一种制导雷达射频信号注入系统设计方案*

盛 川,杨春晓,谢军伟,路文龙

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)



一种制导雷达射频信号注入系统设计方案*

盛 川,杨春晓,谢军伟,路文龙

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

为有效评估制导雷达抗干扰性能,针对制导雷达技术特点及其面临的干扰环境,提出一种射频信号注入系统设计方案。该系统通过模拟器构建了包括杂波、干扰以及目标回波在内的复杂电磁环境,并将信号以射频注入的方式注入雷达数据处理回路,构建了逼真的战场环境。测试结果表明,该系统能够有效模拟目标/欺骗干扰、无源干扰和有源压制性干扰等复杂信号,且信号产生灵活、可控,为雷达抗干扰性能内场评估实验提供了逼真的电磁干扰环境。

干扰环境;射频注入;模拟器

0 引言

目前,雷达抗干扰性能评估内场试验已成为世界各国研究的热点问题,全面、科学的抗干扰性能评估,有利于准确把握雷达抗干扰性能的优缺点及其在作战中的适用性、有效性,对促进雷达技术升级和指导战勤人员操作训练有重要意义,而构建逼真的电磁干扰环境则是进行有效内场评估试验的前提和基础[1]。

在内场评估试验中,信号注入法是一种将雷达实物作为仿真评估一部分的半实物仿真方法,根据评估需求模拟产生雷达目标回波和干扰信号,从注入点注入到雷达系统进行抗干扰性能评估。根据注入点位置分为数字注入、中频注入和射频注入。数字注入通过计算机及数字信号处理器产生数字仿真信号,该方法成本低,但信号及雷达系统仿真的高度数字化是以损失信号环境保真度为代价;中频注入模拟产生中频信号注入到中频接收机,信号产生较为简单,但置信度不高;射频注入则是模拟天线输出端的射频信号,从天线和差器后注入到接收机中,包括信号环境和相控阵天线及接收机射频前端的模拟,评估置信度较高[2]。文中设计了一种雷达射频信号注入系统,有效满足了制导雷达抗干扰性能评估的需求。

1 雷达射频信号注入系统总体设计

针对制导雷达技术特点,雷达射频信号注入系统需模拟目标/欺骗干扰、有源压制性干扰和无源干扰的和差三路信号,以及有源压制性干扰两路辅助通道信号[3]。雷达射频信号注入系统总体设计如图1所示。

雷达射频信号注入系统主要由雷达射频信号注入系统数据处理器和射频信号注入器组成。

雷达射频信号注入系统数据处理器获得制导雷达的波束控制指令、收发指令、波形指令控制和抗干扰性能评估计算机的干扰环境参数,用于控制射频信号注入器模拟干扰环境。

射频信号注入器的功能是产生目标/欺骗干扰、有源压制性干扰、无源干扰的单脉冲和差三路射频信号及两辅助通道射频信号,经同轴电缆由射频注入点注入到制导雷达接收机。

图1 雷达射频信号注入系统总体设计

2 干扰环境建模

2.1 目标/欺骗干扰模拟

目标回波的距离和速度模拟是通过控制时延和多普勒频移来实现的;信号幅度随目标RCS起伏变化,可采用施威林(Swerling)模型对起伏特性模拟;角度变化引起高低差及方位差变化,通过天线方向图控制和/差信号增益模拟角度[4]。

目标回波信号的延时为tR,多普勒频移为fd,表达式为:

(1)

fd=2v/λ

(2)

式中:c为光速;λ为雷达载波波长。

欺骗干扰信号模拟的时延、多普勒频移、幅度控制参数根据欺骗干扰方式设定。目标RCS起伏变化采用施威林模型描述,文中不再赘述。

相控阵天线方向图仿真采用辛克函数分段拟合子波束天线方向图,再利用子波束和差运算等效和差波束模型,由幅度衰减因子控制和差波束增益获得和差波束天线方向图[5]。

2.2 无源干扰模拟

无源干扰信号主要包括无源杂波和箔条干扰,无源杂波有地物和气象杂波[6]。

2.2.1 杂波建模

对于分辨率较高的制导雷达,采用K分布描述,既能在很宽范围内与观测杂波数据幅度分布匹配,又能正确模拟杂波回波脉冲间的相关特性,概率密度为:

