洪 闖，張偉軍，劉海斌，王志春，張 進

（1.中國人民解放軍95835 部隊，新疆 馬蘭 841200；2.中國人民解放軍95821 部隊，甘肅 酒泉 732750；3.中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著大量電子信息系統(tǒng)和裝備的使用，試驗區(qū)域的電磁環(huán)境越來越復雜，呈現(xiàn)電磁場實時改變、頻譜無限寬廣、能量密度不均、信號樣式多樣、攜帶信息復雜等特點，對被試裝備的工作性能產(chǎn)生較大影響。為更好地完成試驗任務，十分有必要使用高精度、高性能的機動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對所關注區(qū)域的電磁信號進行監(jiān)測，以提供試驗任務所需的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)。

為了提高電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測量精度和信號精細化分析能力，本文創(chuàng)造性地開展了一些改進工作：一是采用精度高、性能穩(wěn)定可靠的商用高速頻譜分析儀、示波器等儀器儀表，對接收的電磁信號在時域、頻域同時進行分析處理；二是增加了標校分系統(tǒng)，通過標準信號標校監(jiān)測系統(tǒng)的方式，來提高整個系統(tǒng)測量準確度；三是通過后處理分系統(tǒng)，對電磁監(jiān)測系統(tǒng)采集的信號進行精細化處理與分析。最后在常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測硬件架構設計的基礎上，開發(fā)了一套完整的機動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，來驗證本文的改進思路的有效性。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 系統(tǒng)結構

機動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由電磁監(jiān)測車、標校車以及后處理分系統(tǒng)3 大部分組成，其中電磁監(jiān)測車包括天伺饋分系統(tǒng)、信號接收分系統(tǒng)、中頻信號采集分系統(tǒng)、信號監(jiān)測錄取分系統(tǒng)和載車，標校車包括標校分系統(tǒng)和載車，這2 部分組成框圖如圖1 所示。后處理分系統(tǒng)，主要由固定站（磁盤陣列）、交換機和數(shù)據(jù)事后處理軟件等組成，組成框圖如圖2 所示。

圖1 電磁監(jiān)測車和標校車組成框圖

圖2 數(shù)據(jù)后處理分系統(tǒng)組成框圖

1.2 工作原理

電磁監(jiān)測車具有標校與電磁環(huán)境監(jiān)測2 種工作模式。當電磁監(jiān)測車處于標校狀態(tài)時，其主要工作原理是：在監(jiān)測車內的計算機通過網(wǎng)線來控制標校車內的信號源，產(chǎn)生一定頻率、功率的信號，經(jīng)功率放大器放大后，由定向天線對準電磁監(jiān)測車監(jiān)測天線波束主瓣方向輻射；監(jiān)測天線接收信號后，經(jīng)過限幅器和低噪聲放大器后進行變頻，變頻后的中頻信號由頻譜儀進行接收；根據(jù)實際傳輸路徑的傳播損耗以及線纜損耗，進行理論計算，獲得到達監(jiān)測車的信號真值，對比真值與實測值，獲得對應的標校數(shù)據(jù)，并存儲在標校數(shù)據(jù)表格中。重復上述步驟，直至形成全頻段的標校表格。在實際監(jiān)測時，系統(tǒng)軟件調用該標校表格，對監(jiān)測值進行標校，從而消除監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，實現(xiàn)對電磁信號的準確測量。

當電磁監(jiān)測車處于電磁信號監(jiān)測狀態(tài)時，其主要工作原理是：監(jiān)測天線接收的信號經(jīng)過限幅器和低噪聲放大器后進行第一次變頻形成第一中頻信號，第一中頻信號分為三路；其中一路第一中頻信號經(jīng)過幅度調理后進行第二次變頻，第二中頻信號由采集模塊進行采樣，數(shù)據(jù)保存到車載工作站，經(jīng)快速處理后在軟件界面進行顯示；第二路第一中頻信號由頻譜儀進行接收，并在軟件界面進行頻域顯示；第三路第一中頻信號由示波器進行接收，在軟件界面進行時域波形顯示。

當需要對所監(jiān)測的電磁信號的細微特征進行提取時，可利用后處理分系統(tǒng)完成對信號的分選、信號調制域分析、信號參數(shù)統(tǒng)計分析等工作。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

1）天伺饋分系統(tǒng)

