輻射式雷達信號模擬器的設計與實現(xiàn)＊

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所 揚州 225001）

1 引言

雷達偵察是完成軍事情報偵察的重要手段，雷達偵察獲取的技術(shù)數(shù)據(jù)是進一步采取對抗措施的前提［1］。隨著信息技術(shù)水平的提高，模擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代雷達偵察設備的研制中的應用越來越廣泛。通過仿真可模擬雷達偵察設備外場雷達信號環(huán)境，具有可復現(xiàn)、方便靈活、費效比高等特點。小型輻射式雷達信號模擬器不但可以對偵察機信號處理機進行各項功能指標的調(diào)試和驗證。

2 仿真理論

雷達偵察設備可以從接收到的雷達信號提取出方位、頻率、到達時間、脈寬、幅度這些信息。從信號模擬的角度來說雷達信號模擬器就是要模擬出雷達信號的這些特征。其中方位信息由模擬器架設位置決定，頻率、到達時間、脈寬、幅度可由以下模型模擬。

2．1 到達時間模型

雷達信號到達時間是指雷達偵察設備接收到雷達脈沖信號的時間［2］，當前雷達到達時間由前一雷達脈沖到達時間和雷達重復間隔決定。

其中TOAi為當前雷達脈沖到達時間，TOAi-1前一雷達脈沖到達時間，PRⅠi為當前雷達脈沖重復間隔。

2．2 PRI模型

當雷達工作時，發(fā)射機經(jīng)天線向所觀測方向按一定周期間隔重復發(fā)射一串脈沖，這一間隔就是PRI［3］。

1）PRI固定

PRI保持不變。

2）PRI抖動

PRI抖動是指雷達脈沖信號的PRI隨機變化或按一定規(guī)律變化。

（1）隨機變化

其中PRⅠ0為重復間隔最小值，α為重復間隔變化范圍，R為（0，1）分布的隨機數(shù)。

（2）鋸齒規(guī)律

其中PRⅠ0為重復間隔最小值，α為重復間隔變化范圍，T為重復間隔變化周期。

3）PRI參差

PRI參差是指雷達具有多個重頻，在發(fā)射信號時按照固定順序選擇相應的PRI。

其中k為周期參差數(shù)，PRⅠ1，…，PRⅠk為k個確定的重復間隔常數(shù)，每經(jīng)過k個脈沖，各重復間隔值變化一次。

2．3 載頻模型

1）固定頻率

頻率保持不變。

2）頻率捷變

頻率捷變是雷達抗有源干擾的有效措施之一［4］。頻率捷變雷達包含兩種類型：脈間捷變和脈組捷變。雷達采用頻率捷變技術(shù)主要是為了改善探測距離、抗雜波、抗干擾。雷達脈沖的載頻在一個較寬的頻段上按一定規(guī)律或作隨機的快速的頻率跳變，即捷變量。

（1）隨機捷變

其中fi（i＝0，1，…，n-1）為按單調(diào)增規(guī)律排列的頻點值，頻率值在fi（i＝0，1，…，n-1）中按照隨機規(guī)律取值。

（2）鋸齒規(guī)律

其中fi（i＝0，1，…，n-1）為按單調(diào)增規(guī)律排列的頻點值，T為頻率變化周期，Δt為脈沖重復間隔，A為頻率變化范圍。

3）頻率分集

頻率分集雷達是采用頻率分集技術(shù)而產(chǎn)生的一種特殊體制雷達信號，雷達同時工作在多個頻率點上，占據(jù)了較寬的頻帶，可分為同時分集和分時分集兩種。分時分集雷達采用n個不同頻率的發(fā)射機以Δt的時間間隔依次產(chǎn)生等幅、等脈寬的脈沖發(fā)射出去。

2．4 雷達天線掃描模型

雷達天線是雷達重要的組成部分，幾乎所有的雷達天線都是有方向性的并以某種方法在角度上掃描波束［5］，常用掃描形式有以下幾種。

1）圓掃

雷達天線俯仰保持不變，在方位上做圓周運動，雷達偵察設備收到雷達信號掃描周期是等間隔的。

2）扇掃

雷達天線俯仰保持不變，在方位上一定角度范圍內(nèi)來回運動，有雙向和單向兩種，單向扇掃時雷達偵察設備收到雷達信號掃描周期是等間隔的，雙向扇掃時雷達偵察設備收到雷達信號掃描周期是有兩個值。

3）圓錐掃描

圓錐掃描時雷達天線圍繞一個中心做圓錐運動，雷達偵察設備收到雷達信號幅度呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律。

2．5 信號強度模型

雷達偵察設備收到的雷達信號強度可由以下公式表示：

其中：Sr（t）為t時刻雷達偵察設備接收到的信號；St（t-Δ）為輻射源t-Δ時刻的發(fā)射信號；R為輻射源到偵察設備的直線距離；Δ為距離時延；Gr為偵察天線增益；λ為信號波長；L為損耗因子，包括饋線損耗和極化損耗等；γR為大氣衰減因子，包括大氣吸收和云雨等衰減；F為傳播因子，包括大氣波道、干涉、衍射、遮擋。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

