复杂电磁环境采集回放系统设计研究

袁兴鹏，侯克峰，杨立永

（1.91336部队河北秦皇岛066326；2.中国人民解放联勤第九分部 山东济南250014）

随着新型平台电子对抗装备的逐步升级换代，其装备指标性能进一步提高，复杂电磁的适应能力进一步加强，这就需要依据未来战场环境的动态性、多变性和对抗性等特点，构建种类齐全的测试环境信号，逼真的模拟对手战术对抗环境，客观反映装备的实际作战环境。同时，未来战场实际环境也越来越复杂，新体制雷达等作战对象越来越多的装备，各种导弹、雷达系统大量地密集纵深配置，战场实际辐射源数量日益增多，因此，新型电子对抗装备面临的战场电磁环境的信号愈来愈复杂。

在实际战场上，电子对抗装备所处某一时空所面临电磁信号错综复杂，其脉冲密度从每秒数万到每秒数百万变化，在同一时刻会出现各种信号交叉重叠情况，进入接收端电磁波除了由雷达等电子设备直接发射出来之外，还有来自其它的各个方向的散射、反射出来电磁信号，样式覆盖各种威胁、干扰信号。电磁环境的复杂性表现更加突出，其时域表现为信号越来越密集，频域表现为频谱越来越宽，能域表现为动态交叠，调制域表现样式越来越复杂[1]。因此，在测试过程中需要精准的复现电子对抗装备实际工作的时空中所处电磁环境，本文针对这一难题，提出了一种基于外场实际复杂电磁环境信号采集回放的方式来复现战场电磁环境，为测试复杂环境下的装备性能提供了一种技术解决途径。

1　电磁环境构建需求及手段分析

随着多种先进技术体制广泛应用到新型电子对抗装备上，装备技术性能指标大大提升，其适应的电磁环境能力越来越强，其测试所需的电磁环境构建需求如下。

首先是精确性，即模拟信号精度要求越来越高，不仅需要高精度威胁目标的模拟功能，而且需要精确模拟雷达细微特征，如需要构建大带宽的SAR信号等。其次是效应性，电磁环境效应不仅需要模拟密集的脉冲信号，而且要体现电磁环境各种效应，如多路径等复合信号效应、杂波环境等。第三是战术性，不仅需要模拟各种干扰样式，而且还需要模拟实际作战过程，如实际武器攻击过程中的电磁环境变化。

目前，主流的电磁环境内外场模拟手段主要包括全数字仿真、半实物仿真、实装模拟3种手段。数字仿真手段，通过计算机系统构建虚拟战场环境，通过软件构建战场雷达环境模型，利用已知的雷达、通信等数据库信息或者实验数据再现战场环境，从而达到接近实战的环境，主要用于装备软件的调试，模型构建粒度对逼真性影响大。半实物仿真，通过模拟器来产生逼真的雷达电磁环境，具体可以通过模拟电磁信号功率、频率、电磁波辐射方向等，将电磁环境通过空间辐射或者射频注入到被试品，主要用于装备静态指标的调试，构建的环境比较规律，无法逼真模拟外场实际工作环境效应。实装模拟，该方法就是用实体电子装备模拟战场雷达电磁环境，用于动态性能的测试，需要大量兵力保障，协调难度大。因此，这3种手段分别存在模型逼真性差、电磁效应模拟不够、构设规模成本受限等问题，无法完全保障装备的测试环境构建需求[2-3]。

为开展新一代电子对抗装备复杂环境下的作战性能测试，评估装备在复杂电磁环境下的作战能力，上述现有的复杂电磁环境模拟技术已不能完全满足应用的迫切需求。因此，为解决测试中电磁环境构建难题，复现实际战场的复杂环境效应成为新一代电磁环境模拟系统发展的重点，而通过采集实际战场电磁环境并进行回放的技术路线，既可以模拟高精度雷达信号特征，又可以真实的逼真复现电磁效应，弥补实装构设规模不足，可以很好的解决复杂电磁环境构建难题，弥补其他手段的不足[4]。电磁环境模拟手段对比情况见表1。

