廖明亮

(1.中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036；2.四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心，四川 成都 610036)

0 引 言

在復雜電磁環(huán)境中對威脅目標進行精確測向定位對取得對抗優(yōu)勢尤為重要，目前主要依靠高精度雷達和測向接收機2種方式。雷達由于采用主動探測方式，發(fā)射的雷達信號接觸到目標后再反射回雷達進行信號處理，信號需在空間中傳播雙程距離，損耗大，探測距離受限；而測向接收機采用被動偵收方式，只需接收雷達等目標發(fā)射出來的單程信號，具有探測距離更遠的優(yōu)勢，而且還能對偵收到的信號進行分選識別，因此得到廣泛應用。接收機通常采用干涉儀測向、比幅測向、數(shù)字波束形成(DBF)測向、時差測向定位等體制。本文針對各類接收機設計了一種高精度大動態(tài)驗證系統(tǒng)，基于動態(tài)對抗場景規(guī)劃想定，按照場景中敵我雙方相對位置關系、目標信號參數(shù)、天線掃描特性等動態(tài)推演解算，驅(qū)動多臺通用儀器生成多路幅相相參的射頻信號，直接注入被測接收機，接收機解算多路帶幅相關系的信號后完成測向，再將測向結(jié)果與場景中的實際位置關系進行比較，從而評估接收機的測向性能。該系統(tǒng)硬件部分采用通用儀器，具有高精度、大動態(tài)、高可靠性、可靈活重構(gòu)等諸多優(yōu)點，非常方便各類接收機的測試驗證。

1 接收機測向工作原理及總體驗證方案

由于干涉儀體制在接收機中應用最為廣泛，本文重點以該類接收機為例，介紹其工作原理，并提出測試驗證總體方案。該方案同時適用于比幅測向、DBF測向、時差測向定位等體制。干涉儀測角公式在眾多文獻中都有描述，應用非常成熟，這里不再贅述。

接收機的測向工作原理如圖1所示。為方便示意，圖1將對抗場景中的目標數(shù)量進行了最大程度的簡化。對方只有一個目標，我方只有一個接收機，第三方只有一個通信或?qū)Ш奖尘靶盘?。在動態(tài)對抗場景的某一個具體時刻，三方面的相對位置確定，對方目標輻射出的信號照射到多通道干涉儀天線時，由于信號到達各通道天線的距離不同，會帶來相位差異，干涉儀接收機正是通過解算多通道間的相位差完成測向工作。

圖1 接收機測向工作原理

為了在實驗室內(nèi)靈活開展基于動態(tài)對抗場景的接收機測向定位性能測試，本文提出圖2所示總體驗證方案。首先通過場景控制軟件規(guī)劃動態(tài)對抗場景，隨后可啟動場景控制軟件按節(jié)拍推演解算，計算出每個時刻各目標輻射信號到達我方接收機各接收通道的信號參數(shù)及幅度相位關系等(幅度表征相對距離及天線掃描等特性，相位特征表征入射角關系，多普勒頻移表征相對速度關系等)，然后將各參數(shù)下發(fā)到多路相參射頻信號模擬系統(tǒng)，驅(qū)動硬件按場景生成幅度、相位、多普勒頻移受控的多路相參信號，射頻注入被測接收機的多通道接收單元，使每個單元感受到的幅相關系與接收機帶天線實際工作時一致，接收機解算多通道信號之間的幅度相位差從而完成測向、定位等偵收功能的驗證。本方案支持在場景控制軟件中導入被測裝備外場輻射工作時的天線方向圖數(shù)據(jù)，提高在實驗室開展注入式驗證的逼真性。本方案場景控制軟件支持針對多個被測設備進行場景結(jié)算，并驅(qū)動多路相參信號模擬系統(tǒng)生成相參射頻信號后同時注入多個被測設備，開展多接收機交叉定位等功能性能測試。

圖2 接收機測向驗證總體方案

2 接收機測試系統(tǒng)詳細方案

本文采用專用場景控制軟件和通用儀器搭建多路相參信號模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)基于動態(tài)對抗場景仿真推演的多路相參射頻信號生成。系統(tǒng)配備矢網(wǎng)、示波器用于各信號源通道間幅相、時差校準，也可配置開關陣用于各通道輸出信號的自動校準。系統(tǒng)組成及原理示意如圖3所示。

