基于SINC函數(shù)靶標(biāo)雷達(dá)電磁輻射特性的實(shí)現(xiàn)

黃 翌,楊志謙，段曉超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

基于SINC函數(shù)靶標(biāo)雷達(dá)電磁輻射特性的實(shí)現(xiàn)

黃 翌,楊志謙，段曉超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

介紹了靶標(biāo)雷達(dá)如何模擬雷達(dá)工作，詳細(xì)討論了如何使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)查表方式實(shí)現(xiàn)SINC函數(shù)擬合雷達(dá)副瓣波形，敘述了通過配置參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)雷達(dá)副瓣特性的模擬方法，并給出了計(jì)算公式和實(shí)現(xiàn)，最后，對(duì)量化誤差進(jìn)行了分析。通過誤差分析可知，該方法可以逼真地模擬雷達(dá)天線副瓣電磁輻射特性，同時(shí)極大地降低了靶標(biāo)雷達(dá)的研制、使用、維護(hù)成本，加快了研制周期。

反輻射導(dǎo)彈；SINC函數(shù)；副瓣；誤差分析

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，通過反輻射作戰(zhàn)壓制或摧毀對(duì)方雷達(dá)和指揮通信系統(tǒng)，奪取戰(zhàn)場(chǎng)上的主動(dòng)權(quán)，進(jìn)而取得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利，已成為常用的作戰(zhàn)形式[1]。反輻射導(dǎo)彈能夠識(shí)別跟蹤雷達(dá)電磁波并摧毀雷達(dá)，在高科技電子戰(zhàn)中發(fā)揮著極其重要的作用。靶標(biāo)雷達(dá)作為反輻射導(dǎo)彈攻擊試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)并驗(yàn)證性能用的電子裝備，可以對(duì)反輻射導(dǎo)彈進(jìn)行真實(shí)使用環(huán)境下的全面測(cè)試，是驗(yàn)證反輻射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要手段[2]。

為配合反輻射導(dǎo)彈的研制和試驗(yàn)，靶標(biāo)雷達(dá)應(yīng)該采用能夠真實(shí)工作的實(shí)物雷達(dá)，然而采用真實(shí)雷達(dá)有研制周期長(zhǎng)、靈活性低、維護(hù)成本高的缺點(diǎn)，特別是靶標(biāo)雷達(dá)在試驗(yàn)中具有相當(dāng)高的損毀幾率[3]。因此研究設(shè)計(jì)一種能夠完全模擬真實(shí)雷達(dá)工作時(shí)發(fā)射電磁波輻射特性的可編程專用靶標(biāo)雷達(dá)具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

1 反輻射導(dǎo)彈

反輻射導(dǎo)彈是一種以雷達(dá)或其他電磁輻射源為攻擊目標(biāo)的導(dǎo)彈，使用反輻射導(dǎo)彈摧毀對(duì)方雷達(dá)和電磁干擾源以?shī)Z取制電磁權(quán)，進(jìn)而壓制對(duì)方防空系統(tǒng)取得制空權(quán)，從而獲得戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的普遍方式。反輻射導(dǎo)彈的優(yōu)點(diǎn)主要為：(1)有效殺傷對(duì)方雷達(dá)或輻射源使其喪失工作能力，迫使其他雷達(dá)或輻射源不能正常開機(jī)，導(dǎo)致整個(gè)防空系統(tǒng)癱瘓，具有很強(qiáng)的殺傷力、威懾力。(2)采用被動(dòng)搜索跟蹤方式，本身無電磁輻射，同時(shí)其雷達(dá)反射面積很小，因而隱蔽性好，不易被發(fā)現(xiàn)。(3)飛行速度快，其通常為超音速飛行，使對(duì)方?jīng)]有足夠的反應(yīng)時(shí)間，具有快速打擊能力。(4)跟蹤頻率范圍寬，接收機(jī)靈敏度高，能夠在遠(yuǎn)距離上發(fā)現(xiàn)多種類型的雷達(dá)或輻射源，能從目標(biāo)的側(cè)后方發(fā)動(dòng)攻擊。 (5)自主作戰(zhàn)能力強(qiáng)，對(duì)輻射源具有記憶能力，一旦捕獲目標(biāo)，便可自動(dòng)跟蹤并攻擊目標(biāo)，即便目標(biāo)關(guān)機(jī)或啟動(dòng)干擾措施，仍能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確打擊。

作戰(zhàn)中，雷達(dá)陣地為防御反輻射導(dǎo)彈的進(jìn)攻采取多種方法對(duì)抗。如用假目標(biāo)欺騙導(dǎo)引頭的偵察設(shè)備，改變雷達(dá)參數(shù)來破壞導(dǎo)引頭的目標(biāo)跟蹤，采用關(guān)機(jī)戰(zhàn)術(shù)使導(dǎo)引頭找不到目標(biāo)等。因此，導(dǎo)引頭技術(shù)是影響反輻射導(dǎo)彈命中概率的關(guān)鍵技術(shù)，必須具有寬頻帶甚至超寬頻帶的覆蓋頻域、寬瞬時(shí)帶寬、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、瞬時(shí)自動(dòng)增益控制、高測(cè)角精度、很強(qiáng)的信號(hào)分選和選擇能力、很強(qiáng)的抗干擾能力、智能化的戰(zhàn)斗使用方式[4]。

