天線陣仿真測試系統(tǒng)設(shè)計

張溪默，譚 杰，李效軍

(中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都610036)

0 引 言

幅度和相位是電磁波信號的2個主要特征參數(shù)，被動偵察設(shè)備利用目標(biāo)雷達信號的幅相信息通過測向算法進行解析運算，完成對目標(biāo)的角度跟蹤。天線陣是被動偵察設(shè)備截獲幅相信息的關(guān)鍵前端組件，其性能直接影響了測向定位精度。在天線陣設(shè)計中，由于天線陣各天線單元間的互耦效應(yīng)[12]，導(dǎo)致數(shù)學(xué)仿真難以模擬天線組陣后的特性，因此建立天線陣仿真測試系統(tǒng)在工程上具有重要意義[3]。本文設(shè)計了天線陣仿真測試系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集在不同信號入射方向下天線陣接收的幅相數(shù)據(jù)，并通過測向算法離線計算測角精度，具有很強的實用價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

天線陣仿真測試系統(tǒng)由綜合控制分系統(tǒng)、信號前端分系統(tǒng)和彈體姿態(tài)模擬分系統(tǒng)構(gòu)成，各分系統(tǒng)間通過分布式通信網(wǎng)絡(luò)連接[4-5]。系統(tǒng)的硬件配置結(jié)構(gòu)如圖1所示，測試工作主要在微波暗室開展。

圖1 天線陣仿真測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

綜合控制分系統(tǒng)圍繞仿真控制計算機搭建，是測試系統(tǒng)的中樞，以交換機作為中繼建立同其它分系統(tǒng)的通信鏈路，對測試參數(shù)進行配置并下發(fā)控制指令開展測試工作，并對測試數(shù)據(jù)進行解算和評判。信號前端分系統(tǒng)是系統(tǒng)的信號接收單元，由天線陣、數(shù)控開關(guān)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成，實現(xiàn)對目標(biāo)信號的快速實時接收。彈體姿態(tài)模擬分系統(tǒng)主要是二維轉(zhuǎn)臺，用于模擬偵察設(shè)備彈體的飛行姿態(tài)角度轉(zhuǎn)動過程。

2 技術(shù)方案

2.1 信號接收方案

信號前端分系統(tǒng)承擔(dān)截獲目標(biāo)電磁信號、實時存儲幅度和相位信息并以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式上傳給綜合控制系統(tǒng)等功能。面對當(dāng)前電子戰(zhàn)環(huán)境和電子對抗裝備的復(fù)雜化、多樣化的勢態(tài)，被動偵察設(shè)備趨向于增加天線陣的單元天線數(shù)量，以提高波段覆蓋能力和搜索壓制能力；同時采用頻率步進更窄、頻點更密集的校準(zhǔn)策略為測向算法提供更豐富的幅相數(shù)據(jù)來獲取更精準(zhǔn)的定位性能。對本系統(tǒng)信號接收方案的選擇，必須實現(xiàn)以下功能：

(1)多通道射頻信號接收功能，能夠滿足不同陣元數(shù)量天線陣型的測試需求，具備高測試通用性；

(2)寬波段電磁信號覆蓋功能，工作頻段應(yīng)包含常用的預(yù)警、火控波段，能夠適應(yīng)不同波段導(dǎo)引頭的測試；

(3)幅相信息高速采集功能，在適應(yīng)密集頻點測試的同時保有高測試效率。

基于設(shè)計難度和制造成本的考慮，本系統(tǒng)采用串行分時接收方案，測試時以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為信號源一次發(fā)射導(dǎo)引頭工作全頻信號，射頻前端設(shè)備按天線單元基線位置依次采集、存儲幅相信息，并逐一上報至綜合控制系統(tǒng)，設(shè)計了多通道高速數(shù)控開關(guān)作為射頻前端設(shè)備，具有32路射頻接收通道，工作頻段可覆蓋L 波段～Ku波段，通過網(wǎng)絡(luò)接口程控時通道切換速度可達微秒級，各通道間隔離度高達50 dBc，硬件上完全滿足系統(tǒng)的功能要求。

2.2 綜合控制方案

綜合控制方案作為整個仿真測試系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)各個分系統(tǒng)之間的通訊、調(diào)度和測試的過程控制，利用數(shù)據(jù)處理算法對測試數(shù)據(jù)進行解析運算，將處理后的信號幅度、相位信息傳遞給測向算法進行測角運算，給出各測試頻點在不同信號入射角度對應(yīng)的測向精度。綜合控制的流程圖如圖2所示。

