吳 健，何曉明，朱曉錦

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802；2.上海大學(xué)，上海 200072)

0 引 言

電子偵察設(shè)備可對(duì)敵方電子設(shè)備的電磁輻射源信號(hào)進(jìn)行搜索、截獲、識(shí)別、分析和定位，為實(shí)施電子干擾、電磁防御、輻射源打擊提供戰(zhàn)術(shù)電子情報(bào)支持[1]。機(jī)載電子偵察設(shè)備有著機(jī)動(dòng)性好、探測(cè)距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，多年來(lái)一直是多國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的武器裝備。為了適應(yīng)日益復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需求，機(jī)載電子偵察設(shè)備正朝著偵察目標(biāo)多樣化、功能齊全化、處理智能化的方向發(fā)展[2]。這一發(fā)展也使得電子偵察設(shè)備對(duì)載機(jī)的裝機(jī)空間、重量、功耗和散熱提出了更高要求。為了保證電子偵察設(shè)備有良好的裝機(jī)適應(yīng)性，勢(shì)必開(kāi)展電子偵察設(shè)備的綜合化、一體化設(shè)計(jì)[3-4]。正是基于上述背景，本文進(jìn)行了雷達(dá)與通信信號(hào)一體化測(cè)向技術(shù)研究。雷達(dá)偵察與通信偵察通過(guò)天線陣列、接收前端、校正源等資源的復(fù)用，極大地縮減了裝機(jī)設(shè)備量，使得機(jī)載電子偵察設(shè)備的體積、重量、功耗等指標(biāo)得到了極大縮減，具有了更好的裝機(jī)適應(yīng)性。

1 需求分析及總體設(shè)計(jì)

為了研究雷達(dá)與通信信號(hào)一體化測(cè)向技術(shù)，首先必須對(duì)雷達(dá)與通信信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。雷達(dá)與通信信號(hào)在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上存在有明顯的差異，但是隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，二者已經(jīng)日趨相同。為了更好地理解雷達(dá)與通信信號(hào)，本文將從功能、信號(hào)工作頻段、功率等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

(1) 功能

雷達(dá)的主要目的是確定探測(cè)目標(biāo)的位置、速度、類型等屬性，通信的目的是以電磁波為載體傳遞有用信息。現(xiàn)代武器裝備大多同時(shí)裝備雷達(dá)、通信等電子設(shè)備。采用雷達(dá)與通信一體化測(cè)向技術(shù)，可以同時(shí)從雷達(dá)和通信2個(gè)領(lǐng)域?qū)ν晃淦髌脚_(tái)進(jìn)行測(cè)向定位，可以大幅度提高偵察效率和偵察置信度。

(2) 工作頻段

國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì)雷達(dá)設(shè)備和通信設(shè)備所使用的工作頻段有嚴(yán)格的劃分，常規(guī)雷達(dá)工作頻段及用途如表1所示。

表1 常規(guī)雷達(dá)工作頻段和用途

通信信號(hào)占據(jù)的工作頻段主要分布在高頻(3～30 MHz)、甚高頻(30～300 MHz)和特高頻(225～400 MHz)。還有部分專用數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航信號(hào)分布在L頻段。

綜合上述分析，在VHF、UHF、L頻段，通信信號(hào)和雷達(dá)信號(hào)工作頻段有重疊，可開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)工作。綜合考慮天線尺寸因素，最終在L頻段開(kāi)展雷達(dá)與通信信號(hào)一體化測(cè)向工作。

(3) 功率

雷達(dá)設(shè)備和通信設(shè)備由于在功能上有著明顯區(qū)別，二者在輻射功率上也存在著明顯的不同。雷達(dá)輻射的功率一般都比較大，遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的輻射功率可達(dá)兆瓦量級(jí)；通信信號(hào)的功率相比雷達(dá)就很小了，像手機(jī)輻射功率就是毫瓦級(jí)，電臺(tái)信號(hào)也不會(huì)超過(guò)百瓦級(jí)別。因此，電子偵察設(shè)備在對(duì)雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)的偵察靈敏度上也存在較大差異，通信偵察靈敏度和雷達(dá)偵察靈敏度相差達(dá)30 dB。在開(kāi)展雷達(dá)與通信信號(hào)一體化測(cè)向時(shí)，需重點(diǎn)考慮天線的極化匹配、微波設(shè)備的噪聲系數(shù)等影響系統(tǒng)靈敏度的指標(biāo)。

