一種通用的機(jī)動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

洪 闖，張偉軍，劉海斌，王志春，張 進(jìn)

（1.中國人民解放軍95835 部隊(duì)，新疆 馬蘭 841200；2.中國人民解放軍95821 部隊(duì)，甘肅 酒泉 732750；3.中國航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著大量電子信息系統(tǒng)和裝備的使用，試驗(yàn)區(qū)域的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，呈現(xiàn)電磁場實(shí)時(shí)改變、頻譜無限寬廣、能量密度不均、信號樣式多樣、攜帶信息復(fù)雜等特點(diǎn)，對被試裝備的工作性能產(chǎn)生較大影響。為更好地完成試驗(yàn)任務(wù)，十分有必要使用高精度、高性能的機(jī)動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對所關(guān)注區(qū)域的電磁信號進(jìn)行監(jiān)測，以提供試驗(yàn)任務(wù)所需的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)。

為了提高電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測量精度和信號精細(xì)化分析能力，本文創(chuàng)造性地開展了一些改進(jìn)工作：一是采用精度高、性能穩(wěn)定可靠的商用高速頻譜分析儀、示波器等儀器儀表，對接收的電磁信號在時(shí)域、頻域同時(shí)進(jìn)行分析處理；二是增加了標(biāo)校分系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)信號標(biāo)校監(jiān)測系統(tǒng)的方式，來提高整個系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度；三是通過后處理分系統(tǒng)，對電磁監(jiān)測系統(tǒng)采集的信號進(jìn)行精細(xì)化處理與分析。最后在常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套完整的機(jī)動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，來驗(yàn)證本文的改進(jìn)思路的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由電磁監(jiān)測車、標(biāo)校車以及后處理分系統(tǒng)3 大部分組成，其中電磁監(jiān)測車包括天伺饋分系統(tǒng)、信號接收分系統(tǒng)、中頻信號采集分系統(tǒng)、信號監(jiān)測錄取分系統(tǒng)和載車，標(biāo)校車包括標(biāo)校分系統(tǒng)和載車，這2 部分組成框圖如圖1 所示。后處理分系統(tǒng)，主要由固定站（磁盤陣列）、交換機(jī)和數(shù)據(jù)事后處理軟件等組成，組成框圖如圖2 所示。

圖1 電磁監(jiān)測車和標(biāo)校車組成框圖

圖2 數(shù)據(jù)后處理分系統(tǒng)組成框圖

1.2 工作原理

電磁監(jiān)測車具有標(biāo)校與電磁環(huán)境監(jiān)測2 種工作模式。當(dāng)電磁監(jiān)測車處于標(biāo)校狀態(tài)時(shí)，其主要工作原理是：在監(jiān)測車內(nèi)的計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線來控制標(biāo)校車內(nèi)的信號源，產(chǎn)生一定頻率、功率的信號，經(jīng)功率放大器放大后，由定向天線對準(zhǔn)電磁監(jiān)測車監(jiān)測天線波束主瓣方向輻射；監(jiān)測天線接收信號后，經(jīng)過限幅器和低噪聲放大器后進(jìn)行變頻，變頻后的中頻信號由頻譜儀進(jìn)行接收；根據(jù)實(shí)際傳輸路徑的傳播損耗以及線纜損耗，進(jìn)行理論計(jì)算，獲得到達(dá)監(jiān)測車的信號真值，對比真值與實(shí)測值，獲得對應(yīng)的標(biāo)校數(shù)據(jù)，并存儲在標(biāo)校數(shù)據(jù)表格中。重復(fù)上述步驟，直至形成全頻段的標(biāo)校表格。在實(shí)際監(jiān)測時(shí)，系統(tǒng)軟件調(diào)用該標(biāo)校表格，對監(jiān)測值進(jìn)行標(biāo)校，從而消除監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)對電磁信號的準(zhǔn)確測量。

當(dāng)電磁監(jiān)測車處于電磁信號監(jiān)測狀態(tài)時(shí)，其主要工作原理是：監(jiān)測天線接收的信號經(jīng)過限幅器和低噪聲放大器后進(jìn)行第一次變頻形成第一中頻信號，第一中頻信號分為三路；其中一路第一中頻信號經(jīng)過幅度調(diào)理后進(jìn)行第二次變頻，第二中頻信號由采集模塊進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)保存到車載工作站，經(jīng)快速處理后在軟件界面進(jìn)行顯示；第二路第一中頻信號由頻譜儀進(jìn)行接收，并在軟件界面進(jìn)行頻域顯示；第三路第一中頻信號由示波器進(jìn)行接收，在軟件界面進(jìn)行時(shí)域波形顯示。

當(dāng)需要對所監(jiān)測的電磁信號的細(xì)微特征進(jìn)行提取時(shí)，可利用后處理分系統(tǒng)完成對信號的分選、信號調(diào)制域分析、信號參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析等工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）天伺饋分系統(tǒng)

