李 超 程 陽 孫繼康 王 樹

（江蘇自動化研究所 連云港 222061）

1 引言

水面艦艇在作戰(zhàn)過程中，會受到來自空中、水面、水下和岸上的多種威脅，其中高速反艦導(dǎo)彈等空中攻擊性武器的威脅最為致命。反艦導(dǎo)彈為了提高突防概率，開發(fā)了諸多突防方案，例如通過輻射管控來降低自身輻射電磁波，進(jìn)而降低被敵方截獲的概率，通過發(fā)射誘餌來擾亂敵方對來襲導(dǎo)彈的識別。此外，反艦導(dǎo)彈還可搭載偵察干擾設(shè)備載荷，在導(dǎo)彈突防中段或末段的關(guān)鍵時刻，對艦載對海對空搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、火控雷達(dá)以及防空導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)等裝備實施近距離偵察和干擾，破壞和削弱艦載雷達(dá)目標(biāo)探測、跟蹤和識別能力，在要求功率較小的情況下，起到良好的干擾效果［1～5］。

反艦導(dǎo)彈突防手段，尤其是彈載偵察干擾技術(shù)的大量運用，對艦載雷達(dá)裝備的發(fā)展提出了兩方面迫切的需求，一是如何改進(jìn)和提升各型艦載雷達(dá)的技戰(zhàn)術(shù)性能，提高其應(yīng)對彈載干擾設(shè)備的抗干擾能力；二是在艦載雷達(dá)瀕?？蒲屑白鲬?zhàn)試驗過程中，如何構(gòu)建貼近真實反艦導(dǎo)彈突防作戰(zhàn)場景，模擬突防過程中的復(fù)雜電磁干擾信號環(huán)境，為艦載雷達(dá)抗彈載干擾性能驗證、測試和評估提供真實可靠的試驗環(huán)境和試驗數(shù)據(jù)［6～8］。

本文針對艦載雷達(dá)瀕海試驗的需求，提出了一種彈載干擾模擬器的實現(xiàn)方案，利用高速無人靶機搭載偵察干擾一體化載荷，模擬藍(lán)方搭載彈載干擾機的反艦導(dǎo)彈目標(biāo)，可廣泛應(yīng)用于瀕海環(huán)境下艦載雷達(dá)抗干擾能力驗證及測試試驗。

2 彈載干擾模擬器的系統(tǒng)架構(gòu)

彈載干擾模擬器的設(shè)計基于數(shù)字儲頻（DRFM）技術(shù)體制，具備干擾靈活多樣、信號偵測精度高、假目標(biāo)多等特點，可實現(xiàn)同時收發(fā)、快速響應(yīng)、瞬時覆蓋超寬帶信號接收和現(xiàn)場編程控制等功能［9］。干擾模擬器采用模塊化和分體式設(shè)計，通過劃分特定功能和接口模塊，保證模塊之間的獨立性，也便于系統(tǒng)的組裝和調(diào)試。設(shè)備主要由高速無人靶機、偵察干擾一體化載荷、顯示控制設(shè)備和相關(guān)配件等組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈載干擾模擬器系統(tǒng)架構(gòu)框圖

在圖1中，偵察干擾一體化載荷是彈載干擾模擬器的核心部分，其主要由收發(fā)天線分系統(tǒng)、射頻收發(fā)組件分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)和無線通信模塊等組成。

收發(fā)天線分系統(tǒng)采用收發(fā)分時的方式，完成雷達(dá)信號的接收和干擾信號的發(fā)射，作為收發(fā)鏈路的終端，其性能優(yōu)劣直接影響整個設(shè)備的干擾效能。收發(fā)天線采用平面螺旋天線形式，具有工作頻帶寬、瞬時空域覆蓋廣、幅度相位一致性好且穩(wěn)定性高等特點［10］，作為圓極化天線的極化適應(yīng)性強，同時體積和重量也能滿足高速無人靶機安裝空間和載荷的限制。