2 靶標(biāo)雷達(dá)輻射源特性

反輻射導(dǎo)彈發(fā)現(xiàn)并摧毀雷達(dá)目標(biāo)的重要措施之一是提高電磁波探測(cè)的靈敏度，使其能夠檢測(cè)并識(shí)別雷達(dá)輻射源的副瓣，跟蹤副瓣進(jìn)行目標(biāo)打擊。對(duì)雷達(dá)天線方向圖常用SINC函數(shù)進(jìn)行描述，表達(dá)式為SINC(x)=sin(πx)/(πx)。SINC函數(shù)具有特殊的性質(zhì)，其函數(shù)曲線如圖1所示[5]。SINC函數(shù)的圖形與雷達(dá)天線的方向圖存在共性，具有明顯的“主瓣”和“副瓣”，并且“主瓣”和“副瓣”也具有相似的波形，只是在幅度上有少許區(qū)別[6]。

靶標(biāo)雷達(dá)要驗(yàn)證反輻射導(dǎo)彈對(duì)雷達(dá)電磁輻射的探測(cè)靈敏度，只需要定向模擬真實(shí)雷達(dá)的副瓣輻射特性，所以采用的發(fā)射機(jī)可以比真實(shí)雷達(dá)使用的發(fā)射機(jī)功率小得多，這樣可以極大地降低研制難度和成本。靶標(biāo)雷達(dá)工作時(shí)，將天線朝向反輻射導(dǎo)彈發(fā)射方向，通過模擬真實(shí)雷達(dá)副瓣產(chǎn)生電磁輻射，對(duì)反輻射導(dǎo)彈進(jìn)行定向引導(dǎo)。真實(shí)雷達(dá)在實(shí)際工作時(shí)，天線轉(zhuǎn)動(dòng)，輻射的電磁場(chǎng)在空間點(diǎn)的強(qiáng)弱變化可以用SINC函數(shù)曲線進(jìn)行擬合。靶標(biāo)雷達(dá)定向工作時(shí)通過在時(shí)間上控制發(fā)射機(jī)功率增益的變化，可以模擬真實(shí)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)反輻射導(dǎo)彈的電磁輻射效果。

靶標(biāo)雷達(dá)針對(duì)不同型號(hào)雷達(dá)的副瓣特性，采用可配置參數(shù)的方式，按照SINC函數(shù)曲線控制發(fā)射機(jī)功率，使靶標(biāo)雷達(dá)的電磁輻射信號(hào)在信號(hào)類型、變化特點(diǎn)上與模擬的真實(shí)雷達(dá)一致，滿足反輻射導(dǎo)彈探測(cè)跟蹤雷達(dá)副瓣的試驗(yàn)要求。

3 靶標(biāo)雷達(dá)模擬雷達(dá)副瓣的實(shí)現(xiàn)

靶標(biāo)雷達(dá)的工作時(shí)序和發(fā)射功率增益控制采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)編程實(shí)現(xiàn)，其工作原理框圖如圖2所示。對(duì)圖1中的SINC函數(shù)進(jìn)行量化，取x從0到1，步進(jìn)0.1，計(jì)算y=SINC(x)，得到發(fā)射功率增益權(quán)重值為w(11)=(1, 0.983 6, 0.935 5, 0.858 4, 0.756 8, 0.636 6, 0.504 6, 0.367 9, 0.233 9, 0.109 3, 0)。主控計(jì)算機(jī)計(jì)算發(fā)射功率增益乘以增益權(quán)重，得到發(fā)射機(jī)功率增益碼值，寫入FPGA內(nèi)部的“功率增益參數(shù)表”中。

如圖3所示，靶標(biāo)雷達(dá)要模擬雷達(dá)實(shí)際工作時(shí)的副瓣效果，需要在每個(gè)工作周期(即導(dǎo)前重復(fù)周期PRT)內(nèi)根據(jù)SINC函數(shù)的擬合量化值打入當(dāng)前發(fā)射機(jī)的功率增益碼值。“時(shí)序產(chǎn)生”模塊根據(jù)調(diào)制步進(jìn)個(gè)數(shù)(MSN)和調(diào)制重復(fù)周期個(gè)數(shù)(MRTN)產(chǎn)生“功率增益參數(shù)表”地址，查表得到相應(yīng)的功率增益碼值，通過控制發(fā)射機(jī)電磁波功率，模擬雷達(dá)實(shí)際工作時(shí)的副瓣效果。

