多類型測(cè)向接收機(jī)高精度驗(yàn)證系統(tǒng)研究

廖明亮

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036；2.四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心，四川 成都 610036)

0 引 言

在復(fù)雜電磁環(huán)境中對(duì)威脅目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)向定位對(duì)取得對(duì)抗優(yōu)勢(shì)尤為重要，目前主要依靠高精度雷達(dá)和測(cè)向接收機(jī)2種方式。雷達(dá)由于采用主動(dòng)探測(cè)方式，發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)接觸到目標(biāo)后再反射回雷達(dá)進(jìn)行信號(hào)處理，信號(hào)需在空間中傳播雙程距離，損耗大，探測(cè)距離受限；而測(cè)向接收機(jī)采用被動(dòng)偵收方式，只需接收雷達(dá)等目標(biāo)發(fā)射出來的單程信號(hào)，具有探測(cè)距離更遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，而且還能對(duì)偵收到的信號(hào)進(jìn)行分選識(shí)別，因此得到廣泛應(yīng)用。接收機(jī)通常采用干涉儀測(cè)向、比幅測(cè)向、數(shù)字波束形成(DBF)測(cè)向、時(shí)差測(cè)向定位等體制。本文針對(duì)各類接收機(jī)設(shè)計(jì)了一種高精度大動(dòng)態(tài)驗(yàn)證系統(tǒng)，基于動(dòng)態(tài)對(duì)抗場(chǎng)景規(guī)劃想定，按照?qǐng)鼍爸袛澄译p方相對(duì)位置關(guān)系、目標(biāo)信號(hào)參數(shù)、天線掃描特性等動(dòng)態(tài)推演解算，驅(qū)動(dòng)多臺(tái)通用儀器生成多路幅相相參的射頻信號(hào)，直接注入被測(cè)接收機(jī)，接收機(jī)解算多路帶幅相關(guān)系的信號(hào)后完成測(cè)向，再將測(cè)向結(jié)果與場(chǎng)景中的實(shí)際位置關(guān)系進(jìn)行比較，從而評(píng)估接收機(jī)的測(cè)向性能。該系統(tǒng)硬件部分采用通用儀器，具有高精度、大動(dòng)態(tài)、高可靠性、可靈活重構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常方便各類接收機(jī)的測(cè)試驗(yàn)證。

1 接收機(jī)測(cè)向工作原理及總體驗(yàn)證方案

由于干涉儀體制在接收機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，本文重點(diǎn)以該類接收機(jī)為例，介紹其工作原理，并提出測(cè)試驗(yàn)證總體方案。該方案同時(shí)適用于比幅測(cè)向、DBF測(cè)向、時(shí)差測(cè)向定位等體制。干涉儀測(cè)角公式在眾多文獻(xiàn)中都有描述，應(yīng)用非常成熟，這里不再贅述。

接收機(jī)的測(cè)向工作原理如圖1所示。為方便示意，圖1將對(duì)抗場(chǎng)景中的目標(biāo)數(shù)量進(jìn)行了最大程度的簡(jiǎn)化。對(duì)方只有一個(gè)目標(biāo)，我方只有一個(gè)接收機(jī)，第三方只有一個(gè)通信或?qū)Ш奖尘靶盘?hào)。在動(dòng)態(tài)對(duì)抗場(chǎng)景的某一個(gè)具體時(shí)刻，三方面的相對(duì)位置確定，對(duì)方目標(biāo)輻射出的信號(hào)照射到多通道干涉儀天線時(shí)，由于信號(hào)到達(dá)各通道天線的距離不同，會(huì)帶來相位差異，干涉儀接收機(jī)正是通過解算多通道間的相位差完成測(cè)向工作。