圖3 接收機測試系統(tǒng)組成及原理示意

2.1 場景控制軟件

場景控制軟件安裝在控制計算機上，在場景規(guī)劃時可對各方運動平臺進行航跡設置，對各平臺上的輻射源進行信號參數(shù)、天線掃描參數(shù)等參數(shù)設置，對被測設備接收天線基線及位置參數(shù)等進行設置，能夠按照場景推演實現(xiàn)相關參數(shù)的解算下發(fā)，控制各儀器生成多路相參射頻信號，能讀取被測設備上報數(shù)據(jù)并與場景數(shù)據(jù)對比后進行結(jié)果評估。能夠?qū)崟r顯示和存儲當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)、工作參數(shù)，提供系統(tǒng)狀態(tài)保存、系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)用，能夠按照校準算法實現(xiàn)系統(tǒng)各射頻通道幅/相/時差校準，并會調(diào)用校準數(shù)據(jù)修正控制參數(shù)后下發(fā)給各信號源，是系統(tǒng)的控制核心。主要功能如下：

(1) 場景控制軟件支持目標軌跡和航跡模擬(如圖4所示)，可以提供目標軌跡和航跡的輸入和導入，能設置速度、加速度以及運動姿態(tài)等參數(shù)，能設置在航跡的具體位置點或時間點切換該運動平臺上輻射源的工作狀態(tài)或參數(shù)。

圖4 對抗場景中各運動平臺航跡設置

(2) 場景控制軟件支持設置各類信號參數(shù)(如圖5所示)，包含工作頻率、功率、重頻、脈寬、各種脈內(nèi)調(diào)制格式(線性和非線性調(diào)頻脈沖信號、調(diào)頻(FM)步進、調(diào)幅(AM)步進、二進制相移鍵控(BPSK)、正交相移鍵控(QPSK)等)、脈沖數(shù)量、天線方向圖和安裝位置等，支持創(chuàng)建、存儲和調(diào)用復雜脈沖波形。

圖5 信號參數(shù)設置

2.2 多路相參信號模擬系統(tǒng)(基于通用儀器)

通用儀器采用RS公司SMW200A寬帶矢量信號源，通過共本振信號、基帶時鐘和觸發(fā)信號實現(xiàn)多臺信號源相參，4個通道以內(nèi)應用時各同步信號采用圖3所示菊花鏈直聯(lián)，第1臺矢量信號源將自身的基帶時鐘、觸發(fā)信號、本振信號依次傳遞給其它3個通道，即可實現(xiàn)4路輸出信號相參。通道數(shù)量增多時，為保證信號質(zhì)量，需將本振等同步信號放大后再功分到其他寬帶矢量信號源。

SMW200A寬帶矢量信號源內(nèi)部工作原理如圖6所示。場景控制軟件將解算出來的脈沖描述字(PDW)串通過網(wǎng)口傳輸?shù)礁髋_信號源內(nèi)部緩存區(qū)，該步驟可離線下載一整段仿真場景的PDW串，也可將場景實時解算的PDW數(shù)據(jù)不停傳輸?shù)叫盘栐磧?nèi)緩存，信號源內(nèi)部引擎讀取緩存數(shù)據(jù)生成基帶波形并完成幅度、相位、頻移調(diào)制，最后經(jīng)數(shù)模變換及模擬鏈路后輸出射頻信號。通過場景控制軟件同步觸發(fā)命令及系統(tǒng)觸發(fā)控制機制可以實現(xiàn)多臺信號源的同步及相參信號輸出功能。

圖6 SMW200信號源工作原理

2.3 多路相參信號校準

其主要由矢量網(wǎng)絡分析儀、示波器組成，也可配置開關陣實現(xiàn)自動校準。校準過程為：場景控制軟件設置各通道按所需校準的頻率范圍和步進，產(chǎn)生相位和幅度相同的連續(xù)波信號，并觸發(fā)同步輸出。輸出的多路信號經(jīng)電纜先后連接到矢量網(wǎng)絡分析儀(儀器設為接收機模式)，通過控制軟件讀取儀器數(shù)據(jù)后測量出每個通道之間的幅度差、相位差，然后用示波器測出通道間的延時關系，這些差值就是系統(tǒng)的固有誤差。場景控制軟件在校準結(jié)束后會保存各個頻點對應的系統(tǒng)誤差，并在將場景解算結(jié)果向各通道儀器下發(fā)控制參數(shù)時結(jié)合校準數(shù)據(jù)進行修正，實現(xiàn)多通道相參射頻信號之間幅/相/時差的精確控制。

