復(fù)雜電磁環(huán)境采集回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

袁興鵬，侯克峰，楊立永

（1.91336部隊(duì)河北秦皇島066326；2.中國(guó)人民解放聯(lián)勤第九分部 山東濟(jì)南250014）

隨著新型平臺(tái)電子對(duì)抗裝備的逐步升級(jí)換代，其裝備指標(biāo)性能進(jìn)一步提高，復(fù)雜電磁的適應(yīng)能力進(jìn)一步加強(qiáng)，這就需要依據(jù)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)性、多變性和對(duì)抗性等特點(diǎn)，構(gòu)建種類齊全的測(cè)試環(huán)境信號(hào)，逼真的模擬對(duì)手戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗環(huán)境，客觀反映裝備的實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境。同時(shí)，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，新體制雷達(dá)等作戰(zhàn)對(duì)象越來(lái)越多的裝備，各種導(dǎo)彈、雷達(dá)系統(tǒng)大量地密集縱深配置，戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際輻射源數(shù)量日益增多，因此，新型電子對(duì)抗裝備面臨的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的信號(hào)愈來(lái)愈復(fù)雜。

在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)上，電子對(duì)抗裝備所處某一時(shí)空所面臨電磁信號(hào)錯(cuò)綜復(fù)雜，其脈沖密度從每秒數(shù)萬(wàn)到每秒數(shù)百萬(wàn)變化，在同一時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)各種信號(hào)交叉重疊情況，進(jìn)入接收端電磁波除了由雷達(dá)等電子設(shè)備直接發(fā)射出來(lái)之外，還有來(lái)自其它的各個(gè)方向的散射、反射出來(lái)電磁信號(hào)，樣式覆蓋各種威脅、干擾信號(hào)。電磁環(huán)境的復(fù)雜性表現(xiàn)更加突出，其時(shí)域表現(xiàn)為信號(hào)越來(lái)越密集，頻域表現(xiàn)為頻譜越來(lái)越寬，能域表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)交疊，調(diào)制域表現(xiàn)樣式越來(lái)越復(fù)雜[1]。因此，在測(cè)試過(guò)程中需要精準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)電子對(duì)抗裝備實(shí)際工作的時(shí)空中所處電磁環(huán)境，本文針對(duì)這一難題，提出了一種基于外場(chǎng)實(shí)際復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)采集回放的方式來(lái)復(fù)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，為測(cè)試復(fù)雜環(huán)境下的裝備性能提供了一種技術(shù)解決途徑。

1　電磁環(huán)境構(gòu)建需求及手段分析

隨著多種先進(jìn)技術(shù)體制廣泛應(yīng)用到新型電子對(duì)抗裝備上，裝備技術(shù)性能指標(biāo)大大提升，其適應(yīng)的電磁環(huán)境能力越來(lái)越強(qiáng)，其測(cè)試所需的電磁環(huán)境構(gòu)建需求如下。

首先是精確性，即模擬信號(hào)精度要求越來(lái)越高，不僅需要高精度威脅目標(biāo)的模擬功能，而且需要精確模擬雷達(dá)細(xì)微特征，如需要構(gòu)建大帶寬的SAR信號(hào)等。其次是效應(yīng)性，電磁環(huán)境效應(yīng)不僅需要模擬密集的脈沖信號(hào)，而且要體現(xiàn)電磁環(huán)境各種效應(yīng)，如多路徑等復(fù)合信號(hào)效應(yīng)、雜波環(huán)境等。第三是戰(zhàn)術(shù)性，不僅需要模擬各種干擾樣式，而且還需要模擬實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程，如實(shí)際武器攻擊過(guò)程中的電磁環(huán)境變化。