圖1 接收機(jī)測(cè)向工作原理

為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靈活開展基于動(dòng)態(tài)對(duì)抗場(chǎng)景的接收機(jī)測(cè)向定位性能測(cè)試，本文提出圖2所示總體驗(yàn)證方案。首先通過場(chǎng)景控制軟件規(guī)劃動(dòng)態(tài)對(duì)抗場(chǎng)景，隨后可啟動(dòng)場(chǎng)景控制軟件按節(jié)拍推演解算，計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻各目標(biāo)輻射信號(hào)到達(dá)我方接收機(jī)各接收通道的信號(hào)參數(shù)及幅度相位關(guān)系等(幅度表征相對(duì)距離及天線掃描等特性，相位特征表征入射角關(guān)系，多普勒頻移表征相對(duì)速度關(guān)系等)，然后將各參數(shù)下發(fā)到多路相參射頻信號(hào)模擬系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)硬件按場(chǎng)景生成幅度、相位、多普勒頻移受控的多路相參信號(hào)，射頻注入被測(cè)接收機(jī)的多通道接收單元，使每個(gè)單元感受到的幅相關(guān)系與接收機(jī)帶天線實(shí)際工作時(shí)一致，接收機(jī)解算多通道信號(hào)之間的幅度相位差從而完成測(cè)向、定位等偵收功能的驗(yàn)證。本方案支持在場(chǎng)景控制軟件中導(dǎo)入被測(cè)裝備外場(chǎng)輻射工作時(shí)的天線方向圖數(shù)據(jù)，提高在實(shí)驗(yàn)室開展注入式驗(yàn)證的逼真性。本方案場(chǎng)景控制軟件支持針對(duì)多個(gè)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行場(chǎng)景結(jié)算，并驅(qū)動(dòng)多路相參信號(hào)模擬系統(tǒng)生成相參射頻信號(hào)后同時(shí)注入多個(gè)被測(cè)設(shè)備，開展多接收機(jī)交叉定位等功能性能測(cè)試。

圖2 接收機(jī)測(cè)向驗(yàn)證總體方案

2 接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)詳細(xì)方案

本文采用專用場(chǎng)景控制軟件和通用儀器搭建多路相參信號(hào)模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)對(duì)抗場(chǎng)景仿真推演的多路相參射頻信號(hào)生成。系統(tǒng)配備矢網(wǎng)、示波器用于各信號(hào)源通道間幅相、時(shí)差校準(zhǔn)，也可配置開關(guān)陣用于各通道輸出信號(hào)的自動(dòng)校準(zhǔn)。系統(tǒng)組成及原理示意如圖3所示。

圖3 接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成及原理示意

2.1 場(chǎng)景控制軟件

場(chǎng)景控制軟件安裝在控制計(jì)算機(jī)上，在場(chǎng)景規(guī)劃時(shí)可對(duì)各方運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行航跡設(shè)置，對(duì)各平臺(tái)上的輻射源進(jìn)行信號(hào)參數(shù)、天線掃描參數(shù)等參數(shù)設(shè)置，對(duì)被測(cè)設(shè)備接收天線基線及位置參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，能夠按照?qǐng)鼍巴蒲輰?shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的解算下發(fā)，控制各儀器生成多路相參射頻信號(hào)，能讀取被測(cè)設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)并與場(chǎng)景數(shù)據(jù)對(duì)比后進(jìn)行結(jié)果評(píng)估。能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲(chǔ)當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)、工作參數(shù)，提供系統(tǒng)狀態(tài)保存、系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)用，能夠按照校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各射頻通道幅/相/時(shí)差校準(zhǔn)，并會(huì)調(diào)用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)修正控制參數(shù)后下發(fā)給各信號(hào)源，是系統(tǒng)的控制核心。主要功能如下：

(1) 場(chǎng)景控制軟件支持目標(biāo)軌跡和航跡模擬(如圖4所示)，可以提供目標(biāo)軌跡和航跡的輸入和導(dǎo)入，能設(shè)置速度、加速度以及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等參數(shù)，能設(shè)置在航跡的具體位置點(diǎn)或時(shí)間點(diǎn)切換該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上輻射源的工作狀態(tài)或參數(shù)。

圖4 對(duì)抗場(chǎng)景中各運(yùn)動(dòng)平臺(tái)航跡設(shè)置

(2) 場(chǎng)景控制軟件支持設(shè)置各類信號(hào)參數(shù)(如圖5所示)，包含工作頻率、功率、重頻、脈寬、各種脈內(nèi)調(diào)制格式(線性和非線性調(diào)頻脈沖信號(hào)、調(diào)頻(FM)步進(jìn)、調(diào)幅(AM)步進(jìn)、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、正交相移鍵控(QPSK)等)、脈沖數(shù)量、天線方向圖和安裝位置等，支持創(chuàng)建、存儲(chǔ)和調(diào)用復(fù)雜脈沖波形。

