虎 帥 劉鑫超

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

未來戰(zhàn)場電磁態(tài)勢復雜多變，多品種、多數(shù)量的雷達、通信設備、光電武器等在一定的地域空間內(nèi)形成復雜的電磁環(huán)境，實戰(zhàn)化訓練對雷達部隊在復雜電磁環(huán)境和干擾背景下的操作和抗干擾訓練提出了新的要求，如何有效應對強敵電子干擾，最大限度地提高雷達部隊實戰(zhàn)訓練水平，提高裝備及人員操作的抗干擾能力已成為需要解決的現(xiàn)實問題[1-3]。

雷達目標及干擾模擬器是在此背景下展開研制的，該模擬器具有覆蓋雷達頻段寬、功能多樣化、使用操作靈活方便等優(yōu)點，可模擬多種電子對抗裝備的不同干擾模式，為各種體制、各種類型雷達裝備開展復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境下對抗演習演練、實戰(zhàn)訓練、戰(zhàn)術戰(zhàn)法演練、裝備綜合作戰(zhàn)性能檢驗評估及升級改造等提供平臺和手段；其可模擬電子對抗裝備的多種作戰(zhàn)模式，對多種體制的地面預警及跟蹤制導雷達實施干擾，以替代多類型的電子對抗裝備與雷達展開實戰(zhàn)攻防對抗訓練；可對被測雷達提供空間假想目標來模仿戰(zhàn)爭情況下雷達可能處于的各種各樣的工作環(huán)境，以此來檢驗雷達在多目標環(huán)境下對目標的識別、跟蹤和制導能力。同時可用于雷達目標回波模擬或信標產(chǎn)生，可作為維修檢測設備對雷達進行功能性檢查，為雷達部隊的日常操作及維修維護提供有力保障。

1 系統(tǒng)組成

雷達目標及干擾模擬器由收發(fā)天線、顯控終端、模擬器主機三大部分組成，雷達干擾模擬器主機由收發(fā)前端模塊、接收變頻模塊、信號處理器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線模塊以及二次電源等組成，其組成框圖如圖1所示。模擬器主機完成對從天線接收到的敵方雷達信號的檢測、識別和分選工作，形成脈沖描述字(PDW)，可在顯控裝置的管理下按照優(yōu)化干擾策略生成多種干擾信號輸出給發(fā)射天線。參照國內(nèi)外先進電子對抗裝備的技戰(zhàn)術指標、作戰(zhàn)模式和干擾樣式，真實構建各種作戰(zhàn)環(huán)境，對雷達實施多種干擾，涵蓋了多種已被驗證過的電子對抗裝備干擾樣式，而且系統(tǒng)具有開放性的優(yōu)點，可隨著技術發(fā)展擴展干擾數(shù)據(jù)庫，增加復雜干擾樣式，可極大地提高對新體制、大帶寬雷達的干擾效果。

收發(fā)天線：實現(xiàn)對2GHz～18GHz、30GHz～40GHz信號的接收和發(fā)射。包括2GHz～18GHz信號天線，30GHz～40GHz信號天線以及相配套的三腳架、電纜等。

收發(fā)前端模塊：包含前端模塊和功率放大兩部分，實現(xiàn)對接收天線輸出的射頻信號限幅、放大、混頻、濾波及AGC控制，將處理后的信號送入接收機，功率放大器對輸出信號進行功率放大，達到系統(tǒng)要求的發(fā)射功率后送給發(fā)射天線。

接收機變頻模塊：下行接收通道將接收前端輸入的射頻信號進行兩級濾波放大后，輸出給信號處理器；上行接收通道將信號處理器輸入的干擾上行信號變頻放大后輸出給發(fā)射機；頻綜產(chǎn)生接收分系統(tǒng)和干擾中頻模塊混頻所需的點頻本振，同時給信號處理分系統(tǒng)提供AD和DA所需的時鐘信號。

信號處理器模塊：包含1塊主要由FPGA+DSP構成的信號處理板，完成對上下行通道的所有開關及本振的控制，對接收信號進行時域、頻域參數(shù)測量，同時完成雷達回波信號和干擾信號的模擬，此外還可以根據(jù)接收到顯控終端軟件的命令，直接模擬產(chǎn)生干擾信號/回波模擬信號。

數(shù)據(jù)處理模塊：由一塊含有POWERPC芯片的中心控制單板機完成全系統(tǒng)的工作模式控制、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)狀態(tài)管理以及與顯控終端的通信等功能。

