一种半主动雷达导引头通用模拟信号源设计

方革非, 蒋俊杰

（1.上海无线电设备研究所；2.中国人民解放军空军驻上海地区军事代表室,上海 200090）

一种半主动雷达导引头通用模拟信号源设计

方革非1, 蒋俊杰2

（1.上海无线电设备研究所；2.中国人民解放军空军驻上海地区军事代表室,上海 200090）

针对现有导引头调试测试中使用的半主动雷达导引头模拟信号源种类多、维护管理困难,提出了一种通用半主动雷达导引头模拟信号源设计方法。介绍了通用型设计的特点,给出了具体的实施方案。采用该方案设计的通用半主动导引头模拟信号源,已通过多种类型导引头批生产多年的检验,具有通用性好、维护方便等特点,效果良好。

模拟信号源；通用化；数字化；模块化

0 引言

半主动雷达导引头有两个射频信号的接收通道,分别为直波通道和回波通道,直波通道用来接收直波信号,回波通道除了接收目标回波信号外,还会接收到杂波信号、泄漏信号和各种干扰信号。直波信号是导弹尾部接收天线接收的雷达照射信号；回波信号是导引头回波接收天线接收的来自目标对雷达照射信号的散射信号；杂波信号为导引头回波接收天线接收来自地物对雷达照射信号的散射信号；干扰信号则是由导引头回波天线接收的来自干扰源发出的干扰信号。半主动雷达导引头模拟信号源（以下简称模拟信号源）是一种能提供直波信号、回波信号、杂波信号和干扰信号的模拟信号的设备,并将这些信号输入到半主动雷达导引头的对应通道里,通过参数设置,模拟半主动雷达导引头在实际情况下的工作状态,供对其性能测试时使用。

随着半主动雷达导引头的发展,其类型日益增多,与之配套的单型专用模拟信号源类型也相应增加,这些模拟信号源在信号形式、频率覆盖范围、干扰信号模型以及控制方式等方面各不相同,造成维修备件品种繁多,维护管理困难的局面,研制多型通用模拟信号源可有效解决存在的问题,成为发展的必然趋势。

1 通用模拟信号源设计特点

1.1 单型专用和通用模拟信号源相同之处

单型专用模拟信号源和通用模拟信号源都具有以下功能：

a）能模拟含有编码信息的直波信号；

b）能模拟含有目标多普勒信息的回波信号；

c）能模拟含有地物多普勒信息的杂波信号；

d）能模拟含有直波进入回波天线的泄漏信号；

e）能模拟噪声及其他进入回波天线的干扰信号；

f）能模拟目标机动的回波信号。

1.2 单型专用和通用模拟信号源不同的地方

虽然单型专用模拟信号和通用模拟信号的基本功能相同,但是适用的范围不同。单型专用模拟信号源具有的功能只适用于对某一类型的半主动雷达导引头测试；而通用模拟信号源具有的功能适用于多种类型的半主动雷达导引头测试。适用范围的扩大,决定了通用模拟信号源设计与单型专用模拟信号源设计相比有着更高的设计要求,主要表现在以下三个方面：

a）通用模拟信号源输出模拟射频的工作带宽更宽；

b）通用模拟信号源能具有模拟多种类型导引头的指令编码信号和多种干扰信号的能力；

c）通用模拟信号源要求测控软件和显示形式设计统一化,软界面显示多样化。

2 通用模拟信号源设计

2.1 通用模拟信号源总体方案

通用模拟信号源总体方案主要有以下三方面内容：

a）采用多频点变频模块,解决通用信号源工作频带的扩展问题；

b）运用软件无线电技术,实现多种类型导引头的编码信号形式和多种干扰信号的模拟功能；

c）使用虚拟仪器技术,实现了测控显示形式的统一和软界面的多样化。

2.2 通用模拟信号源主要组成

本通用模拟信号源设计原理框图如图1所示,主要由干扰组件、射频组件、中频调制组件、控制器组件和指令编码组件五个部分组成。其中射频组件、指令编码组件和干扰组件与单型专用信号源相比有较大改进。

2.3 通用信号源的射频带宽拓展方案

半主动雷达导引头直波信号瞬时频率fA（t）通用表达式为[1]

式中：K为开关信号0,1；fA为照射直波频率；fC识别信号的频率；ΔfC为fC对fAn调频产生的峰值频偏；fB指令编码频率；ΔfB为调制电压产生的最大频偏；mCAM为fC对fB的调制指数,mCAM=ΔfC/fC。

