基于FPGA的分布式干擾機(jī)實(shí)現(xiàn)

焦龍飛,莫子軍

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安710071)

摘要為了有效對(duì)抗預(yù)警機(jī)、新型雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)以及導(dǎo)航系統(tǒng),在現(xiàn)代電子對(duì)抗中普遍使用分布式干擾技術(shù)。文中分析了分布式干擾的基本原理,并以FPGA為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)分布式干擾機(jī)的研制。分布式干擾機(jī)以DRFM為核心,使用FPGA內(nèi)部FIFO完成假目標(biāo)的轉(zhuǎn)發(fā)與延時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)的分布式協(xié)同相干、非相干干擾。

關(guān)鍵詞分布式干擾機(jī);FPGA;DRFM

收稿日期:2014-11-22

作者簡(jiǎn)介:焦龍飛(1988—),男,碩士研究生。研究方向:FPGA嵌入式,電子對(duì)抗。E-mail:690061539@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.024

中圖分類(lèi)號(hào)TN972

Realization of Distributed Jammer Based on FPGA

JIAO Longfei,MO Zijun

(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China)

AbstractThe distributed jamming technology is widely used in modern electronic countermeasure to effectively counter the awacs,new types of radar networks,communication networks and navigation systems.This paper analyzes the basic principle of distributed jamming,and realizes the distributed jammer based on FPGA.With the core of DRFM,distributed jamming uses FPGA’s FIFO for the false target transmission and time delay,realizing the distributed collaborative coherent and noncoherent jamming of radar.

Keywordsdistributed jammer;FPGA;DRFM

分布式干擾機(jī)被國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家認(rèn)為是對(duì)付組網(wǎng)雷達(dá)的一種行之有效的方法。相對(duì)于獨(dú)立工作的雷達(dá)干擾系統(tǒng),分布式干擾機(jī)對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)的對(duì)抗優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在干擾效果方面,且在對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)中各個(gè)輻射源的偵察定位方面同樣優(yōu)勢(shì)明顯。

電子戰(zhàn)裝備為了適應(yīng)未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)密集、復(fù)雜多變的電磁環(huán)境,并對(duì)感興趣的電子戰(zhàn)兵器進(jìn)行偵查、測(cè)向、干擾、反輻射摧毀,必須具備頻帶寬、對(duì)象廣、技術(shù)新、變化快的技術(shù)特點(diǎn)。電子戰(zhàn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的作戰(zhàn)領(lǐng)域,只要存在戰(zhàn)爭(zhēng),對(duì)抗與反對(duì)抗就不會(huì)完結(jié)。根據(jù)不斷變化的電子戰(zhàn)作戰(zhàn)對(duì)象和作戰(zhàn)環(huán)境,研究一些適應(yīng)未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的新技術(shù)和新裝備。分布式干擾具有一系列新特點(diǎn),是一種“面對(duì)面”的干擾,即眾多空間分布的干擾機(jī)群可壓制較大空域內(nèi)的雷達(dá)、通信臺(tái)或?qū)Ш浇邮諜C(jī),因此在未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)上,分布式干擾是對(duì)抗預(yù)警機(jī)、分布式雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)和導(dǎo)航網(wǎng)的有力手段[1]。

分布式干擾機(jī)是在氣球載干擾機(jī)和無(wú)人機(jī)機(jī)載干擾機(jī)等形式發(fā)展起來(lái)的一種電子對(duì)抗設(shè)備。其可受控或自動(dòng)地對(duì)敵方的電子設(shè)備進(jìn)行干擾。在特定區(qū)域內(nèi),其既可產(chǎn)生虛假的進(jìn)攻態(tài)勢(shì)也可掩護(hù)目標(biāo)。分布式干擾既可為群目標(biāo)進(jìn)行掩護(hù)干擾,也可用來(lái)進(jìn)行自衛(wèi)干擾[2]。

本文研制的分布式干擾機(jī)由兩套干擾機(jī)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)的分布式協(xié)同相干、非相干干擾。兩套干擾機(jī)在軟硬件上均采用相同的設(shè)計(jì),其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1分布式干擾機(jī)的基本原理

1.1　干擾樣式原理分析

分布式干擾機(jī)原理樣機(jī)由兩套干擾機(jī)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)的分布式協(xié)同相干、非相干干擾,以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)雷達(dá)的角度欺騙干擾。兩種干擾樣式是以雷達(dá)天線的信號(hào)是否具有穩(wěn)定的相位關(guān)系來(lái)區(qū)分的[3]。

