（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

雷達(dá)偵察是完成軍事情報(bào)偵察的重要手段，雷達(dá)偵察獲取的技術(shù)數(shù)據(jù)是進(jìn)一步采取對抗措施的前提［1］。隨著信息技術(shù)水平的提高，模擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代雷達(dá)偵察設(shè)備的研制中的應(yīng)用越來越廣泛。通過仿真可模擬雷達(dá)偵察設(shè)備外場雷達(dá)信號環(huán)境，具有可復(fù)現(xiàn)、方便靈活、費(fèi)效比高等特點(diǎn)。小型輻射式雷達(dá)信號模擬器不但可以對偵察機(jī)信號處理機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)功能指標(biāo)的調(diào)試和驗(yàn)證。

2 仿真理論

雷達(dá)偵察設(shè)備可以從接收到的雷達(dá)信號提取出方位、頻率、到達(dá)時(shí)間、脈寬、幅度這些信息。從信號模擬的角度來說雷達(dá)信號模擬器就是要模擬出雷達(dá)信號的這些特征。其中方位信息由模擬器架設(shè)位置決定，頻率、到達(dá)時(shí)間、脈寬、幅度可由以下模型模擬。

2．1 到達(dá)時(shí)間模型

雷達(dá)信號到達(dá)時(shí)間是指雷達(dá)偵察設(shè)備接收到雷達(dá)脈沖信號的時(shí)間［2］，當(dāng)前雷達(dá)到達(dá)時(shí)間由前一雷達(dá)脈沖到達(dá)時(shí)間和雷達(dá)重復(fù)間隔決定。

其中TOAi為當(dāng)前雷達(dá)脈沖到達(dá)時(shí)間，TOAi-1前一雷達(dá)脈沖到達(dá)時(shí)間，PRⅠi為當(dāng)前雷達(dá)脈沖重復(fù)間隔。

2．2 PRI模型

當(dāng)雷達(dá)工作時(shí)，發(fā)射機(jī)經(jīng)天線向所觀測方向按一定周期間隔重復(fù)發(fā)射一串脈沖，這一間隔就是PRI［3］。

1）PRI固定

PRI保持不變。

2）PRI抖動

PRI抖動是指雷達(dá)脈沖信號的PRI隨機(jī)變化或按一定規(guī)律變化。

（1）隨機(jī)變化

其中PRⅠ0為重復(fù)間隔最小值，α為重復(fù)間隔變化范圍，R為（0，1）分布的隨機(jī)數(shù)。

（2）鋸齒規(guī)律

其中PRⅠ0為重復(fù)間隔最小值，α為重復(fù)間隔變化范圍，T為重復(fù)間隔變化周期。

3）PRI參差

PRI參差是指雷達(dá)具有多個(gè)重頻，在發(fā)射信號時(shí)按照固定順序選擇相應(yīng)的PRI。

其中k為周期參差數(shù)，PRⅠ1，…，PRⅠk為k個(gè)確定的重復(fù)間隔常數(shù)，每經(jīng)過k個(gè)脈沖，各重復(fù)間隔值變化一次。

2．3 載頻模型

1）固定頻率

頻率保持不變。

2）頻率捷變

頻率捷變是雷達(dá)抗有源干擾的有效措施之一［4］。頻率捷變雷達(dá)包含兩種類型：脈間捷變和脈組捷變。雷達(dá)采用頻率捷變技術(shù)主要是為了改善探測距離、抗雜波、抗干擾。雷達(dá)脈沖的載頻在一個(gè)較寬的頻段上按一定規(guī)律或作隨機(jī)的快速的頻率跳變，即捷變量。

（1）隨機(jī)捷變

其中fi（i＝0，1，…，n-1）為按單調(diào)增規(guī)律排列的頻點(diǎn)值，頻率值在fi（i＝0，1，…，n-1）中按照隨機(jī)規(guī)律取值。