天伺饋分系統(tǒng)主要實現(xiàn)電磁信號的接收、天線升降、方位和俯仰控制以及信號的傳輸?shù)裙δ?，主要由天線、天線升降機構、伺服、饋線等組成。

其中天線采用分頻段方式同時滿足增益和波束寬度要求，其中0.4～2 GHz 頻道采用對數(shù)周期天線，2～18 GHz 頻段采用喇叭天線；天線升降機構采用四桅柱式升降機構+穩(wěn)定鋼索形式；伺服采用多軸轉臺形式。

2）信號接收分系統(tǒng)

信號接收分系統(tǒng)對天線接收的電磁信號進行放大、濾波、變頻、幅度調理、功分等處理，為后續(xù)信號采集和信號監(jiān)測創(chuàng)造有利條件。

其中濾波器采用高通濾波器和低通濾波器級聯(lián)的方式組成帶通濾波器，高通濾波器和低通濾波器均采用標準切比雪夫形式；低噪聲放大器的設計重點在輸入輸出和級間匹配電路。為兼顧噪聲系數(shù)和增益，一般低噪聲放輸入級按最佳噪聲匹配設計，級間匹配和輸出匹配按最大增益匹配設計。低噪聲放大器由兩級低噪聲放大器級聯(lián)來提高增益；一次變頻模塊和二次變頻模塊均為下變頻器，屬于頻率搬移器件。

3）中頻信號采集分系統(tǒng)

中頻采集分系統(tǒng)主要對第二中頻信號進行A/D采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理，由實時高速A/D 組合及控制單元、車載工作站等組成。

其中A/D 組合控制單元設計成ADC 子卡和PCIE 載卡： ADC 子卡主要由信號電平調整電路和模數(shù)轉換電路組成。電平調整電路對輸入的第二中頻信號進行電平調整，實現(xiàn)自動增益控制功能；模數(shù)轉換電路對信號進行模數(shù)轉換，通過FMC-HPC 接口發(fā)送至PCIE 載卡的數(shù)據(jù)處理芯片； PCIE 載卡主要芯片為FPGA 芯片，選用Xilinx 公司的V6 系列以上芯片，支持PCIE2.0 標準，同車載工作站間數(shù)據(jù)速率最高可達4 GB/s。PCIE 載卡上掛載2 組低功耗DDR3 存儲芯片用于數(shù)據(jù)緩存，其容量可達1 GB 以上。PCIE 載卡上擴展IIC/SPI 接口和JTAG 接口，便于調試并增強其擴展性和通用性。PCIE 載卡的結構圖如3 所示。車載工作站采用貨架產(chǎn)品。

圖3 PCIE 載卡結構圖

4）信號監(jiān)測錄取分系統(tǒng)

信號監(jiān)測錄取分系統(tǒng)在頻域和時域對信號進行參數(shù)測量、數(shù)據(jù)顯示、保存、回放以及電磁態(tài)勢顯示，主要由測量設備、顯控設備和信號監(jiān)測錄取分析軟件組成，其中測量設備包括頻譜分析儀、示波器，顯控設備包括工控機、交換機等。

其中頻譜分析儀采用是德科技的N9020A-RT1頻譜分析儀，該分析儀具有10 Hz～26.5 GHz 的頻率測量范圍，并配備85 MHz 的分析帶寬選件，能夠快速掃描；示波器采用 LECROY 的 WAVERUNNER8404，工作頻段高達4 GHz。

信號監(jiān)測錄取、顯示及存儲的設計思路是通過信號監(jiān)測錄取分析軟件，實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)設置、任務執(zhí)行、結果記錄等功能。通過光纖或以太網(wǎng)將監(jiān)測車上存儲的數(shù)據(jù)及波形等，快速傳輸?shù)焦潭üぷ髡荆糜跀?shù)據(jù)后分析處理。

5）標校分系統(tǒng)

標校分系統(tǒng)產(chǎn)生寬頻帶標校信號，對監(jiān)測系統(tǒng)的測頻精度、調制參數(shù)測量能力、功率密度測量精度、信號識別能力等性能進行標校，主要由定向發(fā)射天線、功率放大器、射頻切換開關、信號源、控制終端、交換機、車輛平臺等部分組成，該分系統(tǒng)標校信號頻率范圍為0.4～26.5 GHz。

