一種半主動雷達導引頭通用模擬信號源設計

方革非, 蔣俊杰

（1.上海無線電設備研究所；2.中國人民解放軍空軍駐上海地區軍事代表室,上海 200090）

一種半主動雷達導引頭通用模擬信號源設計

方革非1, 蔣俊杰2

（1.上海無線電設備研究所；2.中國人民解放軍空軍駐上海地區軍事代表室,上海 200090）

針對現有導引頭調試測試中使用的半主動雷達導引頭模擬信號源種類多、維護管理困難,提出了一種通用半主動雷達導引頭模擬信號源設計方法。介紹了通用型設計的特點,給出了具體的實施方案。采用該方案設計的通用半主動導引頭模擬信號源,已通過多種類型導引頭批生產多年的檢驗,具有通用性好、維護方便等特點,效果良好。

模擬信號源；通用化；數字化；模塊化

0 引言

半主動雷達導引頭有兩個射頻信號的接收通道,分別為直波通道和回波通道,直波通道用來接收直波信號,回波通道除了接收目標回波信號外,還會接收到雜波信號、泄漏信號和各種干擾信號。直波信號是導彈尾部接收天線接收的雷達照射信號；回波信號是導引頭回波接收天線接收的來自目標對雷達照射信號的散射信號；雜波信號為導引頭回波接收天線接收來自地物對雷達照射信號的散射信號；干擾信號則是由導引頭回波天線接收的來自干擾源發出的干擾信號。半主動雷達導引頭模擬信號源（以下簡稱模擬信號源）是一種能提供直波信號、回波信號、雜波信號和干擾信號的模擬信號的設備,并將這些信號輸入到半主動雷達導引頭的對應通道里,通過參數設置,模擬半主動雷達導引頭在實際情況下的工作狀態,供對其性能測試時使用。

隨著半主動雷達導引頭的發展,其類型日益增多,與之配套的單型專用模擬信號源類型也相應增加,這些模擬信號源在信號形式、頻率覆蓋范圍、干擾信號模型以及控制方式等方面各不相同,造成維修備件品種繁多,維護管理困難的局面,研制多型通用模擬信號源可有效解決存在的問題,成為發展的必然趨勢。

1 通用模擬信號源設計特點

1.1 單型專用和通用模擬信號源相同之處

單型專用模擬信號源和通用模擬信號源都具有以下功能：

a）能模擬含有編碼信息的直波信號；

b）能模擬含有目標多普勒信息的回波信號；

c）能模擬含有地物多普勒信息的雜波信號；

d）能模擬含有直波進入回波天線的泄漏信號；

e）能模擬噪聲及其他進入回波天線的干擾信號；

f）能模擬目標機動的回波信號。

1.2 單型專用和通用模擬信號源不同的地方

雖然單型專用模擬信號和通用模擬信號的基本功能相同,但是適用的范圍不同。單型專用模擬信號源具有的功能只適用于對某一類型的半主動雷達導引頭測試；而通用模擬信號源具有的功能適用于多種類型的半主動雷達導引頭測試。適用范圍的擴大,決定了通用模擬信號源設計與單型專用模擬信號源設計相比有著更高的設計要求,主要表現在以下三個方面：

a）通用模擬信號源輸出模擬射頻的工作帶寬更寬；

b）通用模擬信號源能具有模擬多種類型導引頭的指令編碼信號和多種干擾信號的能力；

c）通用模擬信號源要求測控軟件和顯示形式設計統一化,軟界面顯示多樣化。

2 通用模擬信號源設計

2.1 通用模擬信號源總體方案

通用模擬信號源總體方案主要有以下三方面內容：

a）采用多頻點變頻模塊,解決通用信號源工作頻帶的擴展問題；

b）運用軟件無線電技術,實現多種類型導引頭的編碼信號形式和多種干擾信號的模擬功能；

c）使用虛擬儀器技術,實現了測控顯示形式的統一和軟界面的多樣化。

2.2 通用模擬信號源主要組成

本通用模擬信號源設計原理框圖如圖1所示,主要由干擾組件、射頻組件、中頻調制組件、控制器組件和指令編碼組件五個部分組成。其中射頻組件、指令編碼組件和干擾組件與單型專用信號源相比有較大改進。

2.3 通用信號源的射頻帶寬拓展方案

半主動雷達導引頭直波信號瞬時頻率fA（t）通用表達式為[1]

式中：K為開關信號0,1；fA為照射直波頻率；fC識別信號的頻率；ΔfC為fC對fAn調頻產生的峰值頻偏；fB指令編碼頻率；ΔfB為調制電壓產生的最大頻偏；mCAM為fC對fB的調制指數,mCAM=ΔfC/fC。