由上述分析可以看出，雷達(dá)與通信信號(hào)一體化偵察意義重大。從功能、工作頻段、功率等幾個(gè)方面分析來(lái)看，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)也是可行的。雷達(dá)與通信信號(hào)一體化偵察測(cè)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從圖1可以看出，一體化測(cè)向系統(tǒng)的多數(shù)硬件是通用資源，要完成雷達(dá)與通信信號(hào)一體化測(cè)向，重點(diǎn)是完成天線陣列、接收前端的共用設(shè)計(jì)。

2 天線陣列一體化設(shè)計(jì)

干涉儀測(cè)向有著測(cè)向精度高、工作頻段寬、響應(yīng)時(shí)間快、設(shè)備量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)載電子偵察設(shè)備中大多數(shù)采用干涉儀測(cè)向體制[5-6]。本文的雷達(dá)與通信信號(hào)一體化測(cè)向技術(shù)體制也采用干涉儀。干涉儀測(cè)向的工作原理圖如圖2所示。

圖2 干涉儀測(cè)向工作原理圖

在圖2中，若某一輻射源平面波信號(hào)從與天線視軸夾角為θ方向輻射到天線單元上，它到達(dá)天線A、B的相位差為：

(1)

可得入射波的方向?yàn)?

(2)

測(cè)向誤差為：

(3)

從式(3)可以看出，基線越長(zhǎng)，測(cè)向精度越高。

最大無(wú)模糊視角為：

(4)

從式(4)可以看出,基線越長(zhǎng)，無(wú)模糊視角越小。

從上面的分析可以看出，測(cè)向精度和無(wú)模糊視角是一對(duì)矛盾。傳統(tǒng)的多基線干涉儀、短基線解模糊、長(zhǎng)基線提升測(cè)向精度在一定條件下解決了這一對(duì)矛盾；但是對(duì)于電子偵察設(shè)備這樣的寬頻段測(cè)向系統(tǒng)，在高頻段要解模糊，要求短基線的尺寸比天線單元的直徑小，這在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的[7-8]。為了克服這一問(wèn)題，本文中采用虛擬多基線解模糊來(lái)平衡測(cè)向精度和無(wú)模糊視角這對(duì)矛盾。虛擬基線的原理是：通過(guò)多組實(shí)基線的相位作差獲取一個(gè)最短基線的相位差，此時(shí)多組實(shí)基線的差值就是最短基線值,然后利用最短基線逐次解模糊，最終通過(guò)最長(zhǎng)基線獲取信號(hào)的波達(dá)方向，其原理如圖3所示。

圖3 虛擬基線原理圖

在圖3中，系統(tǒng)的無(wú)模糊視角不再由最短實(shí)基線d2決定，變成由虛擬基線d1確定，此時(shí)的無(wú)模糊區(qū)域變?yōu)椋?/p>

(5)

從式(5)可以看出，無(wú)模糊區(qū)域得到了明顯擴(kuò)大。

在工程實(shí)際中，天線互耦、基線安裝誤差、通道間相位不一致性等諸多因素都會(huì)影響虛擬基線解模糊;因此，虛擬基線在實(shí)際運(yùn)用中，也需要給各個(gè)環(huán)節(jié)留有足夠的余量，確保虛擬基線能夠正常工作。

在測(cè)向精度要求一定、工作頻段范圍已知、相位誤差已設(shè)定的情況下，由公式(3)便可以確定出最長(zhǎng)基線d6應(yīng)滿足的公式如下：

(6)

由公式(4)可以確定出最短基線尺寸應(yīng)該滿足：

(7)

逐級(jí)解模糊相鄰兩級(jí)的基線應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(8)

依據(jù)式(8)，通過(guò)逐級(jí)迭代，獲取各級(jí)基線長(zhǎng)度。

在0.38～2 GHz頻段，空域范圍：法線兩側(cè)±45°設(shè)計(jì)了雷達(dá)與通信信息共用測(cè)向陣列，其測(cè)向誤差仿真如圖4所示。天線單元兼顧了通信偵察對(duì)垂直極化的高增益需求，采用高增益圓極化天線單元，其模型如圖5所示。

