雷抗裝備自動測試系統(tǒng)信號環(huán)境模擬器實現(xiàn)

陸海翔，姚龍海

(電子工程學(xué)院 702教研室， 合肥230037)

0 引言

在構(gòu)建雷達對抗裝備自動測試系統(tǒng)時，信號激勵的實現(xiàn)是其重要的組成部分［1］。隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代雷達環(huán)境呈現(xiàn)出密集、復(fù)雜、交錯和多變等特點［2］:輻射源數(shù)量多，信號密度大;輻射源體制多，波形復(fù)雜;輻射源的工作頻段寬;輻射信號在空域上交錯，在時域上集中，在頻域上重迭，在能量域上起伏。因此，將雷達對抗裝備置于復(fù)雜的信號環(huán)境里，才能更好的檢測出其真實的性能。

目前，常用的做法有2種:(1)采用外場試驗方法。即布設(shè)大量真實和模擬的雷達系統(tǒng)來構(gòu)建所需的雷達環(huán)境，但其試驗周期長、費用高、受氣候和環(huán)境等因素的影響較大;(2)通過常規(guī)雷達信號環(huán)境模擬器［3］來模擬真實的雷達環(huán)境。常規(guī)雷達信號環(huán)境模擬器是雷達技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，通過合理的想定設(shè)置和精確度較高的數(shù)學(xué)模型計算，產(chǎn)生出復(fù)雜、逼真、動態(tài)的雷達信號環(huán)境，具有保密程度高、重復(fù)性好、使用方便、經(jīng)濟實惠等優(yōu)點，但同時也有模擬信號不夠真實、脈沖丟失概率高、不適于訓(xùn)練等問題［4］。因此，構(gòu)建針對雷達對抗裝備測試所需的復(fù)雜雷達信號環(huán)境模擬器具有重要的意義。

1 復(fù)雜雷達信號環(huán)境模擬器的組成要素

本文以雷達對抗偵察裝備為測試對象進行模擬器的分析與構(gòu)建。復(fù)雜雷達信號環(huán)境模擬的要素包括:輻射源信號、輻射源天線的掃描方式、輻射源平臺位置及運動特性、輻射源與偵察系統(tǒng)的相對空間位置關(guān)系、雷達工作狀態(tài)和工作模式的快速變化等。其中，輻射源信號類型經(jīng)歷了很大的變化，最早的雷達系統(tǒng)多采用連續(xù)波信號、常規(guī)脈沖信號等，隨著技術(shù)的發(fā)展，脈沖壓縮信號、脈沖編碼信號、頻率捷變信號等復(fù)雜脈沖雷達信號由于其很大的時寬帶寬積等優(yōu)點成為雷達主要的信號類型。

雷達對抗偵察裝備測試中用到的輻射源信號主要有以下4種表現(xiàn)形式:(1)射頻信號，主要用于整體性能測試和偵察前端測試;(2)中頻信號+信號參數(shù)，主要用于偵察后端整體測試和后端分系統(tǒng)測試;(3)視頻信號+信號參數(shù)，主要用于偵察后端整體測試和后端分系統(tǒng)測試;(4)脈沖描述字，主要用于偵察后端分系統(tǒng)測試。裝備測試所需信號，如圖1所示。

圖1 雷達對抗偵察裝備測試所需的信號輸入

2 復(fù)雜雷達信號環(huán)境模擬器的實現(xiàn)

復(fù)雜雷達信號環(huán)境的模擬主要有:單部雷達脈沖信號的模擬、多部雷達脈沖信號的模擬、視頻信號和各類控制信號的模擬以及其他要素的模擬。其模擬平臺包括:信號建立設(shè)計層、用戶接口層和硬件輸出層。信號建立設(shè)計層通過數(shù)學(xué)計算等方式到信號數(shù)據(jù)文件，存入雷達信號數(shù)據(jù)庫中;用戶接口層供用戶選擇信號類型、設(shè)置信號參數(shù)，并調(diào)用信號數(shù)據(jù)庫文件;硬件輸出層由合成信號源下載外部信號數(shù)據(jù)，并合成信號輸出，或通過數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)產(chǎn)生所需的脈沖。信號產(chǎn)生平臺結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 雷達模擬信號產(chǎn)生平臺

