙干擾的System Generator模型設計與實現*

吳若無，許 雄，秦洋瑞，邰 寧，韓 慧，陳 翔

（1.電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南洛陽 471003；2.電子信息攻防對抗與仿真技術教育部重點實驗室，陜西西安 710071）

0 引言

復雜電磁環境模擬以電磁環境要素模擬為前提，針對不斷發展變化的電磁環境，有目的地去不斷完備優化電磁環境構建要素，是一項長期的工作。近年來，隨著單脈沖測角技術在雷達跟蹤方面的不斷應用，如何對采用單脈沖測角體制的雷達系統進行有效的角度欺騙干擾成為了研究的熱點。兩點源相干角度欺騙干擾對于大部分角度跟蹤體制雷達的干擾具有普遍的適用性，它能使單脈沖雷達的瞄準軸偏出兩干擾源連線之外進而使得雷達產生很大的測角偏差。但目前國內對于兩點源相干角度欺騙干擾多處于理論研究和仿真驗證階段，對其硬件部署實現的研究工作少有報道。模型的開發及硬件部署調試驗證是角度欺騙干擾工程化實現的關鍵環節，基于System Generator的系統級建模思想來進行模型的開發和驗證，是未來信號處理算法開發驗證的一個重要發展趨勢，系統級建模能有效減少模型的開發及調試時間，同時模型良好的可移植性也可以支撐硬件升級后的模型重部署以及大規模模擬系統中模型的綜合。

本文以完善半實物條件下復雜電磁環境模擬要素為基本出發點，同時兼顧模型開發的便捷性和可移植性，分析了影響兩點源相干角度欺騙干擾效果的主要因素，研究了兩點源相干角度欺騙干擾的System Generator模型開發方法，設計建立了兩點源相干角度欺騙干擾的System Generator模型，并基于開放式可重構的信號模擬平臺，開展了模型的硬件部署及調試驗證工作。

1 干擾效果主要影響參數

兩點源相干角度欺騙干擾利用單脈沖雷達角度分辨單元內2個或2個以上的干擾機協同進行干擾，雷達接收到的干擾源信號之間是相干的，即信號之間有著明確的相位關系。兩點源相干角度欺騙干擾示意圖如圖1所示。

圖1 兩點源相干角度欺騙干擾示意圖

在不考慮目標信號的情況下，設2個干擾信號J1、J2的相位差為φ，2個干擾信號的幅度分別為E1和E2。單脈沖測角雷達對接收到的和差信號兩路信號進行混頻、中頻放大、相位檢波和濾波處理后，將天線方向圖展開冪級數取一階近似后，代入近似的天線方向圖函數，可以得出一定范圍內近似的單脈沖雷達天線指向偏離角度為：

式中，b2=E21/E22，為2干擾信號的功率比。在2相干干擾源和干擾對象位置關系相對固定的情況下，2個干擾信號功率比和相位差是影響單脈沖雷達測角偏差的主要因素，理論上當功率比趨近于1、相位差為180°時，測角偏差趨于無窮大。但實際情況是由于隨機誤差、通道的不一致性、相位波程差等因素，兩點源相干干擾很難做到理論上無窮大的測角偏差，而且當相位差相對180°偏離一個很小的角度時，兩點源相干干擾引起角度測量偏差就會迅速減小，幅度比越接近，這種減小趨勢越快，因此對于角度欺騙干擾模型工程實現來說，一個關鍵環節是如何更加精確地控制相干干擾信號到達干擾對象天線口面處的波前相位差和功率比。

2 System Generator模型建模

2.1 角度欺騙干擾的System Generator模型建模

結合上文分析梳理的兩點源相干角度欺騙干擾的主要影響因素，開展了角度欺騙干擾的System Generator模型的建模工作。角度欺騙干擾模塊主要的功能是對接收下變頻后的2路干擾信號作移相處理，用于生成相位差為180°的2路相干信號，角度欺騙模塊的功能框圖如圖2所示。在接收到下變頻后雷達信號時，利用2個FIFO實現2路的存儲，之后可以選取任意一路信號與DDS產生的移相信號相乘，之后經過延時模塊，完成對干擾信號的距離調制和相位微調，再經過幅度和速度調制后，生成所需的角度欺騙干擾信號，最后經上變頻器后生成射頻干擾信號。基于上述功能需求，建模形成主要的角度欺騙干擾System Generator模型如圖3所示。

