雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測方法研究

趙嚴(yán)冰，張新立

(中國人民解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326)

0 引言

貼近實戰(zhàn)，構(gòu)設(shè)復(fù)雜逼真、分層分級、可調(diào)可控的電磁環(huán)境是試驗訓(xùn)練的核心要求。目前在構(gòu)設(shè)雷達(dá)裝備試驗訓(xùn)練電磁環(huán)境中，雷達(dá)有源干擾環(huán)境是重點內(nèi)容，但是由于缺乏針對性、相關(guān)性、實效性的雷達(dá)干擾環(huán)境有感監(jiān)測手段[1]，不能對特定信號的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和測量，無法獲得特定信號的特征參量，不能支撐構(gòu)建環(huán)境和預(yù)測環(huán)境的等效性評價，導(dǎo)致在雷達(dá)裝備抗干擾評估上難以準(zhǔn)確界定外界干擾環(huán)境對雷達(dá)的影響程度和影響機(jī)理，甚至在問題溯源上，難以清晰判定是干擾所為、還是雷達(dá)固有缺陷所致，嚴(yán)重影響了試驗鑒定和訓(xùn)練考評的科學(xué)性和權(quán)威性。

本文在分析試驗訓(xùn)練任務(wù)詳細(xì)需求的基礎(chǔ)上，提出了一種用于岸基、艦載雷達(dá)的合作式有源干擾監(jiān)測方法,該方法可有效獲取基于受體有感干擾環(huán)境的功率、頻率、時間和特征參數(shù)，并進(jìn)行了典型配置條件的應(yīng)用驗證。

1 雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測的需求分析

電磁環(huán)境監(jiān)測是為了感知掌握電磁環(huán)境的狀態(tài)，采用與構(gòu)建電磁環(huán)境的信號特性相適應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測技術(shù)及方法，對各種或特定信號的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和測量的過程[2]。實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的適應(yīng)性和實效性，很重要一個環(huán)節(jié)就是電磁環(huán)境的動態(tài)精確感知。雷達(dá)有源干擾環(huán)境監(jiān)測作為電磁環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容，就是要在雷達(dá)試驗訓(xùn)練任務(wù)中準(zhǔn)確掌握特定雷達(dá)裝備所面臨有源干擾電磁環(huán)境在時域、空域、頻域和能域的特征和參數(shù)范圍。與雷達(dá)輻射源信號環(huán)境監(jiān)測不同，雷達(dá)有源干擾環(huán)境監(jiān)測不適用寬開方式的“盲偵盲測”，這也是由雷達(dá)有源干擾信號的特點決定的，很重要的就是雷達(dá)有源干擾信號與雷達(dá)輻射源信號具有明顯的不同：

1)它只作用于特定的對象，信號樣式與干擾對象匹配；

2)在信號特征上，具有一定的隨機(jī)性，既有連續(xù)信號，也有脈沖信號，既有窄帶信號，也有寬帶信號；

3)干擾信號在時間、空間、能量上是不斷變化的，具有一定的人為因素；

4)對于特定的受體對象，干擾信號常常與目標(biāo)回波信號、雜波信號混合在一起。

因此，根據(jù)雷達(dá)試驗訓(xùn)練任務(wù)需求，宜采用基于受體的有源干擾環(huán)境有感監(jiān)測方法，就是按照面向?qū)ο蟮乃枷耄瑥氖荏w裝備角度出發(fā)，對不同類型、不同來源的干擾信號進(jìn)行實時監(jiān)測，以檢驗電磁環(huán)境對雷達(dá)的敏感區(qū)域和雷達(dá)相關(guān)抗干擾性能指標(biāo)。這就需要實時采集特定雷達(dá)等效天線口面處的干擾信號，并對干擾信號進(jìn)行錄取分析。雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測存在一些難點問題和特殊需求。