圖5 信號(hào)參數(shù)設(shè)置

2.2 多路相參信號(hào)模擬系統(tǒng)(基于通用儀器)

通用儀器采用RS公司SMW200A寬帶矢量信號(hào)源，通過共本振信號(hào)、基帶時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)信號(hào)源相參，4個(gè)通道以內(nèi)應(yīng)用時(shí)各同步信號(hào)采用圖3所示菊花鏈直聯(lián)，第1臺(tái)矢量信號(hào)源將自身的基帶時(shí)鐘、觸發(fā)信號(hào)、本振信號(hào)依次傳遞給其它3個(gè)通道，即可實(shí)現(xiàn)4路輸出信號(hào)相參。通道數(shù)量增多時(shí)，為保證信號(hào)質(zhì)量，需將本振等同步信號(hào)放大后再功分到其他寬帶矢量信號(hào)源。

SMW200A寬帶矢量信號(hào)源內(nèi)部工作原理如圖6所示。場(chǎng)景控制軟件將解算出來的脈沖描述字(PDW)串通過網(wǎng)口傳輸?shù)礁髋_(tái)信號(hào)源內(nèi)部緩存區(qū)，該步驟可離線下載一整段仿真場(chǎng)景的PDW串，也可將場(chǎng)景實(shí)時(shí)解算的PDW數(shù)據(jù)不停傳輸?shù)叫盘?hào)源內(nèi)緩存，信號(hào)源內(nèi)部引擎讀取緩存數(shù)據(jù)生成基帶波形并完成幅度、相位、頻移調(diào)制，最后經(jīng)數(shù)模變換及模擬鏈路后輸出射頻信號(hào)。通過場(chǎng)景控制軟件同步觸發(fā)命令及系統(tǒng)觸發(fā)控制機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)信號(hào)源的同步及相參信號(hào)輸出功能。

圖6 SMW200信號(hào)源工作原理

2.3 多路相參信號(hào)校準(zhǔn)

其主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器組成，也可配置開關(guān)陣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程為：場(chǎng)景控制軟件設(shè)置各通道按所需校準(zhǔn)的頻率范圍和步進(jìn)，產(chǎn)生相位和幅度相同的連續(xù)波信號(hào)，并觸發(fā)同步輸出。輸出的多路信號(hào)經(jīng)電纜先后連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(儀器設(shè)為接收機(jī)模式)，通過控制軟件讀取儀器數(shù)據(jù)后測(cè)量出每個(gè)通道之間的幅度差、相位差，然后用示波器測(cè)出通道間的延時(shí)關(guān)系，這些差值就是系統(tǒng)的固有誤差。場(chǎng)景控制軟件在校準(zhǔn)結(jié)束后會(huì)保存各個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)誤差，并在將場(chǎng)景解算結(jié)果向各通道儀器下發(fā)控制參數(shù)時(shí)結(jié)合校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)多通道相參射頻信號(hào)之間幅/相/時(shí)差的精確控制。

3 測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況

3.1 可模擬的目標(biāo)數(shù)量、脈沖密度及信號(hào)動(dòng)態(tài)

本系統(tǒng)在帶寬2 GHz以內(nèi)可以快速改變相鄰2個(gè)脈沖的頻率、幅度等特性，以模擬具有多個(gè)目標(biāo)的復(fù)雜對(duì)抗場(chǎng)景，此時(shí)矢量信號(hào)源內(nèi)部的本振頻率沒有變化，頻率和幅度的變化全部由PDW進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖7為帶內(nèi)頻率和幅度捷變的測(cè)試結(jié)果，使用寬帶信號(hào)分析儀進(jìn)行測(cè)試，其頻率和幅度同時(shí)捷變的時(shí)間為95.9 ns左右，理論上可以模擬的最大脈沖密度大于1×10個(gè)/s，最大雷達(dá)目標(biāo)數(shù)量達(dá)到100個(gè)以上。該場(chǎng)景適合對(duì)方目標(biāo)的工作頻率相差不超過2 GHz的情況，便于接收機(jī)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)快速開展對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)或靜止目標(biāo)的測(cè)向定位、信號(hào)識(shí)別等功能性能的高效驗(yàn)證。