目前，主流的電磁環(huán)境內(nèi)外場(chǎng)模擬手段主要包括全數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真、實(shí)裝模擬3種手段。數(shù)字仿真手段，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)軟件構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)環(huán)境模型，利用已知的雷達(dá)、通信等數(shù)據(jù)庫(kù)信息或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，從而達(dá)到接近實(shí)戰(zhàn)的環(huán)境，主要用于裝備軟件的調(diào)試，模型構(gòu)建粒度對(duì)逼真性影響大。半實(shí)物仿真，通過(guò)模擬器來(lái)產(chǎn)生逼真的雷達(dá)電磁環(huán)境，具體可以通過(guò)模擬電磁信號(hào)功率、頻率、電磁波輻射方向等，將電磁環(huán)境通過(guò)空間輻射或者射頻注入到被試品，主要用于裝備靜態(tài)指標(biāo)的調(diào)試，構(gòu)建的環(huán)境比較規(guī)律，無(wú)法逼真模擬外場(chǎng)實(shí)際工作環(huán)境效應(yīng)。實(shí)裝模擬，該方法就是用實(shí)體電子裝備模擬戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)電磁環(huán)境，用于動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試，需要大量兵力保障，協(xié)調(diào)難度大。因此，這3種手段分別存在模型逼真性差、電磁效應(yīng)模擬不夠、構(gòu)設(shè)規(guī)模成本受限等問(wèn)題，無(wú)法完全保障裝備的測(cè)試環(huán)境構(gòu)建需求[2-3]。

為開展新一代電子對(duì)抗裝備復(fù)雜環(huán)境下的作戰(zhàn)性能測(cè)試，評(píng)估裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力，上述現(xiàn)有的復(fù)雜電磁環(huán)境模擬技術(shù)已不能完全滿足應(yīng)用的迫切需求。因此，為解決測(cè)試中電磁環(huán)境構(gòu)建難題，復(fù)現(xiàn)實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境效應(yīng)成為新一代電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)，而通過(guò)采集實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境并進(jìn)行回放的技術(shù)路線，既可以模擬高精度雷達(dá)信號(hào)特征，又可以真實(shí)的逼真復(fù)現(xiàn)電磁效應(yīng)，彌補(bǔ)實(shí)裝構(gòu)設(shè)規(guī)模不足，可以很好的解決復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建難題，彌補(bǔ)其他手段的不足[4]。電磁環(huán)境模擬手段對(duì)比情況見表1。

表1　電磁環(huán)境模擬手段比較

2　系統(tǒng)指標(biāo)和功能設(shè)計(jì)

2.1　環(huán)境采集性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前新一代電子對(duì)抗裝備測(cè)試電磁環(huán)境構(gòu)建需求分析，環(huán)境采集回放系統(tǒng)需要模擬高精度的復(fù)雜工作模式寬帶特殊體制威脅雷達(dá)信號(hào)，模擬具備高精度局部平臺(tái)的電磁環(huán)境效應(yīng)，模擬實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程的電磁環(huán)境。

高精度的復(fù)雜工作模式寬帶特殊體制威脅雷達(dá)信號(hào)，主要是指信號(hào)工作帶寬大、信號(hào)脈內(nèi)特征復(fù)雜、工作模式多變。這類信號(hào)可以通過(guò)采集系統(tǒng)直接采集特殊體制雷達(dá)輸出的單部信號(hào)，以高精度采樣定點(diǎn)的方式進(jìn)行采集，將這些特殊體制高威脅信號(hào)存儲(chǔ)，構(gòu)建信號(hào)模型庫(kù)，在測(cè)試時(shí)根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)用。這種采集主要對(duì)采集系統(tǒng)的瞬時(shí)工作帶寬、采樣頻率要求較高。

高精度局部平臺(tái)的電磁環(huán)境效應(yīng)，主要是指電子對(duì)抗平臺(tái)實(shí)際工作面臨的實(shí)際電磁環(huán)境，主要包括各種海雜波、同時(shí)到達(dá)信號(hào)、多路徑效應(yīng)等復(fù)合電磁環(huán)境。這類電磁環(huán)境信號(hào)，可以通過(guò)采集試驗(yàn)過(guò)程電子對(duì)抗裝備工作平臺(tái)處的電磁環(huán)境，將采集的窄帶電磁效應(yīng)信號(hào)存儲(chǔ)，并在測(cè)試采用寬帶模式進(jìn)行回放。這種采集主要對(duì)采集系統(tǒng)的采集工作頻率范圍、采樣存儲(chǔ)深度等指標(biāo)要求較高。

