一种雷达目标及干扰模拟器的设计

虎 帅 刘鑫超

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

未来战场电磁态势复杂多变，多品种、多数量的雷达、通信设备、光电武器等在一定的地域空间内形成复杂的电磁环境，实战化训练对雷达部队在复杂电磁环境和干扰背景下的操作和抗干扰训练提出了新的要求，如何有效应对强敌电子干扰，最大限度地提高雷达部队实战训练水平，提高装备及人员操作的抗干扰能力已成为需要解决的现实问题[1-3]。

雷达目标及干扰模拟器是在此背景下展开研制的，该模拟器具有覆盖雷达频段宽、功能多样化、使用操作灵活方便等优点，可模拟多种电子对抗装备的不同干扰模式，为各种体制、各种类型雷达装备开展复杂战场电磁环境下对抗演习演练、实战训练、战术战法演练、装备综合作战性能检验评估及升级改造等提供平台和手段；其可模拟电子对抗装备的多种作战模式，对多种体制的地面预警及跟踪制导雷达实施干扰，以替代多类型的电子对抗装备与雷达展开实战攻防对抗训练；可对被测雷达提供空间假想目标来模仿战争情况下雷达可能处于的各种各样的工作环境，以此来检验雷达在多目标环境下对目标的识别、跟踪和制导能力。同时可用于雷达目标回波模拟或信标产生，可作为维修检测设备对雷达进行功能性检查，为雷达部队的日常操作及维修维护提供有力保障。

1 系统组成

雷达目标及干扰模拟器由收发天线、显控终端、模拟器主机三大部分组成，雷达干扰模拟器主机由收发前端模块、接收变频模块、信号处理器模块、数据处理模块、无线模块以及二次电源等组成，其组成框图如图1所示。模拟器主机完成对从天线接收到的敌方雷达信号的检测、识别和分选工作，形成脉冲描述字(PDW)，可在显控装置的管理下按照优化干扰策略生成多种干扰信号输出给发射天线。参照国内外先进电子对抗装备的技战术指标、作战模式和干扰样式，真实构建各种作战环境，对雷达实施多种干扰，涵盖了多种已被验证过的电子对抗装备干扰样式，而且系统具有开放性的优点，可随着技术发展扩展干扰数据库，增加复杂干扰样式，可极大地提高对新体制、大带宽雷达的干扰效果。

收发天线：实现对2GHz～18GHz、30GHz～40GHz信号的接收和发射。包括2GHz～18GHz信号天线，30GHz～40GHz信号天线以及相配套的三脚架、电缆等。

收发前端模块：包含前端模块和功率放大两部分，实现对接收天线输出的射频信号限幅、放大、混频、滤波及AGC控制，将处理后的信号送入接收机，功率放大器对输出信号进行功率放大，达到系统要求的发射功率后送给发射天线。

接收机变频模块：下行接收通道将接收前端输入的射频信号进行两级滤波放大后，输出给信号处理器；上行接收通道将信号处理器输入的干扰上行信号变频放大后输出给发射机；频综产生接收分系统和干扰中频模块混频所需的点频本振，同时给信号处理分系统提供AD和DA所需的时钟信号。

信号处理器模块：包含1块主要由FPGA+DSP构成的信号处理板，完成对上下行通道的所有开关及本振的控制，对接收信号进行时域、频域参数测量，同时完成雷达回波信号和干扰信号的模拟，此外还可以根据接收到显控终端软件的命令，直接模拟产生干扰信号/回波模拟信号。

数据处理模块：由一块含有POWERPC芯片的中心控制单板机完成全系统的工作模式控制、数据处理、系统状态管理以及与显控终端的通信等功能。

无线模块：完成数据处理模块和显控终端的无线通过功能，可连接于计算机的网口。

显控终端：由一台通用计算机与显控软件组成，通过网线(或无线模块)与单板机进行通信，主要完成人机界面交互功能。

2 系统功能

雷达目标及干扰模拟器具备超宽带信号模拟能力，可模拟2GH～18GHz，30GHz～40GHz频带内的各种雷达或干扰信号，基本覆盖目前部队列装雷达频段。还有副瓣侦察干扰能力，灵敏度优于-75dBm，可对雷达进行副瓣侦察；发射天线可前置，具备副瓣进入能力。多目标模拟能力，可模拟多种干扰目标信号，检测雷达在多干扰目标下的检测、识别能力。多干扰样式模拟能力，可模拟多种类型干扰设备的干扰样式，包括压制干扰和欺骗干扰在内的十余种干扰信号样式。复杂电磁环境构建能力，可根据要求产生不同类型的雷达工作信号，模拟复杂电磁环境的工作场景，考核复杂电磁环境下雷达的适应性。该模拟器具备以下三种功能。

2.1 干扰信号模拟

干扰信号模拟功能主要用于雷达部队的抗干扰训练和复杂电磁环境适应性训练。模拟器可真实构建电子对抗设备的常规作战模式，通过参数设置，可对雷达实施密集假目标、拖引、多普勒噪声等多种干扰，为雷达系统的抗干扰性能检测提供各种干扰威胁环境。

