基于FPGA的有源诱偏射频仿真信号模拟方法研究

肖本龙，何勇刚，傅亦源，杨茂松

（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003）

0 引 言

随着电子信息技术的发展，电子对抗呈现出愈加激烈的态势，各类电子软杀伤和硬摧毁手段层出不穷，其中反辐射导弹作为反雷达探测的一种手段，通过搜索捕获目标雷达辐射的电磁波，引导导弹系统对雷达形成有效威胁，其效果在现代局部作战行动中得到了检验和肯定。由于反辐射导弹的独特优势受到世界军事强国的普遍重视，反辐射导弹技术也得到了快速的发展。另一方面，对抗反辐射导弹的方法也成为一个重点研究方向，主要方法包括偶极子反射体、引信干扰、高能激光攻击等，而有源诱偏系统以其“结构简单、成本低廉、常态部署”的优势，在抗反辐射导弹领域得到了广泛的运用。

反辐射武器作战效能的检验方法通常分为外场实弹对抗试验和内场半实物仿真试验两种。进行实弹对抗试验是反辐射武器传统试验手段之一，主要用于检验其抗有源诱偏能力等性能，通过外场试验，可综合考核在反辐射导弹对雷达进行实际攻击的情况下，有源诱偏系统对被保护雷达的保护效果，其优点是反辐射导弹全系统在实际工作状态下参与试验，试验数据真实可靠，试验结果置信度高，但存在试验组织难度大、破坏性强和耗费高等缺点。由于技术的发展，反辐射导弹面临的作战环境日趋复杂，传统的外场试验模式不能完全适应反辐射导弹的试验需要，由于试验的可控性和可重复性更好，半实物仿真成为反辐射导弹对抗有源诱偏系统试验的发展趋势。通过半实物仿真手段接入反辐射导引头等制导控制系统，构建反辐射导弹的闭环攻击试验环境，检验反辐射导弹在复杂环境下抗有源诱偏系统诱偏能力作战性能。

1 有源诱偏系统典型工作方式分析

反辐射导弹主要利用被动导引头截获跟踪目标雷达信号，并引导反辐射导弹命中目标雷达。由于受导弹体积的限制，被动导引头的天线不能太大，为了提高目标捕获概率，其天线波束宽度又不能太窄。反辐射导弹在分辨角范围内无法区分同时到达的多个辐射源信号，而有源诱偏系统正是利用这一点，采用在雷达周边部署多个有源诱饵，其发射的信号在时域、频域、能量域上与雷达保持高度的匹配关系，破坏反辐射导引头对真正目标雷达信号的跟踪。从效费比的角度分析，诱饵站数量不宜过多，大量理论分析表明，三诱饵系统对雷达的保护概率好于双诱饵系统，如爱国者系统一般采用3个有源诱饵对抗反辐射导弹。本文主要研究一部雷达和3个有源诱饵组成的典型有源诱偏系统射频仿真信号模拟方法。下面针对有源诱偏系统雷达和诱饵信号间的频率、功率、时序等关系进行分析。

1.1 频率关系

有源诱偏系统内的各诱饵与被保护雷达保持一致的工作频率，或频率误差应在反辐射导弹导引头的分辨范围内。诱饵波形上应与雷达保持一致，采用这种措施的主要目的是防止具有指纹分析能力的导引头从信号脉内特征中分辨雷达和诱饵。

1.2 功率关系

由于反辐射导弹一般是从雷达顶空副瓣进行突破，因此，诱饵站辐射信号的最大有效功率至少应大于雷达顶空副瓣有效功率（一般取3~5 dB）。

1.3 时序关系

反辐射导弹导引头具备根据到达时间鉴别不同信号的能力，一般采用时间分辨力指标来描述导引头的时间鉴别能力。若两个信号到达导引头口面的时间差大于导引头的时间分辨力，则导引头将鉴别出两个信号，并且将脉冲导前的信号作为目标进行跟踪攻击。因此，在设计有源诱偏系统时，需严格控制被保护雷达和有源诱饵之间的时序关系，将诱饵和雷达信号到达导引头的时间差控制在导引头的时间分辨力内，以达到导引头无法分辨目标雷达信号的目的。一般而言，雷达与诱饵的时序关系主要包括交替导前、固定导前、闪烁等方式。交替导前指的是各诱饵按照一定的规律控制交替超前、同步、滞后雷达信号前沿；固定导前指的是各诱饵与被保护雷达信号保持固定的超前、同步和滞后的时序关系；闪烁指的是各诱饵在闪烁周期内，只有一个诱饵辐射脉冲。典型的交替导前时序关系如图1所示。