圖2中的合成信號源采用安捷倫E8267D向量信號源。E8267D信號源頻率范圍覆蓋至44 GHz，具有-130 dBm～20 dBm的功率范圍，可實時合成微波段PSK、FSK、MSK、QAM 信號，利用內(nèi)部/外部的 IQ 存儲器完成任意波信號合成，有高達160 MHz的調(diào)制帶寬。信號合成時，將外部數(shù)據(jù)下載至信號源的內(nèi)存中，啟動波形播放器進行播放回放。信號源內(nèi)部共有多達8 192 MB的樣點空間。

2.1 單部雷達脈沖模擬

雷達射頻脈沖通過IQ調(diào)制的方式得到。IQ調(diào)制就是將調(diào)制信號分成2路正交信號，即同相分量(I路)和正交分量(Q路)，2路信號同時調(diào)制載波，其和即為所要求信號。信號調(diào)制可表示為

式中:s(t)為所求信號;m(t)為幅度信息;wc為載波角頻率;φ(t)為相位信息。將式(1)進行運算可得

令 I(t)=m(t)cosφ(t)，Q(t)=-m(t)sinφ(t)，則

分別計算出I路和Q路的值，利用式(2)即可得到所求信號。調(diào)制流程如圖3所示。

圖3 IQ調(diào)制流程

對線性調(diào)頻信號的模擬，設(shè)其調(diào)制帶寬為B和調(diào)制時寬為T，則調(diào)頻斜率k=B/T。其時域表達式為

經(jīng)運算可得

則

2.2 多部雷達脈沖模擬

在對雷達對抗偵察裝備進行測試時，不僅要測試單部雷達信號環(huán)境下的性能指標，還要測試多部雷達信號環(huán)境下的性能指標。在只有單發(fā)射通道的情況下，需要對單部雷達脈沖數(shù)據(jù)進行處理得到多部雷達脈沖數(shù)據(jù)。假設(shè)雷達與雷達之間的信號發(fā)射是相互獨立的，對于偵察裝備來說，其接收信號是按時間順序進行的，因此，將單部雷達脈沖數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的融合算法即可得到多部雷達脈沖數(shù)據(jù)。在進行融合時需要考慮2個問題:(1)如何對多部獨立的雷達數(shù)據(jù)通過排序算法整合成一串?dāng)?shù)據(jù);(2)因為接收機在接收信號時存在一定的恢復(fù)時間和脈沖丟失的問題，所以需先從整合后的數(shù)據(jù)中剔除掉可能丟失的脈沖數(shù)據(jù)，然后以脈沖到達時間(TOA)為標志對雷達數(shù)據(jù)進行操作。融合2部獨立雷達脈沖數(shù)據(jù)的示意圖，如圖4所示，其中虛線表示判別為丟失的脈沖。

設(shè)常規(guī)脈沖雷達信號數(shù)據(jù)集為表L1、重頻參差雷達信號數(shù)據(jù)集為表L2、融合后的雷達信號數(shù)據(jù)集為表L3，將表L1和表L2指向2部獨立的雷達脈沖信號流，從圖中可以看出2個表中的數(shù)據(jù)已按照從小到大的順序排列好。融合多部雷達數(shù)據(jù)的算法可描述成如下形式:

圖4 雷達脈沖數(shù)據(jù)融合示意圖

(1)比較表L1中的第1個值與L2中的第1個值，將較小的值移入表L3中(若相等，則視表L1中的值為較小的值);

(2)重復(fù)步驟(1)，每次都將2個表中最小的第1個值移入表L3中，直至一個表為空;

(3)將不為空的表中的數(shù)據(jù)全部移至L3中;

(4)不考慮脈寬因素，設(shè)t為時間戳標志(t可以設(shè)定為接收機恢復(fù)時間，默認為2 μs);

