雷抗裝備自動測試系統(tǒng)信號環(huán)境模擬器實現(xiàn)

陸海翔，姚龍海

(電子工程學院 702教研室， 合肥230037)

0 引言

在構建雷達對抗裝備自動測試系統(tǒng)時，信號激勵的實現(xiàn)是其重要的組成部分［1］。隨著雷達技術的發(fā)展，現(xiàn)代雷達環(huán)境呈現(xiàn)出密集、復雜、交錯和多變等特點［2］:輻射源數(shù)量多，信號密度大;輻射源體制多，波形復雜;輻射源的工作頻段寬;輻射信號在空域上交錯，在時域上集中，在頻域上重迭，在能量域上起伏。因此，將雷達對抗裝備置于復雜的信號環(huán)境里，才能更好的檢測出其真實的性能。

目前，常用的做法有2種:(1)采用外場試驗方法。即布設大量真實和模擬的雷達系統(tǒng)來構建所需的雷達環(huán)境，但其試驗周期長、費用高、受氣候和環(huán)境等因素的影響較大;(2)通過常規(guī)雷達信號環(huán)境模擬器［3］來模擬真實的雷達環(huán)境。常規(guī)雷達信號環(huán)境模擬器是雷達技術與計算機技術結合的產物，通過合理的想定設置和精確度較高的數(shù)學模型計算，產生出復雜、逼真、動態(tài)的雷達信號環(huán)境，具有保密程度高、重復性好、使用方便、經濟實惠等優(yōu)點，但同時也有模擬信號不夠真實、脈沖丟失概率高、不適于訓練等問題［4］。因此，構建針對雷達對抗裝備測試所需的復雜雷達信號環(huán)境模擬器具有重要的意義。

1 復雜雷達信號環(huán)境模擬器的組成要素

本文以雷達對抗偵察裝備為測試對象進行模擬器的分析與構建。復雜雷達信號環(huán)境模擬的要素包括:輻射源信號、輻射源天線的掃描方式、輻射源平臺位置及運動特性、輻射源與偵察系統(tǒng)的相對空間位置關系、雷達工作狀態(tài)和工作模式的快速變化等。其中，輻射源信號類型經歷了很大的變化，最早的雷達系統(tǒng)多采用連續(xù)波信號、常規(guī)脈沖信號等，隨著技術的發(fā)展，脈沖壓縮信號、脈沖編碼信號、頻率捷變信號等復雜脈沖雷達信號由于其很大的時寬帶寬積等優(yōu)點成為雷達主要的信號類型。

雷達對抗偵察裝備測試中用到的輻射源信號主要有以下4種表現(xiàn)形式:(1)射頻信號，主要用于整體性能測試和偵察前端測試;(2)中頻信號+信號參數(shù)，主要用于偵察后端整體測試和后端分系統(tǒng)測試;(3)視頻信號+信號參數(shù)，主要用于偵察后端整體測試和后端分系統(tǒng)測試;(4)脈沖描述字，主要用于偵察后端分系統(tǒng)測試。裝備測試所需信號，如圖1所示。

圖1 雷達對抗偵察裝備測試所需的信號輸入

2 復雜雷達信號環(huán)境模擬器的實現(xiàn)

復雜雷達信號環(huán)境的模擬主要有:單部雷達脈沖信號的模擬、多部雷達脈沖信號的模擬、視頻信號和各類控制信號的模擬以及其他要素的模擬。其模擬平臺包括:信號建立設計層、用戶接口層和硬件輸出層。信號建立設計層通過數(shù)學計算等方式到信號數(shù)據文件，存入雷達信號數(shù)據庫中;用戶接口層供用戶選擇信號類型、設置信號參數(shù)，并調用信號數(shù)據庫文件;硬件輸出層由合成信號源下載外部信號數(shù)據，并合成信號輸出，或通過數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)產生所需的脈沖。信號產生平臺結構，如圖2所示。

圖2 雷達模擬信號產生平臺

圖2中的合成信號源采用安捷倫E8267D向量信號源。E8267D信號源頻率范圍覆蓋至44 GHz，具有-130 dBm～20 dBm的功率范圍，可實時合成微波段PSK、FSK、MSK、QAM 信號，利用內部/外部的 IQ 存儲器完成任意波信號合成，有高達160 MHz的調制帶寬。信號合成時，將外部數(shù)據下載至信號源的內存中，啟動波形播放器進行播放回放。信號源內部共有多達8 192 MB的樣點空間。