图1 多型通用信号源设计原理框图

由于半主动雷达导引头的工作频段各不相同,多型通用模拟信号源需覆盖多种型号导引头测试所需的工作带宽,所以比单型专用模拟信号源射频载波的工作带宽要宽得多,甚至跨频段工作[2]。

根据式（1）可知,主要决定信号源工作带宽的参数是照射直波频率的变化量ΔfA。

单型专用模拟信号源的模拟直波照射频率：

式中：fzb为固定的变频器频率；fzm为中频调制模块输出的直波中频频率。

fA频率的改变只能通过中频调制模块对直波中频频率fzm在中频范围内进行调整,由于中频调整范围有限,不能满足多型通用模拟信号源覆盖多种型号导引头宽频带测试的需要。

通用模拟信号采用程控多频点变频模块。模拟照射直波频率：

式中：fzbn为多频点变频器输出的频率。

多频点变频器输出的频率fzbn是可变的,fA频率不但可以通过中频调制模块对中频频率fzm在中频范围内进行改变,而且fzbn还可由工控机控制,对其频率进行较大范围的改变。这样两者共同确定射频信号的输出频率,从而扩大照射直波频率的变化量ΔfA,满足了多型通用模拟信号源直波射频工作频带拓宽的要求。

用同样的方法,也可实现回波和杂波射频工作频带拓宽的要求。另外为保证宽带射频信号输出功率起伏过大,射频衰减器、射频开关和其他射频器件都采用宽带射频器件[3]。

2.4 通用指令编码组合和干扰组合的设计方案

单型专用模拟信号源的模拟直波信号只适用于某个型号的导引头测试,另一个主要原因是其只生成一种型号的指令编码信号。由于各种类型的半主动雷达导引头性能各有侧重,而且指令编码数学模型各不相同。

按调制体制可分为

a）连续波；

b）间断连续波。

按指令编码调制形式可分为

a）有无调制的；

b）有正弦调幅调频；

c）有单频指令编码调制；

d）复频指令编码调制等。

除此之外,调制频偏、调幅度和指令编码的协议也各不相同。

与指令编码组合情况类似,还由于各个型号的半主动雷达导引头针对的干扰信号数学模型也各不相同。干扰信号种类可分为

a）视频正态噪声；

b）A型直升机旋翼谱；

c）B型直升机旋翼谱；

d）C型直升机旋翼谱；

e）涡轮叶片调制谱等。

多型通用模拟信号源的指令编码组合和干扰组合必须能产生多种类型半主动雷达导引头的指令编码和干扰信号,并具有从中选择一种指令编码信号和干扰信号输出的功能[4]。

通过对各个类型单型专用信号源的指令编码组件和干扰组件分析后可以看出,原有单型专用信号源中的指令编码和干扰电路,大都是模拟电路组成的,虽然杂散小,但灵活性和可扩展性都比较差,不能满足在通用信号源中的使用要求。即便还是利用这些电路,使用时按测试导引头的种类进行切换选用,也会带来体积过大,而且不能实现减少备件品种的目的。

通用信号源对指令组件和干扰组件的灵活性和可扩展性提出了较高的要求,这里通用信号源中的指令编码组件和干扰组件采用了软件无线电技术。软件无线电在灵活性和可扩展性有着独特的优势,因为软件无线电是由可编程硬件和软件组成的,通过软件的增加、修改或升级就能实现新的功能和达到新的性能,是实现一块模块能产生多种指令信号和干扰信号,减少维修备件品种的有效途径。虽然各型号导引头的指令编码信号和抗干扰信号的数学模型各不相同,但这些指令编码信号和干扰信号的频率都比较低,完全可以用软件无线电技术中正交调制的方法实现。

通用指令编码和干扰组件原理框图,如图2所示。

图2 通用指令编码和干扰信号组合原理框图

由原理框图可知：

a）通过USB接口将各种干扰信号和编码信号的数学模型存入工控机的硬盘内的测控软件内；

b）工控机通过人机对话,确定用户测试的导引头类型,并向DSP编码信息处理器和DSP干扰信息处理器发送相对应的编码信号和干扰信号的数学模型；

c）DSP干扰信息处理器将相应的干扰数学模型运算处理后,生成数字化的干扰信号,并通过干扰信号D/A转换器生成模拟的干扰信号,滤波后输出干扰信号；

d）DSP编码信息处理器将与该类型相应的编码数学模型运算处理后,传给由分频器、数据锁存器、延时器、定时器、译码器等器件组成的编码逻辑电路FPGA；

e）FPGA接收到DSP编码信息处理器对传来的指令进行译码,产生频率和幅度控制字,按照一定的时序来控制DDS编码发生器1、DDS编码发生器2、D/A识别信号发生器和DDS多普勒预定信号发生器,使其产生对应的信号；