首先，雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測面臨一些工程技術(shù)的難點問題：

1)采集雷達(dá)有源干擾信號，需要架設(shè)在被干擾雷達(dá)的較近位置，在采集干擾信號的過程中，也會受到雷達(dá)近場大功率發(fā)射信號的影響，以及其非設(shè)定干擾信號的影響，需要對信號進(jìn)行屏蔽對消處理[3]；

2)需要采集的雷達(dá)有源干擾信號可能來自于多個方向，特別是在平臺相對運動時，需要對干擾接收進(jìn)行針對調(diào)整，實現(xiàn)干擾方向的動態(tài)對準(zhǔn)，并且可以多方向接收；

3)采集雷達(dá)有源干擾信號，不可避免地會混合各類其它信號，特別是在進(jìn)行燒穿距離試驗時，目標(biāo)信號與干擾信號的功率大，需要進(jìn)行控制與隔離。

另外，雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測具有一些特殊的功能需求：

1)為了適應(yīng)不同環(huán)境條件、不同頻段的監(jiān)測需求，應(yīng)具備便攜式、可組合、模塊化、儀器化的能力；

2)信號監(jiān)測需要對到達(dá)被干擾雷達(dá)天線口面處的干擾信號進(jìn)行測量和等效計算，對干擾參數(shù)和干擾樣式等進(jìn)行鑒別。

于是，卡夫卡這樣決絕地在日記中表示：“要不顧一切地、不惜任何代價地來寫作，這是我為生存而進(jìn)行的戰(zhàn)斗。”[11]536“我寫作，所以我存在”?！霸谖疑砩献钊菀卓吹贸鲆环N朝著寫作的集中。當(dāng)我的肌體中清楚地顯示出寫作是本質(zhì)中最有效的方向時，一切都朝它涌去，撇下了獲得性生活、吃、喝、哲學(xué)思考，尤其是音樂的快樂的一切能力。我在所有這些方面都萎縮了?！盵11]536

鑒于雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測的需求和特點，需要在信號采集、信號選擇、參數(shù)測量、特征提取和特征分析等方面進(jìn)行方法和技術(shù)的創(chuàng)新。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

針對雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測的需求，監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計主要考慮以下三個基本原則：

1)雷達(dá)有源干擾監(jiān)測應(yīng)是一種“基于受體”的有感環(huán)境監(jiān)測，雷達(dá)有源干擾信號具有很強(qiáng)的對象匹配性，監(jiān)測布局需要就近伴隨被干擾對象，并結(jié)合被干擾對象的實際感知情況進(jìn)行分析測量;

2)雷達(dá)有源干擾監(jiān)測應(yīng)是一種“旁立式”的客觀監(jiān)測，以第三方監(jiān)測的方式為雷達(dá)干擾環(huán)境構(gòu)設(shè)以及干擾效果評判提供客觀證據(jù);

3)雷達(dá)有源干擾監(jiān)測應(yīng)是一種“合作式”的監(jiān)測，充分利用試驗訓(xùn)練中的合作信息，基于先驗知識開展精確監(jiān)測，基于實時協(xié)同，開展動態(tài)監(jiān)測。

監(jiān)測系統(tǒng)組成配置原理圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成原理圖

信號接收單元微波前端采用便攜式、組合雙路設(shè)計，如圖2所示。

圖2 信號接收單元的雙路設(shè)計原理圖

圖3 干擾信號采集時序圖

信號處理單元采用前寬后窄方案，干擾通過多級變頻接收轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一中頻，為了滿足寬帶噪聲的采集，采用高中頻方案，干擾信號經(jīng)過可變帶寬高速采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字IQ信號，干擾信號的采集需要接收采集控制信號以及內(nèi)部的觸發(fā)邏輯實現(xiàn)。數(shù)字IQ數(shù)據(jù)一路通過光纖輸出給信號存儲單元，在輸出時，亦采用觸發(fā)方式，只記錄非雷達(dá)發(fā)射周期內(nèi)的信號，并且在每次觸發(fā)之間的數(shù)據(jù)幀中添加時間戳，以表明連續(xù)數(shù)據(jù)幀之間的時間關(guān)系，另外一路輸出給信號分析單元。