無線模塊：完成數(shù)據(jù)處理模塊和顯控終端的無線通過功能，可連接于計算機的網(wǎng)口。

顯控終端：由一臺通用計算機與顯控軟件組成，通過網(wǎng)線(或無線模塊)與單板機進行通信，主要完成人機界面交互功能。

2 系統(tǒng)功能

雷達目標及干擾模擬器具備超寬帶信號模擬能力，可模擬2GH～18GHz，30GHz～40GHz頻帶內(nèi)的各種雷達或干擾信號，基本覆蓋目前部隊列裝雷達頻段。還有副瓣偵察干擾能力，靈敏度優(yōu)于-75dBm，可對雷達進行副瓣偵察；發(fā)射天線可前置，具備副瓣進入能力。多目標模擬能力，可模擬多種干擾目標信號，檢測雷達在多干擾目標下的檢測、識別能力。多干擾樣式模擬能力，可模擬多種類型干擾設備的干擾樣式，包括壓制干擾和欺騙干擾在內(nèi)的十余種干擾信號樣式。復雜電磁環(huán)境構建能力，可根據(jù)要求產(chǎn)生不同類型的雷達工作信號，模擬復雜電磁環(huán)境的工作場景，考核復雜電磁環(huán)境下雷達的適應性。該模擬器具備以下三種功能。

2.1 干擾信號模擬

干擾信號模擬功能主要用于雷達部隊的抗干擾訓練和復雜電磁環(huán)境適應性訓練。模擬器可真實構建電子對抗設備的常規(guī)作戰(zhàn)模式，通過參數(shù)設置，可對雷達實施密集假目標、拖引、多普勒噪聲等多種干擾，為雷達系統(tǒng)的抗干擾性能檢測提供各種干擾威脅環(huán)境。

2.2 雷達目標模擬

雷達目標模擬功能主要用于雷達部隊的日常操作訓練。模擬器將雷達的發(fā)射信號進行復制轉發(fā)，實現(xiàn)目標回波信號的相參模擬，輔助雷達設備進行目標搜索、捕獲及跟蹤試驗，達到雷達操作人員的訓練目的。同時雷達目標模擬也可以用于構建戰(zhàn)場雷達信號環(huán)境，可用于電子對抗設備的信號檢測、分選和識別方面的訓練。

2.3 雷達信標產(chǎn)生

雷達信標產(chǎn)生功能用于輔助雷達進行距離和方位的標定。通過天線接收雷達發(fā)射信號，經(jīng)過延時后轉發(fā)，通過設置延遲時間模擬雷達距離量程內(nèi)的任意目標。通過計算雷達與模擬器之間的距離可以計算出雷達的補償參數(shù)。

3 作戰(zhàn)使用模式

該模擬器具備兩種工作模式，分為目標模擬模式及干擾模擬模式。雷達目標及干擾模擬器工作在目標模擬模式下，實現(xiàn)雷達目標回波信號的模擬。可完成雷達的調(diào)試、定標、總站性能檢測及部隊的操作訓練，其工作態(tài)勢圖如圖2所示。

雷達性能測試過程中，將模擬器放置距雷達20m至3km之間的合適位置，顯控裝置按訓練需要放置，可放置雷達操作艙內(nèi)。訓練時雷達正常開機，搜索跟蹤目標。雷達目標及干擾模擬器通過接收雷達天線波束的副瓣信號截獲到威脅雷達的輻射信號，信號處理機對雷達信號進行參數(shù)測量后，將雷達參數(shù)信號進行存儲。通過顯示控制裝置，可對存儲的雷達目標參數(shù)進行預設，經(jīng)發(fā)射組件放大通過天線發(fā)射給雷達。當雷達接收到模擬信號后，可通過對比預設值與雷達接收到測試值對比，來完成雷達的調(diào)試和訓練。

雷達目標及干擾模擬器可工作在干擾模擬模式下，完成雷達部隊對抗演習演練、實戰(zhàn)訓練、戰(zhàn)術戰(zhàn)法演練，作戰(zhàn)時的工作態(tài)勢圖見圖3所示。

雷達干擾對抗訓練過程需要配置雷達目標、陪試雷達、雷達目標及干擾模擬器。雷達目標及干擾模擬器中的機箱放置于距陪試雷達20m至3km之間的合適位置，顯控裝置按訓練需要放置，在面對面的戰(zhàn)術戰(zhàn)法演練時甚至可放置在雷達方艙內(nèi)。

訓練時陪試雷達正常開機，搜索跟蹤目標。雷達目標及干擾模擬器通過接收雷達天線波束的副瓣信號截獲到威脅雷達的輻射信號，信號處理機對雷達信號進行參數(shù)測量后，可得到威脅雷達的參數(shù)(如載頻、脈寬、重頻等)，進而完成信號分選、識別，將結果發(fā)送給顯控裝置。操控人員按預置的威脅優(yōu)先級策略，針對威脅優(yōu)先級最高和次高的雷達，選擇相應最佳的干擾樣式，通過顯控終端下發(fā)給中心控制單板機，對準威脅雷達實施干擾。