射頻收發(fā)組件分系統(tǒng)分別與收發(fā)天線與信號處理分系統(tǒng)連接，可通過開關(guān)切換實現(xiàn)信號的接收下變頻處理，輸出中頻信號給信號處理分系統(tǒng)，也可將信號處理分系統(tǒng)輸出的中頻信號經(jīng)上變頻處理后，產(chǎn)生發(fā)射信號輸出到天線單元，同時產(chǎn)生各種本振信號和時鐘信號。

信號處理分系統(tǒng)由FPGA、DSP高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC等芯片構(gòu)成，主要完成外部輻射源信號的檢測、參數(shù)測量、威脅判斷、干擾信號產(chǎn)生以及系統(tǒng)流程控制功能。

下面重點介紹射頻收發(fā)組件分系統(tǒng)和信號處理分系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

3 射頻收發(fā)組件分系統(tǒng)

射頻收發(fā)組件主要由射頻前端模塊、頻綜模塊和收發(fā)變頻模塊組成。射頻前端模塊由低噪聲放大器、自檢源、開關(guān)和濾波器等組成，主要完成對射頻信號的限幅、放大、濾波、靈敏度控制以及接收、發(fā)射通道的切換；頻綜模塊由參考源、功分器、本振源和時鐘源等組成，主要產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需的時鐘信號和混頻所需的一次、二次本振信號；收發(fā)變頻模塊由低噪放、濾波器組、檢波器、混頻器、濾波放大、AGC等電路組成，主要完成信號的混頻，產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的接收中頻信號和干擾射頻信號，組成框圖如圖2所示。

在圖2中的下行通道，輸入信號經(jīng)收發(fā)開關(guān)后進(jìn)入接收機支路，首先經(jīng)過限幅器以保護(hù)后級電路，通過數(shù)控衰減器，經(jīng)過第一級低噪放放大后功分兩路分別對兩個波段進(jìn)行濾波和耦合檢波；檢波信號進(jìn)入數(shù)字板判斷給出波段開關(guān)和數(shù)控衰減控制；信號再通過波段選擇開關(guān)合成一路后進(jìn)入第二級低噪放，放大后進(jìn)入第二級數(shù)控衰減器，對動態(tài)進(jìn)行調(diào)整；再經(jīng)過一級低噪放后進(jìn)入混頻器與一本振LO1進(jìn)行混頻輸出第一中頻；一中頻經(jīng)濾波后進(jìn)入第二級混頻器與二本振LO2進(jìn)行混頻，輸出第二中頻，經(jīng)濾波放大輸出，理論上可以使輸出功率控制在-30dBm～0dBm之間，滿足AD的輸入動態(tài)范圍。在上行通道，從DA芯片出來的中頻信號經(jīng)過一中頻濾波和一中頻放大進(jìn)入混頻器，與二本振信號LO2混頻，取下邊帶，輸出第二中頻，再經(jīng)過濾波放大與一本振信號LO1混出射頻信號，經(jīng)放大進(jìn)入數(shù)控衰減。

圖2 收發(fā)變頻模塊的組成框圖

4 信號處理分系統(tǒng)

信號處理分系統(tǒng)對中頻信號進(jìn)行采樣并將采樣信號入FPGA，完成信號的檢測與測量，F(xiàn)PGA將測量得出的載頻、TOA（脈沖到達(dá)時間）、PW（脈沖寬度）和PA（脈沖幅度）等參數(shù)送入DSP，完成信號的分選，形成威脅等級表，將所需信號進(jìn)行存儲，并根據(jù)設(shè)置的運動目標(biāo)特征參數(shù)或干擾參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生模擬回波中頻信號或干擾中頻信號。

信號處理分系統(tǒng)數(shù)字處理板主要由采樣板和運算板組成，其中采樣板包括1片高速ADC（選型EV10AQ190A）、1片低速ADC（選型AD9253B），1片高速DAC（選型AD9739BBC）及其他輔助電路，運算板包括Kintex-7 FPGA、1片TMS320C6657高性能多內(nèi)核DSP及其他輔助電路，數(shù)字處理板的原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字處理板原理框圖