(1)非相干干擾。兩天線接收干擾源信號(hào)

(1)

圖1　分布式干擾機(jī)系統(tǒng)組成

經(jīng)和差處理后

(2)

經(jīng)混頻、中放(包括AGC控制),再經(jīng)相位檢波、誤差積分后的輸出角度誤差信號(hào)

(3)

經(jīng)天線方向圖近似為

(4)

跟蹤天線的指向角

(5)

(2)相干干擾。兩干擾源在雷達(dá)天線有穩(wěn)定相位

(6)

經(jīng)和差處理后

(7)

經(jīng)混頻、中放(包括AGC控制),再經(jīng)過(guò)相位檢波、誤差積分后的輸出角度誤差信號(hào)

(8)

其中

(9)

經(jīng)天線方向圖近似為

(10)

跟蹤天線的指向角為

(11)

1.2　單機(jī)干擾機(jī)工作原理

接收天饋單元收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)接收通道單元進(jìn)行時(shí)分隔離、低噪聲放大、帶通濾波、檢波和對(duì)數(shù)視頻放大(DLVA)、門(mén)限檢測(cè),形成各自的檢測(cè)輸出、視頻包絡(luò)輸出和中/射頻輸出,供給數(shù)字射頻存儲(chǔ)(DRFM)單元和偵察信號(hào)處理單元。

偵察信號(hào)處理單元測(cè)量各波段檢測(cè)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間(TOA)、脈寬(PW),采集中頻信號(hào)的波形,接收信號(hào)的分選、輻射源檢測(cè)、威脅判決,將結(jié)果提交干擾決策與控制單元和無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路。由于干擾帶寬較窄,信號(hào)處理單元、DRFM單元和干擾決策單元均在同一塊電路中完成。DRFM單元執(zhí)行干擾決策與控制單元發(fā)來(lái)的控制命令和設(shè)置參數(shù),完成對(duì)輸入射頻或中頻信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)、讀出和干擾調(diào)制,將低功率的中頻干擾信號(hào)交付干擾發(fā)射單元[4]。

干擾發(fā)射單元完成干擾信號(hào)中頻到射頻的變頻和功率放大,通過(guò)干擾發(fā)射天線輻射輸出。無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路完成干擾樣機(jī)與其他設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)交互,接收上位機(jī)干擾樣式和干擾參數(shù)設(shè)置,回傳偵察處理結(jié)果和干擾機(jī)工作狀態(tài)。

上下變頻的本振由外部信號(hào)源產(chǎn)生,系統(tǒng)頻綜采用分布式設(shè)計(jì)方式,由溫補(bǔ)晶振產(chǎn)生高穩(wěn)定基準(zhǔn)信號(hào),各分機(jī)系統(tǒng)由鎖相、倍頻等電路產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)[5]。

1.3　分布式干擾模式

本組分布式干擾機(jī)采用收發(fā)分時(shí)全脈沖轉(zhuǎn)發(fā)干擾方式。其中干擾時(shí)間Tj,附加初始遲延τj,重復(fù)周期Tr,脈沖周期τ,假目標(biāo)間隔ΔT。

收發(fā)分時(shí)全脈沖轉(zhuǎn)發(fā)包括同步和異步兩種模式,同步與異步指主裝置和從裝置干擾信號(hào)到達(dá)雷達(dá)先后順序的相關(guān)性。同步方式指二者干擾信號(hào)雷達(dá)的時(shí)間有確定的先后關(guān)系,偶閃爍同時(shí)有無(wú),奇閃爍同一時(shí)刻僅有一部裝置的干擾信號(hào)到達(dá)雷達(dá)。異步方式時(shí)不控制二者的到達(dá)時(shí)間[6]。

收發(fā)分時(shí)全脈沖同步轉(zhuǎn)發(fā)的使用條件是干擾機(jī)不滿足收發(fā)同時(shí)的隔離度要求,但允許干擾機(jī)延遲至少一個(gè)雷達(dá)脈沖寬度的時(shí)間再開(kāi)始發(fā)射干擾信號(hào)。在檢測(cè)信號(hào)SXTD有效期間,將波形采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器,從SXTD后沿遲延τj后開(kāi)始發(fā)射干擾。脈沖之間的間隔和數(shù)量根據(jù)ΔT的計(jì)算設(shè)定。在一般情況下,τ+Tj=(0.8～0.9)Tr,即每收到一個(gè)SXTD信號(hào),進(jìn)行一次全脈沖存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)干擾,遲延時(shí)間與干擾時(shí)間的和總