信號分析單元用于信號的時頻分析，包括脈沖干擾和噪聲干擾判別、噪聲干擾帶寬估計、干擾信號的信道化測量、干擾信號的頻譜分析和干擾特征參數(shù)估計等。

信號存儲模塊用于高速數(shù)字信號的實時存儲，存儲功能有助于對干擾信號進(jìn)行離線精細(xì)分析，從而滿足特定應(yīng)用環(huán)境下對影響明顯的干擾信號進(jìn)行深度分析和數(shù)據(jù)回放。

監(jiān)視控制模塊用于資源管理和控制，采用嵌入式遠(yuǎn)程控制模式，完成時間統(tǒng)一、信號采集存儲和測量控制等，包括干擾監(jiān)測模式選擇，監(jiān)測參數(shù)配置、顯示窗口設(shè)置和狀態(tài)顯示等，完成接收外部合作信息(時間、位置、狀態(tài)變化)，進(jìn)行動態(tài)的閉環(huán)控制。

監(jiān)測系統(tǒng)在具體應(yīng)用時，需要充分利用試驗訓(xùn)練任務(wù)的先驗信息。即在任務(wù)前，先測量獲得雷達(dá)的基本信息和雷達(dá)周圍環(huán)境的基礎(chǔ)信息，比如雷達(dá)脈沖信號近場電平、脈寬和周期，然后根據(jù)這些先驗信息計算觸發(fā)電平、預(yù)觸發(fā)時長度以及采集時長。對干擾功率、目標(biāo)回波功率進(jìn)行預(yù)先計算，對雷達(dá)附近的電磁環(huán)境進(jìn)行采集分析，剝離自擾、互擾信號對雷達(dá)的影響，合理設(shè)置接收門限和頻率范圍；在任務(wù)中，根據(jù)任務(wù)的推進(jìn)情況，結(jié)合預(yù)設(shè)方案優(yōu)化監(jiān)測模式和參數(shù)；任務(wù)結(jié)束后，與雷達(dá)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對篩選。具體應(yīng)用模式包括實時感知模式和分析回放模式。實時感知模式支撐對抗雙方的效果評判，重點是干擾有無，干擾的頻率、功率，并能夠?qū)Ω蓴_樣式進(jìn)行初步評判。分析回放模式主要是對雷達(dá)干擾環(huán)境構(gòu)設(shè)情況進(jìn)行整體評估，結(jié)合采集到的其它信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行考核評估，重點是干擾的頻率、功率的精確測量，干擾樣式分析識別，干擾信號品質(zhì)的比對等[4]。

監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)重點是寬帶采集技術(shù)和干擾信號測量分析技術(shù)。為了適應(yīng)不同頻段雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測的需求，需要綜合考慮工作帶寬、瞬時帶寬、采樣頻率和數(shù)據(jù)抽取率等的組合關(guān)系，保證寬帶信號的采集和測量要求，系統(tǒng)采用直接射頻采樣和可變帶寬中頻采樣方法，結(jié)合可編程數(shù)字濾波技術(shù)來實現(xiàn)干擾信號近似無損采集[5]。干擾信號監(jiān)測需要結(jié)合一些先驗知識，如雷達(dá)的波形參數(shù)，其次是對各類干擾進(jìn)行預(yù)先分析和測量，分析各類干擾信號在時域、頻域、時頻域、空時域和其它變換域上的特征參數(shù)，建立特征參數(shù)集，提取不同干擾樣式之間的細(xì)微特征區(qū)別，并建立模版庫，實現(xiàn)干擾樣式準(zhǔn)確識別。