在圖3中，1路中頻信號經(jīng)SMP型連接器進(jìn)入電路板，經(jīng)高速ADC采樣后輸入Kintex7 FPGA；ADC和DAC的采樣時鐘信號經(jīng)SMP型連接器進(jìn)入電路板，通過時鐘管理芯片功分后分別送給ADC和DAC；兩路檢波信號經(jīng)矩形連接器進(jìn)入電路板，經(jīng)低速ADC采樣后輸入給FPGA。Kintex7 FPGA通過相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換芯片配備20根單端IO（輸入輸出可定義，LVTTL=3.3V，每4根一組），1路晶振信號接入FPGA，F(xiàn)PGA提供對高速ADC、時鐘管理電路、復(fù)位電路等的控制信號并外接存儲芯片（空間不小于16GB，速度不小于3MB/s）。DSP采用不少于8根GPIO和EMIF總線接入Kintex7 FPGA，利用高速串行4X SRIO接口連接至FPGA，此外，配備1個網(wǎng)口連接矩形連接器，配備UART（RS232）接口（波特率不小于115200b/s）接入矩形連接器；DSP外接 DDR3（不小于 512Mb，32bit），同時配備外掛FLASH用于程序加載。數(shù)字處理板卡包含一個溫度傳感器，同時配備溫度管理芯片，將具備I2C接口的芯片（如FPGA、DSP）的溫度接入，最后統(tǒng)一傳送到Kintex7 FPGA。

5 針對脈沖壓縮體制雷達(dá)的干擾樣式

脈沖壓縮技術(shù)通過增強雷達(dá)探測距離和雷達(dá)距離分辨力，使其抗干擾能力更強。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于火控雷達(dá)、警戒雷達(dá)和末制導(dǎo)雷達(dá)等裝備中，通過發(fā)射寬脈沖并將接收信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為窄脈沖來提高雷達(dá)性能。線性調(diào)頻信號、非線性調(diào)頻與二位相編碼信號是脈沖壓縮雷達(dá)常見手段，本文以LFM脈壓體制雷達(dá)為例，對彈載干擾模擬器的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式做設(shè)計并仿真分析。

5.1 LFM脈壓雷達(dá)的工作原理

線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)是一種典型的脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用實例，能夠在不削弱雷達(dá)分辨率的情況下保證足夠的發(fā)送距離。接收信號經(jīng)過脈沖解壓縮后，干擾噪聲不能與脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)良好匹配，而LFM信號卻可以與其匹配。因此雷達(dá)可以通過LFM脈壓技術(shù)篩選出噪聲中的有效信息，得到較高的信干比。

LFM雷達(dá)的發(fā)射信號可以表示為

其中，τ為信號脈寬，f0為起始頻率，K=B/τ為調(diào)頻斜率，B表示LFM信號帶寬。

在雷達(dá)接收端，處理機先對信號做正交解調(diào)得到基帶信號，再對接收信號進(jìn)行匹配濾波就可以進(jìn)行檢測判決。本文使用Matlab軟件仿真分析線性調(diào)頻信號，雷達(dá)脈沖寬度τ設(shè)置為100μs，信號帶寬B設(shè)置為4MHz，起始頻率f0設(shè)置為0，同時加入信噪比SNR為10dB的高斯白噪聲信號做干擾噪聲，經(jīng)匹配濾波Matlab程序輸出添加高斯白噪聲的線性調(diào)頻信號，其波形、頻譜及脈沖壓縮結(jié)果如圖4所示。

圖4 LFM高斯白噪聲干擾波形圖

由此可以得到LFM脈沖信號的兩個頻率特性：匹配濾波器處理寬脈沖信號后其變成了窄脈沖，呈現(xiàn)出sinc函數(shù)形狀；同時，高斯白噪聲經(jīng)脈沖壓縮處理對線性調(diào)頻信號的影響很小，證明了線性調(diào)頻雷達(dá)匹配濾波器可以顯著增加雷達(dá)系統(tǒng)抗噪性能。