(x>0,v>-1,a>0)

(3)

式中:Kv(·)为第二类修正贝塞尔函数;a为尺度参数,只与杂波的平均值有关;v为杂波形状参数。

根据雷达的距离分辨力划分杂波散射单元。

(4)

式中:a为散射单元宽度(长度等于宽度);δr为雷达距离分辨单元宽度;ψ为距离环中心视线方向对应的擦地角。

由雷达方程可知,第(m,n)个散射单元散射功率为:

(5)

式中:Pt为雷达发射峰值功率;λ为雷达工作波长;δm,m为第(m,n)个散射单元的散射系数;Sm,n为第(m,n)个散射单元的散射面积;Rm为散射单元距雷达天线的距离;L为雷达总损耗;Gt,(m,n)为发射天线增益;Gr,(m,n)接收天线增益。

散射单元回波平均幅度为:

(6)

式中sgn(·)为符号函数。

第(m,n)个散射单元的时延由该点目标到雷达的距离Rm,n决定时延τ(m,n)为:

(7)

式中:Rm,n为服从[Rm,Rm+1]区间内的均匀分布;c为光速。

假设相干处理期间,各散射单元幅度无起伏,则第(m,n)个散射单元的第k个脉冲回波信号为:

ck,(m,n)(t)=

Am,nL(m,n)S[t-τ(m,n)+kT]ej2πfd(m,n)[t-τ(m,n)+kT]

(8)

式中:T为脉冲重复周期;S(t)为雷达发射信号幅度归一化。

对若干散射单元回波信号进行相干合成,得各个通道的射频杂波信号为:

(9)

式中:K为相干脉冲数,雷达发射对接收的“遮挡”影响表示为:

(10)

2.2.2 箔条回波建模[7]

箔条云在空中运动引起多普勒频移为:

(11)

式中:v为箔条云的运动速度;θ为v与雷达轴线的夹角;λ为雷达信号波长。

第i根箔条的回波信号为:

(12)

式中:Ri为第i根箔条的位置;Ai为第i根箔条的回波幅度。

第m个雷达波束接收的箔条干扰回波为:

(13)

2.3 有源压制性干扰模拟

有源压制性干扰信号是通过对噪声源调制获得具有压制性的干扰信号,通过雷达天线主瓣或旁瓣进入接收机。信号模拟时,可通过调制方式的组合形成多种样式的有源压制性干扰信号,此处不再赘述。角度模拟根据干扰源相对雷达的位置控制和/差信号增益实现,天线方向图模型与目标回波模拟时模型一致。此外,辅助通道信号模拟要对辅助天线方向图模拟[8]。

3 功能模块设计

3.1 基带样本信号产生模块

目标/欺骗干扰信号和无源干扰信号的模拟通过对发射信号的基带样本信号进行一系列调制产生,基带样本信号产生模块对发射信号进行采样。基带样本信号产生模块如图2所示。

图2 基带样本信号产生模块

雷达发射信号中频信号下变频后,通过高速A/D采样输出至波形存储器,测频单元对波形存储器中波形样本进行测频,测频结果用于数字下变频,再经过抽取滤波处理,获得基带样本。

3.2 相控阵天线仿真器

相控阵天线仿真器通过软件实现,根据任意扫描角下的天线方向图技术参数,包括天线增益、主瓣宽度、第一副瓣电平、第一零值点位置、第一副瓣电平位置等技术参数,计算出天线方向图技术参数,输入到建立的相控阵天线模型中,计算得到相控阵天线方向图。

