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        一種雷達偵察裝備測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

        2019-08-26 05:04:44陸文駿
        無線電工程 2019年9期
        關(guān)鍵詞:單脈沖閉環(huán)控制雷達

        陸文駿,韋 穎

        (安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

        0 引言

        雷達偵察裝備是戰(zhàn)場實施電磁信號偵測的主要裝備[1]。目前,西方發(fā)達國家裝備的雷達偵察系統(tǒng)已經(jīng)建立起一套測試和裝備訓(xùn)練體系,并已經(jīng)有專用的測試、訓(xùn)練系統(tǒng),進行有針對性的現(xiàn)場測試或訓(xùn)練。國外一般采用直接模擬特定雷達信號的方式進行測試或訓(xùn)練[2]。由于保密等原因,國外相關(guān)裝備的具體指標(biāo)和能同時用于裝備訓(xùn)練及現(xiàn)場測試的系統(tǒng)未見報道。目前,國內(nèi)相關(guān)研究存在的問題是:頻段覆蓋面小,功能單一,不能全面地對輻射源識別、測向等指標(biāo)進行測試[3-5];不能模擬真實的雷達環(huán)境,缺乏通用性[6-7];測試技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展跟不上雷達偵察裝備的發(fā)展水平,變頻時間等指標(biāo)不能滿足現(xiàn)代雷達偵察裝備測試和訓(xùn)練的要求;也沒有可同時完成測試和訓(xùn)練任務(wù)的相關(guān)設(shè)備。

        本文設(shè)計并研制了一種具有現(xiàn)場伴隨測試能力的雷達偵察裝備測試與訓(xùn)練系統(tǒng)。在深入分析現(xiàn)役雷達偵察裝備性能特點的基礎(chǔ)上,提出了信號產(chǎn)生部分與控制部分空間分離、由軟件部分協(xié)同的無線控制閉環(huán)在線測試的系統(tǒng)研究思路。

        1 系統(tǒng)工作原理

        本系統(tǒng)使用無線閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),從功能上可分為信號控制、信號產(chǎn)生和軟件3部分。信號產(chǎn)生部分位于距離被測裝備適當(dāng)距離處(一般為100~1 000 m),系統(tǒng)的控制部分則與被測裝備放在一起,信號控制、信號產(chǎn)生和被測裝備形成一個無線閉環(huán)結(jié)構(gòu)??刂菩盘柾ㄟ^無線傳輸方式從控制計算機傳送到信號產(chǎn)生部分,而用于測試的信號通過空間耦合的方式,從雷達偵察裝備天線注入。這種結(jié)構(gòu)可使系統(tǒng)具有良好的操作性,提高測試的效率。系統(tǒng)工作時,控制部分置于被測裝備端,系統(tǒng)與裝備操作人員互相配合完成測試工作。首先根據(jù)測試目的,在控制計算機上生成測試方案,根據(jù)此方案,由控制計算機編輯設(shè)定一定的雷達信號場景,然后通過無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)控制雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng),產(chǎn)生此信號場景并作用于雷達偵察裝備,雷達偵察裝備對此信號場景進行接收后,可將接收結(jié)果與設(shè)定值進行對比分析,以實現(xiàn)性能測試。

        2 系統(tǒng)框架及組成

        本系統(tǒng)主要供雷達偵察裝備現(xiàn)場測試與訓(xùn)練使用,功能設(shè)計主要考慮了雷達偵察裝備自身的特點、性能指標(biāo)體系以及測試和訓(xùn)練的基本要求。對雷達偵察裝備的測試涉及裝備的很多性能指標(biāo),但用戶更看重的是裝備的作戰(zhàn)使用性能指標(biāo)[8],故雷達偵察裝備的輻射源識別與測向性能的測試就顯得尤為重要。因此,本系統(tǒng)從用戶實際需要出發(fā),立足于基層級維修與測試,著眼于裝備平時主要性能的測試,選擇輻射源識別與測向性能作為主要測試指標(biāo),同時系統(tǒng)應(yīng)具備通用指標(biāo)的測試以及輔助維修等功能。

        在訓(xùn)練方面,由于傳統(tǒng)的訓(xùn)練輔助設(shè)備多是將信號從裝備的中頻注入,操作人員在接受訓(xùn)練時很容易對信號的真實度產(chǎn)生懷疑,因而很難產(chǎn)生臨場感覺,不能培養(yǎng)其戰(zhàn)斗意識和敵情觀念,部分射頻模擬設(shè)備信號形式單一,頻點少,不能模擬較復(fù)雜的電磁環(huán)境,這也大大降低了訓(xùn)練效果[9-12]。通過產(chǎn)生多波段、多樣式和多路復(fù)雜雷達信號場景,將信號從天線注入雷達偵察裝備,逼真度高,信號形式復(fù)雜,對參訓(xùn)人員的裝備熟悉程度以及操作熟練程度等都會產(chǎn)生極大的推動作用。