（2）鋸齒規(guī)律

其中fi（i＝0，1，…，n-1）為按單調(diào)增規(guī)律排列的頻點(diǎn)值，T為頻率變化周期，Δt為脈沖重復(fù)間隔，A為頻率變化范圍。

3）頻率分集

頻率分集雷達(dá)是采用頻率分集技術(shù)而產(chǎn)生的一種特殊體制雷達(dá)信號，雷達(dá)同時(shí)工作在多個(gè)頻率點(diǎn)上，占據(jù)了較寬的頻帶，可分為同時(shí)分集和分時(shí)分集兩種。分時(shí)分集雷達(dá)采用n個(gè)不同頻率的發(fā)射機(jī)以Δt的時(shí)間間隔依次產(chǎn)生等幅、等脈寬的脈沖發(fā)射出去。

2．4 雷達(dá)天線掃描模型

雷達(dá)天線是雷達(dá)重要的組成部分，幾乎所有的雷達(dá)天線都是有方向性的并以某種方法在角度上掃描波束［5］，常用掃描形式有以下幾種。

1）圓掃

雷達(dá)天線俯仰保持不變，在方位上做圓周運(yùn)動，雷達(dá)偵察設(shè)備收到雷達(dá)信號掃描周期是等間隔的。

2）扇掃

雷達(dá)天線俯仰保持不變，在方位上一定角度范圍內(nèi)來回運(yùn)動，有雙向和單向兩種，單向扇掃時(shí)雷達(dá)偵察設(shè)備收到雷達(dá)信號掃描周期是等間隔的，雙向扇掃時(shí)雷達(dá)偵察設(shè)備收到雷達(dá)信號掃描周期是有兩個(gè)值。

3）圓錐掃描

圓錐掃描時(shí)雷達(dá)天線圍繞一個(gè)中心做圓錐運(yùn)動，雷達(dá)偵察設(shè)備收到雷達(dá)信號幅度呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律。

2．5 信號強(qiáng)度模型

雷達(dá)偵察設(shè)備收到的雷達(dá)信號強(qiáng)度可由以下公式表示：

其中：Sr（t）為t時(shí)刻雷達(dá)偵察設(shè)備接收到的信號；St（t-Δ）為輻射源t-Δ時(shí)刻的發(fā)射信號；R為輻射源到偵察設(shè)備的直線距離；Δ為距離時(shí)延；Gr為偵察天線增益；λ為信號波長；L為損耗因子，包括饋線損耗和極化損耗等；γR為大氣衰減因子，包括大氣吸收和云雨等衰減；F為傳播因子，包括大氣波道、干涉、衍射、遮擋。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

模擬器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬器總體結(jié)構(gòu)圖

用戶通過顯控單元提供的人機(jī)界面進(jìn)行輻射源參數(shù)設(shè)置和戰(zhàn)情設(shè)置，并控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

顯控單元通過高速串口向通道控制和調(diào)制單元發(fā)送初始參數(shù)和運(yùn)行控制命令。

通道控制和調(diào)制單元根據(jù)初始參數(shù)實(shí)時(shí)解算每部雷達(dá)每個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間、頻率、脈寬、信號幅度和調(diào)制參數(shù)等，并根據(jù)每個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間，進(jìn)行脈沖排序和丟脈沖處理，生成最終控制射頻調(diào)制單元的脈沖描述字?jǐn)?shù)據(jù)流，并將脈沖達(dá)到時(shí)間和仿真時(shí)間真實(shí)相關(guān)，實(shí)時(shí)控制射頻調(diào)制單元。

射頻調(diào)制單元根據(jù)通道控制和調(diào)制單元的控制命令，實(shí)時(shí)產(chǎn)生射頻信號和調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制信號。然后進(jìn)行幅度衰減、脈沖調(diào)制、功率放大后輸出。

射頻調(diào)制單元輸出的射頻信號，經(jīng)射頻電纜送到天線單元，天線進(jìn)行功率放大后，經(jīng)輻射天線將射頻信號發(fā)射空中，以在雷達(dá)偵察設(shè)備周圍形成密集復(fù)雜的雷達(dá)信號環(huán)境。