同步奇閃爍模式下,主裝置在雷達(dá)脈沖結(jié)束加上附加遲延開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)干擾,從裝置在考慮附加遲延后再延遲一個(gè)脈沖寬度開(kāi)始干擾。

圖2　全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)干擾同步奇閃爍

同步偶閃爍模式下,主從裝置在考慮附加遲延后同時(shí)開(kāi)始干擾。

圖3　全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)干擾同步偶閃爍

收發(fā)分時(shí)全脈沖異步轉(zhuǎn)發(fā)模式下,主從裝置在各自脈沖后沿到達(dá)時(shí)分別開(kāi)始干擾,兩者無(wú)相干性。

圖4　全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)干擾異步隨機(jī)假目標(biāo)

2分布式干擾機(jī)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)

2.1　DRFM在FPGA中的實(shí)現(xiàn)

DRFM單元根據(jù)干擾決策與控制單元發(fā)來(lái)的指令和參數(shù),完成對(duì)信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)、延時(shí)和轉(zhuǎn)發(fā),其組成部分如圖5所示。

圖5　DRFM組成結(jié)構(gòu)

通過(guò)DRFM可實(shí)現(xiàn)假目標(biāo)間隔時(shí)間、個(gè)數(shù)及干擾方式。在FPGA中可以級(jí)聯(lián)FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)這種延遲疊加單元的結(jié)構(gòu),設(shè)每一級(jí)的延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)每一級(jí)FIFO的深度,每一級(jí)的開(kāi)關(guān)控制由控制模塊解析的命令決定。DRFM中存儲(chǔ)延時(shí)及轉(zhuǎn)發(fā)部分的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6　DRFM中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)單元結(jié)構(gòu)圖

如圖6所示,當(dāng)前FIFO的輸入為前一級(jí)單元的輸出,當(dāng)前FIFO的輸出疊加上前一級(jí)單元的輸出,作為當(dāng)前單元的輸出。當(dāng)DRFM工作時(shí),在時(shí)鐘的控制下,雷達(dá)信號(hào)從存儲(chǔ)單元中進(jìn)入第一級(jí)FIFO中。與此同時(shí),第一級(jí)FIFO的輸出與雷達(dá)信號(hào)疊加送入下一級(jí)FIFO。在FIFO未滿時(shí)輸出0,寫(xiě)滿后輸出數(shù)據(jù),如此經(jīng)過(guò)k級(jí)的FIFO緩存后,則最多輸出k個(gè)假目標(biāo)。假目標(biāo)輸出個(gè)數(shù)由Kn個(gè)開(kāi)關(guān)電路控制,根據(jù)干擾決策控制單元的指令,依次打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān),借此達(dá)到對(duì)假目標(biāo)輸出個(gè)數(shù)的控制。假目標(biāo)時(shí)間間隔由控制FIFO的讀寫(xiě)時(shí)鐘控制,根據(jù)干擾決策控制單元的指令,讀寫(xiě)時(shí)鐘分別延時(shí)相應(yīng)的時(shí)間,由此達(dá)到對(duì)延時(shí)的控制[7]。

2.2　干擾決策與控制單元

干擾決策與控制單元由兩部分構(gòu)成,分別為ARM通信模塊和指令解析模塊。ARM通信模塊通過(guò)SPI接收ARM發(fā)送的設(shè)置及控制命令,同時(shí)將ARM需讀取的信息發(fā)送給ARM,如此則可由ARM端的觸摸面板完成對(duì)整個(gè)干擾機(jī)的控制,從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[8]。指令解析模塊則是讀取ARM發(fā)送過(guò)來(lái)的指令和參數(shù),根據(jù)預(yù)先約定好的協(xié)議,進(jìn)行指令解析,將解析后的指令和參數(shù)分別發(fā)送給DRFM模塊,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DRFM的設(shè)置和控制。