2.2 雷达目标模拟

雷达目标模拟功能主要用于雷达部队的日常操作训练。模拟器将雷达的发射信号进行复制转发，实现目标回波信号的相参模拟，辅助雷达设备进行目标搜索、捕获及跟踪试验，达到雷达操作人员的训练目的。同时雷达目标模拟也可以用于构建战场雷达信号环境，可用于电子对抗设备的信号检测、分选和识别方面的训练。

2.3 雷达信标产生

雷达信标产生功能用于辅助雷达进行距离和方位的标定。通过天线接收雷达发射信号，经过延时后转发，通过设置延迟时间模拟雷达距离量程内的任意目标。通过计算雷达与模拟器之间的距离可以计算出雷达的补偿参数。

3 作战使用模式

该模拟器具备两种工作模式，分为目标模拟模式及干扰模拟模式。雷达目标及干扰模拟器工作在目标模拟模式下，实现雷达目标回波信号的模拟。可完成雷达的调试、定标、总站性能检测及部队的操作训练，其工作态势图如图2所示。

雷达性能测试过程中，将模拟器放置距雷达20m至3km之间的合适位置，显控装置按训练需要放置，可放置雷达操作舱内。训练时雷达正常开机，搜索跟踪目标。雷达目标及干扰模拟器通过接收雷达天线波束的副瓣信号截获到威胁雷达的辐射信号，信号处理机对雷达信号进行参数测量后，将雷达参数信号进行存储。通过显示控制装置，可对存储的雷达目标参数进行预设，经发射组件放大通过天线发射给雷达。当雷达接收到模拟信号后，可通过对比预设值与雷达接收到测试值对比，来完成雷达的调试和训练。

雷达目标及干扰模拟器可工作在干扰模拟模式下，完成雷达部队对抗演习演练、实战训练、战术战法演练，作战时的工作态势图见图3所示。

雷达干扰对抗训练过程需要配置雷达目标、陪试雷达、雷达目标及干扰模拟器。雷达目标及干扰模拟器中的机箱放置于距陪试雷达20m至3km之间的合适位置，显控装置按训练需要放置，在面对面的战术战法演练时甚至可放置在雷达方舱内。

训练时陪试雷达正常开机，搜索跟踪目标。雷达目标及干扰模拟器通过接收雷达天线波束的副瓣信号截获到威胁雷达的辐射信号，信号处理机对雷达信号进行参数测量后，可得到威胁雷达的参数(如载频、脉宽、重频等)，进而完成信号分选、识别，将结果发送给显控装置。操控人员按预置的威胁优先级策略，针对威胁优先级最高和次高的雷达，选择相应最佳的干扰样式，通过显控终端下发给中心控制单板机，对准威胁雷达实施干扰。

4 干扰电路设计及仿真

4.1 产生电路设计

干扰/目标波形的产生工作由信号处理器完成。信号处理器是基于DRFM+DJS(数字射频存储器+数字干扰合成)为构架设计的高速宽带信号处理模块，由高速ADC、FPGA、DSP、高度DAC及相关外围电路组成。高速ADC和DAC配置工作速率为2.4GHz，瞬时带宽为1GHz。

DRFM首先根据接收到的射频信号量化采样，然后进行数字正交下变频，使正交下变频的输出频率位于基带(中频)内，然后将下变频所产生的基带同相I信号和正交Q信号进行存储。读出时再重构基带同相I信号和正交Q信号，经干扰调制和数字正交上变频后，通过DA输出。其工作过程为：对接收到的射频信号量化采样，然后进行数字正交下变频处理，数字正交下变频是将采样到的射频信号和数字本振进行正交混频、滤波产生基带同相信号I和正交信号Q两路数字信号，然后送入存储器存储。当需要读出存储器中的信号时，从存储器读出I、Q两路数字信号；然后进行多普勒噪声调制，将调制后的干扰信号进行数字正交上变频，经DA输出后重构RF，从而完成对原始信号的复制和干扰调制。数字正交变频可以保证上下变频的一致性，同时保证了对原始信号复现的精确性。

对DRFM的各种工作方式选择，可通过控制器产生相应的控制命令，以完成各种不同的应用要求，实现射频信号的数字存储DRFM的工作速率为μs级。当DRFM中的存储器与外部(或内部)计算机联结时，还可以通过DRFM实现对信号的存储分析，或者用于产生所需的信号波形。

DJS针对作战对象事先准备好基带干扰波形数据，在干扰实施时再从存储器中读出，然后与其它基带干扰波形数据矢量叠加，经过DAC、DUC等产生射频干扰信号。DJS的样本并不一定是实时采样信号，它可事先将复杂干扰调制的数字波形合成后存储，可对付多雷达目标和高分辨成像雷达。在干扰时还可以根据对象的变化，重新填充新的干扰波形数据，具有很高的灵活性和对多信号、多威胁、多雷达、复杂调制的电磁环境的适应性，逐渐取代非相参模拟频率源(VCO)的干扰方式。DJS的硬件组成如图3所示，此时每一种干扰信号单独占有一个存储器和读出控制电路，对N个信号的波形矢量合成由硬件加法器完成，其优点是不存在系统的周期性，便于与每一个被干扰雷达保持同步，其中任何一个干扰信号波形发生变化，都只会涉及到该干扰波形存储数据的重新计算和存储数据的刷新，并不影响其它干扰波形的输出。

