多類型測向接收機高精度驗證系統研究

廖明亮

(1.中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036；2.四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心，四川 成都 610036)

0 引 言

在復雜電磁環境中對威脅目標進行精確測向定位對取得對抗優勢尤為重要，目前主要依靠高精度雷達和測向接收機2種方式。雷達由于采用主動探測方式，發射的雷達信號接觸到目標后再反射回雷達進行信號處理，信號需在空間中傳播雙程距離，損耗大，探測距離受限；而測向接收機采用被動偵收方式，只需接收雷達等目標發射出來的單程信號，具有探測距離更遠的優勢，而且還能對偵收到的信號進行分選識別，因此得到廣泛應用。接收機通常采用干涉儀測向、比幅測向、數字波束形成(DBF)測向、時差測向定位等體制。本文針對各類接收機設計了一種高精度大動態驗證系統，基于動態對抗場景規劃想定，按照場景中敵我雙方相對位置關系、目標信號參數、天線掃描特性等動態推演解算，驅動多臺通用儀器生成多路幅相相參的射頻信號，直接注入被測接收機，接收機解算多路帶幅相關系的信號后完成測向，再將測向結果與場景中的實際位置關系進行比較，從而評估接收機的測向性能。該系統硬件部分采用通用儀器，具有高精度、大動態、高可靠性、可靈活重構等諸多優點，非常方便各類接收機的測試驗證。

1 接收機測向工作原理及總體驗證方案

由于干涉儀體制在接收機中應用最為廣泛，本文重點以該類接收機為例，介紹其工作原理，并提出測試驗證總體方案。該方案同時適用于比幅測向、DBF測向、時差測向定位等體制。干涉儀測角公式在眾多文獻中都有描述，應用非常成熟，這里不再贅述。

接收機的測向工作原理如圖1所示。為方便示意，圖1將對抗場景中的目標數量進行了最大程度的簡化。對方只有一個目標，我方只有一個接收機，第三方只有一個通信或導航背景信號。在動態對抗場景的某一個具體時刻，三方面的相對位置確定，對方目標輻射出的信號照射到多通道干涉儀天線時，由于信號到達各通道天線的距離不同，會帶來相位差異，干涉儀接收機正是通過解算多通道間的相位差完成測向工作。

圖1 接收機測向工作原理

為了在實驗室內靈活開展基于動態對抗場景的接收機測向定位性能測試，本文提出圖2所示總體驗證方案。首先通過場景控制軟件規劃動態對抗場景，隨后可啟動場景控制軟件按節拍推演解算，計算出每個時刻各目標輻射信號到達我方接收機各接收通道的信號參數及幅度相位關系等(幅度表征相對距離及天線掃描等特性，相位特征表征入射角關系，多普勒頻移表征相對速度關系等)，然后將各參數下發到多路相參射頻信號模擬系統，驅動硬件按場景生成幅度、相位、多普勒頻移受控的多路相參信號，射頻注入被測接收機的多通道接收單元，使每個單元感受到的幅相關系與接收機帶天線實際工作時一致，接收機解算多通道信號之間的幅度相位差從而完成測向、定位等偵收功能的驗證。本方案支持在場景控制軟件中導入被測裝備外場輻射工作時的天線方向圖數據，提高在實驗室開展注入式驗證的逼真性。本方案場景控制軟件支持針對多個被測設備進行場景結算，并驅動多路相參信號模擬系統生成相參射頻信號后同時注入多個被測設備，開展多接收機交叉定位等功能性能測試。

圖2 接收機測向驗證總體方案

2 接收機測試系統詳細方案

本文采用專用場景控制軟件和通用儀器搭建多路相參信號模擬系統，實現基于動態對抗場景仿真推演的多路相參射頻信號生成。系統配備矢網、示波器用于各信號源通道間幅相、時差校準，也可配置開關陣用于各通道輸出信號的自動校準。系統組成及原理示意如圖3所示。

圖3 接收機測試系統組成及原理示意

2.1 場景控制軟件

場景控制軟件安裝在控制計算機上，在場景規劃時可對各方運動平臺進行航跡設置，對各平臺上的輻射源進行信號參數、天線掃描參數等參數設置，對被測設備接收天線基線及位置參數等進行設置，能夠按照場景推演實現相關參數的解算下發，控制各儀器生成多路相參射頻信號，能讀取被測設備上報數據并與場景數據對比后進行結果評估。能夠實時顯示和存儲當前系統的工作狀態、工作參數，提供系統狀態保存、系統狀態調用，能夠按照校準算法實現系統各射頻通道幅/相/時差校準，并會調用校準數據修正控制參數后下發給各信號源，是系統的控制核心。主要功能如下：

(1) 場景控制軟件支持目標軌跡和航跡模擬(如圖4所示)，可以提供目標軌跡和航跡的輸入和導入，能設置速度、加速度以及運動姿態等參數，能設置在航跡的具體位置點或時間點切換該運動平臺上輻射源的工作狀態或參數。

圖4 對抗場景中各運動平臺航跡設置

(2) 場景控制軟件支持設置各類信號參數(如圖5所示)，包含工作頻率、功率、重頻、脈寬、各種脈內調制格式(線性和非線性調頻脈沖信號、調頻(FM)步進、調幅(AM)步進、二進制相移鍵控(BPSK)、正交相移鍵控(QPSK)等)、脈沖數量、天線方向圖和安裝位置等，支持創建、存儲和調用復雜脈沖波形。

圖5 信號參數設置

2.2 多路相參信號模擬系統(基于通用儀器)

