侯利軍

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備設(shè)計

侯利軍

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

論述了彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的天線設(shè)計、接收機(jī)設(shè)計和信號處理硬件設(shè)計,并從實(shí)際需求出發(fā),重點(diǎn)討論了信號處理算法中的信號檢測技術(shù)、瞬時測頻技術(shù)、雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制識別技術(shù)和干擾信號產(chǎn)生技術(shù)。仿真結(jié)果表明所采用的信號處理算法可行,對于彈載平臺雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

彈載平臺;雷達(dá)信號偵察;能量檢測;瞬時測頻;零中頻接收機(jī)

1 引 言

現(xiàn)代高技術(shù)條件下的戰(zhàn)爭中,爭取控制電磁權(quán)是取得勝利的前提之一,作為電子戰(zhàn)技術(shù)中的一個分支,彈載電子攻防技術(shù)與火力打擊武器系統(tǒng)緊密結(jié)合,圍繞探測與反探測、識別與反識別、攔截與反攔截等方面展開。比如,導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的4個要素“及時發(fā)現(xiàn)、正確識別、精確跟蹤和有效攔截”,通過電子干擾手段破壞其要素環(huán)節(jié),提高導(dǎo)彈的突防生存能力,使導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)效能得到最大程度的發(fā)揮[1]。彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備裝載在導(dǎo)彈上,伴隨彈頭飛行,能夠?qū)忱走_(dá)實(shí)施近距離偵察、干擾,在要求功率較小的情況下,起到良好的干擾效果。

彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備可用于導(dǎo)彈突防、對敵防空電子壓制、艦船自衛(wèi)電子防護(hù)等,裝載多種平臺,如導(dǎo)彈、巡航彈、拋射式子彈、拖曳式子彈等。目前,國內(nèi)外正在大力發(fā)展彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備,如美國的Gen-X,通過海軍戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射,離危險區(qū)一定距離之外,開機(jī)搜索雷達(dá)信號,并發(fā)射干擾信號干擾各種雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈;英國的“海妖”,采用傘掛形式,在空中懸停過程中,發(fā)射復(fù)雜的干擾波形,對敵方末制導(dǎo)雷達(dá)實(shí)施干擾。

2 天線設(shè)計

彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的天線設(shè)計方法可以參考和借鑒其他彈載電子設(shè)備天線的設(shè)計思路。與彈載雷達(dá)設(shè)備等彈載電子設(shè)備面臨的問題一樣,彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備天線需要解決以下幾個問題。

(1)有限的空間。由于彈載平臺的空間比較狹小,要求天線在滿足性能指標(biāo)要求的前提下,物理尺寸盡量小,以滿足裝彈要求。

(2)嚴(yán)酷的工作條件。彈載電子設(shè)備的工作環(huán)境比較惡劣,需要適應(yīng)振動、沖擊、大過載、低氣壓及濕熱等環(huán)境條件。

常見的彈載電子設(shè)備天線形式有:喇叭饋電反射面天線、喇叭透鏡錐掃天線、卡塞格倫天線、波導(dǎo)隙縫陣、切角波導(dǎo)天線、陣子天線、介質(zhì)天線、環(huán)天線和微帶天線等[2]。對于彈載偵察干擾設(shè)備,要求天線是寬波束、寬頻帶、中低增益的,天線形式可以考慮共型貼片陣列天線、隙縫陣列天線、喇叭天線或者螺旋天線,天線是固定的,無需伺服系統(tǒng),減少整機(jī)復(fù)雜性,以適應(yīng)彈徑小、穩(wěn)定性較差的彈載平臺[3]。

3 接收機(jī)設(shè)計

彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備針對的目標(biāo)信號是各種體制的雷達(dá)信號,如防空警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)、導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)等。隨著雷達(dá)設(shè)計技術(shù)發(fā)展,現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)一般采取了多種抗干擾和抗截獲的技術(shù),如線性調(diào)頻波形、調(diào)相波形、頻率捷變、超寬帶波形等技術(shù)手段。這些技術(shù)手段的使用,造成雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的信號一般是寬帶信號,雷達(dá)的工作帶寬可以達(dá)到1 GHz乃至2～3 GHz,瞬時帶寬一般在幾十兆赫到上百兆赫。因此,彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的工作帶寬和處理帶寬必須盡量寬,才能滿足實(shí)際的偵察干擾需求。

彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備接收機(jī)的技術(shù)體制必須審慎選擇,采用傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)體制無法滿足彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的要求。一方面是,超外差接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,需要兩級變頻,體積和功耗都相對較大;另一方面,超外差接收機(jī)的成本較高,由于彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備一般是一次性使用,對成本比較敏感,不是非常合適。

針對雷達(dá)信號偵收的特點(diǎn),相對于通信信號偵收,對信號信噪比等指標(biāo)要求較低,彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備接收機(jī)可以采用零中頻接收機(jī)體制[4]。低噪聲放大器輸出的射頻信號直接進(jìn)入混頻器,一次變頻變換到基帶,經(jīng)低通濾波器以及可變增益放大器后送入ADC采樣。

4 信號處理硬件設(shè)計

彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備中的信號處理硬件設(shè)計非常關(guān)鍵,關(guān)系到彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備可采用的信號處理算法及算法實(shí)現(xiàn),進(jìn)而對設(shè)備整體性能具有較大影響。鑒于目前數(shù)字處理器件的水平和發(fā)展趨勢,結(jié)合設(shè)備需求,彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備信號處理部分的硬件設(shè)計采用FPGA+DSP+MCU的設(shè)計架構(gòu),模數(shù)變換器采用高速、高精度的ADC,數(shù)模變換采用高速、高精度的DAC。信號處理硬件的原理框圖如圖1所示。

圖1 信號處理硬件框圖Fig.1 Block diagram of signal processing hardware

彈載電子設(shè)備的設(shè)計原則不同于機(jī)載電子設(shè)備和地面電子設(shè)備。由于彈載條件下的設(shè)計約束更多、更苛刻(如體積、功耗、成本、可靠性及性能等方面),所以更強(qiáng)調(diào)設(shè)計方案的整體最優(yōu),而非局部最優(yōu)或者性能最強(qiáng),盡量采用比較成熟且經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證過的技術(shù)方案,增加設(shè)計復(fù)用程度,降低設(shè)計風(fēng)險,降低系統(tǒng)整體成本。具體到彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備,在大規(guī)模集成電路芯片的選擇上,主要從芯片供應(yīng)、設(shè)計支持(如開發(fā)環(huán)境)和以往應(yīng)用情況等幾個方面考慮。

5 信號處理算法

彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的主要功能是完成雷達(dá)信號發(fā)現(xiàn)、分析及產(chǎn)生針對性的干擾信號,因此,在彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的信號處理部分中,所采用的信號處理算法主要包括信號檢測技術(shù)、數(shù)字瞬時測頻技術(shù)、脈內(nèi)調(diào)制識別技術(shù)和干擾信號生成技術(shù)。

受限于彈載平臺的使用環(huán)境及條件,比如體積較小、功耗需要嚴(yán)格控制等,彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備可以采用的信號處理算法在保證滿足相關(guān)檢測與分析要求的前提下,算法復(fù)雜度一般要盡量小,或者說必須盡量優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn),以降低復(fù)雜度。下面著重從信號檢測、數(shù)字瞬時測頻、脈內(nèi)調(diào)制識別和干擾信號生成幾個方面進(jìn)行討論。

5.1 信號檢測技術(shù)

能否檢測到信號存在是實(shí)現(xiàn)信號參數(shù)測量與處理的先決條件,也是最基本的要求。雷達(dá)信號的檢測方法一般采用非相關(guān)檢測,無需任何先驗(yàn)信息,如載頻頻率、調(diào)制方式等。彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備受限于彈載環(huán)境的特殊性,對體積、功耗、可靠性等方面的要求比較高;另一方面,彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的使用環(huán)境一般是抵近偵察和抵近干擾,接收到的信號信噪比相對比較高。因此,采用計算量巨大、算法復(fù)雜的信號檢測算法不是非常合適,傳統(tǒng)的能量檢測算法比較適用。能量檢測的原理框圖如圖2所示[5-6]。

圖2 能量檢測器原理框圖Fig.2 Block diagram of energy detection

設(shè)定仿真條件如下:采樣速率1 GHz,信號頻率121 MHz,脈沖寬度2 μ s,信噪比分別為0 dB和-5 dB時,加噪脈沖1的信噪比為0 dB,加噪脈沖2的信噪比為-5 dB,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 能量檢測仿真結(jié)果Fig.3 The simulation results of energy detection

圖3中,(a)、(c)、(e)為加噪脈沖1(0 dB信噪比)的仿真結(jié)果,(b)、(d)、(f)加噪脈沖 2(-5 dB信噪比)的仿真結(jié)果。從圖3的仿真結(jié)果可以看出,在比較低的信噪比下,能量檢測算法可以很好地檢測出雷達(dá)脈沖的存在,并可以對脈沖寬度進(jìn)行粗估計。