天伺饋分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電磁信號的接收、天線升降、方位和俯仰控制以及信號的傳輸?shù)裙δ埽饕商炀€、天線升降機(jī)構(gòu)、伺服、饋線等組成。

其中天線采用分頻段方式同時(shí)滿足增益和波束寬度要求，其中0.4～2 GHz 頻道采用對數(shù)周期天線，2～18 GHz 頻段采用喇叭天線；天線升降機(jī)構(gòu)采用四桅柱式升降機(jī)構(gòu)+穩(wěn)定鋼索形式；伺服采用多軸轉(zhuǎn)臺形式。

2）信號接收分系統(tǒng)

信號接收分系統(tǒng)對天線接收的電磁信號進(jìn)行放大、濾波、變頻、幅度調(diào)理、功分等處理，為后續(xù)信號采集和信號監(jiān)測創(chuàng)造有利條件。

其中濾波器采用高通濾波器和低通濾波器級聯(lián)的方式組成帶通濾波器，高通濾波器和低通濾波器均采用標(biāo)準(zhǔn)切比雪夫形式；低噪聲放大器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在輸入輸出和級間匹配電路。為兼顧噪聲系數(shù)和增益，一般低噪聲放輸入級按最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)，級間匹配和輸出匹配按最大增益匹配設(shè)計(jì)。低噪聲放大器由兩級低噪聲放大器級聯(lián)來提高增益；一次變頻模塊和二次變頻模塊均為下變頻器，屬于頻率搬移器件。

3）中頻信號采集分系統(tǒng)

中頻采集分系統(tǒng)主要對第二中頻信號進(jìn)行A/D采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理，由實(shí)時(shí)高速A/D 組合及控制單元、車載工作站等組成。

其中A/D 組合控制單元設(shè)計(jì)成ADC 子卡和PCIE 載卡： ADC 子卡主要由信號電平調(diào)整電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。電平調(diào)整電路對輸入的第二中頻信號進(jìn)行電平調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動增益控制功能；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過FMC-HPC 接口發(fā)送至PCIE 載卡的數(shù)據(jù)處理芯片； PCIE 載卡主要芯片為FPGA 芯片，選用Xilinx 公司的V6 系列以上芯片，支持PCIE2.0 標(biāo)準(zhǔn)，同車載工作站間數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)4 GB/s。PCIE 載卡上掛載2 組低功耗DDR3 存儲芯片用于數(shù)據(jù)緩存，其容量可達(dá)1 GB 以上。PCIE 載卡上擴(kuò)展IIC/SPI 接口和JTAG 接口，便于調(diào)試并增強(qiáng)其擴(kuò)展性和通用性。PCIE 載卡的結(jié)構(gòu)圖如3 所示。車載工作站采用貨架產(chǎn)品。

圖3 PCIE 載卡結(jié)構(gòu)圖

4）信號監(jiān)測錄取分系統(tǒng)

信號監(jiān)測錄取分系統(tǒng)在頻域和時(shí)域?qū)π盘栠M(jìn)行參數(shù)測量、數(shù)據(jù)顯示、保存、回放以及電磁態(tài)勢顯示，主要由測量設(shè)備、顯控設(shè)備和信號監(jiān)測錄取分析軟件組成，其中測量設(shè)備包括頻譜分析儀、示波器，顯控設(shè)備包括工控機(jī)、交換機(jī)等。

其中頻譜分析儀采用是德科技的N9020A-RT1頻譜分析儀，該分析儀具有10 Hz～26.5 GHz 的頻率測量范圍，并配備85 MHz 的分析帶寬選件，能夠快速掃描；示波器采用 LECROY 的 WAVERUNNER8404，工作頻段高達(dá)4 GHz。

信號監(jiān)測錄取、顯示及存儲的設(shè)計(jì)思路是通過信號監(jiān)測錄取分析軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)設(shè)置、任務(wù)執(zhí)行、結(jié)果記錄等功能。通過光纖或以太網(wǎng)將監(jiān)測車上存儲的數(shù)據(jù)及波形等，快速傳輸?shù)焦潭üぷ髡?，用于?shù)據(jù)后分析處理。

5）標(biāo)校分系統(tǒng)

標(biāo)校分系統(tǒng)產(chǎn)生寬頻帶標(biāo)校信號，對監(jiān)測系統(tǒng)的測頻精度、調(diào)制參數(shù)測量能力、功率密度測量精度、信號識別能力等性能進(jìn)行標(biāo)校，主要由定向發(fā)射天線、功率放大器、射頻切換開關(guān)、信號源、控制終端、交換機(jī)、車輛平臺等部分組成，該分系統(tǒng)標(biāo)校信號頻率范圍為0.4～26.5 GHz。