4 干擾電路設計及仿真

4.1 產(chǎn)生電路設計

干擾/目標波形的產(chǎn)生工作由信號處理器完成。信號處理器是基于DRFM+DJS(數(shù)字射頻存儲器+數(shù)字干擾合成)為構架設計的高速寬帶信號處理模塊，由高速ADC、FPGA、DSP、高度DAC及相關外圍電路組成。高速ADC和DAC配置工作速率為2.4GHz，瞬時帶寬為1GHz。

DRFM首先根據(jù)接收到的射頻信號量化采樣，然后進行數(shù)字正交下變頻，使正交下變頻的輸出頻率位于基帶(中頻)內(nèi)，然后將下變頻所產(chǎn)生的基帶同相I信號和正交Q信號進行存儲。讀出時再重構基帶同相I信號和正交Q信號，經(jīng)干擾調(diào)制和數(shù)字正交上變頻后，通過DA輸出。其工作過程為：對接收到的射頻信號量化采樣，然后進行數(shù)字正交下變頻處理，數(shù)字正交下變頻是將采樣到的射頻信號和數(shù)字本振進行正交混頻、濾波產(chǎn)生基帶同相信號I和正交信號Q兩路數(shù)字信號，然后送入存儲器存儲。當需要讀出存儲器中的信號時，從存儲器讀出I、Q兩路數(shù)字信號；然后進行多普勒噪聲調(diào)制，將調(diào)制后的干擾信號進行數(shù)字正交上變頻，經(jīng)DA輸出后重構RF，從而完成對原始信號的復制和干擾調(diào)制。數(shù)字正交變頻可以保證上下變頻的一致性，同時保證了對原始信號復現(xiàn)的精確性。

對DRFM的各種工作方式選擇，可通過控制器產(chǎn)生相應的控制命令，以完成各種不同的應用要求，實現(xiàn)射頻信號的數(shù)字存儲DRFM的工作速率為μs級。當DRFM中的存儲器與外部(或內(nèi)部)計算機聯(lián)結時，還可以通過DRFM實現(xiàn)對信號的存儲分析，或者用于產(chǎn)生所需的信號波形。

DJS針對作戰(zhàn)對象事先準備好基帶干擾波形數(shù)據(jù)，在干擾實施時再從存儲器中讀出，然后與其它基帶干擾波形數(shù)據(jù)矢量疊加，經(jīng)過DAC、DUC等產(chǎn)生射頻干擾信號。DJS的樣本并不一定是實時采樣信號，它可事先將復雜干擾調(diào)制的數(shù)字波形合成后存儲，可對付多雷達目標和高分辨成像雷達。在干擾時還可以根據(jù)對象的變化，重新填充新的干擾波形數(shù)據(jù)，具有很高的靈活性和對多信號、多威脅、多雷達、復雜調(diào)制的電磁環(huán)境的適應性，逐漸取代非相參模擬頻率源(VCO)的干擾方式。DJS的硬件組成如圖3所示，此時每一種干擾信號單獨占有一個存儲器和讀出控制電路，對N個信號的波形矢量合成由硬件加法器完成，其優(yōu)點是不存在系統(tǒng)的周期性，便于與每一個被干擾雷達保持同步，其中任何一個干擾信號波形發(fā)生變化，都只會涉及到該干擾波形存儲數(shù)據(jù)的重新計算和存儲數(shù)據(jù)的刷新，并不影響其它干擾波形的輸出。

4.2 干擾信號模型設計

4.2.1 噪聲干擾設計

噪聲干擾作為一種通用性的干擾措施一直得到廣泛的應用，一方面在于雷達接收機內(nèi)部噪聲是影響雷達探測能力的主要因素，只要外部干擾噪聲能進入雷達接收機并具有和內(nèi)部噪聲相類似的特性則會大大降低雷達的探測性能，另一方面噪聲干擾相對于其它干擾形式對于對方雷達信息需求較少。雷達接收機內(nèi)部的噪聲服從正態(tài)分布，因此選擇的干擾噪聲也要服從正態(tài)分布。噪聲干擾方式包括窄帶噪聲和寬帶噪聲。

由于通過m序列發(fā)生器產(chǎn)生均勻的隨機序列來白化處理產(chǎn)生高斯白噪聲，m序列發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)性能的好壞直接影響到高斯白噪聲的優(yōu)劣。設計采用的是移位寄存器，m序列發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以近似認為符合(0，1)均勻分布，即均勻分布的白噪聲。使用Box-Muller變換法將m序列輸出的隨機數(shù)變成服從高斯分布的隨機數(shù)，該變換定義為