5.2 瞬時測頻技術(shù)

在傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)中,一般采用瞬時測頻接收機(jī)完成瞬時測頻的任務(wù)。常用的瞬時測頻接收機(jī)采用單比特瞬時測頻接收機(jī)體制。單比特瞬時測頻接收機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算量少、覆蓋帶寬大等優(yōu)點(diǎn),但是帶來了動態(tài)范圍小、無多信號檢測能力、較低的檢測靈敏度等缺點(diǎn)。隨著高速ADC器件的發(fā)展和數(shù)字處理芯片處理能力的提高,可以把寬帶瞬時測頻集成到信號處理模塊中,利用高速ADC,采用高精度數(shù)字測頻算法,實(shí)現(xiàn)寬帶瞬時測頻。

數(shù)字瞬時測頻有多種實(shí)現(xiàn)方法,綜合考慮測頻精度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,數(shù)字鑒相測頻是一種比較合適的選擇[7]。其測頻原理如下:

考慮兩個以T為時間間隔被采樣的信號序列:

式中,Ui和Vi代表兩個采樣序列。

定義瞬時鑒相因子

當(dāng)公式(1)中的兩個信號實(shí)際上是同一個信號,只是采樣后的序號有一個錯位,即

公式(4)表明,鑒相因子與 ω T之間存在函數(shù)關(guān)系,取兩個不同的j相除可以消除比例因素的影響。

實(shí)現(xiàn)可以采用如框圖4所示的方法。

圖4 瞬時測頻算法實(shí)現(xiàn)框圖Fig.4 Block diagram of IFM implementation

5.3 雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制識別技術(shù)

雷達(dá)為了實(shí)現(xiàn)高分辨率、成像、低截獲等技術(shù)要求,選擇發(fā)射比較復(fù)雜的調(diào)制波形,如LFM、步進(jìn)頻、相位編碼等。雷達(dá)偵察干擾設(shè)備需要對雷達(dá)信號的調(diào)制方式進(jìn)行識別,以便引導(dǎo)干擾,實(shí)現(xiàn)針對性更強(qiáng)、效果更有效的電子干擾。具體到彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備,其偵察目的主要是為實(shí)施電子干擾服務(wù)的,因此,其偵察的首要任務(wù)是識別雷達(dá)的工作體制,確定是脈沖壓縮體制還是常規(guī)脈沖,如果是脈沖壓縮體制,需要給出雷達(dá)信號帶寬的粗略值,以估算出目標(biāo)雷達(dá)的距離分辨率。

借鑒雷達(dá)信號處理的方法,利用接收到雷達(dá)脈沖進(jìn)行延時自相關(guān)處理,實(shí)現(xiàn)等效的匹配接收,計算匹配接收輸出的脈沖寬度,即為目標(biāo)雷達(dá)距離分辨率的近似值。實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖5所示。

圖5 兩次回波數(shù)據(jù)相關(guān)算法原理圖Fig.5 Block diagram of signal correlation delayed one PRI

設(shè)定仿真條件如下:采樣速率1 GHz,信號頻率121 MHz,脈沖寬度2 μ s,信噪比為0 dB,雷達(dá)信號分別為常規(guī)雷達(dá)信號、LFM信號和BPSK調(diào)相信號,其中LFM和BPSK調(diào)相信號的調(diào)制帶寬為10 MHz,Matlab仿真結(jié)果如圖6所示。

5.4 干擾信號產(chǎn)生技術(shù)

干擾信號產(chǎn)生是在雷達(dá)信號偵收存儲、參數(shù)測量、分選識別的基礎(chǔ)上,利用存儲到的雷達(dá)回波,根據(jù)雷達(dá)信號參數(shù),生成針對性很強(qiáng)的干擾信號,以期望達(dá)到有效的干擾效果?；贒RFM的干擾信號產(chǎn)生如圖7所示。

圖7 干擾信號產(chǎn)生原理框圖Fig.7 Block diagram of jamming signal generation

RAM存儲陣列完成雷達(dá)回波信號的存儲,由一組雙口RAM組成,在寫控制信號的控制下,負(fù)責(zé)將一個完整的雷達(dá)脈沖存入RAM陣列中;同步產(chǎn)生子模塊根據(jù)信號檢測算法給出的雷達(dá)脈沖前沿,生成讀脈沖信號和調(diào)制控制信號;在調(diào)制控制子模塊的作用下,調(diào)制子模塊讀取存儲于ROM中調(diào)制參數(shù),對讀脈沖控制下輸出的雷達(dá)脈沖進(jìn)行調(diào)制,在頻域上施加干擾信息;最后目標(biāo)合成子模塊生成一系列時間間隔大致相等的雷達(dá)脈沖,輸出干擾信號。