(5)對表L3進行操作，設(shè)L3的第1個雷達脈沖的TOA為t0，將其移至整合后的多部雷達脈沖數(shù)據(jù)中，比較L3中的下一個雷達脈沖的TOA與t0+t的大小，若小于或等于，則直接刪除，并比較下一個雷達脈沖的TOA與t0+t的大小，直至該脈沖的TOA大于t0+t;

(6)重復(fù)步驟(5)，直到L3中的數(shù)據(jù)全部刪除或移至整合后的多部雷達脈沖數(shù)據(jù)中。

2.3 視頻信號和各類控制信號的模擬

視頻信號和各類控制信號為脈沖信號，可由脈沖產(chǎn)生電路。脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖

脈沖產(chǎn)生電路的輸入來自于工控機的命令，包括視頻脈沖參數(shù)、控制信號參數(shù)以及脈沖描述字，DSP根據(jù)參數(shù)值產(chǎn)生相應(yīng)的視頻脈沖，通過DA轉(zhuǎn)換芯片。如果是脈沖描述字，則通過電路板數(shù)據(jù)線接口直接發(fā)送至被測設(shè)備。

2.4 對天線特性的模擬

雷達天線特性包括極化、主波束寬度、掃描方式(圓周掃描、扇形掃描、錐掃、電掃等)、波束運動速度、掃描周期(對周期性掃描而言)等。由于偵察裝備對波束和掃描特性進行分析的基礎(chǔ)是對信號幅度的測量，因此對天線特性的模擬實質(zhì)就是對雷達信號進行調(diào)幅，即對式(1)中的m(t)進行計算。

天線的方向性標示了信號的功率變化，因此對天線特性的模擬關(guān)鍵是對天線方向圖的模擬。由于不同的天線其方向圖差異很大，為達到特性逼真，可將實測的天線方向圖數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，對其進行調(diào)用或修改。也可以通過余弦函數(shù)、高斯函數(shù)、辛克函數(shù)來近似，其中又以辛克函數(shù)的近似度最高。大多數(shù)雷達天線，包括拋物面天線、喇叭天線、陣列天線等窄波束天線，當(dāng)天線口徑比波長大許多倍時，其方向圖都可用辛克函數(shù)近似來表示。辛克函數(shù)可表示為

式中:θ0表示主瓣寬度。以圓周掃描為例，設(shè)其周期為T，信號源采樣率為Rate，則θ的取值為θ=i×2×π/(T×Rate)，i表示采樣點數(shù)。

通過計算F(θ)的值對雷達信號進行調(diào)幅，即可得到經(jīng)過了天線的雷達模擬信號。

2.5 其他要素的模擬

雷達信號環(huán)境不僅包括脈沖數(shù)據(jù)，還包括輻射源天線的掃描方式，雷達工作狀態(tài)和工作模式的快速變化等，尤其對于新型的綜合體制雷達，頻域、時域參數(shù)伴隨多模式的變化是其顯著的特征。

對噪聲環(huán)境信號的模擬，在利用安捷倫信號源E8267D的波形發(fā)生器播放調(diào)制波形文件時，可以實時把高斯白噪聲應(yīng)用到載波中，通過輸入信噪比S/N可實現(xiàn)噪聲的加載。

對雷達工作狀態(tài)和工作模式快速變化的模擬，可以采取數(shù)據(jù)庫的方式，在數(shù)據(jù)表中增加工作狀態(tài)等字段，根據(jù)想定將其參數(shù)值預(yù)先存儲于數(shù)據(jù)庫中，在實現(xiàn)時調(diào)用即可。

3 雷達信號環(huán)境數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)的存儲與管理主要采用可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML)描述與數(shù)據(jù)庫存儲相結(jié)合的方式進行。數(shù)據(jù)庫存儲激勵信號的參數(shù)，XML描述各測試項的測試條件。在信號模擬的過程中，首先，讀取XML中信息，根據(jù)其描述的信號形式從數(shù)據(jù)庫中讀取信號參數(shù);然后，控制信號源和脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生相應(yīng)的信號，或轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖描述字形式。