圖1 多型通用信號源設計原理框圖

由于半主動雷達導引頭的工作頻段各不相同,多型通用模擬信號源需覆蓋多種型號導引頭測試所需的工作帶寬,所以比單型專用模擬信號源射頻載波的工作帶寬要寬得多,甚至跨頻段工作[2]。

根據式（1）可知,主要決定信號源工作帶寬的參數是照射直波頻率的變化量ΔfA。

單型專用模擬信號源的模擬直波照射頻率：

式中：fzb為固定的變頻器頻率；fzm為中頻調制模塊輸出的直波中頻頻率。

fA頻率的改變只能通過中頻調制模塊對直波中頻頻率fzm在中頻范圍內進行調整,由于中頻調整范圍有限,不能滿足多型通用模擬信號源覆蓋多種型號導引頭寬頻帶測試的需要。

通用模擬信號采用程控多頻點變頻模塊。模擬照射直波頻率：

式中：fzbn為多頻點變頻器輸出的頻率。

多頻點變頻器輸出的頻率fzbn是可變的,fA頻率不但可以通過中頻調制模塊對中頻頻率fzm在中頻范圍內進行改變,而且fzbn還可由工控機控制,對其頻率進行較大范圍的改變。這樣兩者共同確定射頻信號的輸出頻率,從而擴大照射直波頻率的變化量ΔfA,滿足了多型通用模擬信號源直波射頻工作頻帶拓寬的要求。

用同樣的方法,也可實現回波和雜波射頻工作頻帶拓寬的要求。另外為保證寬帶射頻信號輸出功率起伏過大,射頻衰減器、射頻開關和其他射頻器件都采用寬帶射頻器件[3]。

2.4 通用指令編碼組合和干擾組合的設計方案

單型專用模擬信號源的模擬直波信號只適用于某個型號的導引頭測試,另一個主要原因是其只生成一種型號的指令編碼信號。由于各種類型的半主動雷達導引頭性能各有側重,而且指令編碼數學模型各不相同。

按調制體制可分為

a）連續波；

b）間斷連續波。

按指令編碼調制形式可分為

a）有無調制的；

b）有正弦調幅調頻；

c）有單頻指令編碼調制；

d）復頻指令編碼調制等。

除此之外,調制頻偏、調幅度和指令編碼的協議也各不相同。

與指令編碼組合情況類似,還由于各個型號的半主動雷達導引頭針對的干擾信號數學模型也各不相同。干擾信號種類可分為

a）視頻正態噪聲；

b）A型直升機旋翼譜；

c）B型直升機旋翼譜；

d）C型直升機旋翼譜；

e）渦輪葉片調制譜等。

多型通用模擬信號源的指令編碼組合和干擾組合必須能產生多種類型半主動雷達導引頭的指令編碼和干擾信號,并具有從中選擇一種指令編碼信號和干擾信號輸出的功能[4]。

通過對各個類型單型專用信號源的指令編碼組件和干擾組件分析后可以看出,原有單型專用信號源中的指令編碼和干擾電路,大都是模擬電路組成的,雖然雜散小,但靈活性和可擴展性都比較差,不能滿足在通用信號源中的使用要求。即便還是利用這些電路,使用時按測試導引頭的種類進行切換選用,也會帶來體積過大,而且不能實現減少備件品種的目的。

通用信號源對指令組件和干擾組件的靈活性和可擴展性提出了較高的要求,這里通用信號源中的指令編碼組件和干擾組件采用了軟件無線電技術。軟件無線電在靈活性和可擴展性有著獨特的優勢,因為軟件無線電是由可編程硬件和軟件組成的,通過軟件的增加、修改或升級就能實現新的功能和達到新的性能,是實現一塊模塊能產生多種指令信號和干擾信號,減少維修備件品種的有效途徑。雖然各型號導引頭的指令編碼信號和抗干擾信號的數學模型各不相同,但這些指令編碼信號和干擾信號的頻率都比較低,完全可以用軟件無線電技術中正交調制的方法實現。

通用指令編碼和干擾組件原理框圖,如圖2所示。

圖2 通用指令編碼和干擾信號組合原理框圖

由原理框圖可知：

a）通過USB接口將各種干擾信號和編碼信號的數學模型存入工控機的硬盤內的測控軟件內；

b）工控機通過人機對話,確定用戶測試的導引頭類型,并向DSP編碼信息處理器和DSP干擾信息處理器發送相對應的編碼信號和干擾信號的數學模型；

c）DSP干擾信息處理器將相應的干擾數學模型運算處理后,生成數字化的干擾信號,并通過干擾信號D/A轉換器生成模擬的干擾信號,濾波后輸出干擾信號；

d）DSP編碼信息處理器將與該類型相應的編碼數學模型運算處理后,傳給由分頻器、數據鎖存器、延時器、定時器、譯碼器等器件組成的編碼邏輯電路FPGA；

e）FPGA接收到DSP編碼信息處理器對傳來的指令進行譯碼,產生頻率和幅度控制字,按照一定的時序來控制DDS編碼發生器1、DDS編碼發生器2、D/A識別信號發生器和DDS多普勒預定信號發生器,使其產生對應的信號；

