謝玉龍, 周 敏, 呂雅柔, 方革非

(上海無線電設備研究所,上海201109)

0 引言

導引頭作為導彈的關(guān)鍵部件之一,用于目標搜索、截獲、追蹤,并向?qū)椏刂葡到y(tǒng)提供目標位置及運動信息,導引導彈飛向目標[1]。在導引頭的研制階段,需要進行大量的試驗,對導引頭的性能進行考核驗證。外場試驗雖能準確地驗證導引頭的系統(tǒng)性能,但要消耗大量的人力、物力和財力,且不可控因素較多(如惡劣天氣等),不適用于研制階段產(chǎn)品指標測試和性能考核。利用仿真技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)研制信號源,模擬導引頭測試所需信號,配合測控設備可完成導引頭在實驗室條件下的性能驗證[1]。

信號源為導引頭的性能驗證提供直波、回波和干擾(泄漏、雜波、噪聲等)信號。這些信號能逼真地反映目標的運動特性、空間特性和環(huán)境的干擾特性,以此來驗證雷達導引頭在干擾環(huán)境下,對目標的發(fā)現(xiàn)和跟蹤能力[2]。另外,隨著導彈技術(shù)的發(fā)展,多種體制的雷達導引頭被研制出來,為不同體制的導引頭設計不同的信號源會增加測試成本和復雜性。為了降低測試成本,實現(xiàn)信號源的通用化,本文設計了一種通用的半主動雷達導引頭信號源。

1 信號源系統(tǒng)組成

信號源由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分采用標準儀器和非標單元相結(jié)合,具有多信號調(diào)制體制、低相噪、寬頻段的特點,能適應不同導引頭的測試需求。軟件部分利用National Instruments(NI)公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境Lab VIEW開發(fā),全部模塊化結(jié)構(gòu),利用多線程技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、總線通信等功能。

信號源設計三路微波信號輸出：直波輸出,回波輸出,干擾輸出。直波輸出信號模擬制導站發(fā)出的尋的信號;回波輸出信號模擬目標的散射信號;干擾輸出信號包括雜波、泄漏、噪聲等,模擬導引頭實際工作環(huán)境中的電磁干擾[3]。測試時,將導引頭放在轉(zhuǎn)臺上,信號源直波輸出端口通過測試電纜與被測導引頭連接,回波輸出端口連接到喇叭天線,由測控設備控制信號源輸出信號,完成導引頭的性能驗證。

2 信號源硬件設計

信號源硬件由中頻信號模塊、調(diào)制信號模塊、微波鏈路單元組成,圖1為信號源組成框圖。中頻信號模塊產(chǎn)生三個通道的中頻信號,三路信號可根據(jù)不同導引頭的測試需求切換。調(diào)制信號模塊為中頻信號模塊提供調(diào)制編碼信號和噪聲/拖引信號。微波鏈路單元實現(xiàn)中頻信號與本振混頻,通過隔離、濾波、衰減、功率合成等一系列處理產(chǎn)生所需的微波信號。信號源通過控制總線接收測控系統(tǒng)的指令,可調(diào)整微波信號的功率與合成關(guān)系。

圖1 信號源組成框圖

2.1 中頻信號模塊

中頻信號模塊由標準中頻信號源組成,通過設置標準中頻信號源直接生成三路中頻信號,保證信號的頻譜純度。中頻信號源可通過路由器連接到工控機,實現(xiàn)自動化控制。

2.2 調(diào)制信號模塊

調(diào)制信號模塊為一任意波形發(fā)生器,產(chǎn)生編碼頻率修正指令、高斯白噪聲和三角波信號,用于實現(xiàn)信號源多體制調(diào)制功能。任意波形發(fā)生器設置兩路輸出：一路生成編碼信號,連接到移相器的輸入口,實現(xiàn)無線電修正指令的編碼功能;另一路生成噪聲/拖引信號,作為干擾中頻信號的外部輸入。

2.3 微波鏈路單元

微波鏈路單元是信號源融合其他功能單元產(chǎn)生制導模擬信號的核心,包括低相噪本振倍頻組件、上變頻組件、功率控制組件、信號合成分配組件等部分。

(1)低相噪本振倍頻組件

低相噪本振倍頻組件由壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)、移相器、倍頻器、晶振組成,用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種形式的頻率信號。為了保證測試的準確性,一般要求信號源輸出信號雜散抑制比小于-80 dBc。設計選用低相噪恒溫晶體振蕩器和低相噪倍頻組件。低相噪倍頻組件采用隔離放大器對上變頻本振信號進行放大,同時增加直波、回波、干擾各通道間的隔離度,來保證信號源的輸出信號質(zhì)量。VCO具有極高的諧波抑制比和極低的信號雜散,設計采用VCO產(chǎn)生中頻信號,用來模擬彈目多普勒速度信息。通過調(diào)節(jié)VCO可以實現(xiàn)對多普勒頻移的準確控制[4-5]。采用移相器作用于中頻信號的方案,能有效地避免信號底噪的上升,保證較高的信噪比。