6）數(shù)據(jù)后處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)后處理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號分選、信號調(diào)制域分析、信號參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析、多種雷達(dá)信號、噪聲干擾信號的識別以及監(jiān)測報(bào)告自動生成等功能，主要由磁盤陣列、工作站、交換機(jī)、臺式機(jī)以及數(shù)據(jù)事后處理軟件等組成。其中數(shù)據(jù)后處理軟件主要由信號分選模塊、信號調(diào)制域分析模塊、雷達(dá)信號與噪聲信號識別模塊、信號參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析模塊、圖像顯示模塊和監(jiān)測報(bào)告生成模塊等組成。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心軟件是信號監(jiān)測錄取分析軟件，該軟件采用功能模塊化技術(shù)，使各個模塊獨(dú)立完成各自功能，通過合理調(diào)用各個模塊來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。該軟件主要由設(shè)備管理、信號監(jiān)測與識別、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)管理、地圖操作等模塊組成，如圖4 所示。軟件主要工作流程如圖5 所示。

圖4 信號監(jiān)測錄取分析軟件組成框圖

圖5 軟件工作流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對本文提出的機(jī)動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要性能進(jìn)行驗(yàn)證，需要構(gòu)建試驗(yàn)場景進(jìn)行測試。

3.1 試驗(yàn)場景構(gòu)建

試驗(yàn)場景構(gòu)建的基本原則是充分利用現(xiàn)有的試驗(yàn)資源，以產(chǎn)生較為復(fù)雜的電磁環(huán)境，即在一定的空域、時(shí)域、頻域和功率域上多種電磁信號同時(shí)存在；電磁環(huán)境信號盡可能采用不同信號樣式，包括常規(guī)脈沖信號、頻率捷變、重頻參差、重頻抖動等信號，使電磁環(huán)境盡可能復(fù)雜。

根據(jù)以上原則和資源分配方式，構(gòu)建試驗(yàn)場景示意圖如圖6 所示。

圖6 構(gòu)建的試驗(yàn)場景示意圖

3.2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果

主要試驗(yàn)過程如下：1）將電磁環(huán)境監(jiān)測車與1 輛標(biāo)校車相距100 m，分別展開；將1 輛地面干擾車和2臺便攜式干擾機(jī)與標(biāo)校車放置同一位置，展開架設(shè)好，使各自的天線將對準(zhǔn)監(jiān)測車天線；2）將監(jiān)測車開機(jī)，處于信號監(jiān)測狀態(tài)；3）將監(jiān)測信號標(biāo)校車開機(jī)，輸出中心頻率為f0的正弦波信號，記錄監(jiān)測車測量的頻率值與功率大小，監(jiān)測信號標(biāo)校車一直保持信號輸出狀態(tài)；4）利用2 臺便攜式干擾機(jī)產(chǎn)生功率較小、信號樣式各不相同的信號，以作為背景信號；利用1 輛地面干擾車，依次產(chǎn)生不同功率、不同帶寬的阻塞干擾信號。

電磁環(huán)境監(jiān)測車的監(jiān)測結(jié)果分別如圖7—9 所示。圖7 為只有標(biāo)校車產(chǎn)生連續(xù)波信號情況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖8 為標(biāo)校車產(chǎn)生連續(xù)波信號+2 臺便攜式干擾機(jī)產(chǎn)生背景信號+1 輛地面干擾車產(chǎn)生小功率寬帶阻塞干擾的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖9 為標(biāo)校車產(chǎn)生連續(xù)波信號+2 臺便攜式干擾機(jī)產(chǎn)生背景信號+1 輛地面干擾車產(chǎn)生大功率寬帶阻塞干擾的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)1

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)2

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)3

試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能對雷達(dá)信號和雷達(dá)干擾信號進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，具體表現(xiàn)為：在背景信號幅度較小時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)B續(xù)波信號頻率與幅度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測；在寬帶阻塞干擾信號幅度較大時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)拵г肼暩蓴_信號的中心頻率、帶寬、幅度等進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。

4 結(jié)束語

為更好滿足試驗(yàn)區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境信號監(jiān)測的要求，需要利用測量速度快、測量精度高的機(jī)動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本文在常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種通用的機(jī)動式高精度電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，具備同時(shí)在時(shí)域與頻域?qū)﹄姶判盘栠M(jìn)行采集、分析與處理等功能。通過配套的標(biāo)校系統(tǒng)減小系統(tǒng)測量誤差；通過后處理分系統(tǒng)提高對多種雷達(dá)信號、噪聲干擾信號的識別和脈內(nèi)特征分析的能力。實(shí)測結(jié)果表明本文提出的機(jī)動式電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有時(shí)頻域數(shù)據(jù)同時(shí)監(jiān)測功能，系統(tǒng)測量精度高、速度快、穩(wěn)定性好，是一種能很好滿足各種復(fù)雜電磁環(huán)境信號監(jiān)測需要的通用系統(tǒng)?！?/p>