陳章龍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

1 概 述

為了提高復(fù)雜環(huán)境中對(duì)綜合電磁態(tài)勢(shì)的感知能力，下一代電子偵察設(shè)備必須大力提高復(fù)雜電磁環(huán)境下的接收、處理和識(shí)別能力。提高這些能力的基礎(chǔ)就是要提高偵察設(shè)備的靈敏度。

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20個(gè)世紀(jì)70年代，美國(guó)海軍研制了AN/SLQ-32電子對(duì)抗系統(tǒng)，用于其水面艦艇防御。如今戰(zhàn)場(chǎng)上面臨的電磁威脅早已發(fā)生了翻天覆地的變化：各種新式雷達(dá)和反艦導(dǎo)彈的數(shù)量日益增加，雷達(dá)抗偵察抗干擾體制逐步完善，讓老式裝備捉襟見肘。因此在2002年美國(guó)海軍啟動(dòng)了“水面電子戰(zhàn)改進(jìn)項(xiàng)目(SEWIP)”，以增強(qiáng)電子戰(zhàn)作戰(zhàn)的能力，應(yīng)對(duì)下一代雷達(dá)和反艦導(dǎo)彈的威脅。主要改進(jìn)包括：

(1) 采用新型寬帶數(shù)字接收機(jī)替代老式SLQ-32的電子支援；

(2) 改進(jìn)了電子支援天線，提高了天線的增益；

(3) 改進(jìn)了信號(hào)處理算法；

(4) 采用VPX體系架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)方式，使未來(lái)的升級(jí)工作更加簡(jiǎn)便[1]。

其中(1)、(2)的主要目的就是提高電子戰(zhàn)偵察設(shè)備的靈敏度。據(jù)網(wǎng)絡(luò)上了解，美軍寬帶偵察設(shè)備靈敏度已經(jīng)達(dá)到-70 dBm。

匯總調(diào)查結(jié)果，國(guó)外新老SLQ-32偵察設(shè)備靈敏度指標(biāo)如表1所示。

表1 新老SLQ-32偵察設(shè)備靈敏度指標(biāo)比較

1.2 偵察靈敏度提高的瓶頸

對(duì)于偵察設(shè)備來(lái)說(shuō)，靈敏度是由兩支路共同決定的，一個(gè)是測(cè)頻支路，另一個(gè)是測(cè)向支路，系統(tǒng)的靈敏度是由2個(gè)支路中靈敏度低的那個(gè)支路決定的。在每個(gè)支路中決定靈敏度高低的主要是三大分機(jī)：天線分機(jī)、微波分機(jī)和接收分機(jī)。

如果以美國(guó)新式SLQ-32為追趕目標(biāo)，滿足-70 dB以上靈敏度的指標(biāo)要求，老式的偵察設(shè)備需要做出很大的改進(jìn)：首先瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)由于體制原因，其靈敏度提升能力受限，并且同時(shí)到達(dá)信號(hào)功率相近時(shí)測(cè)頻容易出錯(cuò)。因此選擇一個(gè)新式寬帶測(cè)頻接收機(jī)，才能適應(yīng)新的偵察靈敏度需求。其次，提高天線增益，降低微波通路噪聲系數(shù)，同時(shí)在測(cè)向支路選擇靈敏度更高的檢波對(duì)數(shù)視頻放大器(DLVA)模塊等，也成了改善偵察靈敏度的關(guān)鍵所在。

2 靈敏度提升設(shè)計(jì)思路

根據(jù)偵察機(jī)靈敏度公式可知，偵察機(jī)靈敏度主要取決于以下幾個(gè)因素：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNR-D

(1)

式中:Prmin為接收機(jī)靈敏度，單位為dBm；B為接收機(jī)中頻帶寬，單位為MHz；F為微波前端噪聲系數(shù)，單位為dB；σSNR為檢測(cè)或處理所需要的最低信噪比，單位為dB；D為天線增益，單位為dB。

因此提升偵察機(jī)靈敏度有4種方式：

(1) 降低接收機(jī)的瞬時(shí)帶寬

其本質(zhì)在于通過(guò)降低偵察的頻率截獲概率，提升接收機(jī)的靈敏度。通過(guò)公式(1)可知，在其他因素不變的條件下，接收機(jī)中頻帶寬B每下降50%則接收機(jī)靈敏度提升3 dB。因此若需要保持偵察機(jī)的頻率截獲概率不變，那么每增加3 dB靈敏度需要接收機(jī)鏈路硬件增加1倍。

(2) 降低微波鏈路的噪聲系數(shù)

降低微波鏈路噪聲系數(shù)一般需要微波鏈路前置、前級(jí)采用低噪聲放大器、超低溫傳導(dǎo)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)用這種方式提升靈敏度的程度有限，難度較大，成本最高，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備改動(dòng)較多，因此一般來(lái)說(shuō)不是設(shè)計(jì)首選[2]。