圖4 干涉儀測(cè)向誤差曲線

圖5 天線單元模型圖

將圖4中的仿真數(shù)據(jù)代入下式：

(9)

計(jì)算可得干涉儀在邊界點(diǎn)的測(cè)向精度如下：

σr.m.s≈0.61°

3 接收前端一體化設(shè)計(jì)

接收機(jī)靈敏度能夠考核偵察系統(tǒng)接收小信號(hào)的能力，主要由接收機(jī)的噪聲系數(shù)、基帶單元解調(diào)對(duì)中頻信號(hào)的信噪比需求、解調(diào)信號(hào)的帶寬三者共同決定，其計(jì)算公式為：

Smin=-114+10lgB+10lgF

(10)

從式(10)可以看出，系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)接收能力的惡化主要是因?yàn)樾旁氡鹊膼夯?，在接收信?hào)大小一定、帶寬一定的前提條件下，信噪比主要受加性白噪聲的影響，它反映了接收機(jī)的噪聲系數(shù)。相位噪聲也會(huì)影響接收信號(hào)的質(zhì)量，但相對(duì)于加性白噪聲而言，微乎其微。系統(tǒng)噪聲系數(shù)F計(jì)算如下：

(11)

式中：Gi為第i級(jí)的放大系數(shù)，無(wú)單位(倍數(shù)值)；Fi為第i級(jí)的噪聲系數(shù)，無(wú)單位(倍數(shù)值)。

從公式(11)可以看出，噪聲系數(shù)主要取決于第1級(jí)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，因此系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于接收前端內(nèi)的選通開(kāi)關(guān)、放大器、濾波器等組件及元器件的參數(shù)。

接收前端主要完成信號(hào)的通道選擇、放大、功分、濾波、增益控制、均衡、故障檢測(cè)等功能。通信偵察射頻通道的仿真分析見(jiàn)圖6。雷達(dá)偵察射頻通道的仿真分析見(jiàn)圖7。

圖7 雷偵通道仿真

當(dāng)通信信號(hào)帶寬為10 MHz時(shí)，由圖6的仿真結(jié)果可以計(jì)算出接收機(jī)靈敏度為-96.8 dBm。

當(dāng)雷達(dá)信號(hào)帶寬為400 MHz時(shí)，由圖7的仿真結(jié)果可以計(jì)算出接收機(jī)靈敏度為-73 dBm。

通過(guò)上述分析，一體化接收前端設(shè)計(jì)指標(biāo)完全可以滿足對(duì)多數(shù)偵察目標(biāo)的偵察。

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證一體化測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)向能力，在微波暗室對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

首先對(duì)L頻段內(nèi)-45°～+45°方向取235個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果誤差曲線如圖8所示。

圖8 雷達(dá)信號(hào)方位測(cè)試誤差曲線

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，L頻段雷達(dá)信號(hào)測(cè)向精度為0.89°(均方根誤差)。

而后對(duì)通信信號(hào)測(cè)向性能進(jìn)行測(cè)試，以2 000 MHz、正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制的常規(guī)通信信號(hào)作為被偵察信號(hào)，在-45°～+45°方向內(nèi)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試誤差曲線如圖9所示。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)向精度為0.58°(均方根誤差)。

綜合上述分析，天線陣列和接收前端完全可行，解模糊算法準(zhǔn)確有效，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)測(cè)向。

圖9 通信信號(hào)方位測(cè)試誤差曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)雷達(dá)信號(hào)與通信信號(hào)一體化測(cè)向進(jìn)行了需求分析，從功能、技術(shù)體制、工作頻段等幾個(gè)方面分析了一體化設(shè)計(jì)的可行性，并給出一體化測(cè)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。重點(diǎn)介紹了測(cè)向所采用的技術(shù)體制和天線單元布設(shè)所采用的虛擬基線設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真分析。對(duì)共用接收前端所應(yīng)注意的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析和仿真，最后通過(guò)暗室測(cè)試，對(duì)測(cè)向系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)論雷達(dá)信號(hào)還是通信信號(hào)的測(cè)向精度均優(yōu)于1°(均方根誤差)。