通用儀器采用RS公司SMW200A寬帶矢量信號源，通過共本振信號、基帶時鐘和觸發信號實現多臺信號源相參，4個通道以內應用時各同步信號采用圖3所示菊花鏈直聯，第1臺矢量信號源將自身的基帶時鐘、觸發信號、本振信號依次傳遞給其它3個通道，即可實現4路輸出信號相參。通道數量增多時，為保證信號質量，需將本振等同步信號放大后再功分到其他寬帶矢量信號源。

SMW200A寬帶矢量信號源內部工作原理如圖6所示。場景控制軟件將解算出來的脈沖描述字(PDW)串通過網口傳輸到各臺信號源內部緩存區，該步驟可離線下載一整段仿真場景的PDW串，也可將場景實時解算的PDW數據不停傳輸到信號源內緩存，信號源內部引擎讀取緩存數據生成基帶波形并完成幅度、相位、頻移調制，最后經數模變換及模擬鏈路后輸出射頻信號。通過場景控制軟件同步觸發命令及系統觸發控制機制可以實現多臺信號源的同步及相參信號輸出功能。

圖6 SMW200信號源工作原理

2.3 多路相參信號校準

其主要由矢量網絡分析儀、示波器組成，也可配置開關陣實現自動校準。校準過程為：場景控制軟件設置各通道按所需校準的頻率范圍和步進，產生相位和幅度相同的連續波信號，并觸發同步輸出。輸出的多路信號經電纜先后連接到矢量網絡分析儀(儀器設為接收機模式)，通過控制軟件讀取儀器數據后測量出每個通道之間的幅度差、相位差，然后用示波器測出通道間的延時關系，這些差值就是系統的固有誤差。場景控制軟件在校準結束后會保存各個頻點對應的系統誤差，并在將場景解算結果向各通道儀器下發控制參數時結合校準數據進行修正，實現多通道相參射頻信號之間幅/相/時差的精確控制。

3 測試系統關鍵指標實現情況

3.1 可模擬的目標數量、脈沖密度及信號動態

本系統在帶寬2 GHz以內可以快速改變相鄰2個脈沖的頻率、幅度等特性，以模擬具有多個目標的復雜對抗場景，此時矢量信號源內部的本振頻率沒有變化，頻率和幅度的變化全部由PDW進行調節。圖7為帶內頻率和幅度捷變的測試結果，使用寬帶信號分析儀進行測試，其頻率和幅度同時捷變的時間為95.9 ns左右，理論上可以模擬的最大脈沖密度大于1×10個/s，最大雷達目標數量達到100個以上。該場景適合對方目標的工作頻率相差不超過2 GHz的情況，便于接收機在實驗室內快速開展對多個運動或靜止目標的測向定位、信號識別等功能性能的高效驗證。

圖7 2 GHz帶寬內頻率幅度同時捷變時間測試

如果對抗場景中不同目標之間的工作頻率相差超過了2 GHz，則信號源在交錯模擬不同目標的脈沖信號時，因頻率捷變需改變信號源內部的本振頻率，此時捷變時間約為400 μs，如圖8所示。這會大幅降低脈沖密度和可模擬的目標個數，但通常接收機更關心重頻、脈寬、脈內調制等信號參數，不同工作頻率只是載頻不同，可將載頻改到2 GHz帶寬內或采用分頻段驗證方式。如果要全頻段多目標同時驗證，則需增加測試儀器規模，用不同信號源模擬不同頻段的目標，或者采用頻率捷變速度更快更先進的儀器。

圖8 2 GHz帶寬外頻率幅度同時捷變時間測試

圖9為本系統幅度動態范圍，對脈寬及捷變時間進行了加長，以清晰展示脈沖功率依次階梯變化。可以看到，幅度動態約80 dB，可充分模擬不同目標與接收機之間由于輸出功率、天線掃描、距離遠近、入射角度等不同帶來的功率變化，可適應更多的對抗試驗場景。

圖9 功率動態范圍測試

3.2 多通道間幅度相位一致性

本文驗證了四通道相參使用時的幅相一致性，如圖10和圖11所示。系統經校準后幅相精度較高，在18 GHz時四通道間的幅相一致性優于±1 dB和±1°。考慮溫度、線纜和測試誤差，結合以往經驗，預計32通道間的相位一致性可控制在±5°以內。因此，本測試方案可勝任各類高精度測試場景，充分滿足不同體制的測向定位算法驗證。

圖10 多通道幅度一致性測試

圖11 多通道相位一致性測試

4 結束語

本文針對干涉儀、DBF、比幅測向等各類型接收機設計了一種高精度大動態驗證系統。該系統可在實驗室內基于想定的動態對抗場景進行推演、解算，隨后驅動多臺寬帶信號源按需生成多路相參射頻信號，直接注入多通道接收機，接收機通過解算通道間的幅/相/時差關系進行測向定位，最后再與場景中設置的真實值進行對比，評估測向性能。該測試系統在2 GHz帶寬內可實現頻率和幅度等參數逐脈沖高速捷變，捷變速度低于100 ns，可模擬每秒上萬個脈沖和上百個目標的復雜場景。該系統基于專用場景控制軟件和通用儀器組建，可靈活重構及擴展，可模擬各種復雜目標信號及掃描特性，各射頻通道間的幅相一致性經校準后，可達到±1 dB和±1°(通道數量低于32時可控制在±5°)，動態可達到80 dB以上，能滿足各類接收機高精度大動態的測試需求。