f）DDS编码发生器1和DDS编码发生器2产生相应的信号,经相加器合成、包络调制和滤波后生成指令编码信号；

g）D/A识别信号发生器和DDS多普勒预定信号发生器将产生的识别信号调制到多普勒信号上,生成多普勒预定信号,经滤波后输出。

由于采用软件无线电技术生成指令组合和干扰组合的信号,使得信号特性都由软件控制,实现了数字化,使得间断照射周期、调幅度、频偏等指标以及指令编码协议的装订和改变都变得更加方便[5]。

值得指出的是指令编码组件,采用软件无线电技术后,应加强对杂散的抑制,以满足通用信号源的设计要求,避免影响导引头泄漏下的能见度的测试。

2.5 通用模拟信号源测控软件和硬件设计方案

各种单型专用模拟信号源的测控软件和硬件各不相同。主要控制器方式有单片机控制、嵌入式控制、FPGA控制、PC工控机等；测控软件多种多样,有汇编语言、C++编程语言、Lab VIEW高级编程语言、Windows编程语言等；输入键盘有101标准键盘、非标准扫描键盘和非标准非扫描键盘；显示方式的不同显示形式有CRT、PC机液晶显示器、非标液晶显示器和LED数码管显示器等。

通用信号源对测控硬件和软件的设计要求。对采用硬件的通用化、模块化、标准化,可扩展性有较高要求。为此采用标准PC工控机及标准宽屏液晶显示器、矩阵开关板卡、通信板卡、数字IO板卡、D/A板等通用标准件组成。

对测控软件的要求是灵活性强、功能强、易扩展、运行稳定可靠,易于维护升级,能满足多种对象的测控要求。为此运用虚拟仪器技术,采用Lab VIEW图形化软件开发,该软件具有操作界面友好、编写方便、图形清晰,易于维护和升级,符合通用信号源对测控软件的要求。

通用信号源与单型专用模拟信号源在操作方面的不同之处,在于打开多型通用信号源测控软件时,首先要通过人机对话选择所要测试的半主动雷达导引头的类型,然后根据选择类型,自动转入该类型的测试程序,调用对应的导引头测试软件,进入该类型导引头的测试状态。图3是某型半主动雷达导引头的测试界面。

图3 某类型半主动雷达导引头的测试界面

3 结论

本文提出的通用模拟信号源设计方案较好地解决了设计中的几个关键问题,除微波组合外,基本实现了数字化、通用化和模块化,能满足了即插即用、快速维修和分块改进提高的需要。这些优点贯穿于该信号源全寿命周期中,即在研制、生产、使用和升级/维护等环节上都得到了充分体现。在导引头生产线上使用多年,性能稳定、可靠,达到预期效果。

[1] 高峰.雷达导引头概论[M].北京：电子工业出版社,2010.

[2] 穆虹.防空导弹雷达导引头设计[M].北京：宇航出版社,1996.

[3] 周浩敏,王睿.测试信号处理技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2004.

[4] 姜宇柏,游思晴.软件无线电原理与工程应用[M].北京：机械工业出版社,2007.

[5] 汤世贤.微波测量[M].北京：国防工业出版社, 1981.

Design of General Simulated Signal Source for Semi-active Radar Seeker

FANG Ge-fei1, JIANG Jun-jie2
（1.Shanghai Radio Equipment Research Institute；2.Military Representative Office by PLA of SAST,Shanghai 200090,China）

Nowadays,the kind of the monocular specialized simulated signal source for semi-active radar seeker is large,resulting in that it is difficult to maintain and manage.To solve this problem,a new general utilization simulated signal source designing method for semi-active radar seeker is presented.Introduces the general utilization characteristic and the idiographic design technique.With the present design technique,the general simulated signal source have the characteristics of modularization,general utilization and standardization. This design technique has been devoted to the production,and it shows efficient.

simulated signal source；generalization；numeralization；modularization

TJ765.331

A

1671-0576（2014）02-0001-05

2013-03-11

方革非（1962-）,男,高级工程师,主要从事半主动雷达导引头模拟信号源研究。