        本系統(tǒng)主要由雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)、無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A、無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)B、控制計算機、分波段天線和功率擴展分系統(tǒng)等組成,系統(tǒng)框架及組成如圖1所示。能實現(xiàn)自檢、工作方式設(shè)定、基本參數(shù)調(diào)節(jié)、雷達偵察裝備參數(shù)測試、信號分選能力測試、復(fù)雜電磁環(huán)境設(shè)置與模擬、數(shù)據(jù)通信與無線閉環(huán)控制、測向性能測試及寬帶功率擴展等功能。

        圖1 系統(tǒng)框架及組成

        2.1 雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)

        雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵部分,主要功能是在主控程序控制下,對系統(tǒng)設(shè)備各分系統(tǒng)進行狀態(tài)控制,生成預(yù)定的各種雷達信號,由寬帶天線通過空間輻射,實時仿真雷達的電磁信號環(huán)境,用來檢驗和測試?yán)走_偵察裝備的性能。本系統(tǒng)在設(shè)計上采用微機控制多路直接數(shù)字合成(DDS)組件產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)雷達中頻信號,使用直接頻率合成的方法產(chǎn)生寬帶多路小步進頻率源,中頻信號對本振信號進行直接上變頻合成,產(chǎn)生真實的分波段雷達射頻信號,經(jīng)功率放大后饋送至分波段天線,由天線輻射至空間供雷達偵察裝備接收分析。采用這種方法,不僅可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的雷達信號,而且可以獲得較高的信號質(zhì)量。要在倍頻程帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生各種類型的雷達信號波形,通過編程方式對信號載波、脈寬、重頻、脈內(nèi)調(diào)制形式及輸出RF電平等參數(shù)任意組合設(shè)置,形成要求的雷達信號場景,就必須在一個系統(tǒng)中同時產(chǎn)生寬頻帶、多種工作方式、多種類型的雷達信號(即各種型號的雷達波形)。因此,采用模塊化、系列化的方式進行系統(tǒng)設(shè)計配置,并且采用DDS技術(shù)[13-14]、規(guī)范的高速數(shù)控接口和機內(nèi)總線技術(shù)、高性能的超寬帶、捷變頻綜源技術(shù)和超寬帶微波電路技術(shù)等來完成雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)的設(shè)計。雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)由主控模塊、激勵源模塊、上變頻模塊、可編程幅度控制模塊、頻率合成模塊、功率放大模塊和電源模塊等3部分組成。

        雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)的組成原理如圖2所示。該分系統(tǒng)的主要功能有:

        ① 開機自檢,并將自檢結(jié)果經(jīng)無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A傳送至控制計算機;

        ② 通過無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A、B與計算機進行信息交互,從計算機讀取控制信號并將設(shè)置信息反饋至計算機;

        ③ 在計算機的控制下,產(chǎn)生特定的標(biāo)準(zhǔn)信號,通過分波段天線輻射到空間供雷達偵察裝備接收分析。

        圖2 雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)的組成原理

        雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)在雷達工作的波段(S,C,X,Ku)上能根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的雷達信號技術(shù)參數(shù),同時產(chǎn)生4路不同制式的標(biāo)準(zhǔn)雷達信號,用于裝備的測試和訓(xùn)練。信號樣式主要有:脈沖雷達信號、頻率捷變雷達信號[15]、線性調(diào)頻雷達信號、連續(xù)波雷達信號、脈內(nèi)編碼雷達信號[16-17]、非線性調(diào)頻雷達信號[18]及巴克碼信號[19-20]等。

        2.2 無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)

        本系統(tǒng)采用射頻信號注入的方法對雷達偵察裝備進行測試和供用戶訓(xùn)練,為了適應(yīng)雷達偵察裝備的特殊工作環(huán)境和實時數(shù)據(jù)處理的需要,使用了無線閉環(huán)控制方法,整個系統(tǒng)分為信號控制部分和信號產(chǎn)生部分,其中信號產(chǎn)生部分與雷達偵察裝備保持一定距離,信號控制部分與雷達偵察裝備放在一起,二者之間通過無線通信方式進行數(shù)據(jù)交互。同時,為了對裝備測向性能進行測試,也需要在被測裝備與雷達信號產(chǎn)生分系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)交互,因此設(shè)計了無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)來完成這些功能。

        無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)可分為A、B兩部分,主要由調(diào)制電路、解調(diào)電路、單片機及天線等部分組成,通過串口分別與雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)和計算機相連接。無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

        圖3 無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

        無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A的功能包括:

        ①接收雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)的自檢和應(yīng)答信號參數(shù),并完成調(diào)制與發(fā)射。

        無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A可接收雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)通過串口傳來的應(yīng)答信號參數(shù),接收此數(shù)據(jù)后,在單片機中進行相應(yīng)的處理,形成基帶信號送往調(diào)制電路,經(jīng)射頻調(diào)制后由天線發(fā)射到無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)B。

        ②接收無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)B發(fā)射的雷達信號技術(shù)參數(shù)及相關(guān)應(yīng)答信號。