(1)

其中，r1,r2為m序列輸出相互獨立的隨機數(shù)，得到的x1,x2是服從(0，1)高斯分布相互正交的隨機數(shù)，分別作為噪聲數(shù)據(jù)的同相和正交分量。因為對噪聲帶寬和功率有相應的要求，在得到高斯隨機數(shù)之后將數(shù)據(jù)送入FIR濾波器和功率控制器，實現(xiàn)方法如圖5所示。

在matlab中對窄帶噪聲和寬帶噪聲進行仿真，其中窄帶噪聲干擾有五種可供選擇的帶寬，分別為10、30、50、80、100MHz，寬帶噪聲帶寬輸出為400MHz，仿真結果如圖6所示。

4.2.2 密集假目標設計

圖7是分段重構法的實現(xiàn)原理圖。從原理圖中可以看出將長度為N的待干擾信號數(shù)據(jù)s(n)以間隔L分為k段，即

(2)

對信號數(shù)據(jù)依次進行L點延時，依照干擾要求做M次延時，將這M次延時的數(shù)據(jù)依時間順序排列并累加得到新的信號數(shù)據(jù)g(n)，這表明g(n)總共有(M+N-1)段數(shù)據(jù)組成，其中第一段數(shù)據(jù)就是s(n)的第一段數(shù)據(jù)，第二段數(shù)據(jù)為s(n)前兩段數(shù)據(jù)之和，第三段數(shù)據(jù)為s(n)前三段數(shù)據(jù)之和，依此類推，直至最后一段數(shù)據(jù)為s(n)的最后一段數(shù)據(jù)。整個過程只有加法運算，沒有費時的乘法運算。這里的間隔L對應著假目標之間的時間間隔，M對應著假目標的數(shù)目。通過設置這兩個值可以控制假目標的數(shù)目與密度。

假設雷達發(fā)射信號為

s(t)=exp[j2π(f0t+0.5kt2)],0≤t≤T

(3)

根據(jù)密集假目標干擾產(chǎn)生過程，將s(t)延遲疊加得到干擾信號為

(4)

其中n為假目標長度，L為雷達發(fā)射信號長度，k為發(fā)射信號分隔片數(shù)。

對一脈寬為20μs、帶寬為10MHz的線性調(diào)頻信號，選擇產(chǎn)生的假目標間隔為2μs，假目標數(shù)目為32個。圖8是分段重構得到的限幅處理前后新信號g(n)，需要說明的是，如果系統(tǒng)飽和，需要進行限幅處理。

將雷達信號、未限幅的干擾信號和限幅后的干擾信號都按照雷達脈壓過程進行處理，上圖是三種信號分別經(jīng)雷達脈壓處理后得到的結果，從圖9中可以清晰的看出干擾信號在雷達脈壓結果中出現(xiàn)32個假目標，間隔為2μs，干擾信號的首個脈壓峰值時間和雷達信號脈壓峰值時間是一致的。由于在仿真中沒有加入信號在整個偵察干擾系統(tǒng)中的固有延時，再加上系統(tǒng)是收發(fā)分時工作的，這表明假目標都出現(xiàn)在真實目標之后，脈壓的幅值和雷達信號自身脈壓結果接近。同時，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過限幅處理后，干擾能量有了一定的損失，但是依然可以較好的實現(xiàn)密集假目標。文獻[4-5]介紹了分段重構法的實現(xiàn)原理。

5 雷達對抗試驗分析

雷達目標及干擾模擬器具備超寬帶信號模擬能力，在干擾模擬模式下和某型仿真雷達進行了干擾效果的對抗試驗，在假目標干擾模式下雷達終端航跡顯示出現(xiàn)了多批密集型假目標干擾樣式，如圖10所示。圖11為雷達受到噪聲干擾后的終端顯示效果。試驗結果表明該模擬器具有超寬帶、高靈敏度、多目標和多樣式干擾信號模擬能力。

6 結束語

本文設計了一種超寬帶的雷達目標及干擾模擬器，該模擬器輸出的信號具有相位噪聲低、雜散少、頻率轉換時間短、頻帶寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，而且基于DRFM+DJS的干擾信號模擬構架能很好地模擬出多種干擾信號，具有傳統(tǒng)雷達模擬器無法比擬的優(yōu)點。該模擬器可用于雷達生產(chǎn)調(diào)試、維修檢測、電子對抗模擬訓練等多種模式，還可根據(jù)用戶產(chǎn)品需求進行專業(yè)定制化開發(fā)，具備良好的市場及推廣前景。該模擬器與多款雷達進行了對抗試驗，驗證表明該雷達信號模擬器完全滿足系統(tǒng)設計的各項指標要求。