宽带侦察灵敏度提升设计

陈章龙

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

1 概 述

为了提高复杂环境中对综合电磁态势的感知能力，下一代电子侦察设备必须大力提高复杂电磁环境下的接收、处理和识别能力。提高这些能力的基础就是要提高侦察设备的灵敏度。

1.1 国内外研究现状

20个世纪70年代，美国海军研制了AN/SLQ-32电子对抗系统，用于其水面舰艇防御。如今战场上面临的电磁威胁早已发生了翻天覆地的变化：各种新式雷达和反舰导弹的数量日益增加，雷达抗侦察抗干扰体制逐步完善，让老式装备捉襟见肘。因此在2002年美国海军启动了“水面电子战改进项目(SEWIP)”，以增强电子战作战的能力，应对下一代雷达和反舰导弹的威胁。主要改进包括：

(1) 采用新型宽带数字接收机替代老式SLQ-32的电子支援；

(2) 改进了电子支援天线，提高了天线的增益；

(3) 改进了信号处理算法；

(4) 采用VPX体系架构和标准化、模块化设计方式，使未来的升级工作更加简便[1]。

其中(1)、(2)的主要目的就是提高电子战侦察设备的灵敏度。据网络上了解，美军宽带侦察设备灵敏度已经达到-70 dBm。

汇总调查结果，国外新老SLQ-32侦察设备灵敏度指标如表1所示。

表1 新老SLQ-32侦察设备灵敏度指标比较

1.2 侦察灵敏度提高的瓶颈

对于侦察设备来说，灵敏度是由两支路共同决定的，一个是测频支路，另一个是测向支路，系统的灵敏度是由2个支路中灵敏度低的那个支路决定的。在每个支路中决定灵敏度高低的主要是三大分机：天线分机、微波分机和接收分机。

如果以美国新式SLQ-32为追赶目标，满足-70 dB以上灵敏度的指标要求，老式的侦察设备需要做出很大的改进：首先瞬时测频接收机由于体制原因，其灵敏度提升能力受限，并且同时到达信号功率相近时测频容易出错。因此选择一个新式宽带测频接收机，才能适应新的侦察灵敏度需求。其次，提高天线增益，降低微波通路噪声系数，同时在测向支路选择灵敏度更高的检波对数视频放大器(DLVA)模块等，也成了改善侦察灵敏度的关键所在。

2 灵敏度提升设计思路

根据侦察机灵敏度公式可知，侦察机灵敏度主要取决于以下几个因素：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNR-D

(1)

式中:Prmin为接收机灵敏度，单位为dBm；B为接收机中频带宽，单位为MHz；F为微波前端噪声系数，单位为dB；σSNR为检测或处理所需要的最低信噪比，单位为dB；D为天线增益，单位为dB。

因此提升侦察机灵敏度有4种方式：

(1) 降低接收机的瞬时带宽

其本质在于通过降低侦察的频率截获概率，提升接收机的灵敏度。通过公式(1)可知，在其他因素不变的条件下，接收机中频带宽B每下降50%则接收机灵敏度提升3 dB。因此若需要保持侦察机的频率截获概率不变，那么每增加3 dB灵敏度需要接收机链路硬件增加1倍。

(2) 降低微波链路的噪声系数

降低微波链路噪声系数一般需要微波链路前置、前级采用低噪声放大器、超低温传导等方式来实现。一般来说用这种方式提升灵敏度的程度有限，难度较大，成本最高，对传统设备改动较多，因此一般来说不是设计首选[2]。

(3) 降低检测所需的最低信噪比

在一定带宽范围内，接收机一般采用时间积累的方式提升信号的信噪比，从而实现降低检测所需要的信噪比。但是这种提升方式也有相应的缺陷，比如不适用于大带宽、窄脉冲雷达信号，因此对于通用型雷达信号接收装置提升程度有限。

(4) 增加天线的增益

由于提升天线增益的本质在于降低天线的波束宽度：天线增益每提升3 dB，天线波束宽度便下降50%。而天线波束宽度的降低会影响侦察机的空域截获概率，因此若需要保持侦察机的空域截获概率不变，那么每增加3 dB灵敏度需要侦察机链路硬件增加1倍。

通过以上分析可知，侦察机灵敏度的提升是一个多维度的权衡设计，需要充分考虑侦察机的使用需求、设计成本、现有约束后，采用较优的方式去实现。

3 一种宽带侦察灵敏度提升方案设计

3.1 测频支路方案选择

图1为宽带侦察机测频支路工作原理框图。由1.2节可知，传统的10 GHz超宽带侦察测频接收机灵敏度为-60 dBm左右，其中天线采用全向天线,增益为-5 dB，微波噪声系数为6 dB，所采用瞬时测频接收机需要的最低信噪比为3 dB。

图1 宽带侦察机测频支路工作原理

为了以最小代价提升整机灵敏度，本文从测频天线设计和接收机设计2个角度出发，提出一种新的设计方式，去改善侦察测频链路灵敏度，具体方案选择如下。

3.1.1 测频天线的设计

测频天线采用6只宽波束喇叭天线覆盖360°空域。间隔180°的2个天线进行射频合成，共合成3路输出。测频单元采用60°恒波束喇叭天线，天线示意图如图2所示。

图2 宽波束喇叭天线模型

6只喇叭合路输出示意图如图3所示。

图3 测频天线排列示意图

宽波束喇叭天线计算增益大于8 dB，去除极化损耗，则天线增益大于5 dB。波束宽度则恒定在60°左右。两路通过合路器合成，将会产生3.5～4 dB的功分损耗。综上，测频天线最终增益约为0～1 dB之间，相比全向天线增益提升5～6 dB。