6 結(jié)束語

目前,針對彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的研究較少,特別是設(shè)備總體設(shè)計方面。本文從彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的總體設(shè)計出發(fā),結(jié)合彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的實(shí)際需求,依次對天線設(shè)計、接收機(jī)設(shè)計和信號處理硬件設(shè)計進(jìn)行了論述,闡述了適合的技術(shù)體制;針對涉及的信號處理算法,著重從信號檢測技術(shù)、瞬時測頻技術(shù)、雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制識別技術(shù)和干擾信號產(chǎn)生4個方面進(jìn)行了詳細(xì)論述,在算法選擇上注重算法的實(shí)用性;給出了必要的算法仿真結(jié)果,表明算法可行,可以滿足彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的實(shí)際要求。本文論述的設(shè)計方法及相關(guān)信號處理算法已成功應(yīng)用于某型彈載雷達(dá)偵察干擾設(shè)備中,經(jīng)過雷達(dá)對抗實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,性能良好,達(dá)到了預(yù)期的效果,對于彈載平臺雷達(dá)偵察干擾設(shè)備的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

[1]陸偉寧.彈道導(dǎo)彈攻防對抗技術(shù)[M].北京:中國宇航出版社,2007.

LU Wei-ning.The Countermeasure Technology of Ballistic Missile Attack and Defence[M].Beijing:China Astronautics Publishing House,2007.(in Chinese)

[2]姚廣鋒.一種新型彈載引信天線的分析與設(shè)計[J].地面防空武器,2007(1):8-11.

YAO Guang-feng.Analysis and Design of a New Type Missile-borne Fuze Antenna[J].Land-Based Air Defence Weapons,2007(1):8-11.(in Chinese)

[3]鄒涌泉,甘體國,李燦.Ka頻段TDRSS彈載終端技術(shù)[J].電訊技術(shù),2004,44(3):14-17.

ZOU Yong-quan,GAN Ti-guo,LI Can.The Technology of Missile-borne TDRSSTerminal Device in Ka Band[J].Telecommunication Engineering,2004,44(3):14-17.(in Chinese)

[4]馮立松.UWB系統(tǒng)零中頻超寬帶接收機(jī)設(shè)計[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

FENG Li-song.Design of Zero-if Ultra Wideband Receiver for UWB System[D].Hefei:University of Science and Technology of China,2010.(in Chinese)

[5]Urkowitz H.Energy detection of unknown deterministic signals[J].Proceedings of the IEEE,1967,55(4):523-531.

[6]胡富平.基于能量檢測的認(rèn)知無線電協(xié)作頻譜檢測研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2010.

HU Fu-ping.Study onCooPerative SPectrum Sensing Based on Energy Detection for Cognitive Radio[D].Wuhan:Huazhong U-niversity of Science and Technology,2010.(in Chinese)

[7]胡來招.瞬時測頻[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

HU Lai-zhao.Instantaneous Frequency Measurement[M].Beijing:National Defense Industry Press,2002.(in Chinese)

HOU Li-jun was born in Luoyang,Henan Province,in 1979.He received the M.S.degree from Huazhong University of Science and Technology in 2004.He is now an engineer.His research concerns radar countermeasure technology.

Email:lijun-hou-ly@163.com

Implementation of Missile-borne Radar Signal Reconnaissance and Jamming Device

HOU Li-jun
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The design of antenna and receiver of missile-borne radar signal reconnaissance and jamming device is given,the implementation of signal processing hardware is proposed.In the algorithms of reconnaissance and jamming,signal detection,IFM(Instantaneous Frequency Measurement),modulation type recognition and jamming signal generation are emphatically discussed.Simulation results prove the feasibility of those adapted methods.The work in this paper provides reference for design of missile-borne signal reconnainssance and jamming devices.

missile-borne platform;radar signal reconnaissance;energy detection;IFM;direct-conversion receiver

TN974

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.006

1001-893X(2012)06-0864-05

2012-02-28;

2012-05-15

侯利軍(1979—),男,河南洛陽人,2004年于華中科技大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)對抗技術(shù)。