3.3 目标/欺骗干扰模拟

目标/欺骗干扰射频信号产生,首先通过中频信号产生电路模拟产生中频信号,再经过射频和差网络模拟输出和差三路射频信号。目标/欺骗干扰中频信号产生框图如图3所示。

图3 目标/欺骗干扰中频信号产生框图

基带样本信号通过时延调制、多普勒调制及幅度控制输出后,再经过上变频及高速D/A产生中频信号。欺骗干扰信号模拟的原理与目标模拟相同,只是对基带样本信号的延时、多普勒频移和幅度调制参数要根据欺骗干扰方式设置。目标/欺骗干扰信号射频和差网络如图4所示。

图4 目标/欺骗信号射频和差网络

目标/欺骗干扰中频信号与DRFM本振信号混频后,经过放大器、固定衰减器和数控衰减器控制输出一定功率电平的目标/欺骗干扰信号,射频信号由功分器分为和差三路,通过实时控制0/π移相器的移相量和数控衰减器的衰减量,模拟输出和信号、高低差和方位差信号,实现角度的模拟,通过调节各支路的电调移相和电调衰减器,可保证各支路的幅相一致性,最终输出和差三路射频信号。

3.4 无源杂波干扰模拟

无源杂波干扰射频信号产生按和信号、高低差和方位差信号分别模拟。首先通过无源杂波中频信号产生电路模拟产生三路中频信号,再分别经过上变频等处理得到射频信号。无源杂波中频信号产生框图如图5所示。

图5 无源杂波中频信号产生框图

基带样本与杂波调制序列实时卷积,再经过延时/插值、上变频,高速A/D转换后输出中频杂波信号,其中,杂波调制序列通过对雷达的工作体制、参数及地/海杂波场景的分析,选择合适的杂波模型产生。无源杂波干扰射频信号模拟框图如图6所示。

图6 无源杂波干扰信号模拟框图

三路杂波中频信号分别经上变频、放大、固定衰减器、数控衰减器、0/π移相器、电调衰减和电调移相等射频电路,模拟输出和差三路无源杂波干扰射频信号。

3.5 有源压制性干扰模拟

有源压制性干扰射频信号的模拟共产生5路信号,三路用于模拟和差信号,两路用于模拟旁瓣对消系统辅助通道的信号。有源压制性干扰信号模拟框图如图7所示。

图7 有源压制性干扰信号模拟框图

有源压制性干扰视频信号产生电路产生视频信号,与频率调制信号产生电路产生的频率调制信号叠加,控制压控振荡器产生频率和带宽符合要求的射频信号,经过幅度调制、射频放大和固定衰减器控制,输出功率电平符合要求的射频噪声,再经数控衰减器控制干扰信号的强弱,经功分器后输出5路信号,三路用于模拟和信号、高低差和方位差信号,通过调整0/π移相器的移相量和数控衰减器的衰减量来模拟角度;另外两路用于模拟旁瓣对消系统辅助通道的信号。

3.6 多通道射频信号合成

多通道射频信号合成模块将目标回波、欺骗干扰、无源干扰和有源压制性干扰的三路和差信号,以及有源压制性干扰的两路辅助支路信号进行合成处理,形成和信号、高低/方位差信号和辅助通道信号,输出到接收机射频前端。多通道射频信号合成模块如图8所示。

图8 多通道射频信号合成模块

4 测试结果与分析

通过在实验室搭建测试平台,实现对雷达射频信号注入系统的测试,基带样本产生模块提供基带样本信号,各信号产生模块根据信号参数及模型在计算机控制下产生目标回波信号、欺骗干扰信号、无源干扰信号和有源压制性干扰信号,通过示波器和频谱仪观察分析信号波形和频谱图。

4.1 目标回波信号测试

目标在100 km时回波信号如图9所示。

图9 Rm=100 km时目标回波

4.2 有源压制性干扰信号测试

有源压制性干扰信号产生阻塞式干扰和间歇瞄准式干扰进行测试分析,阻塞式干扰信号频谱图、间歇瞄准式干扰信号波形分别如图10、图11所示。

图10 阻塞式干扰信号频谱图

图11 间歇瞄准式干扰信号波形

分析图10、图11可知,阻塞式干扰能在较宽频段内覆盖雷达信号,只要雷达信号频率在其覆盖范围内,都将受到有效干扰;间歇瞄准式干扰信号功率集中且信号间歇出现,目标回波信号受到间歇干扰,雷达很难从回波中检测出目标。