模擬器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬器總體結(jié)構(gòu)圖

用戶通過顯控單元提供的人機界面進行輻射源參數(shù)設置和戰(zhàn)情設置，并控制設備的運行狀態(tài)。

顯控單元通過高速串口向通道控制和調(diào)制單元發(fā)送初始參數(shù)和運行控制命令。

通道控制和調(diào)制單元根據(jù)初始參數(shù)實時解算每部雷達每個脈沖的到達時間、頻率、脈寬、信號幅度和調(diào)制參數(shù)等，并根據(jù)每個脈沖的到達時間，進行脈沖排序和丟脈沖處理，生成最終控制射頻調(diào)制單元的脈沖描述字數(shù)據(jù)流，并將脈沖達到時間和仿真時間真實相關，實時控制射頻調(diào)制單元。

射頻調(diào)制單元根據(jù)通道控制和調(diào)制單元的控制命令，實時產(chǎn)生射頻信號和調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制信號。然后進行幅度衰減、脈沖調(diào)制、功率放大后輸出。

射頻調(diào)制單元輸出的射頻信號，經(jīng)射頻電纜送到天線單元，天線進行功率放大后，經(jīng)輻射天線將射頻信號發(fā)射空中，以在雷達偵察設備周圍形成密集復雜的雷達信號環(huán)境。

1）顯控單元

顯控單元是模擬器的重要組成部分，它控制模擬器的運行，為用戶提供友好的人機界面，它包含的主要功能有雷達數(shù)據(jù)庫管理、試驗戰(zhàn)情設置、設備運行控制、設備狀態(tài)及試驗數(shù)據(jù)顯示和通信等。

2）通道控制和調(diào)制單元

通道控制和調(diào)制單元是模擬器的控制核心，采用大規(guī)模FPGA 芯片的高層次應用技術(shù)，既并行流水處理機結(jié)構(gòu)，其并行處理機的規(guī)模和流水節(jié)拍數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)應用規(guī)模作出適當?shù)臄U充和裁減。

通過FPGA 通道控制板，接收來自顯控單元的戰(zhàn)情參數(shù)，F(xiàn)PGA 內(nèi)部的通信管理模塊對接收的戰(zhàn)情參數(shù)作出處理和分發(fā)給各個脈沖描述控制字解算模塊，各個脈沖描述控制字解算模塊并行獨立工作，脈沖描述控制字解算模塊主要解算每一雷達脈沖到達時間、脈沖寬度、脈沖載頻及調(diào)制信息、脈沖幅度等，一部雷達占用一個脈沖描述控制字解算模塊；以每五個脈沖描述控制字解算模塊為一組，將解算的結(jié)果輸出給脈沖描述控制字時序排隊模塊，進行脈沖描述控制字時序排隊及脈沖丟失處理；以每五個脈沖描述控制字時序排隊模塊為一組，每一脈沖描述控制字時序排隊模塊將各自的結(jié)果輸出至下一級脈沖描述控制字時序排隊模塊在進行脈沖時序排隊解算；最終將解算的結(jié)果輸出至脈沖描述控制字輸出控制模塊，輸出給信號源。

圖2 通道控制和調(diào)制單元組成框圖

3）射頻調(diào)制單元

射頻調(diào)制單元由頻率源、放大器、程控衰減器組成。頻率源選用直接頻率合成方案，利用DDS來實現(xiàn)精細頻率步跳，并通過和一組以高穩(wěn)定度晶振為參考頻率的標頻源組成的粗精頻率步跳的點頻進行混頻、濾波及放大生成各頻段的信號。放大器補償通道功率損耗，程控衰減器完成射頻功率的控制。

4）天線單元

天線單元由功放和天線組成，為了減小傳輸線引入的功率損耗，增加天線輸入端的最大輸入功率，增強有效作用距離，采用天線和功率放大器一體化設計，將功率放大器直接放在天線后面。并采取散熱和防水措施。

4 模擬結(jié)果

1）頻率捷變信號

圖3 頻率捷變信號頻譜

2）重頻抖動信號

圖4 重頻抖動信號時域圖

3）錐掃

圖5 錐掃信號幅度圖

5 結(jié)語

該模擬器采用軟、硬件相結(jié)合的方式實現(xiàn)了常規(guī)和特種體制雷達的信號模擬生成，具有實時性好、真實度高、可擴展性好的特點。該模擬器已在工程中得到了應用。

［1］林象平，馮獻成，梁百川，等．電子對抗原理［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1981：3．

［2］趙國慶．雷達對抗原理［M］．西安：西安電子科技大學出版社，1999：71．

［3］許小劍，黃培康．雷達系統(tǒng)及其信息處理［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010：42-43．

［4］張明友，汪學剛．雷達系統(tǒng)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006：33．

［5］［美］Merrill l．Skolnik．雷達系統(tǒng)導論［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006：407．