6）數(shù)據(jù)后處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)后處理分系統(tǒng)實現(xiàn)信號分選、信號調制域分析、信號參數(shù)統(tǒng)計分析、多種雷達信號、噪聲干擾信號的識別以及監(jiān)測報告自動生成等功能，主要由磁盤陣列、工作站、交換機、臺式機以及數(shù)據(jù)事后處理軟件等組成。其中數(shù)據(jù)后處理軟件主要由信號分選模塊、信號調制域分析模塊、雷達信號與噪聲信號識別模塊、信號參數(shù)統(tǒng)計分析模塊、圖像顯示模塊和監(jiān)測報告生成模塊等組成。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

機動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心軟件是信號監(jiān)測錄取分析軟件，該軟件采用功能模塊化技術，使各個模塊獨立完成各自功能，通過合理調用各個模塊來實現(xiàn)監(jiān)測功能。該軟件主要由設備管理、信號監(jiān)測與識別、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)管理、地圖操作等模塊組成，如圖4 所示。軟件主要工作流程如圖5 所示。

圖4 信號監(jiān)測錄取分析軟件組成框圖

圖5 軟件工作流程圖

3 試驗結果與分析

為了對本文提出的機動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要性能進行驗證，需要構建試驗場景進行測試。

3.1 試驗場景構建

試驗場景構建的基本原則是充分利用現(xiàn)有的試驗資源，以產(chǎn)生較為復雜的電磁環(huán)境，即在一定的空域、時域、頻域和功率域上多種電磁信號同時存在；電磁環(huán)境信號盡可能采用不同信號樣式，包括常規(guī)脈沖信號、頻率捷變、重頻參差、重頻抖動等信號，使電磁環(huán)境盡可能復雜。

根據(jù)以上原則和資源分配方式，構建試驗場景示意圖如圖6 所示。

圖6 構建的試驗場景示意圖

3.2 試驗方法和試驗結果

主要試驗過程如下：1）將電磁環(huán)境監(jiān)測車與1 輛標校車相距100 m，分別展開；將1 輛地面干擾車和2臺便攜式干擾機與標校車放置同一位置，展開架設好，使各自的天線將對準監(jiān)測車天線；2）將監(jiān)測車開機，處于信號監(jiān)測狀態(tài)；3）將監(jiān)測信號標校車開機，輸出中心頻率為f0的正弦波信號，記錄監(jiān)測車測量的頻率值與功率大小，監(jiān)測信號標校車一直保持信號輸出狀態(tài)；4）利用2 臺便攜式干擾機產(chǎn)生功率較小、信號樣式各不相同的信號，以作為背景信號；利用1 輛地面干擾車，依次產(chǎn)生不同功率、不同帶寬的阻塞干擾信號。

電磁環(huán)境監(jiān)測車的監(jiān)測結果分別如圖7—9 所示。圖7 為只有標校車產(chǎn)生連續(xù)波信號情況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖8 為標校車產(chǎn)生連續(xù)波信號+2 臺便攜式干擾機產(chǎn)生背景信號+1 輛地面干擾車產(chǎn)生小功率寬帶阻塞干擾的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖9 為標校車產(chǎn)生連續(xù)波信號+2 臺便攜式干擾機產(chǎn)生背景信號+1 輛地面干擾車產(chǎn)生大功率寬帶阻塞干擾的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)1

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)2

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)3

試驗結果表明系統(tǒng)能對雷達信號和雷達干擾信號進行準確監(jiān)測，具體表現(xiàn)為：在背景信號幅度較小時，監(jiān)測系統(tǒng)能夠對連續(xù)波信號頻率與幅度進行準確監(jiān)測；在寬帶阻塞干擾信號幅度較大時，監(jiān)測系統(tǒng)能夠對寬帶噪聲干擾信號的中心頻率、帶寬、幅度等進行準確監(jiān)測。

4 結束語

為更好滿足試驗區(qū)域復雜電磁環(huán)境信號監(jiān)測的要求，需要利用測量速度快、測量精度高的機動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本文在常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計架構的基礎上，提出了一種通用的機動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構，具備同時在時域與頻域對電磁信號進行采集、分析與處理等功能。通過配套的標校系統(tǒng)減小系統(tǒng)測量誤差；通過后處理分系統(tǒng)提高對多種雷達信號、噪聲干擾信號的識別和脈內特征分析的能力。實測結果表明本文提出的機動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有時頻域數(shù)據(jù)同時監(jiān)測功能，系統(tǒng)測量精度高、速度快、穩(wěn)定性好，是一種能很好滿足各種復雜電磁環(huán)境信號監(jiān)測需要的通用系統(tǒng)。■