(2)上變頻組件

上變頻組件由混頻器、隔離器和濾波器組成。上變頻所需的本振信號通過二次倍頻得到。低相噪恒溫晶體振蕩器產(chǎn)生100 MHz基準信號作為唯一的頻率基準,通過倍頻組件完成一次倍頻,產(chǎn)生一次本振信號。二次本振組件將一次倍頻信號分頻、再倍頻產(chǎn)生二次本振信號。上變頻模塊將中頻信號模塊產(chǎn)生的中頻信號與二次本振信號進行混頻直接一次上變頻得到所需信號,這樣避免了多次上變頻帶來的交互雜散現(xiàn)象。三路上變頻模塊采用帶通濾波器濾除載波、諧波和混頻后產(chǎn)生的上下邊帶中的下邊帶,得到所需微波信號。低相噪本振采用隔離放大器對每個通道進行隔離放大,防止反向隔離信號的反串干擾。三路輸出通過添加通用硬件模塊、更換接口模塊和變頻濾波模塊實現(xiàn)平臺通用。

(3)功率控制組件

為了滿足輸出功率的精確衰減控制要求,信號源的功率衰減控制采用兩種衰減相結(jié)合的方法實現(xiàn)。儀表衰減通過控制標準儀表輸出功率,實現(xiàn)0 dB～30 dB范圍、步進0.5 dB的高精度衰減控制。儀表衰減信號有利于減小上變頻后信號間的串擾,提升信號品質(zhì)和功率的穩(wěn)定性。衰減器衰減通過在微波鏈路單元添加數(shù)控衰減器來實現(xiàn)大范圍衰減控制。數(shù)控衰減器衰減范圍為0 dB～70 dB,步進為10 dB。兩種方法相結(jié)合能夠滿足不同激勵信號源功率衰減的需求,并可通過編程實現(xiàn)功率衰減的自動化控制。

(4)信號合成分配組件

信號合成分配組件由開關(guān)和功率合成器組成,實現(xiàn)通道間輸出信號的合成與切換。通過切換開關(guān)能靈活配置輸出信號的合成形式。在真實的作戰(zhàn)環(huán)境中,直波信號來自制導站,當導引頭接收目標回波時,可能會摻雜部分直波和外界干擾信號,通過配置該組件能滿足模擬作戰(zhàn)環(huán)境中復雜信號的需求。

3 信號源軟件設計

軟件是信號源系統(tǒng)控制和處理的中心,是人機交互的接口[6]。信號源不僅要實現(xiàn)直波、回波和干擾信號的輸出控制,也要具備與外界系統(tǒng)的通信能力。軟件開發(fā)選擇模塊化和層次化的設計思路,模塊之間采用并行處理方式,提高任務處理效率,減少響應時間。軟件設計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件設計結(jié)構(gòu)框圖

軟件按功能劃分為五個模塊：硬件驅(qū)動模塊、自檢功能模塊、校準功能模塊、環(huán)境配置模塊和通訊功能模塊。軟件啟動后進行相關(guān)驅(qū)動配置,對儀器和相關(guān)模塊進行自檢,如果相關(guān)模塊自檢出錯,則進行報錯顯示。完成自檢后,信號源按照初始配置輸出,直到收到更改指令。軟件流程如圖3所示。信號源與控制系統(tǒng)通信采用應答模式,對通信中發(fā)生的丟包事件采用報警機制,來確保通信的可靠性[7]。

圖3 軟件工作流程圖

軟件設計通過Lab VIEW預先建立被測導引頭的編碼信號并產(chǎn)生波形數(shù)據(jù),將波形數(shù)據(jù)加載到存儲器,根據(jù)程控命令輸出。軟件采用自上而下層次化、模塊化設計,極大地提高了開發(fā)效率和可靠性。模塊化設計便于功能擴展和系統(tǒng)維護,符合軟件工程設計原則。系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件界面

4 技術(shù)參數(shù)

為了驗證信號源輸出信號質(zhì)量,利用頻譜儀和功率計對輸出信號進行測量,連接示意圖如圖5所示。利用射頻電纜分別連接信號源三個輸出端口,控制信號源輸出,觀察信號輸出情況。

圖5 測試示意圖

經(jīng)試驗驗證：信號源工作頻點±6 MHz通帶內(nèi)直波干擾抑制比不小于50 dB;工作頻點±20 k Hz以內(nèi)回波干擾抑制比不小于50 dB;工作頻點±20 k Hz以內(nèi)雜波干擾抑制比不小于50 dB;多普勒可調(diào)范圍為0 Hz～250 k Hz;相位噪聲為-100 dBc/Hz@6 k Hz;衰減最小步進為0.5 dB;衰減誤差為±0.5 dB。信號源輸出信號滿足測試系統(tǒng)要求,可運用于產(chǎn)品調(diào)試。

5 結(jié)束語

本文設計了一種通用半主動雷達導引頭信號源。該信號源能模擬半主動雷達導引頭測試所需的微波信號,具有相位噪聲低、雜散抑制效果好、頻譜純凈的特點,能夠?qū)崿F(xiàn)輸出通道的信號頻率切換,功率放大、衰減、合成等功能。信號源已經(jīng)應用于導引頭產(chǎn)品調(diào)試,各項性能表現(xiàn)良好。