(3) 降低檢測(cè)所需的最低信噪比

在一定帶寬范圍內(nèi)，接收機(jī)一般采用時(shí)間積累的方式提升信號(hào)的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)降低檢測(cè)所需要的信噪比。但是這種提升方式也有相應(yīng)的缺陷，比如不適用于大帶寬、窄脈沖雷達(dá)信號(hào)，因此對(duì)于通用型雷達(dá)信號(hào)接收裝置提升程度有限。

(4) 增加天線的增益

由于提升天線增益的本質(zhì)在于降低天線的波束寬度：天線增益每提升3 dB，天線波束寬度便下降50%。而天線波束寬度的降低會(huì)影響偵察機(jī)的空域截獲概率，因此若需要保持偵察機(jī)的空域截獲概率不變，那么每增加3 dB靈敏度需要偵察機(jī)鏈路硬件增加1倍。

通過(guò)以上分析可知，偵察機(jī)靈敏度的提升是一個(gè)多維度的權(quán)衡設(shè)計(jì)，需要充分考慮偵察機(jī)的使用需求、設(shè)計(jì)成本、現(xiàn)有約束后，采用較優(yōu)的方式去實(shí)現(xiàn)。

3 一種寬帶偵察靈敏度提升方案設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)頻支路方案選擇

圖1為寬帶偵察機(jī)測(cè)頻支路工作原理框圖。由1.2節(jié)可知，傳統(tǒng)的10 GHz超寬帶偵察測(cè)頻接收機(jī)靈敏度為-60 dBm左右，其中天線采用全向天線,增益為-5 dB，微波噪聲系數(shù)為6 dB，所采用瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)需要的最低信噪比為3 dB。

圖1 寬帶偵察機(jī)測(cè)頻支路工作原理

為了以最小代價(jià)提升整機(jī)靈敏度，本文從測(cè)頻天線設(shè)計(jì)和接收機(jī)設(shè)計(jì)2個(gè)角度出發(fā)，提出一種新的設(shè)計(jì)方式，去改善偵察測(cè)頻鏈路靈敏度，具體方案選擇如下。

3.1.1 測(cè)頻天線的設(shè)計(jì)

測(cè)頻天線采用6只寬波束喇叭天線覆蓋360°空域。間隔180°的2個(gè)天線進(jìn)行射頻合成，共合成3路輸出。測(cè)頻單元采用60°恒波束喇叭天線，天線示意圖如圖2所示。

圖2 寬波束喇叭天線模型

6只喇叭合路輸出示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)頻天線排列示意圖

寬波束喇叭天線計(jì)算增益大于8 dB，去除極化損耗，則天線增益大于5 dB。波束寬度則恒定在60°左右。兩路通過(guò)合路器合成，將會(huì)產(chǎn)生3.5～4 dB的功分損耗。綜上，測(cè)頻天線最終增益約為0～1 dB之間，相比全向天線增益提升5～6 dB。

3.1.2 測(cè)頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)

單比特?cái)?shù)字化接收機(jī)是一種通過(guò)降低采樣比特位、簡(jiǎn)化傅里葉變換計(jì)算以獲取大帶寬和實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力的新型測(cè)頻接收機(jī)。由于其比特?cái)?shù)很低，所以采樣率可以做得很高，采集數(shù)據(jù)由于只有1個(gè)比特位，所以可以把測(cè)頻過(guò)程中快速傅里葉變換(FFT)的乘法運(yùn)算優(yōu)化成加法運(yùn)算，這樣就可以大大減少計(jì)算量，降低了接收機(jī)對(duì)硬件的需求，其工作原理如圖4所示。

圖4 單比特接收機(jī)工作原理

如圖4所示，首先把射頻信號(hào)通過(guò)變頻轉(zhuǎn)化成0～10 GHz的中頻信號(hào)；然后通過(guò)20 Gsps單比特采樣模塊輸出的高速采樣數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)中進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)接收包括對(duì)ADC產(chǎn)生數(shù)據(jù)加擾、幀對(duì)齊、降速等；得到的采樣數(shù)據(jù)流進(jìn)MonibitFFT模塊進(jìn)行256點(diǎn)的FFT運(yùn)算(MonibitFFT運(yùn)算是將核函數(shù)在近似圓上取8點(diǎn)簡(jiǎn)化值)；接著在傅里葉變換結(jié)果中進(jìn)行最大譜峰搜索，得到峰值譜線對(duì)應(yīng)的位置，并將峰值譜線的復(fù)數(shù)信息選擇出來(lái)進(jìn)行相位信息的提取，這個(gè)過(guò)程就相當(dāng)于256通路的信道化；最后把信號(hào)所在信道的相位信息送給瞬時(shí)測(cè)頻模塊進(jìn)行頻率測(cè)量。

由經(jīng)驗(yàn)可知，滿足測(cè)頻精度1 MHz以內(nèi)、99%以上概率測(cè)頻正確，需要信噪比要大于15 dB[1]。256路信道化可以提升24 dB的信噪比(注：10lg(256)=24 dB)，那么單比特接收機(jī)輸入前端需要信號(hào)的信噪比只需要達(dá)到-9 dB，相比瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)靈敏度提升了12 dB。