圖2 綜合控制流程圖

綜合控制方案由基于C++Bulid編譯環(huán)境的綜控軟件實現(xiàn)，集成了通訊、控制和測試等功能。在仿真測試時，綜控軟件首先進行通信校驗建立穩(wěn)定的控制網(wǎng)絡(luò)，并配置各分系統(tǒng)和算法的測試參數(shù)；啟動測試后以既定的測試流程發(fā)射雷達模擬信號，同時向彈體姿態(tài)模擬分系統(tǒng)下發(fā)運動指令，模擬偵察設(shè)備平臺飛行姿態(tài)角度的變化。在測試時，為了獲取全向數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)臺運動轉(zhuǎn)角通常設(shè)置為以彈體中軸線為中心的對稱角度陣列。待目標(biāo)信號與天線陣列之間的相對角度穩(wěn)定后，則向信號前端系統(tǒng)下發(fā)目標(biāo)截獲指令，并將接收到的幅度、相位數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)格式進行存儲。圖3是綜控軟件界面。

圖3 綜控軟件界面

在完成預(yù)定角度范圍的測試后，綜控軟件調(diào)用數(shù)據(jù)分析程序進行相位計算和測角精度運算。數(shù)據(jù)分析程序依托于MATLAB 強大的計算能力，具有參數(shù)可配置的圖形用戶界面，支持實時在線更改算法參數(shù)，并將運算結(jié)果繪制為曲線圖[6]。圖4是數(shù)據(jù)分析程序界面。

圖4 數(shù)據(jù)分析程序界面

3 仿真試驗

選取某在研被動偵察設(shè)備的天線陣，利用本仿真測試系統(tǒng)進行測試。測試頻段為L 波段～C 波段，目標(biāo)信號入射角度范圍為方位方向±30°和俯仰方向±40°，步進1°。天線陣根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案安裝于結(jié)構(gòu)樣機上，并利用光學(xué)準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)目標(biāo)天線和天線陣中心。

啟動測試后，綜控軟件指示信號前端系統(tǒng)在每一測試角度上采集天線陣截獲的目標(biāo)信號幅度、相位信息，并將測試數(shù)據(jù)實時顯示在軟件界面(如圖5所示)，同時存儲在后臺。

圖5 測試數(shù)據(jù)實時顯示

測試工作完成后，數(shù)據(jù)分析程序進行以下兩方面分析驗證工作：

(1)天線陣幅相特性分析

針對C波段某頻點，對采集到的各陣元幅相數(shù)據(jù)進行分析，得到各陣元在不同入射角下的幅相曲線。圖6和圖7分別是天線陣單元在不同入射角度下的幅度曲線和相位曲線。由圖6可見，陣元2在全入射角度范圍內(nèi)增益變化較平緩，陣元1和陣元3在方位正向、俯仰負(fù)向大角度上方向圖增益明顯陡降。由圖7可見，陣元1～3的相位均存在一定的非線性波動。結(jié)合圖6和圖7可以為天線陣互耦效應(yīng)分析及布陣優(yōu)化提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

圖6 天線陣各陣元幅度曲線

圖7 天線陣各陣元相位曲線

(2)偵察設(shè)備測向性能驗證

幅相數(shù)據(jù)除了支撐天線陣互耦效應(yīng)分析及布陣優(yōu)化工作以外，還能對被動偵察系統(tǒng)的測向算法進行離線驗證，提前檢驗設(shè)備的測向性能[7]。圖8為測向精度對比結(jié)果，其中虛線表示某偵察設(shè)備的測向精度，實線表示本測試系統(tǒng)利用天線陣幅相數(shù)據(jù)解算出的測向精度。由圖可見二者的精度曲線基本一致，但由于偵察設(shè)備的前端接收機和后端信號處理器引入了額外的幅相誤差，導(dǎo)致其測向精度低于直接使用天線陣幅相數(shù)據(jù)計算出的測向精度。試驗證明本系統(tǒng)能夠用于設(shè)備測向性能的前期驗證工作。

圖8 測向精度對比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了天線陣仿真測試系統(tǒng)，利用多通道高速前端系統(tǒng)采取串行分時接收方案采集天線陣幅相信息，綜控系統(tǒng)控制測試過程自動運行，并在測試完成后調(diào)用數(shù)據(jù)分析程序?qū)?shù)據(jù)進行解析運算。試驗證明該仿真測試系統(tǒng)實現(xiàn)了天線陣幅相信息的完整采集，測試數(shù)據(jù)能夠用于天線陣互耦效應(yīng)分析，進而幫助指導(dǎo)布陣優(yōu)化工作；對測向算法的離線運算可以檢驗被動偵察設(shè)備的測向性能，為設(shè)備的前期驗證工作提供了可靠的手段。下一步工作是增加數(shù)據(jù)分析程序的測向算法庫，在離線計算測角精度時能夠選擇不同算法，以滿足不同測向體制偵察設(shè)備的天線陣測試需求，拓展本測試系統(tǒng)的通用性。