圖2 角度欺騙模塊功能框圖

圖3 角度欺騙模塊System Generator模型圖

2.2 仿真實驗

為驗證搭建的角度欺騙模塊System Generator模型，開展了模型的仿真實驗，以驗證模型的主要功能。仿真參數設置為：雷達信號中頻為50 MHz，信號帶寬為5 MHz，系統時鐘為50 MHz，脈寬為5μs，脈沖重復周期為50μs，通過角度欺騙模塊生成的2路相位相差180°的仿真波形如圖4所示。以第二路信號從上到下依次是第一路信號的實部、虛部和第二路信號的實部、虛部。

圖4 相位相差180°的角度欺騙仿真信號

3 FPGA板級驗證

3.1 硬件平臺

產生2路相干角度欺騙干擾信號的信號生成設備的基本硬件組成框圖如圖5所示。其中2個DRFM模塊中的ADC子模塊分別用于實現雷達信號數字化。將利用System Generator搭建的角度欺騙模塊編譯成bit文件，加載到信號處理模塊1的FPGA芯片中，用于完成數字正交解調、信號下變頻、角度欺騙干擾信號的生成（移相、距離幅度速度調制），再進行2路干擾信號進行上變頻，最后通過DRFM模塊的DAC子模塊發送出去。信號處理模塊2對應的DAC接口，可用于生成角度欺騙干擾所需的轉發雷達信號。

圖5 信號生成設備基本組成框圖

3.2 FPGA板級驗證實驗

在完成角度欺騙干擾System Generator模型硬件部署工作后，為驗證模型功能的有效性，分別開展了模型相位調制能力和速度調制能力的驗證實驗。

在相位調制能力驗證實驗中，將雷達線性調頻信號頻率設定為350 MHz，調頻帶寬設為5 MHz，脈沖重復周期為500μs，脈寬30μs，利用圖5所示的信號生成設備，利用設備的D/A模塊輸出雷達線性調頻信號，并使用2個DRFM模塊對雷達信號進行采集、調制、轉發，形成2路相干角度欺騙干擾信號。在開展的FPGA板級別驗證實驗中，設置不同相位參數開展了多組實驗，驗證角度欺騙干擾信號相位調制的能力和精度。其部分試驗結果如圖6所示，分別設置2路相干干擾信號相位相差0°、90°、180°，利用Lissajous圖形法，對其相位差進行測量。從測量結果來看，圖6(a)、(b)、(c)中最上面的圖形，能較好地滿足相位相差0°（45°直線）、90°（正圓）、180°（135°直線）的圖形形狀。同時利用示波器，抓取任意一個周期的2路干擾信號測量其相位差，其結果如圖6(c)、(d)所示，相位差分別為?179.82°、?181.75°，幅度比分別為0.98、0.97。多組驗證實驗測試結果表明，輸出2路干擾信號的相位差和幅度比能控制在較小偏差內。

圖6 相位調制測試圖

其后又對2路相干角度欺騙干擾信號的速度調制能力進行了驗證，設定干擾信號在一定距離上以100 m/s的速度向目標靠近，觀測記錄不同時間點距離的變化情況，部分測試結果如圖7所示。圖7中最上面波形為參考信號，用于判斷調制速度后干擾信號的距離變化情況，左右2幅圖為2路干擾信號（中間和最下面的波形）向目標移動的位置對比情況，從實際的測試結果來看，2路兩路相干干擾信號能依照設定的速度進行距離上的移動。

圖7 速度調制測試圖

4 結束語

本文針對復雜電磁環境中雷達角度欺騙干擾環境構建需求，基于模型的快速開發及部署驗證，分析了影響兩點源相干角度欺騙干擾效果的主要因素。利用圖形化的編程工具System Generator，以及已有的可重構信號生成硬件平臺，搭建了角度欺騙干擾的System Generator模型，開展了模型的仿真及FPGA板級驗證實驗，測試結果表明，模型可實現對角度欺騙干擾信號相位、速度的調制，且能較為精確地控制2路干擾信號的功率比和相位差。同時通過該模型的開發部署及驗證工作，進一步理清了可重構平臺模型系統級、模塊化開發的思路，驗證了System Generator角度欺騙干擾模型硬件部署的可行性，有一定的技術參考價值，可為開展各類干擾環境的模擬工作提供方法支撐，同時還可為角度欺騙干擾的工程化實現起到一定借鑒作用。■