一種低截獲概率靶載射頻輻射源設計?

（91851部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

隨著技術(shù)的進步，國外先進反艦導彈已普遍應用具有低截獲概率能力的相參雷達導引頭［1～4］?？己伺灴諏椢淦飨到y(tǒng)對抗相參體制導引頭的能力，是未來航母艦艇編隊反艦導彈防御作戰(zhàn)的迫切需求。傳統(tǒng)的靶載射頻輻射源主要由退役雷達導引頭改裝，發(fā)射功率過大，波形單一，波束較寬，其電磁輻射特性與主流反艦導彈差異明顯，不具備低截獲概率特征，難以完成艦艇編隊與低截獲概率導引頭之間的對抗性試驗。

本文對低截獲概率雷達導引頭特征進行了分析，提出了一種低截獲概率空靶射頻輻射源的設計和實現(xiàn)方法，能較為逼真地模擬新型反艦導彈低截獲概率雷達導引頭的電磁輻射特性，有效提升電磁環(huán)境構(gòu)設能力。

2 低截獲概率相參雷達雷達導引頭特征分析

低截獲概率（LPI）雷達定義為“雷達探測到敵方目標的同時，敵方截獲到雷達信號的可能性概率最小”，即“看見但不被見”［5～7］。低截獲概率雷達普遍采用功率管理、寬帶及低副瓣、復雜波形、相參積累、一體化探測等技術(shù)，廣泛應用于國外反艦導彈導引頭中。根據(jù)器件水平及武器展會上透漏的技術(shù)參數(shù)，分析美國“魚叉”Block 1型反艦導彈導引頭基本性能如表1所示。

3 低截獲概率靶載射頻輻射源設計

3.1 系統(tǒng)組成及工作原理

低截獲概率靶載射頻輻射源主要由天線及伺服機構(gòu)、發(fā)射機、頻率綜合器、數(shù)字控制組合、電源組合六部分組成。頻率綜合器為系統(tǒng)提供全相參的射頻發(fā)射信號，由發(fā)射機進行調(diào)制與放大，經(jīng)天線將射頻能量聚集成窄波束并向被試目標輻射。數(shù)字控制組合是系統(tǒng)的控制核心，具有兩大主要功能，一是負責射頻信號的功率管理、波形控制及編碼設置；二是根據(jù)載體與輻射目標的相對位置關(guān)系，解算天線軸線與目標的程序指向角，控制伺服機構(gòu)帶動天線對動目標進行跟蹤。低截獲概率靶載射頻輻射源系統(tǒng)組成如圖1所示。

3.2 天線及伺服組合設計

3.2.1 天線設計

天線負責將輸入的高功率射頻能量聚集成窄波束向預定目標輻射。由于輻射源體制只發(fā)不收的特點，天線設計為單一和通道天線。采用平板縫陣天線形式，它由天線陣面和饋電網(wǎng)絡兩層構(gòu)成［8～10］。

表1 美國“魚叉”Block 1型反艦導彈導引頭基本性能分析

圖1 低截獲概率靶載射頻輻射源系統(tǒng)組成框圖

1）天線口徑的計算

按天線波束寬度計算公式：

其中λ為波長；θ為天線波束寬度；K是常數(shù)，其數(shù)值與天線主波束的能量集中度有關(guān)，對于平板縫陣天線，按副瓣電平-20dB，K取1.2，由波長λ和波束寬度θ可確定天線口面D。

2）天線增益的計算

按天線增益計算公式：

其中：η為天線效率，對于平板縫陣天線，通常取0.5，A為天線有效面積，λ是波長，由此可確定天線增益。

3.2.2 伺服機構(gòu)設計

伺服機構(gòu)伺服機構(gòu)利用步進電機開環(huán)定位特性［11］，實現(xiàn)天線的搜索、扇掃、指向等功能，由步進電機及驅(qū)動器、減速器和測角電位器組成。步進電機選用2414S單軸二相步進電機其供電電壓為18V～40V，步距角1.8°減速器采用60：1減速比，步進電機的步距角可以通過該減速器轉(zhuǎn)換為天線的步進角度為1.8′，具有較高的控制精度。測角電位器與天線同軸安裝安裝，用于測量天線相對于彈軸的角度位置。

天線及伺服組合具有起始、搜索和跟蹤三種工作狀態(tài)，其工作過程與真實反艦導彈導引頭相吻合。射頻輻射源加電后處于起始狀態(tài)，天線在右極限位置（起始位置）；開機指令后處于搜索狀態(tài)，輻射源發(fā)射射頻信號，同時天線電軸在左右極限范圍內(nèi)搜索或在指定區(qū)域內(nèi)扇掃；開機若干時間（該時間可裝訂）后轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，根據(jù)天線軸向與預定目標的方位偏差形成天線指向控制電壓，實施對目標的方位跟蹤。