2.1 單部雷達脈沖模擬

雷達射頻脈沖通過IQ調制的方式得到。IQ調制就是將調制信號分成2路正交信號，即同相分量(I路)和正交分量(Q路)，2路信號同時調制載波，其和即為所要求信號。信號調制可表示為

式中:s(t)為所求信號;m(t)為幅度信息;wc為載波角頻率;φ(t)為相位信息。將式(1)進行運算可得

令 I(t)=m(t)cosφ(t)，Q(t)=-m(t)sinφ(t)，則

分別計算出I路和Q路的值，利用式(2)即可得到所求信號。調制流程如圖3所示。

圖3 IQ調制流程

對線性調頻信號的模擬，設其調制帶寬為B和調制時寬為T，則調頻斜率k=B/T。其時域表達式為

經運算可得

則

2.2 多部雷達脈沖模擬

在對雷達對抗偵察裝備進行測試時，不僅要測試單部雷達信號環(huán)境下的性能指標，還要測試多部雷達信號環(huán)境下的性能指標。在只有單發(fā)射通道的情況下，需要對單部雷達脈沖數(shù)據進行處理得到多部雷達脈沖數(shù)據。假設雷達與雷達之間的信號發(fā)射是相互獨立的，對于偵察裝備來說，其接收信號是按時間順序進行的，因此，將單部雷達脈沖數(shù)據通過相應的融合算法即可得到多部雷達脈沖數(shù)據。在進行融合時需要考慮2個問題:(1)如何對多部獨立的雷達數(shù)據通過排序算法整合成一串數(shù)據;(2)因為接收機在接收信號時存在一定的恢復時間和脈沖丟失的問題，所以需先從整合后的數(shù)據中剔除掉可能丟失的脈沖數(shù)據，然后以脈沖到達時間(TOA)為標志對雷達數(shù)據進行操作。融合2部獨立雷達脈沖數(shù)據的示意圖，如圖4所示，其中虛線表示判別為丟失的脈沖。

設常規(guī)脈沖雷達信號數(shù)據集為表L1、重頻參差雷達信號數(shù)據集為表L2、融合后的雷達信號數(shù)據集為表L3，將表L1和表L2指向2部獨立的雷達脈沖信號流，從圖中可以看出2個表中的數(shù)據已按照從小到大的順序排列好。融合多部雷達數(shù)據的算法可描述成如下形式:

圖4 雷達脈沖數(shù)據融合示意圖

(1)比較表L1中的第1個值與L2中的第1個值，將較小的值移入表L3中(若相等，則視表L1中的值為較小的值);

(2)重復步驟(1)，每次都將2個表中最小的第1個值移入表L3中，直至一個表為空;

(3)將不為空的表中的數(shù)據全部移至L3中;

(4)不考慮脈寬因素，設t為時間戳標志(t可以設定為接收機恢復時間，默認為2 μs);

(5)對表L3進行操作，設L3的第1個雷達脈沖的TOA為t0，將其移至整合后的多部雷達脈沖數(shù)據中，比較L3中的下一個雷達脈沖的TOA與t0+t的大小，若小于或等于，則直接刪除，并比較下一個雷達脈沖的TOA與t0+t的大小，直至該脈沖的TOA大于t0+t;

(6)重復步驟(5)，直到L3中的數(shù)據全部刪除或移至整合后的多部雷達脈沖數(shù)據中。

2.3 視頻信號和各類控制信號的模擬

視頻信號和各類控制信號為脈沖信號，可由脈沖產生電路。脈沖產生電路結構圖，如圖5所示。

圖5 脈沖產生電路結構圖

脈沖產生電路的輸入來自于工控機的命令，包括視頻脈沖參數(shù)、控制信號參數(shù)以及脈沖描述字，DSP根據參數(shù)值產生相應的視頻脈沖，通過DA轉換芯片。如果是脈沖描述字，則通過電路板數(shù)據線接口直接發(fā)送至被測設備。

2.4 對天線特性的模擬

雷達天線特性包括極化、主波束寬度、掃描方式(圓周掃描、扇形掃描、錐掃、電掃等)、波束運動速度、掃描周期(對周期性掃描而言)等。由于偵察裝備對波束和掃描特性進行分析的基礎是對信號幅度的測量，因此對天線特性的模擬實質就是對雷達信號進行調幅，即對式(1)中的m(t)進行計算。