4.2 干扰信号模型设计

4.2.1 噪声干扰设计

噪声干扰作为一种通用性的干扰措施一直得到广泛的应用，一方面在于雷达接收机内部噪声是影响雷达探测能力的主要因素，只要外部干扰噪声能进入雷达接收机并具有和内部噪声相类似的特性则会大大降低雷达的探测性能，另一方面噪声干扰相对于其它干扰形式对于对方雷达信息需求较少。雷达接收机内部的噪声服从正态分布，因此选择的干扰噪声也要服从正态分布。噪声干扰方式包括窄带噪声和宽带噪声。

由于通过m序列发生器产生均匀的随机序列来白化处理产生高斯白噪声，m序列发生器产生的随机数性能的好坏直接影响到高斯白噪声的优劣。设计采用的是移位寄存器，m序列发生器产生的数据可以近似认为符合(0，1)均匀分布，即均匀分布的白噪声。使用Box-Muller变换法将m序列输出的随机数变成服从高斯分布的随机数，该变换定义为

(1)

其中，r1,r2为m序列输出相互独立的随机数，得到的x1,x2是服从(0，1)高斯分布相互正交的随机数，分别作为噪声数据的同相和正交分量。因为对噪声带宽和功率有相应的要求，在得到高斯随机数之后将数据送入FIR滤波器和功率控制器，实现方法如图5所示。

在matlab中对窄带噪声和宽带噪声进行仿真，其中窄带噪声干扰有五种可供选择的带宽，分别为10、30、50、80、100MHz，宽带噪声带宽输出为400MHz，仿真结果如图6所示。

4.2.2 密集假目标设计

图7是分段重构法的实现原理图。从原理图中可以看出将长度为N的待干扰信号数据s(n)以间隔L分为k段，即

(2)

对信号数据依次进行L点延时，依照干扰要求做M次延时，将这M次延时的数据依时间顺序排列并累加得到新的信号数据g(n)，这表明g(n)总共有(M+N-1)段数据组成，其中第一段数据就是s(n)的第一段数据，第二段数据为s(n)前两段数据之和，第三段数据为s(n)前三段数据之和，依此类推，直至最后一段数据为s(n)的最后一段数据。整个过程只有加法运算，没有费时的乘法运算。这里的间隔L对应着假目标之间的时间间隔，M对应着假目标的数目。通过设置这两个值可以控制假目标的数目与密度。

假设雷达发射信号为

s(t)=exp[j2π(f0t+0.5kt2)],0≤t≤T

(3)

根据密集假目标干扰产生过程，将s(t)延迟叠加得到干扰信号为

(4)

其中n为假目标长度，L为雷达发射信号长度，k为发射信号分隔片数。

对一脉宽为20μs、带宽为10MHz的线性调频信号，选择产生的假目标间隔为2μs，假目标数目为32个。图8是分段重构得到的限幅处理前后新信号g(n)，需要说明的是，如果系统饱和，需要进行限幅处理。

将雷达信号、未限幅的干扰信号和限幅后的干扰信号都按照雷达脉压过程进行处理，上图是三种信号分别经雷达脉压处理后得到的结果，从图9中可以清晰的看出干扰信号在雷达脉压结果中出现32个假目标，间隔为2μs，干扰信号的首个脉压峰值时间和雷达信号脉压峰值时间是一致的。由于在仿真中没有加入信号在整个侦察干扰系统中的固有延时，再加上系统是收发分时工作的，这表明假目标都出现在真实目标之后，脉压的幅值和雷达信号自身脉压结果接近。同时，可以发现经过限幅处理后，干扰能量有了一定的损失，但是依然可以较好的实现密集假目标。文献[4-5]介绍了分段重构法的实现原理。

5 雷达对抗试验分析

雷达目标及干扰模拟器具备超宽带信号模拟能力，在干扰模拟模式下和某型仿真雷达进行了干扰效果的对抗试验，在假目标干扰模式下雷达终端航迹显示出现了多批密集型假目标干扰样式，如图10所示。图11为雷达受到噪声干扰后的终端显示效果。试验结果表明该模拟器具有超宽带、高灵敏度、多目标和多样式干扰信号模拟能力。

6 结束语

本文设计了一种超宽带的雷达目标及干扰模拟器，该模拟器输出的信号具有相位噪声低、杂散少、频率转换时间短、频带宽、性能稳定等优点，而且基于DRFM+DJS的干扰信号模拟构架能很好地模拟出多种干扰信号，具有传统雷达模拟器无法比拟的优点。该模拟器可用于雷达生产调试、维修检测、电子对抗模拟训练等多种模式，还可根据用户产品需求进行专业定制化开发，具备良好的市场及推广前景。该模拟器与多款雷达进行了对抗试验，验证表明该雷达信号模拟器完全满足系统设计的各项指标要求。