辐射式雷达信号模拟器的设计与实现＊

2014-12-02

舰船电子工程 2014年9期

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所扬州 225001）

1 引言

雷达侦察是完成军事情报侦察的重要手段，雷达侦察获取的技术数据是进一步采取对抗措施的前提［1］。随着信息技术水平的提高，模拟仿真技术在现代雷达侦察设备的研制中的应用越来越广泛。通过仿真可模拟雷达侦察设备外场雷达信号环境，具有可复现、方便灵活、费效比高等特点。小型辐射式雷达信号模拟器不但可以对侦察机信号处理机进行各项功能指标的调试和验证。

2 仿真理论

雷达侦察设备可以从接收到的雷达信号提取出方位、频率、到达时间、脉宽、幅度这些信息。从信号模拟的角度来说雷达信号模拟器就是要模拟出雷达信号的这些特征。其中方位信息由模拟器架设位置决定，频率、到达时间、脉宽、幅度可由以下模型模拟。

2．1 到达时间模型

雷达信号到达时间是指雷达侦察设备接收到雷达脉冲信号的时间［2］，当前雷达到达时间由前一雷达脉冲到达时间和雷达重复间隔决定。

其中TOAi为当前雷达脉冲到达时间，TOAi-1前一雷达脉冲到达时间，PRⅠi为当前雷达脉冲重复间隔。

2．2 PRI模型

当雷达工作时，发射机经天线向所观测方向按一定周期间隔重复发射一串脉冲，这一间隔就是PRI［3］。

1）PRI固定

PRI保持不变。

2）PRI抖动

PRI抖动是指雷达脉冲信号的PRI随机变化或按一定规律变化。

（1）随机变化

其中PRⅠ0为重复间隔最小值，α为重复间隔变化范围，R为（0，1）分布的随机数。

（2）锯齿规律

其中PRⅠ0为重复间隔最小值，α为重复间隔变化范围，T为重复间隔变化周期。

3）PRI参差

PRI参差是指雷达具有多个重频，在发射信号时按照固定顺序选择相应的PRI。

其中k为周期参差数，PRⅠ1，…，PRⅠk为k个确定的重复间隔常数，每经过k个脉冲，各重复间隔值变化一次。

2．3 载频模型

1）固定频率

频率保持不变。

2）频率捷变

频率捷变是雷达抗有源干扰的有效措施之一［4］。频率捷变雷达包含两种类型：脉间捷变和脉组捷变。雷达采用频率捷变技术主要是为了改善探测距离、抗杂波、抗干扰。雷达脉冲的载频在一个较宽的频段上按一定规律或作随机的快速的频率跳变，即捷变量。

（1）随机捷变

其中fi（i＝0，1，…，n-1）为按单调增规律排列的频点值，频率值在fi（i＝0，1，…，n-1）中按照随机规律取值。

（2）锯齿规律

其中fi（i＝0，1，…，n-1）为按单调增规律排列的频点值，T为频率变化周期，Δt为脉冲重复间隔，A为频率变化范围。

3）频率分集

频率分集雷达是采用频率分集技术而产生的一种特殊体制雷达信号，雷达同时工作在多个频率点上，占据了较宽的频带，可分为同时分集和分时分集两种。分时分集雷达采用n个不同频率的发射机以Δt的时间间隔依次产生等幅、等脉宽的脉冲发射出去。

2．4 雷达天线扫描模型

雷达天线是雷达重要的组成部分，几乎所有的雷达天线都是有方向性的并以某种方法在角度上扫描波束［5］，常用扫描形式有以下几种。

1）圆扫

雷达天线俯仰保持不变，在方位上做圆周运动，雷达侦察设备收到雷达信号扫描周期是等间隔的。

2）扇扫

雷达天线俯仰保持不变，在方位上一定角度范围内来回运动，有双向和单向两种，单向扇扫时雷达侦察设备收到雷达信号扫描周期是等间隔的，双向扇扫时雷达侦察设备收到雷达信号扫描周期是有两个值。

3）圆锥扫描

圆锥扫描时雷达天线围绕一个中心做圆锥运动，雷达侦察设备收到雷达信号幅度呈现正弦变化规律。

2．5 信号强度模型

雷达侦察设备收到的雷达信号强度可由以下公式表示：

其中：Sr（t）为t时刻雷达侦察设备接收到的信号；St（t-Δ）为辐射源t-Δ时刻的发射信号；R为辐射源到侦察设备的直线距离；Δ为距离时延；Gr为侦察天线增益；λ为信号波长；L为损耗因子，包括馈线损耗和极化损耗等；γR为大气衰减因子，包括大气吸收和云雨等衰减；F为传播因子，包括大气波道、干涉、衍射、遮挡。

3 系统实现

模拟器总体结构如图1所示。

图1 模拟器总体结构图

用户通过显控单元提供的人机界面进行辐射源参数设置和战情设置，并控制设备的运行状态。

显控单元通过高速串口向通道控制和调制单元发送初始参数和运行控制命令。

通道控制和调制单元根据初始参数实时解算每部雷达每个脉冲的到达时间、频率、脉宽、信号幅度和调制参数等，并根据每个脉冲的到达时间，进行脉冲排序和丢脉冲处理，生成最终控制射频调制单元的脉冲描述字数据流，并将脉冲达到时间和仿真时间真实相关，实时控制射频调制单元。

射频调制单元根据通道控制和调制单元的控制命令，实时产生射频信号和调频、调相等调制信号。然后进行幅度衰减、脉冲调制、功率放大后输出。

射频调制单元输出的射频信号，经射频电缆送到天线单元，天线进行功率放大后，经辐射天线将射频信号发射空中，以在雷达侦察设备周围形成密集复杂的雷达信号环境。

1）显控单元

显控单元是模拟器的重要组成部分，它控制模拟器的运行，为用户提供友好的人机界面，它包含的主要功能有雷达数据库管理、试验战情设置、设备运行控制、设备状态及试验数据显示和通信等。

2）通道控制和调制单元

通道控制和调制单元是模拟器的控制核心，采用大规模FPGA 芯片的高层次应用技术，既并行流水处理机结构，其并行处理机的规模和流水节拍数可以根据系统应用规模作出适当的扩充和裁减。

通过FPGA 通道控制板，接收来自显控单元的战情参数，FPGA 内部的通信管理模块对接收的战情参数作出处理和分发给各个脉冲描述控制字解算模块，各个脉冲描述控制字解算模块并行独立工作，脉冲描述控制字解算模块主要解算每一雷达脉冲到达时间、脉冲宽度、脉冲载频及调制信息、脉冲幅度等，一部雷达占用一个脉冲描述控制字解算模块；以每五个脉冲描述控制字解算模块为一组，将解算的结果输出给脉冲描述控制字时序排队模块，进行脉冲描述控制字时序排队及脉冲丢失处理；以每五个脉冲描述控制字时序排队模块为一组，每一脉冲描述控制字时序排队模块将各自的结果输出至下一级脉冲描述控制字时序排队模块在进行脉冲时序排队解算；最终将解算的结果输出至脉冲描述控制字输出控制模块，输出给信号源。