3 監(jiān)測方法驗證

為了驗證監(jiān)測方法的技術(shù)可行性，為樣機(jī)研制提供參考，筆者基于現(xiàn)有的條件搭建了驗證環(huán)境，并進(jìn)行試驗驗證，如圖4所示。

圖4 試驗驗證配置圖

試驗驗證基本原理如下：設(shè)置功率計觸發(fā)輸出電平為A1，雷達(dá)脈沖信號進(jìn)入功率計后，如果雷達(dá)脈沖信號S1高于所設(shè)置的觸發(fā)輸出電平A1，則功率計輸出觸發(fā)信號S2，此時信號S2與信號S1具有相同的脈寬和周期，波形比S1滯后t1，高電平為固定值A(chǔ)2。頻譜儀為外部觸發(fā)并設(shè)置觸發(fā)參數(shù)，則頻譜儀內(nèi)部生成觸發(fā)信號S3與信號S1具有相同的脈寬和周期，并且時間同步，設(shè)置頻譜儀為下降沿觸發(fā)，工作長度為雷達(dá)脈沖信號的周期與脈寬的差值，則會生成頻譜儀內(nèi)部采集控制信號S4，所頻譜儀采集的信號即為所需信號。頻譜儀可以通過遠(yuǎn)程控制在瞬態(tài)模式下進(jìn)行頻域、時域等測量分析[6]，產(chǎn)生的中頻信號送往高速記錄儀，導(dǎo)入計算機(jī)內(nèi)利用其它工作軟件進(jìn)行時頻分析、精細(xì)測量和干擾識別等。

試驗驗證的基本步驟為：

l)雷達(dá)正常開機(jī)觀測目標(biāo)，監(jiān)測驗證系統(tǒng)開機(jī)，獲取初始化參數(shù)；

2)干擾模擬器產(chǎn)生不同類型的干擾信號，實時對雷達(dá)進(jìn)行干擾；

3)雷達(dá)接收干擾信號，進(jìn)行各種抗干擾操作，監(jiān)測驗證系統(tǒng)接收干擾信號并進(jìn)行分析；

4)對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算。

試驗驗證過程中，干擾模擬器分別產(chǎn)生了窄帶瞄準(zhǔn)、寬帶阻塞、掃頻干擾、閃爍噪聲、雜亂脈沖等類型的干擾信號。掃頻干擾測試結(jié)果如圖5所示。通過驗證表明：監(jiān)測方法的技術(shù)路線是可行的，同時需要重點完善干擾信號的采集功能，一是需要建立比較完善的觸發(fā)機(jī)制，包括觸發(fā)延時和預(yù)觸發(fā)的設(shè)置，以便能夠靈活調(diào)整信號的采集位置。二是需要建立兩級的保護(hù)措施，對雷達(dá)發(fā)射信號需要事先采集，得出功率-時間變化曲線，然后根據(jù)功率變化情況調(diào)整參數(shù)，得出合適的觸發(fā)電平。干擾信號實時采集時也需要進(jìn)行保護(hù)，通過開關(guān)矩陣進(jìn)行信號的調(diào)整，確保干擾信號的大動態(tài)接收。

圖5 掃頻干擾測試結(jié)果

4 結(jié)束語

雷達(dá)有源干擾信號監(jiān)測對于準(zhǔn)確把握雷達(dá)裝備實際的干擾環(huán)境，準(zhǔn)確評估有源干擾對雷達(dá)系統(tǒng)的影響，準(zhǔn)確使用各種抗干擾措施具有重要的意義和作用[7]。本文針對雷達(dá)抗干擾試驗訓(xùn)練中有源干擾信號動態(tài)實時監(jiān)測需求，提出了一種“基于受體”的“協(xié)作式”有感環(huán)境監(jiān)測方法，設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)方案，搭建了驗證系統(tǒng)，測試驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，并提出了監(jiān)測方法改進(jìn)建議，可為后續(xù)的工程實踐提供方案依據(jù)。