3.1 XML描述測試條件

XML作為一種結(jié)構(gòu)化的標記語言，具有良好的數(shù)據(jù)存儲格式、可擴展性、高度的結(jié)構(gòu)化、精確的數(shù)據(jù)搜索等優(yōu)點，它提供了一種與軟硬件平臺無關(guān)的基于文本格式的開放共享的數(shù)據(jù)方法，能夠被不同類型的程序所讀取，在很大程度上降低了數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜性。XML的這種優(yōu)點使得它非常適合描述測試項條件。

采用XML主要描述2類信息:(1)靜態(tài)信息。指測試裝備的測試指標、脈沖描述字格式等相關(guān)信息。(2)測試項的測試條件。包括所需的信號形式、控制信號參數(shù)、信噪比等。下面是對測試條件的描述。

3.2 數(shù)據(jù)庫存儲信號參數(shù)

雷達信號環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理激勵信號的參數(shù)設(shè)置。在組建雷達信號數(shù)據(jù)庫時，可按雷達的工作體制類型進行分類，如為連續(xù)波體制雷達和脈沖體制雷達分別組建數(shù)據(jù)庫;也可按雷達的工作波段進行分類。如為L、S、X波段雷達分別組建數(shù)據(jù)庫。但以上的做法常用于組建雷達輻射源識別數(shù)據(jù)庫，不適用組建裝備測試使用的數(shù)據(jù)庫。由于不同的測試項需要用到不同的激勵信號類型，因此面向測試的需求為每一個測試項構(gòu)建單獨的激勵信號參數(shù)表［5］。如靈敏度測試時，需要明確信號的類型、載頻的范圍和大小、幅度的大小、脈寬和重頻等信息，因此靈敏度測試時，其信號表字段定義，如表1所示。信號類型識別能力測試信號表字段定義，如表2所示。

表1 靈敏度測試信號表字段定義

表2 信號類型識別能力測試信號表字段定義示例

4 結(jié)束語

自動測試系統(tǒng)的信號輸入主要由信號環(huán)境模擬器來提供。本文所介紹的信號環(huán)境模擬器可用來產(chǎn)生裝備測試所需的射頻脈沖、視頻脈沖、控制信號等，通過數(shù)據(jù)庫和XML的結(jié)合，可以實現(xiàn)對信號參數(shù)的存儲與讀取。經(jīng)實踐證明，能夠滿足雷達對抗偵察裝備自動測試需求，對其他雷達對抗裝備自動測試系統(tǒng)中有一定參考價值。

［1］姜本清，唐小明.機載雷達自動測試系統(tǒng)的設(shè)計［J］.現(xiàn)代雷達，2006，28(7):41-44.Jiang Benqing，Tang Xiaoming.Design of automatic test system for airborne radar［J］.Modern Radar，2006，28(7):41-44.

［2］王 雋，許海龍，周水樓.復(fù)雜雷達信號環(huán)境的建模與仿真［J］.艦船電子對抗，2009，32(3):60-64.Wang Jun，Xu Hailong，Zhou Shuilou.Modeling and simulation of the complicated radar signal environment［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2009，32(3):60-64.

［3］穆 巖.雷達信號環(huán)境仿真器的利弊［J］.艦船電子對抗，2007，30(3):33-36.Mu Yan.Advantages and disadvantages of radar signal environment simulator［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2007，30(3):33-36.

［4］包亞先，陳曉東.雷達信號環(huán)境模擬器［J］.現(xiàn)代雷達，2003，25(12):8-10.Bao Yaxian，Chen Xiaodong.Radar signal environment simulator［J］.Modern Radar，2003，25(12):8-10.

［5］楊東凱，杜 里，賀雅楠.基于參數(shù)的通用自動測試系統(tǒng)軟件設(shè)計［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2009，23(2):117-122.Yang Dongkai，Du Li，He Yanan.General automatic test system software design based on parameters［J］.Journal of Test and Teasurement Technology，2009，23(2):117-122.