實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程的電磁環(huán)境，主要是指在艦艇平臺(tái)作戰(zhàn)過(guò)程遭遇的電磁環(huán)境變化，主要包括目標(biāo)探測(cè)、跟蹤以及攻擊過(guò)程中的威脅目標(biāo)及電磁環(huán)境變化。這類電磁環(huán)境信號(hào)，可以通過(guò)采集實(shí)際作戰(zhàn)訓(xùn)練工作電磁環(huán)境并存儲(chǔ)，并在測(cè)試過(guò)程按照作戰(zhàn)要求進(jìn)行二次模擬和仿真。這種采集主要對(duì)采集系統(tǒng)的通道配置、回放處理等指標(biāo)要求較高。

典型系統(tǒng)指標(biāo)如下：

采集及工作頻率：0.5～18 GHz；

瞬時(shí)帶寬：800 MHz；

采集通道數(shù)：2；

中頻信號(hào)帶寬：800 MHz；

采樣頻率：1.2 GHz；

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量：不小于32TB。

2.2　功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)為了滿足上述采集要求，復(fù)雜電磁環(huán)境采集模擬設(shè)備應(yīng)具備以下功能：

射頻信號(hào)搬移變頻功能，能夠?qū)?duì)輸入寬帶信號(hào)進(jìn)行下變頻，對(duì)回放的寬帶信號(hào)進(jìn)行上變頻；射頻信號(hào)的數(shù)字處理、分析與存儲(chǔ)功能；

復(fù)雜電磁環(huán)境的采集/播放功能，對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)調(diào)制后的寬帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行播放；

雷達(dá)信號(hào)細(xì)微特征模擬功能，通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)細(xì)微特征采集、信號(hào)生成控制、波形編輯等，模擬生成高威脅雷達(dá)信號(hào)；

雷達(dá)采集電磁環(huán)境實(shí)時(shí)顯示功能，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行各種矢量分析、波形顯示及態(tài)勢(shì)編輯，存儲(chǔ)入庫(kù)。

3　系統(tǒng)技術(shù)總體結(jié)構(gòu)

3.1　基于DRFM的寬帶電磁環(huán)境采集回放技術(shù)路線分析

隨著數(shù)字射頻存儲(chǔ)器DRFM的不斷發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于各種電子對(duì)抗系統(tǒng)之中?；贒RFM的微波信號(hào)存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)接收的射頻信號(hào)完成采樣、存儲(chǔ)、變換和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)，DRFM在雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，甚至用在了許多先進(jìn)的干擾系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波模擬、干擾模擬等功能，用于對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)性能測(cè)試等領(lǐng)域。而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，更高速AD、DA和更快速數(shù)字信號(hào)處理器件、更大容量數(shù)字存儲(chǔ)器件的涌現(xiàn)，利用DRFM系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)進(jìn)行全脈沖采集存儲(chǔ)進(jìn)行電磁環(huán)境模擬和構(gòu)建已無(wú)技術(shù)障礙[5-6]。

3.2　系統(tǒng)組成

復(fù)雜電磁環(huán)境采集回放系統(tǒng)采用內(nèi)外結(jié)合的方式配置，其中采集部分為外場(chǎng)配置，其余部分采用實(shí)驗(yàn)室配置并安裝架設(shè)于微波暗室或外場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地。系統(tǒng)主要由顯示控制分系統(tǒng)、射頻接收分系統(tǒng)、寬帶雷達(dá)信號(hào)采集分系統(tǒng)、信號(hào)分析處理與存儲(chǔ)分系統(tǒng)、寬帶雷達(dá)信號(hào)播放分系統(tǒng)、射頻發(fā)射分系統(tǒng)、頻綜分系統(tǒng)、信號(hào)源分系統(tǒng)以及天饋分系統(tǒng)組成。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

顯示控制分系統(tǒng)，主要由控制計(jì)算機(jī)以及控制電路組成，主要用于對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)行管理、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)控等。

射頻接收分系統(tǒng)由接收變頻網(wǎng)絡(luò)、控制接口電路等組成，主要將偵收的射頻信號(hào)下變頻到成中頻信號(hào)。

寬帶雷達(dá)信號(hào)采集分系統(tǒng)主要由主要完成對(duì)中頻的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。

信號(hào)分析處理與存儲(chǔ)分系統(tǒng)主要包括高速AD、數(shù)字儲(chǔ)頻（DRFM）模塊、存儲(chǔ)陣列，完成中頻信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)存和回放。

寬帶雷達(dá)信號(hào)播放分系統(tǒng)主要包括控制計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)存設(shè)備、寬帶DAC等組成，完成磁盤陣列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到Flash存儲(chǔ)模塊，并將采樣的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為中頻回波信號(hào)。