表1　电磁环境模拟手段比较

2　系统指标和功能设计

2.1　环境采集性能指标设计

针对目前新一代电子对抗装备测试电磁环境构建需求分析，环境采集回放系统需要模拟高精度的复杂工作模式宽带特殊体制威胁雷达信号，模拟具备高精度局部平台的电磁环境效应，模拟实际作战过程的电磁环境。

高精度的复杂工作模式宽带特殊体制威胁雷达信号，主要是指信号工作带宽大、信号脉内特征复杂、工作模式多变。这类信号可以通过采集系统直接采集特殊体制雷达输出的单部信号，以高精度采样定点的方式进行采集，将这些特殊体制高威胁信号存储，构建信号模型库，在测试时根据需求进行调用。这种采集主要对采集系统的瞬时工作带宽、采样频率要求较高。

高精度局部平台的电磁环境效应，主要是指电子对抗平台实际工作面临的实际电磁环境，主要包括各种海杂波、同时到达信号、多路径效应等复合电磁环境。这类电磁环境信号，可以通过采集试验过程电子对抗装备工作平台处的电磁环境，将采集的窄带电磁效应信号存储，并在测试采用宽带模式进行回放。这种采集主要对采集系统的采集工作频率范围、采样存储深度等指标要求较高。

实际作战过程的电磁环境，主要是指在舰艇平台作战过程遭遇的电磁环境变化，主要包括目标探测、跟踪以及攻击过程中的威胁目标及电磁环境变化。这类电磁环境信号，可以通过采集实际作战训练工作电磁环境并存储，并在测试过程按照作战要求进行二次模拟和仿真。这种采集主要对采集系统的通道配置、回放处理等指标要求较高。

典型系统指标如下：

采集及工作频率：0.5～18 GHz；

瞬时带宽：800 MHz；

采集通道数：2；

中频信号带宽：800 MHz；

采样频率：1.2 GHz；

实时数据存储容量：不小于32TB。

2.2　功能设计

系统为了满足上述采集要求，复杂电磁环境采集模拟设备应具备以下功能：

射频信号搬移变频功能，能够对对输入宽带信号进行下变频，对回放的宽带信号进行上变频；射频信号的数字处理、分析与存储功能；

复杂电磁环境的采集/播放功能，对宽带信号进行采集，对调制后的宽带数字信号进行播放；

雷达信号细微特征模拟功能，通过对雷达信号细微特征采集、信号生成控制、波形编辑等，模拟生成高威胁雷达信号；

雷达采集电磁环境实时显示功能，对采集的信号进行各种矢量分析、波形显示及态势编辑，存储入库。

3　系统技术总体结构

3.1　基于DRFM的宽带电磁环境采集回放技术路线分析

随着数字射频存储器DRFM的不断发展，该项技术也被广泛应用于各种电子对抗系统之中。基于DRFM的微波信号存储系统，通过对接收的射频信号完成采样、存储、变换和重构，实现射频信号的存储及转发，DRFM在雷达对抗领域的应用越来越广泛，甚至用在了许多先进的干扰系统中，以实现雷达回波模拟、干扰模拟等功能，用于对雷达系统相关性能测试等领域。而随着半导体技术的发展，更高速AD、DA和更快速数字信号处理器件、更大容量数字存储器件的涌现，利用DRFM系统进行对进行全脉冲采集存储进行电磁环境模拟和构建已无技术障碍[5-6]。

3.2　系统组成

复杂电磁环境采集回放系统采用内外结合的方式配置，其中采集部分为外场配置，其余部分采用实验室配置并安装架设于微波暗室或外场试验场地。系统主要由显示控制分系统、射频接收分系统、宽带雷达信号采集分系统、信号分析处理与存储分系统、宽带雷达信号播放分系统、射频发射分系统、频综分系统、信号源分系统以及天馈分系统组成。