图1 交替导前方式下雷达与诱饵信号到达反辐射导弹导引头时序关系图

2 仿真系统架构和试验流程

根据反辐射导弹半实物仿真试验需要，仿真试验系统应具备模拟有源诱偏信号和被保护雷达信号的能力，同时可产生动态、高密度的复杂电磁信号环境，一般由微波暗室、雷达/诱饵信号模拟系统、天线阵列与馈电控制系统、仿真转台、仿真控制系统和辅助系统等硬件设备和仿真模型组成，气动和动力学模型安装于仿真计算机内，如图2所示。

图2 仿真系统组成示意图

试验时，仿真控制系统运行试验战情，实时解算目标雷达、诱饵平台位置等参数。

雷达/诱饵信号模拟系统响应系统时间同步，并根据雷达辐射源与反辐射武器的空间关系、运动特性、天线方向图等，解算雷达和诱饵信号的多普勒、时延、相位、幅度等特征参数，生成射频信号后送至天线阵列馈电通道输入端，同时提供辐射源代码、空间位置、有效信号功率等控制信息。

天线阵列与馈电控制系统依据雷达/诱饵信号模拟系统所提供的信息，完成天线阵列控制所需要的各种解算，包括辐射单元选择、幅相控制和校正、辐射功率控制等。

反辐射导引头对信号进行截获、分选、识别和测向，并将视线角等侦测结果送至自动驾驶仪，仿真模型计算机将陀螺仪等传感器模型解算出的视线角速率、弹体加速度以及弹体姿态等信息送至自动驾驶仪，自动驾驶仪按照给定的制导律和控制算法计算舵控指令，同时将舵控指令写入实时内存网，供仿真模型计算机调用。

仿真模型计算机根据空气动力学等数学模型解算反辐射武器当前时刻的位置、姿态等信息，通过实时内存网发送给转台。

转台接收到姿态信息后进行姿态调整，模拟反辐射武器的空间姿态变化；数据录取与接口适配分系统录取各类试验数据，通过分析处理，完成反辐射导弹抗有源诱偏能力评估。

3 基 于FPGA的DDS技 术

近年来，无线电技术发展迅速，应用于通信、雷达、电子对抗、导航等领域的信号模拟技术得到了长足的发展，为了满足任意频率的载频信号产生以及调幅、调频、调相等调制需求，基于FPGA的直接数字合成技术（Direct Digital Synthesize，DDS）应运而生。采用FPGA实现DDS技术方便灵活，借助其较高的频率转换速度，强大的可编程逻辑实现功能，雷达/诱饵信号模拟系统可通过控制DDS的频率码及调制工作方式，产生灵活多样的雷达、诱饵调制样式组合。

DDS的原理图如图3所示，主要由相位累加器、波形存储器（ROM）、数模转换器（DAC）以及低通滤波器（LPF）等部分组成，并在同一个参考时钟的触发下同步工作。其基本工作过程为：相位累加器根据输入的频率控制字进行循环累加，在时钟的作用下进行相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作；ROM主要完成信号的相位序列到幅度序列的转化；DAC将已合成的数字量转换成模拟量，LPF滤除高频成分，恢复所要的波形。

图3 DDS的原理示意图

4 信号仿真实例

对典型的交替导前方式下雷达与诱饵信号时序进行仿真实现。仿真时，采用的FPGA为Xilinx ZYNQ UltraScale+RFSoC ZU27DR，并具有4个14位、采样率最高支持6.4 GSPS的DAC。雷达信号波形参数选择为脉宽12 μs、重复间隔512 μs、线性调频带宽为5 MHz、中心频率为3.8 GHz，诱饵与雷达信号波形相同，时序关系如图1所示，开发环境为Vivado 2018.3。

被保护雷达及三路诱饵的IQ正交线性调频信号仿真结果如图4所示，实验现场及示波器测试结果如图5所示。

图4 FPGA功能仿真结果

图5 实验现场及示波器测试结果

实验结果表明，利用FPGA能够准确模拟实现雷达和诱饵信号的相对时序关系，并且参数重构灵活、实现便捷，实验时生成的为射频信号，可通过射频仿真试验系统天线阵列辐射至微波暗室内的反辐射导引头处，完成对导引头的诱偏效果检验。

5 结 语

随着电子技术的发展，FPGA集成度越来越高，性能也越来越先进，基于FPGA的数字化信号产生技术得到广泛运用。将数字技术应用于射频半实物仿真信号环境构建，有利于克服传统模拟器件使用方式受限、难以升级扩展的缺陷，充分发挥数字化带来的灵活性好、可重构性强的优势，可根据实际需要随时模拟不同的雷达和诱饵信号时序，验证不同诱偏策略对反辐射导弹的诱偏效果。