2.3　無(wú)線鏈路模塊

由于分布式干擾機(jī)由兩套軟硬件完全相同的干擾機(jī)組成,所以無(wú)線鏈路模塊完成兩套干擾機(jī)之間的信息交互。兩套干擾機(jī)可分別被設(shè)置為主設(shè)備和從設(shè)備,但同一時(shí)間只能有一套干擾機(jī)為主設(shè)備,此時(shí)另一套則為從設(shè)備。當(dāng)兩套干擾機(jī)同時(shí)為從設(shè)備時(shí),無(wú)線鏈路模塊不進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,兩套干擾機(jī)獨(dú)立工作,互不影響。當(dāng)一套干擾機(jī)為主設(shè)備,另一套干擾機(jī)為從設(shè)備時(shí),主設(shè)備可將自身的配置及參數(shù),通過(guò)無(wú)線鏈路發(fā)送給從設(shè)備,完成對(duì)從設(shè)備的配置及控制;同時(shí)從設(shè)備也可獨(dú)立的設(shè)置自身的工作模式及參數(shù)。這種自由性較高的配置方式可實(shí)現(xiàn)多種模式的分布式干擾,在實(shí)際使用中具有重要意義[9]。

3仿真結(jié)果及對(duì)比

對(duì)分布式干擾機(jī)產(chǎn)生機(jī)理的仿真結(jié)果分析可知,通過(guò)改變假目標(biāo)數(shù)量和改變干擾模式來(lái)產(chǎn)生假目標(biāo),可以對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行干擾。

(1)假目標(biāo)數(shù)量驗(yàn)證。

由圖7和圖8可知,在觸發(fā)脈沖沿到來(lái)之后,干擾機(jī)可產(chǎn)生1～10之間任意個(gè)數(shù)的假目標(biāo)。當(dāng)產(chǎn)生多個(gè)假目標(biāo)時(shí),假目標(biāo)間隔相同并可調(diào)。結(jié)合主從兩臺(tái)干擾機(jī),形成分布式多數(shù)量干擾。

圖7　假目標(biāo)為1的仿真對(duì)比結(jié)果

圖8　假目標(biāo)為10的仿真對(duì)比結(jié)果

(2)全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)同步奇閃爍干擾。

在同步奇閃爍模式中可以看到,當(dāng)脈沖觸發(fā)信號(hào)沿到達(dá)之后,主干擾假目標(biāo)在延遲一個(gè)附加遲延后才開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)第一個(gè)假目標(biāo);而從干擾假目標(biāo)在延遲一個(gè)附加遲延后,再延遲一個(gè)信號(hào)脈沖寬度,然后才開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)。由圖中可看到,主從干擾信號(hào)在同一時(shí)間只有一個(gè)假目標(biāo)產(chǎn)生,完全符合理論分析。

圖9　全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)干擾同步奇閃爍波形圖

(3)全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)同步偶閃爍干擾。

信號(hào)描述如圖9中表示方法,則從圖10中可看出,在同步偶閃爍模式下,主從干擾機(jī)在脈沖信號(hào)沿到達(dá)之后,均延遲一個(gè)附加遲延之后,同時(shí)開(kāi)始假目標(biāo)的產(chǎn)生,兩者完全統(tǒng)一。圖10中主從干擾假目標(biāo)同時(shí)產(chǎn)生與結(jié)束,符合理論分析的結(jié)果。

圖10　全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)干擾同步偶閃爍波形圖

(4)全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)異步干擾。

從圖11中可看出,在異步干擾模式下,主從干擾機(jī)在脈沖信號(hào)沿到達(dá)之后,無(wú)需考慮附加延遲時(shí)間,各自立即開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)假目標(biāo),符合理論分析的結(jié)果。

圖11　全脈沖分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)異步干擾波形圖

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)分布式干擾機(jī)的理論分析與仿真結(jié)果對(duì)比,從實(shí)際角度驗(yàn)證了分布式干擾機(jī)的可行性。針對(duì)分布式干擾機(jī)的原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹,對(duì)分布式干擾模式做了深入探討。仿真結(jié)果的分析及對(duì)比,驗(yàn)證了分布式干擾機(jī)設(shè)計(jì)的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999.

[2]田波,張永順.發(fā)展中的分布式干擾技術(shù)[J].航天電子對(duì)抗,2004,1(1):41-43.

[3]高軍輝.分布式干擾技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2006.

[4]支雙雙,劉聰峰,朱云鵬,等.分布式干擾下雷達(dá)探測(cè)區(qū)計(jì)算與仿真[J].中國(guó)電子科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2012,2(1):63-66.

[5]SUN Guoying,LI Yunjie,GAO Meiguo.An improved DRFM system based on digital dhannelized receiver[C].Dalian:2nd International Congress of Image and Signal Processing,2009:1-5.

[6]張薇,馬建峰,楊曉元.分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,36(3):48l-485.

[7]李勇.數(shù)字射頻存儲(chǔ)技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

[8]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].3版.北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[9]Altera.Stratix II Device Handbook[M].Texa,USA:Altera Conperation,2013.