一种面向舰载雷达濒海试验的弹载干扰模拟器设计*

李 超 程 阳 孙继康 王 树

（江苏自动化研究所 连云港 222061）

1 引言

水面舰艇在作战过程中，会受到来自空中、水面、水下和岸上的多种威胁，其中高速反舰导弹等空中攻击性武器的威胁最为致命。反舰导弹为了提高突防概率，开发了诸多突防方案，例如通过辐射管控来降低自身辐射电磁波，进而降低被敌方截获的概率，通过发射诱饵来扰乱敌方对来袭导弹的识别。此外，反舰导弹还可搭载侦察干扰设备载荷，在导弹突防中段或末段的关键时刻，对舰载对海对空搜索雷达、跟踪雷达、火控雷达以及防空导弹末制导雷达等装备实施近距离侦察和干扰，破坏和削弱舰载雷达目标探测、跟踪和识别能力，在要求功率较小的情况下，起到良好的干扰效果［1～5］。

反舰导弹突防手段，尤其是弹载侦察干扰技术的大量运用，对舰载雷达装备的发展提出了两方面迫切的需求，一是如何改进和提升各型舰载雷达的技战术性能，提高其应对弹载干扰设备的抗干扰能力；二是在舰载雷达濒海科研及作战试验过程中，如何构建贴近真实反舰导弹突防作战场景，模拟突防过程中的复杂电磁干扰信号环境，为舰载雷达抗弹载干扰性能验证、测试和评估提供真实可靠的试验环境和试验数据［6～8］。

本文针对舰载雷达濒海试验的需求，提出了一种弹载干扰模拟器的实现方案，利用高速无人靶机搭载侦察干扰一体化载荷，模拟蓝方搭载弹载干扰机的反舰导弹目标，可广泛应用于濒海环境下舰载雷达抗干扰能力验证及测试试验。

2 弹载干扰模拟器的系统架构

弹载干扰模拟器的设计基于数字储频（DRFM）技术体制，具备干扰灵活多样、信号侦测精度高、假目标多等特点，可实现同时收发、快速响应、瞬时覆盖超宽带信号接收和现场编程控制等功能［9］。干扰模拟器采用模块化和分体式设计，通过划分特定功能和接口模块，保证模块之间的独立性，也便于系统的组装和调试。设备主要由高速无人靶机、侦察干扰一体化载荷、显示控制设备和相关配件等组成，其系统架构如图1所示。

图1 弹载干扰模拟器系统架构框图

在图1中，侦察干扰一体化载荷是弹载干扰模拟器的核心部分，其主要由收发天线分系统、射频收发组件分系统、信号处理分系统、电源分系统和无线通信模块等组成。

收发天线分系统采用收发分时的方式，完成雷达信号的接收和干扰信号的发射，作为收发链路的终端，其性能优劣直接影响整个设备的干扰效能。收发天线采用平面螺旋天线形式，具有工作频带宽、瞬时空域覆盖广、幅度相位一致性好且稳定性高等特点［10］，作为圆极化天线的极化适应性强，同时体积和重量也能满足高速无人靶机安装空间和载荷的限制。

射频收发组件分系统分别与收发天线与信号处理分系统连接，可通过开关切换实现信号的接收下变频处理，输出中频信号给信号处理分系统，也可将信号处理分系统输出的中频信号经上变频处理后，产生发射信号输出到天线单元，同时产生各种本振信号和时钟信号。

信号处理分系统由FPGA、DSP高速数模转换器DAC和高速模数转换器ADC等芯片构成，主要完成外部辐射源信号的检测、参数测量、威胁判断、干扰信号产生以及系统流程控制功能。

下面重点介绍射频收发组件分系统和信号处理分系统的实现方案。

3 射频收发组件分系统

射频收发组件主要由射频前端模块、频综模块和收发变频模块组成。射频前端模块由低噪声放大器、自检源、开关和滤波器等组成，主要完成对射频信号的限幅、放大、滤波、灵敏度控制以及接收、发射通道的切换；频综模块由参考源、功分器、本振源和时钟源等组成，主要产生系统工作所需的时钟信号和混频所需的一次、二次本振信号；收发变频模块由低噪放、滤波器组、检波器、混频器、滤波放大、AGC等电路组成，主要完成信号的混频，产生符合系统要求的接收中频信号和干扰射频信号，组成框图如图2所示。