天線的方向性標示了信號的功率變化，因此對天線特性的模擬關鍵是對天線方向圖的模擬。由于不同的天線其方向圖差異很大，為達到特性逼真，可將實測的天線方向圖數(shù)據存儲在數(shù)據庫中，對其進行調用或修改。也可以通過余弦函數(shù)、高斯函數(shù)、辛克函數(shù)來近似，其中又以辛克函數(shù)的近似度最高。大多數(shù)雷達天線，包括拋物面天線、喇叭天線、陣列天線等窄波束天線，當天線口徑比波長大許多倍時，其方向圖都可用辛克函數(shù)近似來表示。辛克函數(shù)可表示為

式中:θ0表示主瓣寬度。以圓周掃描為例，設其周期為T，信號源采樣率為Rate，則θ的取值為θ=i×2×π/(T×Rate)，i表示采樣點數(shù)。

通過計算F(θ)的值對雷達信號進行調幅，即可得到經過了天線的雷達模擬信號。

2.5 其他要素的模擬

雷達信號環(huán)境不僅包括脈沖數(shù)據，還包括輻射源天線的掃描方式，雷達工作狀態(tài)和工作模式的快速變化等，尤其對于新型的綜合體制雷達，頻域、時域參數(shù)伴隨多模式的變化是其顯著的特征。

對噪聲環(huán)境信號的模擬，在利用安捷倫信號源E8267D的波形發(fā)生器播放調制波形文件時，可以實時把高斯白噪聲應用到載波中，通過輸入信噪比S/N可實現(xiàn)噪聲的加載。

對雷達工作狀態(tài)和工作模式快速變化的模擬，可以采取數(shù)據庫的方式，在數(shù)據表中增加工作狀態(tài)等字段，根據想定將其參數(shù)值預先存儲于數(shù)據庫中，在實現(xiàn)時調用即可。

3 雷達信號環(huán)境數(shù)據存儲

數(shù)據的存儲與管理主要采用可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML)描述與數(shù)據庫存儲相結合的方式進行。數(shù)據庫存儲激勵信號的參數(shù)，XML描述各測試項的測試條件。在信號模擬的過程中，首先，讀取XML中信息，根據其描述的信號形式從數(shù)據庫中讀取信號參數(shù);然后，控制信號源和脈沖產生電路產生相應的信號，或轉換成相應的脈沖描述字形式。

3.1 XML描述測試條件

XML作為一種結構化的標記語言，具有良好的數(shù)據存儲格式、可擴展性、高度的結構化、精確的數(shù)據搜索等優(yōu)點，它提供了一種與軟硬件平臺無關的基于文本格式的開放共享的數(shù)據方法，能夠被不同類型的程序所讀取，在很大程度上降低了數(shù)據交換的復雜性。XML的這種優(yōu)點使得它非常適合描述測試項條件。

采用XML主要描述2類信息:(1)靜態(tài)信息。指測試裝備的測試指標、脈沖描述字格式等相關信息。(2)測試項的測試條件。包括所需的信號形式、控制信號參數(shù)、信噪比等。下面是對測試條件的描述。

3.2 數(shù)據庫存儲信號參數(shù)

雷達信號環(huán)境數(shù)據庫管理激勵信號的參數(shù)設置。在組建雷達信號數(shù)據庫時，可按雷達的工作體制類型進行分類，如為連續(xù)波體制雷達和脈沖體制雷達分別組建數(shù)據庫;也可按雷達的工作波段進行分類。如為L、S、X波段雷達分別組建數(shù)據庫。但以上的做法常用于組建雷達輻射源識別數(shù)據庫，不適用組建裝備測試使用的數(shù)據庫。由于不同的測試項需要用到不同的激勵信號類型，因此面向測試的需求為每一個測試項構建單獨的激勵信號參數(shù)表［5］。如靈敏度測試時，需要明確信號的類型、載頻的范圍和大小、幅度的大小、脈寬和重頻等信息，因此靈敏度測試時，其信號表字段定義，如表1所示。信號類型識別能力測試信號表字段定義，如表2所示。

表1 靈敏度測試信號表字段定義

表2 信號類型識別能力測試信號表字段定義示例

4 結束語

自動測試系統(tǒng)的信號輸入主要由信號環(huán)境模擬器來提供。本文所介紹的信號環(huán)境模擬器可用來產生裝備測試所需的射頻脈沖、視頻脈沖、控制信號等，通過數(shù)據庫和XML的結合，可以實現(xiàn)對信號參數(shù)的存儲與讀取。經實踐證明，能夠滿足雷達對抗偵察裝備自動測試需求，對其他雷達對抗裝備自動測試系統(tǒng)中有一定參考價值。

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