要做到對線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)的干擾效果，必須進(jìn)一步研究它的匹配濾波特性。匹配濾波中線性調(diào)頻信號的特點是在時延、頻移間存在強耦合，但其對回波的多普勒頻移不敏感，如果我們將信號進(jìn)行頻移，再經(jīng)脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)處理，此時依舊能夠進(jìn)行脈沖壓縮，仿真出的信號主峰會出現(xiàn)超前或滯后的情況?；谶@種情況，彈載干擾模擬器能夠采用間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式，實現(xiàn)對LFM脈壓雷達(dá)的有效干擾。

5.2 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式設(shè)計與分析

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是基于脈沖壓縮原理的相干干擾方法，可以形成分布在真目標(biāo)周圍的相似信號，產(chǎn)生逼真的相干假目標(biāo)。具體操作為對接收的LFM信號做等間隔采樣、存儲、放大，并轉(zhuǎn)發(fā)給接收雷達(dá)。因為其利用了發(fā)射信號的信息特征，跟雷達(dá)發(fā)射信號具有很強的相參性［12］，可以使線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)受到相干假目標(biāo)的干擾。間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的表達(dá)式如下：

式中，間歇采樣脈沖信號p（t）是矩形包絡(luò)脈沖串，其脈沖寬度（PW）為τ，脈沖重復(fù)周期（PRI）為Ts。

在頻域上，干擾信號可表示為

以脈沖寬度T=100μs，信號帶寬B=4MHz的線性調(diào)頻信號為例，改變采樣信號的PW、PRI參數(shù)，觀察采樣周期和占空比對輸出信號的影響。分別取信號的脈寬和脈沖重復(fù)周期為（a）τ=0.5μs，Ts=2.5μs；（b）τ=1μs，Ts=5μs；（c）τ=1μs，Ts=2.5μs；（d）τ=2μs，Ts=5μs；脈壓處理輸出波形時域圖如圖5所示。

圖5 LFM間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾波形圖

從圖中可以得到與理論分析相吻合的結(jié)論，即當(dāng)控制采樣信號的脈沖寬度τ不變，產(chǎn)生的假目標(biāo)會隨著脈沖重復(fù)周期Ts變大而變多，同時會變得更加集中；而當(dāng)控制采樣信號的脈沖重復(fù)周期Ts不變時，隨著脈沖寬度τ不斷變大，產(chǎn)生的假目標(biāo)幅度也會越來越大。

本文研究發(fā)現(xiàn)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾可對線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)產(chǎn)生距離向的多假目標(biāo)欺騙干擾效果，并且該方法擁有容易進(jìn)行工程實現(xiàn)和欺騙干擾效果卓越的優(yōu)點。研究結(jié)果還表明：改變間歇采樣脈沖信號p（t）的脈沖重復(fù)周期Ts和脈沖寬度τ也可以改變假目標(biāo)的間距、幅度、峰值。間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)信號為了對線性調(diào)頻脈壓雷達(dá)做到有效的干擾，可以針對不同工作參數(shù)的雷達(dá)改變信號p（t）的脈沖重復(fù)周期和脈沖寬度。

6 結(jié)語

本文針對艦載雷達(dá)瀕海試驗中反艦導(dǎo)彈突防電磁干擾信號環(huán)境模擬的需求，從闡述彈載干擾模擬器系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)，設(shè)計了射頻收發(fā)組件和信號處理分系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，并以LFM脈壓體制雷達(dá)為例，對彈載干擾模擬器的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明可以實現(xiàn)有效干擾。利用高速無人靶機搭載偵察干擾一體化載荷，模擬藍(lán)方搭載彈載干擾機的反艦導(dǎo)彈目標(biāo)，彈載干擾模擬器可廣泛應(yīng)用于瀕海環(huán)境下艦載雷達(dá)抗干擾能力驗證及測試試驗，有效提升試驗環(huán)境構(gòu)建的復(fù)雜度和逼真度。