在图2中的下行通道，输入信号经收发开关后进入接收机支路，首先经过限幅器以保护后级电路，通过数控衰减器，经过第一级低噪放放大后功分两路分别对两个波段进行滤波和耦合检波；检波信号进入数字板判断给出波段开关和数控衰减控制；信号再通过波段选择开关合成一路后进入第二级低噪放，放大后进入第二级数控衰减器，对动态进行调整；再经过一级低噪放后进入混频器与一本振LO1进行混频输出第一中频；一中频经滤波后进入第二级混频器与二本振LO2进行混频，输出第二中频，经滤波放大输出，理论上可以使输出功率控制在-30dBm～0dBm之间，满足AD的输入动态范围。在上行通道，从DA芯片出来的中频信号经过一中频滤波和一中频放大进入混频器，与二本振信号LO2混频，取下边带，输出第二中频，再经过滤波放大与一本振信号LO1混出射频信号，经放大进入数控衰减。

图2 收发变频模块的组成框图

4 信号处理分系统

信号处理分系统对中频信号进行采样并将采样信号入FPGA，完成信号的检测与测量，FPGA将测量得出的载频、TOA（脉冲到达时间）、PW（脉冲宽度）和PA（脉冲幅度）等参数送入DSP，完成信号的分选，形成威胁等级表，将所需信号进行存储，并根据设置的运动目标特征参数或干扰参数进行调制，产生模拟回波中频信号或干扰中频信号。

信号处理分系统数字处理板主要由采样板和运算板组成，其中采样板包括1片高速ADC（选型EV10AQ190A）、1片低速ADC（选型AD9253B），1片高速DAC（选型AD9739BBC）及其他辅助电路，运算板包括Kintex-7 FPGA、1片TMS320C6657高性能多内核DSP及其他辅助电路，数字处理板的原理框图如图3所示。

图3 数字处理板原理框图

在图3中，1路中频信号经SMP型连接器进入电路板，经高速ADC采样后输入Kintex7 FPGA；ADC和DAC的采样时钟信号经SMP型连接器进入电路板，通过时钟管理芯片功分后分别送给ADC和DAC；两路检波信号经矩形连接器进入电路板，经低速ADC采样后输入给FPGA。Kintex7 FPGA通过相应的电平转换芯片配备20根单端IO（输入输出可定义，LVTTL=3.3V，每4根一组），1路晶振信号接入FPGA，FPGA提供对高速ADC、时钟管理电路、复位电路等的控制信号并外接存储芯片（空间不小于16GB，速度不小于3MB/s）。DSP采用不少于8根GPIO和EMIF总线接入Kintex7 FPGA，利用高速串行4X SRIO接口连接至FPGA，此外，配备1个网口连接矩形连接器，配备UART（RS232）接口（波特率不小于115200b/s）接入矩形连接器；DSP外接 DDR3（不小于 512Mb，32bit），同时配备外挂FLASH用于程序加载。数字处理板卡包含一个温度传感器，同时配备温度管理芯片，将具备I2C接口的芯片（如FPGA、DSP）的温度接入，最后统一传送到Kintex7 FPGA。

5 针对脉冲压缩体制雷达的干扰样式

脉冲压缩技术通过增强雷达探测距离和雷达距离分辨力，使其抗干扰能力更强。该技术广泛应用于火控雷达、警戒雷达和末制导雷达等装备中，通过发射宽脉冲并将接收信号转换转化为窄脉冲来提高雷达性能。线性调频信号、非线性调频与二位相编码信号是脉冲压缩雷达常见手段，本文以LFM脉压体制雷达为例，对弹载干扰模拟器的间歇采样转发干扰样式做设计并仿真分析。

5.1 LFM脉压雷达的工作原理

线性调频脉冲压缩雷达是一种典型的脉冲压缩技术应用实例，能够在不削弱雷达分辨率的情况下保证足够的发送距离。接收信号经过脉冲解压缩后，干扰噪声不能与脉冲压缩网络良好匹配，而LFM信号却可以与其匹配。因此雷达可以通过LFM脉压技术筛选出噪声中的有效信息，得到较高的信干比。