1）顯控單元

顯控單元是模擬器的重要組成部分，它控制模擬器的運(yùn)行，為用戶提供友好的人機(jī)界面，它包含的主要功能有雷達(dá)數(shù)據(jù)庫管理、試驗(yàn)戰(zhàn)情設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行控制、設(shè)備狀態(tài)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示和通信等。

2）通道控制和調(diào)制單元

通道控制和調(diào)制單元是模擬器的控制核心，采用大規(guī)模FPGA 芯片的高層次應(yīng)用技術(shù)，既并行流水處理機(jī)結(jié)構(gòu)，其并行處理機(jī)的規(guī)模和流水節(jié)拍數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模作出適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充和裁減。

通過FPGA 通道控制板，接收來自顯控單元的戰(zhàn)情參數(shù)，F(xiàn)PGA 內(nèi)部的通信管理模塊對接收的戰(zhàn)情參數(shù)作出處理和分發(fā)給各個(gè)脈沖描述控制字解算模塊，各個(gè)脈沖描述控制字解算模塊并行獨(dú)立工作，脈沖描述控制字解算模塊主要解算每一雷達(dá)脈沖到達(dá)時(shí)間、脈沖寬度、脈沖載頻及調(diào)制信息、脈沖幅度等，一部雷達(dá)占用一個(gè)脈沖描述控制字解算模塊；以每五個(gè)脈沖描述控制字解算模塊為一組，將解算的結(jié)果輸出給脈沖描述控制字時(shí)序排隊(duì)模塊，進(jìn)行脈沖描述控制字時(shí)序排隊(duì)及脈沖丟失處理；以每五個(gè)脈沖描述控制字時(shí)序排隊(duì)模塊為一組，每一脈沖描述控制字時(shí)序排隊(duì)模塊將各自的結(jié)果輸出至下一級脈沖描述控制字時(shí)序排隊(duì)模塊在進(jìn)行脈沖時(shí)序排隊(duì)解算；最終將解算的結(jié)果輸出至脈沖描述控制字輸出控制模塊，輸出給信號源。

圖2 通道控制和調(diào)制單元組成框圖

3）射頻調(diào)制單元

射頻調(diào)制單元由頻率源、放大器、程控衰減器組成。頻率源選用直接頻率合成方案，利用DDS來實(shí)現(xiàn)精細(xì)頻率步跳，并通過和一組以高穩(wěn)定度晶振為參考頻率的標(biāo)頻源組成的粗精頻率步跳的點(diǎn)頻進(jìn)行混頻、濾波及放大生成各頻段的信號。放大器補(bǔ)償通道功率損耗，程控衰減器完成射頻功率的控制。

4）天線單元

天線單元由功放和天線組成，為了減小傳輸線引入的功率損耗，增加天線輸入端的最大輸入功率，增強(qiáng)有效作用距離，采用天線和功率放大器一體化設(shè)計(jì)，將功率放大器直接放在天線后面。并采取散熱和防水措施。

4 模擬結(jié)果

1）頻率捷變信號

圖3 頻率捷變信號頻譜

2）重頻抖動信號

圖4 重頻抖動信號時(shí)域圖

3）錐掃

圖5 錐掃信號幅度圖

5 結(jié)語

該模擬器采用軟、硬件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了常規(guī)和特種體制雷達(dá)的信號模擬生成，具有實(shí)時(shí)性好、真實(shí)度高、可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。該模擬器已在工程中得到了應(yīng)用。

［1］林象平，馮獻(xiàn)成，梁百川，等．電子對抗原理［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1981：3．

［2］趙國慶．雷達(dá)對抗原理［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999：71．

［3］許小劍，黃培康．雷達(dá)系統(tǒng)及其信息處理［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010：42-43．

［4］張明友，汪學(xué)剛．雷達(dá)系統(tǒng)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006：33．

［5］［美］Merrill l．Skolnik．雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006：407．