4.3 欺骗干扰信号测试

根据上位机软件或DSP控制各驻留波位的欺骗干扰参数,产生假目标,其分布如图12所示,横纵坐标分别表示距离和强度。确定假目标的回波时移范围与距离延迟精度,模拟欺骗干扰信号,欺骗干扰信号波形如图13所示。

图12 假目标分布图

图13 欺骗干扰信号波形图

分析图13可知,在不同距离延时上产生了幅度不同的欺骗干扰信号,使得目标回波信号难以分辨,实现了欺骗干扰的目的。

4.4 无源干扰信号测试

无源干扰信号测试选择产生地杂波、气象杂波和箔条干扰,无源干扰分部如图14所示,包括地杂波(近距)、气象杂波(中距)和箔条干扰(远距),横轴表示距离,纵轴表示杂波强度。根据无源干扰分部情况模拟产生无源杂波,通过示波器观察输出波形,地杂波、气象杂波、箔条干扰波形如图15所示。

图14 无源干扰分布图

图15 地杂波、气象杂波、箔条干扰波形图

分析图15可知,在不同距离上产生了强度不同的无源干扰信号,目标回波信号淹没在杂波信号中,达到有效干扰目的。

5 结语

文中通过对制导雷达技术特点及面临的干扰环境分析,提出了制导雷达射频信号注入系统总体设计,并对目标/欺骗干扰、无源干扰和有源压制性干扰的射频信号产生模块进行了设计。通过在实验室搭建测试台进行功能测试,产生目标回波信号、有源压制性干扰信号、欺骗干扰信号和无源干扰信号,利用示波器和频谱仪观察分析中频信号频谱或波形。测试结果表明,该系统可以灵活模拟复杂且逼真的电磁干扰环境,能够有效满足制导雷达的抗干扰性能评估要求。不足的是该系统前端的模型还有待于深入研究,以提高信号的置信度。

[1] 付云, 谢军伟, 张启亮, 等. 射频注入式雷达抗干扰性能评估研究 [J]. 飞航导弹, 2011(8): 83-86.

[2] 崔建竹, 盛骥松. 注入式雷达信号仿真技术 [J]. 舰船电子对抗, 2007, 30(5): 75-79.

[3] 张启亮. 某型制导雷达抗干扰性能评估研究 [D]. 西安: 空军工程大学, 2009.

[4] 许德志, 丁才成. 一种基于DDS技术的信号发生器研究与实现 [J]. 电子科技, 2010, 23(3): 59-61.

[5] 张涛. 有源相控阵雷达箔条干扰仿真系统建模与软件设计 [D]. 西安: 西安电子科技大学, 2012.

[6] 陈伯孝. 现代雷达系统分析与设计 [M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2012: 220-221.

[7] 杨春晓, 谢军伟, 盛川, 等. 基于中频注入的雷达信号模拟器设计与实现 [J]. 空军工程大学学报(自然科学版), 2015, 16(4): 83-87.

A Design Scheme of Guidance Radar RF Signal Injection System

SHENG Chuan,YANG Chunxiao,XIE Junwei,LU Wenlong

(Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

In order to evaluate guidance radar’s anti-jamming performance effectively, a guidance radar RF signal injection system was proposed. The system uses simulator to structure complex electronic jamming environment including clutter, jamming and target echo. Then the system injects the signal into the radar in the form of RF. The test results shows that this guidance radar RF signal injection system can simulate target echo, deception jamming, clutter and barrage jamming, and it can produce signal flexibly. It has great value which matches design requirement well, and satisfies assessment.

electronic warfare environment; RF injection; simulator

2015-12-10

盛川(1979-),男,湖南益阳人,副教授,博士研究生,研究方向:雷达抗干扰关键技术。

TN95

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