3.1.3 測(cè)頻支路靈敏度計(jì)算

將帶寬B=10 GHz，噪聲系數(shù)F=6 dB，檢測(cè)或處理所需要的最低信噪比σSNR=-9 dB，天線增益D=0 dB，代入整機(jī)靈敏度公式，得：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNR-D=

-77(dBm)

因此整個(gè)鏈路的靈敏度為-77 dBm，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了明顯的提升。

3.2 測(cè)向支路方案選擇

圖5為寬帶偵察機(jī)測(cè)向支路工作原理框圖。由1.2節(jié)可知，傳統(tǒng)的超寬帶偵察測(cè)向接收機(jī)靈敏度為-69 dBm左右，其中天線采用多波束透鏡增益為8 dB，微波噪聲系數(shù)為6 dB，DLVA的檢測(cè)靈敏度為-70 dBm，測(cè)向接收機(jī)的檢測(cè)門限設(shè)定為3 dB。

圖5 寬帶偵察機(jī)測(cè)向支路工作原理

可見測(cè)頻支路的靈敏度提升大致有2種方式：

(1) 提高測(cè)向天線的增益，即提高測(cè)向天線的數(shù)量。

(2) 改善DLVA前端微波電路的噪聲系數(shù)。

提高測(cè)向天線增益帶來(lái)的靈敏度提升是最直接的。但是如果僅考慮在原有偵察設(shè)備基礎(chǔ)上改進(jìn)，這個(gè)方案需要改變天線結(jié)構(gòu)、微波鏈路、測(cè)向接收機(jī)等，經(jīng)濟(jì)成本巨大，最多也就能為整機(jī)提高4 dB的靈敏度，性價(jià)比不高。而通過(guò)在前端添加低噪聲放大器和濾波器的形式可以有效提高DLVA的靈敏度。

3.2.1 微波鏈路的設(shè)計(jì)

通過(guò)分析原微波鏈路的缺陷，根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)綜合判定，原設(shè)計(jì)鏈路中至少有2～3 dB的信噪比可以提升。因此選擇在鏈路前增加低噪聲放大器和濾波器，達(dá)到微波鏈路整體提升。具體方案如圖6所示，其中前3個(gè)框?yàn)樾绿砑拥奈⒉ㄆ骷?/p>

圖6 DLVA組件原理框圖

經(jīng)過(guò)如上改進(jìn)，整個(gè)微波鏈路靈敏度提升約3 dB，微波前端噪聲系數(shù)下降至3 dB。

3.2.2 測(cè)頻支路靈敏度計(jì)算

根據(jù)上節(jié)描述可知，改進(jìn)后天線增益為8 dB，微波噪聲系數(shù)為3 dB，DLVA的靈敏度為-70 dB，接收機(jī)的檢測(cè)門限為高于靈敏度3 dB。因此整機(jī)的測(cè)頻鏈路靈敏度為：

Prmin=(-8)+(-70)+3+3=-72(dBm)

3.3 整機(jī)靈敏度總結(jié)

根據(jù)3.1和3.2節(jié)中的分析，整機(jī)測(cè)頻靈敏度為-78 dBm，測(cè)向鏈路的靈敏度為-72 dBm，因此整機(jī)靈敏度為-72 dBm，相比原設(shè)計(jì)提高12 dB。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試布置示意圖見圖7，測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)測(cè)試需求控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)上放置了單舷的接收天線陣進(jìn)行測(cè)試。

圖7 示意圖

輻射源距離天線座0.15 m左右，角度約為260°，信號(hào)源通過(guò)電纜連接到標(biāo)準(zhǔn)的3315喇叭上，喇叭正對(duì)著天線座。信號(hào)源發(fā)射信號(hào)通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)源，漸漸降低信號(hào)源輻射功率(靈敏度附近0.5 dB一檔降低)，直到偵察設(shè)備偵收的五大參數(shù)中有任何參數(shù)不滿足指標(biāo)要求,記錄最低的滿足要求的信號(hào)源功率。

測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖如圖8所示。圖8中橫坐標(biāo)為0～10 GHz帶寬內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)，縱坐標(biāo)為該頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收機(jī)靈敏度。可見，10 GHz帶寬內(nèi)的點(diǎn)均達(dá)到-70 dB以上的靈敏度。

圖8 靈敏度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外偵察設(shè)備的靈敏度現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)設(shè)備靈敏度設(shè)計(jì)瓶頸；通過(guò)靈敏度公式分析了靈敏度提升的本質(zhì)和基本思路；然后在多維度制約下，設(shè)計(jì)了一種性價(jià)比較高、提升幅度較大的寬帶偵察機(jī)靈敏度提升方案；在文章的最后給出了實(shí)物測(cè)試的方案和測(cè)試的結(jié)果，從而驗(yàn)證了該方案的可行性。