        無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A接收無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)B送來的控制命令技術(shù)數(shù)據(jù),實現(xiàn)解調(diào),并通過串口送給雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)。雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)根據(jù)控制命令產(chǎn)生特定的雷達信號并發(fā)射。

        ③接收GPS定位信號并進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后發(fā)射到無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)B。

        無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)B的功能包括:

        ① 接收無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A發(fā)射的應(yīng)答信號并傳送到控制計算機。

        ② 從控制計算機接收命令字,并將此信息調(diào)制后發(fā)射到無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A。

        ③ 接收由無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)A發(fā)送的坐標(biāo)信號并與本地坐標(biāo)聯(lián)合解算方位,并將此方位傳送到控制計算機。

        2.3 功率擴展分系統(tǒng)

        為了增加系統(tǒng)的作用距離和信號動態(tài)范圍,本系統(tǒng)除了在雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)中設(shè)計了23 dBm的功放,還設(shè)計了功率擴展分系統(tǒng)。功率擴展分系統(tǒng)可以在系統(tǒng)輸出的基礎(chǔ)上,將功率放大到33~40 dBm,使系統(tǒng)作用距離大大增加。在設(shè)計時,采用了分波段寬帶功率放大器作為功率擴展分系統(tǒng)的主要組件。

        2.4 控制計算機

        控制計算機為自帶串行RS232接口的便攜式計算機,主要功能是:通過無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)遠(yuǎn)場控制雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng);編輯設(shè)定雷達信號環(huán)境;分析測試結(jié)果;生成測試或訓(xùn)練方案,對裝備狀態(tài)進行評估等。

        2.5 軟件系統(tǒng)

        為解決自動測試方案生成,各分系統(tǒng)狀態(tài)協(xié)調(diào),通信保持不間斷無差錯等問題,系統(tǒng)構(gòu)建了多進程協(xié)同控制測試方案生成技術(shù)為核心的軟件框架,建立了雷達信號環(huán)境產(chǎn)生分系統(tǒng)狀態(tài)控制、測試方案生成、信息發(fā)送、差錯控制以及無線通信無線閉環(huán)控制分系統(tǒng)的狀態(tài)測試控制、通信鏈路建立等進程。系統(tǒng)開機后,軟件根據(jù)初始狀態(tài)協(xié)同要求設(shè)立進程控制器,該控制器按照進程消息、控制數(shù)據(jù)流和指令流,分別協(xié)同狀態(tài)協(xié)同進程、測試評估進程、通信進程、鏈路檢測進程、定位解析進程、數(shù)據(jù)庫管理進程、方案生成進程、波形編輯進程和消息管理進程進行工作,按照編輯設(shè)定的參數(shù)將系統(tǒng)各部分按照協(xié)議建立通信鏈路,生成所需的方案。

        3 系統(tǒng)試驗結(jié)果

        對本測試系統(tǒng)的功能進行試驗。部分試驗結(jié)果如圖4和表1所示。

        圖4 系統(tǒng)產(chǎn)生的典型信號

        表1 系統(tǒng)的性能試驗結(jié)果

        序號區(qū)分頻率/GHz脈沖寬度/μs脈沖周期/μs信號形式測試衰減測試結(jié)果1設(shè)定值2.005600單脈沖-30合格測量值2.000 05600單脈沖10合格2設(shè)定值2.633800單脈沖-30合格測量值2.630 13800單脈沖10合格3設(shè)定值5.0012600單脈沖-30合格測量值5.000 012600單脈沖10合格4設(shè)定值7.25601 000單脈沖-30合格測量值7.250 0601 000單脈沖-30合格5設(shè)定值9.0030400單脈沖-30合格測量值9.000 030400單脈沖9合格6設(shè)定值11.8325700單脈沖-30合格測量值11.830 025700單脈沖10合格7設(shè)定值13.0040800單脈沖-30合格測量值13.000 040800單脈沖9合格8設(shè)定值17.99501 000單脈沖-30合格測量值17.990 0501 000單脈沖8合格

        測試結(jié)果表明,本系統(tǒng)設(shè)計合理,信號質(zhì)量高,實現(xiàn)了4路不同波段不同體制的雷達信號同時輸出。

        4 結(jié)束語

        本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠完成雷達偵察裝備的參數(shù)測試結(jié)論、性能分析;能夠完成雷達信號分選、偵收時間性能、測向性能的測試;能夠?qū)Ω黝惱走_偵察裝備進行科學(xué)評估,從而滿足雷達偵察裝備基層級維修測試的需要,并為雷達偵察裝備的現(xiàn)場測試提供了切實可行的手段。

        下一步將加大對非常規(guī)雷達頻段、制式和信號產(chǎn)生方式、以及對通信對抗偵察裝備、光電對抗偵察裝備的基層級測試方法和訓(xùn)練手段的研究和牽引力度,研究更多頻段、更多信號形式的測試與訓(xùn)練系統(tǒng),為研制對抗偵察裝備的綜合測試系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

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