射頻發(fā)射分系統(tǒng)主要包括上變頻網(wǎng)絡(luò)、控制接口電路等組成，將模擬產(chǎn)生的中頻回波信號(hào)上變頻到射頻，主要完成信號(hào)的功率放大及對(duì)外發(fā)射等功能[7-8]。

3.3　系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作時(shí)，采用窄采寬放的方式，信號(hào)采集時(shí)，設(shè)置工作帶寬、采樣頻率等參數(shù)，射頻信號(hào)輸入后先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)整動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)變頻器變頻到中頻信號(hào)，經(jīng)高速AD轉(zhuǎn)換后，得到高速數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)信號(hào)存儲(chǔ)分系統(tǒng)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到固態(tài)存儲(chǔ)陣列中。信號(hào)回放時(shí)，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)陣列的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)綄拵盘?hào)播放分系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，得到中頻信號(hào)，再經(jīng)變頻器上變頻后，得到0.5～18 GHz的射頻信號(hào)，經(jīng)天饋分系統(tǒng)輻射至被測(cè)裝備[9-10]。

4　關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

復(fù)雜電磁環(huán)境采集回放系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：超寬帶射頻信號(hào)采集、超高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、超寬帶高威脅雷達(dá)信號(hào)生成技術(shù)等。

在超寬帶射頻信號(hào)采集方面，采用寬帶下變頻組件（瞬時(shí)帶寬高達(dá) 800 MHz，甚至更高）高中頻（1.8 GHz+）直接變頻技術(shù)，高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)信道化濾波與多次變頻處理，直接傳給高速高分辨率AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集分析，寬帶下變頻組件的瞬時(shí)帶寬高達(dá)1 GHz，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行深入分析，以滿足寬帶雷達(dá)信號(hào)、跳頻通信、電子戰(zhàn)以及復(fù)雜電磁環(huán)境等測(cè)試應(yīng)用[11-12]。

圖2　寬帶信號(hào)采集原理圖

在超高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)方面，通過(guò)FPGA直接控制SATA接口的SSD來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，將高速ADC和DAC、超大規(guī)模FPGA、超高速海量存儲(chǔ)介質(zhì)、以及高速光纖接口等集成在一起，并支持進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。目前，連續(xù)流盤存儲(chǔ)速度最高可達(dá)到4.8 GByte/s以上，存儲(chǔ)容量最高可高達(dá)32 TByte，并且可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)充，充分滿足各種應(yīng)用環(huán)境對(duì)存儲(chǔ)速率和時(shí)間的需求，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)讀寫以及大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[13-15]。

在超寬帶高威脅雷達(dá)信號(hào)生成技術(shù)方面，目前實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)頻信號(hào)的方法主要是通過(guò)選擇高性能的DDS，通過(guò)控制其內(nèi)部的任意波形發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)。任意波形產(chǎn)生器依托高性能指標(biāo)的超高速DDS、超高速DAC以及高端FPGA組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用此方法可以構(gòu)成任意頻率、相位、幅度的信號(hào)，靈活性優(yōu)于DDS。最大調(diào)頻信號(hào)的帶寬為1.2 GHz，目前實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的方法主要是通過(guò)選擇高性能的DDS，通過(guò)控制其內(nèi)部的任意波形發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)[16]。

圖3　高速大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)理圖

并通過(guò)采用窄采寬放的方式，分頻段采集外場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境采集，在將采集的信號(hào)復(fù)合到整個(gè)頻段進(jìn)行播放，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻段范圍內(nèi)的信號(hào)采集與播放。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)基于采集回放的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)開展研究，設(shè)計(jì)了一種基于采集回放的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，解決了新一代作戰(zhàn)測(cè)試復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的難題。實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)基于采集回放模式的功能進(jìn)行完善，復(fù)現(xiàn)了被試裝備工作地點(diǎn)實(shí)際面臨的電磁環(huán)境效應(yīng)及射頻信號(hào)特征，為電子對(duì)抗裝備的測(cè)試提供接近實(shí)戰(zhàn)的作戰(zhàn)環(huán)境，可有效減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試次數(shù)，縮短測(cè)試時(shí)間，為裝備的作戰(zhàn)效能評(píng)估提供支撐。