LFM雷达的发射信号可以表示为

其中，τ为信号脉宽，f0为起始频率，K=B/τ为调频斜率，B表示LFM信号带宽。

在雷达接收端，处理机先对信号做正交解调得到基带信号，再对接收信号进行匹配滤波就可以进行检测判决。本文使用Matlab软件仿真分析线性调频信号，雷达脉冲宽度τ设置为100μs，信号带宽B设置为4MHz，起始频率f0设置为0，同时加入信噪比SNR为10dB的高斯白噪声信号做干扰噪声，经匹配滤波Matlab程序输出添加高斯白噪声的线性调频信号，其波形、频谱及脉冲压缩结果如图4所示。

图4 LFM高斯白噪声干扰波形图

由此可以得到LFM脉冲信号的两个频率特性：匹配滤波器处理宽脉冲信号后其变成了窄脉冲，呈现出sinc函数形状；同时，高斯白噪声经脉冲压缩处理对线性调频信号的影响很小，证明了线性调频雷达匹配滤波器可以显著增加雷达系统抗噪性能。

要做到对线性调频脉冲压缩雷达的干扰效果，必须进一步研究它的匹配滤波特性。匹配滤波中线性调频信号的特点是在时延、频移间存在强耦合，但其对回波的多普勒频移不敏感，如果我们将信号进行频移，再经脉冲压缩网络处理，此时依旧能够进行脉冲压缩，仿真出的信号主峰会出现超前或滞后的情况。基于这种情况，弹载干扰模拟器能够采用间歇采样转发干扰样式，实现对LFM脉压雷达的有效干扰。

5.2 间歇采样转发干扰样式设计与分析

间歇采样转发干扰是基于脉冲压缩原理的相干干扰方法，可以形成分布在真目标周围的相似信号，产生逼真的相干假目标。具体操作为对接收的LFM信号做等间隔采样、存储、放大，并转发给接收雷达。因为其利用了发射信号的信息特征，跟雷达发射信号具有很强的相参性［12］，可以使线性调频脉压雷达受到相干假目标的干扰。间歇采样转发干扰信号的表达式如下：

式中，间歇采样脉冲信号p（t）是矩形包络脉冲串，其脉冲宽度（PW）为τ，脉冲重复周期（PRI）为Ts。

在频域上，干扰信号可表示为

以脉冲宽度T=100μs，信号带宽B=4MHz的线性调频信号为例，改变采样信号的PW、PRI参数，观察采样周期和占空比对输出信号的影响。分别取信号的脉宽和脉冲重复周期为（a）τ=0.5μs，Ts=2.5μs；（b）τ=1μs，Ts=5μs；（c）τ=1μs，Ts=2.5μs；（d）τ=2μs，Ts=5μs；脉压处理输出波形时域图如图5所示。

图5 LFM间歇采样转发干扰波形图

从图中可以得到与理论分析相吻合的结论，即当控制采样信号的脉冲宽度τ不变，产生的假目标会随着脉冲重复周期Ts变大而变多，同时会变得更加集中；而当控制采样信号的脉冲重复周期Ts不变时，随着脉冲宽度τ不断变大，产生的假目标幅度也会越来越大。

本文研究发现间歇采样转发干扰可对线性调频脉压雷达产生距离向的多假目标欺骗干扰效果，并且该方法拥有容易进行工程实现和欺骗干扰效果卓越的优点。研究结果还表明：改变间歇采样脉冲信号p（t）的脉冲重复周期Ts和脉冲宽度τ也可以改变假目标的间距、幅度、峰值。间歇采样转发信号为了对线性调频脉压雷达做到有效的干扰，可以针对不同工作参数的雷达改变信号p（t）的脉冲重复周期和脉冲宽度。

6 结语

本文针对舰载雷达濒海试验中反舰导弹突防电磁干扰信号环境模拟的需求，从阐述弹载干扰模拟器系统架构出发，设计了射频收发组件和信号处理分系统的硬件架构，并以LFM脉压体制雷达为例，对弹载干扰模拟器的间歇采样转发干扰样式进行了仿真分析，仿真结果表明可以实现有效干扰。利用高速无人靶机搭载侦察干扰一体化载荷，模拟蓝方搭载弹载干扰机的反舰导弹目标，弹载干扰模拟器可广泛应用于濒海环境下舰载雷达抗干扰能力验证及测试试验，有效提升试验环境构建的复杂度和逼真度。