3.1.2 测频接收机的设计

单比特数字化接收机是一种通过降低采样比特位、简化傅里叶变换计算以获取大带宽和实时信号处理能力的新型测频接收机。由于其比特数很低，所以采样率可以做得很高，采集数据由于只有1个比特位，所以可以把测频过程中快速傅里叶变换(FFT)的乘法运算优化成加法运算，这样就可以大大减少计算量，降低了接收机对硬件的需求，其工作原理如图4所示。

图4 单比特接收机工作原理

如图4所示，首先把射频信号通过变频转化成0～10 GHz的中频信号；然后通过20 Gsps单比特采样模块输出的高速采样数据，在现场可编程门阵列(FPGA)中进行数据接收，数据接收包括对ADC产生数据加扰、帧对齐、降速等；得到的采样数据流进MonibitFFT模块进行256点的FFT运算(MonibitFFT运算是将核函数在近似圆上取8点简化值)；接着在傅里叶变换结果中进行最大谱峰搜索，得到峰值谱线对应的位置，并将峰值谱线的复数信息选择出来进行相位信息的提取，这个过程就相当于256通路的信道化；最后把信号所在信道的相位信息送给瞬时测频模块进行频率测量。

由经验可知，满足测频精度1 MHz以内、99%以上概率测频正确，需要信噪比要大于15 dB[1]。256路信道化可以提升24 dB的信噪比(注：10lg(256)=24 dB)，那么单比特接收机输入前端需要信号的信噪比只需要达到-9 dB，相比瞬时测频接收机灵敏度提升了12 dB。

3.1.3 测频支路灵敏度计算

将带宽B=10 GHz，噪声系数F=6 dB，检测或处理所需要的最低信噪比σSNR=-9 dB，天线增益D=0 dB，代入整机灵敏度公式，得：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNR-D=

-77(dBm)

因此整个链路的灵敏度为-77 dBm，相比传统设计得到了明显的提升。

3.2 测向支路方案选择

图5为宽带侦察机测向支路工作原理框图。由1.2节可知，传统的超宽带侦察测向接收机灵敏度为-69 dBm左右，其中天线采用多波束透镜增益为8 dB，微波噪声系数为6 dB，DLVA的检测灵敏度为-70 dBm，测向接收机的检测门限设定为3 dB。

图5 宽带侦察机测向支路工作原理

可见测频支路的灵敏度提升大致有2种方式：

(1) 提高测向天线的增益，即提高测向天线的数量。

(2) 改善DLVA前端微波电路的噪声系数。

提高测向天线增益带来的灵敏度提升是最直接的。但是如果仅考虑在原有侦察设备基础上改进，这个方案需要改变天线结构、微波链路、测向接收机等，经济成本巨大，最多也就能为整机提高4 dB的灵敏度，性价比不高。而通过在前端添加低噪声放大器和滤波器的形式可以有效提高DLVA的灵敏度。

3.2.1 微波链路的设计

通过分析原微波链路的缺陷，根据测试经验综合判定，原设计链路中至少有2～3 dB的信噪比可以提升。因此选择在链路前增加低噪声放大器和滤波器，达到微波链路整体提升。具体方案如图6所示，其中前3个框为新添加的微波器件。

图6 DLVA组件原理框图

经过如上改进，整个微波链路灵敏度提升约3 dB，微波前端噪声系数下降至3 dB。

3.2.2 测频支路灵敏度计算

根据上节描述可知，改进后天线增益为8 dB，微波噪声系数为3 dB，DLVA的灵敏度为-70 dB，接收机的检测门限为高于灵敏度3 dB。因此整机的测频链路灵敏度为：

Prmin=(-8)+(-70)+3+3=-72(dBm)

3.3 整机灵敏度总结

根据3.1和3.2节中的分析，整机测频灵敏度为-78 dBm，测向链路的灵敏度为-72 dBm，因此整机灵敏度为-72 dBm，相比原设计提高12 dB。

4 测试结果

测试布置示意图见图7，测试转台根据测试需求控制其转动，转台上放置了单舷的接收天线阵进行测试。

图7 示意图

辐射源距离天线座0.15 m左右，角度约为260°，信号源通过电缆连接到标准的3315喇叭上，喇叭正对着天线座。信号源发射信号通过调节信号源，渐渐降低信号源辐射功率(灵敏度附近0.5 dB一档降低)，直到侦察设备侦收的五大参数中有任何参数不满足指标要求,记录最低的满足要求的信号源功率。

测试结果统计图如图8所示。图8中横坐标为0～10 GHz带宽内每个频点，纵坐标为该频点对应的接收机灵敏度。可见，10 GHz带宽内的点均达到-70 dB以上的灵敏度。

图8 灵敏度测试结果

5 结束语

本文首先介绍了国内外侦察设备的灵敏度现状，分析了传统设备灵敏度设计瓶颈；通过灵敏度公式分析了灵敏度提升的本质和基本思路；然后在多维度制约下，设计了一种性价比较高、提升幅度较大的宽带侦察机灵敏度提升方案；在文章的最后给出了实物测试的方案和测试的结果，从而验证了该方案的可行性。