3.3 發(fā)射機設計

發(fā)射機主要由數(shù)控衰減器、固態(tài)功率放大器、電源調(diào)制器、檢波器、輸入輸出隔離等組成。固態(tài)功率放大器采用兩級體制，第一級選用增益22dB、輸出功率200mW的單片，工作電流0.3A；第二級選用增益20dB、輸出功率達14W的功率單片，工作電流4.5A。衰減器可以對信號功率進行步進衰減，實現(xiàn)50dB的輸出動態(tài)范圍，滿足低截獲雷達功率精確控制要求。電源調(diào)制器完成單脈沖、線性調(diào)頻、二項編碼等波形的調(diào)制。檢波器進行功率檢波，并將輸出功率數(shù)據(jù)通過遙測信道下傳，用于試驗結(jié)果分析。

3.4 頻率綜合器設計

頻率綜合器為導引頭提供全相參的射頻發(fā)射信號，采用寬帶直接數(shù)頻率合成（DDS）技術(shù)，模擬常規(guī)脈沖雷達、重頻抖動、重頻參差、頻率捷變、線性調(diào)頻等多種體制雷達信號。

射頻信號源由基帶信號發(fā)生器、跳頻源、混頻器、濾波器組成?；鶐盘柊l(fā)生器采用AD9914產(chǎn)生。AD9914是一款帶12位DAC的直接數(shù)字頻率合成器（DDS），能夠產(chǎn)生高達1.4GHz的頻率捷變模擬輸出正弦波［12～13］，具有快速跳頻和精密調(diào)諧分辨率和快速相位與幅度跳躍功能。跳頻信號源采用內(nèi)置VCO的單片PLL集成電路HMC765LP6CE完成，按數(shù)字控制模塊的指令產(chǎn)生相應的頻率與基帶信號混頻濾波后輸出至發(fā)射機。頻率綜合器原理如圖2所示。

圖2 頻率綜合器原理框圖

3.5 數(shù)字控制組合設計

3.5.1 數(shù)字控制組合硬件設計

數(shù)字組合采用FPGA+DSP架構(gòu)實現(xiàn)，通過雙向422串行接口1與空靶控制系統(tǒng)或地面測試系統(tǒng)交聯(lián)，獲取輻射源裝訂參數(shù)、控制指令、載體GPS實時數(shù)據(jù)，送出反饋信息；通過單向422串行接口2裝訂射頻信號源的編碼參數(shù)；通過鎖存器向發(fā)射機送出6位功率控制碼；通過可編程器件直接生成波形控制碼；通過A/D獲取天線位置信息，并根據(jù)工作狀態(tài)和裝訂信息產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，通過線驅(qū)動器送往步進電機驅(qū)動器。數(shù)字控制組合原理如圖3所示。

3.5.2 天線指向算法設計

隨著空靶運動，射頻輻射源天線軸向與預定目標的相對角度不斷變化，空靶射頻輻射源要具有對預定目標的瞄準和定向輻射能力。輻射源天線與目標位置如圖4所示。關(guān)在空靶發(fā)射坐標系下，設空靶發(fā)射點坐標為O（0，0），空靶射向為X軸，目標位置的經(jīng)緯度坐標為D（XD，ZD），目標靜止（目標速度相對于空靶的飛行速度可忽略），射頻輻射源天線基準軸線與彈軸重合，空靶發(fā)射后T秒，空靶彈載慣導解算出空靶T時刻的坐標為T（XT，ZT），則空靶射向相對于目標的夾角：

考慮到空靶姿態(tài)的影響，設由空靶航向陀螺信號得其航向姿態(tài)角為φ2（在X軸左側(cè)設為正方向），則輻射源天線基準方向相對于目標的夾角：

圖3 數(shù)字控制組合電原理圖

圖4 輻射源天線軸向與目標位置關(guān)系示意圖

3.6 電源組合設計

電源組合采用DC-DC變換器，將來自母線28.5V電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)工作所需的±15V、+5V等二次電源。

4 試驗分析

為驗證本文設計的有效性，進行了多次飛行試驗。試驗中錄取的輻射源信號功率數(shù)據(jù)如圖5所示，天線程序指向角與同樣航路的雷達導引頭航控電壓對比數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖5可見，射頻信號功率連續(xù)且可靈活控制。從圖6可見，程序指向角與航控電壓有很好的擬合，在最初10s，二者最大差值為0.44V（雷達導引頭航控電壓斜率為2.5V/°），換算成角度為0.18°；60s后雖然由于偏轉(zhuǎn)角增大造成一定的非線性誤差，但最大角度小于1°，滿足角度穩(wěn)定跟蹤要求。

圖5 微波源輻射功率曲線

圖6 輻射源程序指向角與導引頭航控電壓對比曲線

5 結(jié)語

本文提出了一種低截獲概率空靶射頻輻射源的設計和實現(xiàn)方法，較為逼真地模擬新型反艦導彈低截獲概率雷達導引頭的電磁輻射特性，構(gòu)建更為真實的反艦導彈攻擊態(tài)勢。