“參數(shù)計(jì)算”模塊的功能是根據(jù)主控計(jì)算機(jī)設(shè)置的調(diào)制周期(MRT)、調(diào)制深度(MD)、調(diào)制占空比(MP)、導(dǎo)前重復(fù)周期(PRT)等參數(shù)，計(jì)算出MSN和MRTN。參數(shù)意義如圖4所示，MRT控制產(chǎn)生副瓣的重復(fù)周期，MD控制發(fā)射功率的衰減深度，MP設(shè)置副瓣占每個(gè)調(diào)制周期的百分比，可以得到MSN和MRTN公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中：PM為調(diào)制占空比；TM為調(diào)制周期；TMRT為調(diào)制重復(fù)周期；NMS為調(diào)制步進(jìn)個(gè)數(shù)；DM為調(diào)制深度；TPRT為脈沖重復(fù)周期；NMRT為調(diào)制周期個(gè)數(shù)。

根據(jù)得到的NMS和NMRT參數(shù)，“時(shí)序產(chǎn)生”模塊在每個(gè)導(dǎo)前判斷是否需要改變發(fā)射功率增益。調(diào)制步進(jìn)個(gè)數(shù)NMS決定發(fā)射功率增益需要維持多少個(gè)導(dǎo)前周期，“時(shí)序產(chǎn)生”模塊每經(jīng)過NMS個(gè)導(dǎo)前，發(fā)射功率增益輸出值就要變化一次，經(jīng)過DM×NMS個(gè)導(dǎo)前周期后，發(fā)射功率增益衰減為最大。然后按照同樣的方式反向進(jìn)行發(fā)射功率增益控制，經(jīng)過(DM-1)×NMS個(gè)導(dǎo)前周期后，功率增益恢復(fù)為不衰減值?！皶r(shí)序產(chǎn)生”模塊將維持此時(shí)的功率增益值，經(jīng)過NMRT-(DM×2-1)×NMS個(gè)導(dǎo)前周期后，重復(fù)上述過程。如此循環(huán)往復(fù)，如圖4所示，每經(jīng)過NMRT個(gè)導(dǎo)前周期(即每經(jīng)過TMR時(shí)間)，將重復(fù)模擬1次雷達(dá)的副瓣波形。通過這種可配置參數(shù)的方式，利用FPGA產(chǎn)生不同時(shí)序，來模擬不同工作模式下雷達(dá)在空間形成的不同副瓣輻射特性。

4 誤差分析

“功率參數(shù)增益表”中的增益碼值是根據(jù)SINC函數(shù)曲線進(jìn)行量化后寫入的，存在量化誤差。由圖3所示，量化采用舍入方式，其中量化階為副瓣功率增益碼值數(shù)。設(shè)y為量化前的SINC函數(shù)，yq為量化后的值，得到相對(duì)量化誤差公式[7]:

(4)

設(shè)定副瓣增益衰減的顆粒度為10階，根據(jù)相對(duì)誤差公式可以得到，相對(duì)量化誤差最大為4.32%，可以實(shí)現(xiàn)用戶單位提出的指標(biāo)要求。通過增加量化階可以更好地?cái)M合SINC函數(shù)曲線，減小擬合誤差，但是相應(yīng)地需要增加FPGA資源的消耗。通過實(shí)際測(cè)試，10階的量化功率增益碼值已經(jīng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)副瓣波形特性的模擬，完成對(duì)反輻射導(dǎo)彈的功能驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種低成本、易于研制和維護(hù)的可編程靶標(biāo)雷達(dá)的設(shè)計(jì)方法，分析了如何基于SINC函數(shù)實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)雷達(dá)對(duì)雷達(dá)天線副瓣的模擬，詳細(xì)討論了利用FPGA擬合SINC函數(shù)曲線的方法，并實(shí)現(xiàn)了發(fā)射功率增益控制的原理。最后，對(duì)實(shí)現(xiàn)中采用數(shù)字?jǐn)M合量化造成的量化誤差進(jìn)行了具體分析，指出通過增加量化階可以減小量化誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠極大地降低研制維護(hù)成本，加快靶標(biāo)雷達(dá)的研制周期，提高模擬多種雷達(dá)特性的靈活度，保證對(duì)雷達(dá)天線副瓣輻射特性模擬的逼真度。

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Realization of Electromagnetism Radiation Characteristics for Target Radar Based on SINC Function

HUANG Yi,YANG Zhi-qian,DUAN Xiao-chao

(Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

This paper introduces how the target radar simulates radar operation,discusses how to use field programmable gate array (FPGA) look-up table method to fit the waveform of radar side-lobe by using SINC function in detail,expatiates the simulation method using parameter deploy to realize the side-lobe characteristics of different types of radars,and gives the calculation formula and realization,finally analyzes the quantitized error.The error analysis shows that the method can realistically simulate the electromagnetic radiation characteristics of radar antenna side-lobe,and also reduce the cost of development,usage and and maintenance,as well as shorten the development period.

anti-radiation missile;SINC function;side-lobe;error analysis

2016-11-01

TN957;TP391.9

A

CN32-1413(2017)01-0047-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.010