3 測試系統(tǒng)關鍵指標實現(xiàn)情況

3.1 可模擬的目標數(shù)量、脈沖密度及信號動態(tài)

本系統(tǒng)在帶寬2 GHz以內(nèi)可以快速改變相鄰2個脈沖的頻率、幅度等特性，以模擬具有多個目標的復雜對抗場景，此時矢量信號源內(nèi)部的本振頻率沒有變化，頻率和幅度的變化全部由PDW進行調(diào)節(jié)。圖7為帶內(nèi)頻率和幅度捷變的測試結(jié)果，使用寬帶信號分析儀進行測試，其頻率和幅度同時捷變的時間為95.9 ns左右，理論上可以模擬的最大脈沖密度大于1×10個/s，最大雷達目標數(shù)量達到100個以上。該場景適合對方目標的工作頻率相差不超過2 GHz的情況，便于接收機在實驗室內(nèi)快速開展對多個運動或靜止目標的測向定位、信號識別等功能性能的高效驗證。

圖7 2 GHz帶寬內(nèi)頻率幅度同時捷變時間測試

如果對抗場景中不同目標之間的工作頻率相差超過了2 GHz，則信號源在交錯模擬不同目標的脈沖信號時，因頻率捷變需改變信號源內(nèi)部的本振頻率，此時捷變時間約為400 μs，如圖8所示。這會大幅降低脈沖密度和可模擬的目標個數(shù)，但通常接收機更關心重頻、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制等信號參數(shù)，不同工作頻率只是載頻不同，可將載頻改到2 GHz帶寬內(nèi)或采用分頻段驗證方式。如果要全頻段多目標同時驗證，則需增加測試儀器規(guī)模，用不同信號源模擬不同頻段的目標，或者采用頻率捷變速度更快更先進的儀器。

圖8 2 GHz帶寬外頻率幅度同時捷變時間測試

圖9為本系統(tǒng)幅度動態(tài)范圍，對脈寬及捷變時間進行了加長，以清晰展示脈沖功率依次階梯變化?？梢钥吹?，幅度動態(tài)約80 dB，可充分模擬不同目標與接收機之間由于輸出功率、天線掃描、距離遠近、入射角度等不同帶來的功率變化，可適應更多的對抗試驗場景。

圖9 功率動態(tài)范圍測試

3.2 多通道間幅度相位一致性

本文驗證了四通道相參使用時的幅相一致性，如圖10和圖11所示。系統(tǒng)經(jīng)校準后幅相精度較高，在18 GHz時四通道間的幅相一致性優(yōu)于±1 dB和±1°?？紤]溫度、線纜和測試誤差，結(jié)合以往經(jīng)驗，預計32通道間的相位一致性可控制在±5°以內(nèi)。因此，本測試方案可勝任各類高精度測試場景，充分滿足不同體制的測向定位算法驗證。

圖10 多通道幅度一致性測試

圖11 多通道相位一致性測試

4 結(jié)束語

本文針對干涉儀、DBF、比幅測向等各類型接收機設計了一種高精度大動態(tài)驗證系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在實驗室內(nèi)基于想定的動態(tài)對抗場景進行推演、解算，隨后驅(qū)動多臺寬帶信號源按需生成多路相參射頻信號，直接注入多通道接收機，接收機通過解算通道間的幅/相/時差關系進行測向定位，最后再與場景中設置的真實值進行對比，評估測向性能。該測試系統(tǒng)在2 GHz帶寬內(nèi)可實現(xiàn)頻率和幅度等參數(shù)逐脈沖高速捷變，捷變速度低于100 ns，可模擬每秒上萬個脈沖和上百個目標的復雜場景。該系統(tǒng)基于專用場景控制軟件和通用儀器組建，可靈活重構(gòu)及擴展，可模擬各種復雜目標信號及掃描特性，各射頻通道間的幅相一致性經(jīng)校準后，可達到±1 dB和±1°(通道數(shù)量低于32時可控制在±5°)，動態(tài)可達到80 dB以上，能滿足各類接收機高精度大動態(tài)的測試需求。