圖7 2 GHz帶寬內(nèi)頻率幅度同時(shí)捷變時(shí)間測(cè)試

如果對(duì)抗場(chǎng)景中不同目標(biāo)之間的工作頻率相差超過了2 GHz，則信號(hào)源在交錯(cuò)模擬不同目標(biāo)的脈沖信號(hào)時(shí)，因頻率捷變需改變信號(hào)源內(nèi)部的本振頻率，此時(shí)捷變時(shí)間約為400 μs，如圖8所示。這會(huì)大幅降低脈沖密度和可模擬的目標(biāo)個(gè)數(shù)，但通常接收機(jī)更關(guān)心重頻、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制等信號(hào)參數(shù)，不同工作頻率只是載頻不同，可將載頻改到2 GHz帶寬內(nèi)或采用分頻段驗(yàn)證方式。如果要全頻段多目標(biāo)同時(shí)驗(yàn)證，則需增加測(cè)試儀器規(guī)模，用不同信號(hào)源模擬不同頻段的目標(biāo)，或者采用頻率捷變速度更快更先進(jìn)的儀器。

圖8 2 GHz帶寬外頻率幅度同時(shí)捷變時(shí)間測(cè)試

圖9為本系統(tǒng)幅度動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)脈寬及捷變時(shí)間進(jìn)行了加長(zhǎng)，以清晰展示脈沖功率依次階梯變化。可以看到，幅度動(dòng)態(tài)約80 dB，可充分模擬不同目標(biāo)與接收機(jī)之間由于輸出功率、天線掃描、距離遠(yuǎn)近、入射角度等不同帶來的功率變化，可適應(yīng)更多的對(duì)抗試驗(yàn)場(chǎng)景。

圖9 功率動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

3.2 多通道間幅度相位一致性

本文驗(yàn)證了四通道相參使用時(shí)的幅相一致性，如圖10和圖11所示。系統(tǒng)經(jīng)校準(zhǔn)后幅相精度較高，在18 GHz時(shí)四通道間的幅相一致性優(yōu)于±1 dB和±1°。考慮溫度、線纜和測(cè)試誤差，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)32通道間的相位一致性可控制在±5°以內(nèi)。因此，本測(cè)試方案可勝任各類高精度測(cè)試場(chǎng)景，充分滿足不同體制的測(cè)向定位算法驗(yàn)證。

圖10 多通道幅度一致性測(cè)試

圖11 多通道相位一致性測(cè)試

4 結(jié)束語

本文針對(duì)干涉儀、DBF、比幅測(cè)向等各類型接收機(jī)設(shè)計(jì)了一種高精度大動(dòng)態(tài)驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)基于想定的動(dòng)態(tài)對(duì)抗場(chǎng)景進(jìn)行推演、解算，隨后驅(qū)動(dòng)多臺(tái)寬帶信號(hào)源按需生成多路相參射頻信號(hào)，直接注入多通道接收機(jī)，接收機(jī)通過解算通道間的幅/相/時(shí)差關(guān)系進(jìn)行測(cè)向定位，最后再與場(chǎng)景中設(shè)置的真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估測(cè)向性能。該測(cè)試系統(tǒng)在2 GHz帶寬內(nèi)可實(shí)現(xiàn)頻率和幅度等參數(shù)逐脈沖高速捷變，捷變速度低于100 ns，可模擬每秒上萬個(gè)脈沖和上百個(gè)目標(biāo)的復(fù)雜場(chǎng)景。該系統(tǒng)基于專用場(chǎng)景控制軟件和通用儀器組建，可靈活重構(gòu)及擴(kuò)展，可模擬各種復(fù)雜目標(biāo)信號(hào)及掃描特性，各射頻通道間的幅相一致性經(jīng)校準(zhǔn)后，可達(dá)到±1 dB和±1°(通道數(shù)量低于32時(shí)可控制在±5°)，動(dòng)態(tài)可達(dá)到80 dB以上，能滿足各類接收機(jī)高精度大動(dòng)態(tài)的測(cè)試需求。