f）DDS編碼發生器1和DDS編碼發生器2產生相應的信號,經相加器合成、包絡調制和濾波后生成指令編碼信號；

g）D/A識別信號發生器和DDS多普勒預定信號發生器將產生的識別信號調制到多普勒信號上,生成多普勒預定信號,經濾波后輸出。

由于采用軟件無線電技術生成指令組合和干擾組合的信號,使得信號特性都由軟件控制,實現了數字化,使得間斷照射周期、調幅度、頻偏等指標以及指令編碼協議的裝訂和改變都變得更加方便[5]。

值得指出的是指令編碼組件,采用軟件無線電技術后,應加強對雜散的抑制,以滿足通用信號源的設計要求,避免影響導引頭泄漏下的能見度的測試。

2.5 通用模擬信號源測控軟件和硬件設計方案

各種單型專用模擬信號源的測控軟件和硬件各不相同。主要控制器方式有單片機控制、嵌入式控制、FPGA控制、PC工控機等；測控軟件多種多樣,有匯編語言、C++編程語言、Lab VIEW高級編程語言、Windows編程語言等；輸入鍵盤有101標準鍵盤、非標準掃描鍵盤和非標準非掃描鍵盤；顯示方式的不同顯示形式有CRT、PC機液晶顯示器、非標液晶顯示器和LED數碼管顯示器等。

通用信號源對測控硬件和軟件的設計要求。對采用硬件的通用化、模塊化、標準化,可擴展性有較高要求。為此采用標準PC工控機及標準寬屏液晶顯示器、矩陣開關板卡、通信板卡、數字IO板卡、D/A板等通用標準件組成。

對測控軟件的要求是靈活性強、功能強、易擴展、運行穩定可靠,易于維護升級,能滿足多種對象的測控要求。為此運用虛擬儀器技術,采用Lab VIEW圖形化軟件開發,該軟件具有操作界面友好、編寫方便、圖形清晰,易于維護和升級,符合通用信號源對測控軟件的要求。

通用信號源與單型專用模擬信號源在操作方面的不同之處,在于打開多型通用信號源測控軟件時,首先要通過人機對話選擇所要測試的半主動雷達導引頭的類型,然后根據選擇類型,自動轉入該類型的測試程序,調用對應的導引頭測試軟件,進入該類型導引頭的測試狀態。圖3是某型半主動雷達導引頭的測試界面。

圖3 某類型半主動雷達導引頭的測試界面

3 結論

本文提出的通用模擬信號源設計方案較好地解決了設計中的幾個關鍵問題,除微波組合外,基本實現了數字化、通用化和模塊化,能滿足了即插即用、快速維修和分塊改進提高的需要。這些優點貫穿于該信號源全壽命周期中,即在研制、生產、使用和升級/維護等環節上都得到了充分體現。在導引頭生產線上使用多年,性能穩定、可靠,達到預期效果。

[1] 高峰.雷達導引頭概論[M].北京：電子工業出版社,2010.

[2] 穆虹.防空導彈雷達導引頭設計[M].北京：宇航出版社,1996.

[3] 周浩敏,王睿.測試信號處理技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004.

[4] 姜宇柏,游思晴.軟件無線電原理與工程應用[M].北京：機械工業出版社,2007.

[5] 湯世賢.微波測量[M].北京：國防工業出版社, 1981.

Design of General Simulated Signal Source for Semi-active Radar Seeker

FANG Ge-fei1, JIANG Jun-jie2
（1.Shanghai Radio Equipment Research Institute；2.Military Representative Office by PLA of SAST,Shanghai 200090,China）

Nowadays,the kind of the monocular specialized simulated signal source for semi-active radar seeker is large,resulting in that it is difficult to maintain and manage.To solve this problem,a new general utilization simulated signal source designing method for semi-active radar seeker is presented.Introduces the general utilization characteristic and the idiographic design technique.With the present design technique,the general simulated signal source have the characteristics of modularization,general utilization and standardization. This design technique has been devoted to the production,and it shows efficient.

simulated signal source；generalization；numeralization；modularization

TJ765.331

A

1671-0576（2014）02-0001-05

2013-03-11

方革非（1962-）,男,高級工程師,主要從事半主動雷達導引頭模擬信號源研究。