图1　系统组成框图

显示控制分系统，主要由控制计算机以及控制电路组成，主要用于对系统中的各个模块进行管理、参数配置、状态监控等。

射频接收分系统由接收变频网络、控制接口电路等组成，主要将侦收的射频信号下变频到成中频信号。

宽带雷达信号采集分系统主要由主要完成对中频的雷达发射信号进行数字化。

信号分析处理与存储分系统主要包括高速AD、数字储频（DRFM）模块、存储阵列，完成中频信号的采样、存储、转存和回放。

宽带雷达信号播放分系统主要包括控制计算机、转存设备、宽带DAC等组成，完成磁盘阵列的数据转移到Flash存储模块，并将采样的中频数字信号转化为中频回波信号。

射频发射分系统主要包括上变频网络、控制接口电路等组成，将模拟产生的中频回波信号上变频到射频，主要完成信号的功率放大及对外发射等功能[7-8]。

3.3　系统工作原理

系统工作时，采用窄采宽放的方式，信号采集时，设置工作带宽、采样频率等参数，射频信号输入后先经过信号调理电路的调整动态范围，通过变频器变频到中频信号，经高速AD转换后，得到高速数据流，经过信号存储分系统，实时存储到固态存储阵列中。信号回放时，存储在存储阵列的数据，实时传输到宽带信号播放分系统，经过数模转换后，得到中频信号，再经变频器上变频后，得到0.5～18 GHz的射频信号，经天馈分系统辐射至被测装备[9-10]。

4　关键技术实现

复杂电磁环境采集回放系统涉及的关键技术有：超宽带射频信号采集、超高速数据采集与存储、超宽带高威胁雷达信号生成技术等。

在超宽带射频信号采集方面，采用宽带下变频组件（瞬时带宽高达 800 MHz，甚至更高）高中频（1.8 GHz+）直接变频技术，高频信号经过信道化滤波与多次变频处理，直接传给高速高分辨率AD转换器进行采集分析，宽带下变频组件的瞬时带宽高达1 GHz，可以实现对信号进行深入分析，以满足宽带雷达信号、跳频通信、电子战以及复杂电磁环境等测试应用[11-12]。

图2　宽带信号采集原理图

在超高速数据采集与存储方面，通过FPGA直接控制SATA接口的SSD来实现高速数据的存储，将高速ADC和DAC、超大规模FPGA、超高速海量存储介质、以及高速光纤接口等集成在一起，并支持进行连续长时间存储。目前，连续流盘存储速度最高可达到4.8 GByte/s以上，存储容量最高可高达32 TByte，并且可以根据应用需求进行存储扩充，充分满足各种应用环境对存储速率和时间的需求，实现了高速数据读写以及大容量数据的存储[13-15]。

在超宽带高威胁雷达信号生成技术方面，目前实现宽带调频信号的方法主要是通过选择高性能的DDS，通过控制其内部的任意波形发生器来实现。任意波形产生器依托高性能指标的超高速DDS、超高速DAC以及高端FPGA组合来实现，采用此方法可以构成任意频率、相位、幅度的信号，灵活性优于DDS。最大调频信号的带宽为1.2 GHz，目前实现调频信号的方法主要是通过选择高性能的DDS，通过控制其内部的任意波形发生器来实现[16]。

图3　高速大容量数据存储理图

并通过采用窄采宽放的方式，分频段采集外场复杂电磁环境采集，在将采集的信号复合到整个频段进行播放，从而实现整个频段范围内的信号采集与播放。

5　结束语

本文针对基于采集回放的电磁环境模拟系统设计及其关键技术开展研究，设计了一种基于采集回放的电磁环境模拟系统，解决了新一代作战测试复杂电磁环境构建的难题。实际系统构建过程中，对基于采集回放模式的功能进行完善，复现了被试装备工作地点实际面临的电磁环境效应及射频信号特征，为电子对抗装备的测试提供接近实战的作战环境，可有效减少现场测试次数，缩短测试时间，为装备的作战效能评估提供支撑。