基于ICEPAK的機載有源干擾機的設計與熱仿真分析

程 陽

(中國船舶集團公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引言

為了盡可能模擬真實對抗環(huán)境，新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)驗證試驗對復雜電磁環(huán)境的需求越來越迫切。機載有源干擾機用于構建反艦導彈導引頭和艦載雷達等武器系統(tǒng)的復雜電磁環(huán)境，安裝在無人機平臺使用，產(chǎn)生指定頻段內(nèi)的機載目標模擬信號、壓制/欺騙等干擾信號，支撐與各型實裝雷達、電子對抗設備和導彈導引頭等開展的電子對抗試驗[1-4]。對于進一步摸清裝備真實作戰(zhàn)能力，指導后續(xù)裝備的整改提升，具有十分重要的意義。

1 機載有源干擾機的組成和工作原理

1.1 機載有源干擾機的組成

機載有源干擾機由干擾主機、收發(fā)天線、功放組件和鋰電池等組成，偵收特定頻段內(nèi)的雷達信號，完成信號分選，產(chǎn)生相應頻段的機載干擾模擬信號。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 機載有源干擾機系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

干擾設備的工作原理如圖2所示，干擾設備加電后，處于偵收狀態(tài)，通過控制接收天線分別接收空域信號，將信號下變頻后功分一路中頻信號送至數(shù)字接收機進行頻率測量，并將測頻結果發(fā)送至數(shù)字組件，由其引導頻綜組件與輸入的雷達信號經(jīng)過混頻和濾波等處理后，輸出中頻信號送至數(shù)字組件的DRFM。DRFM根據(jù)干擾樣式及參數(shù)要求，對干擾信號進行時域和頻域的調(diào)制后輸出至發(fā)射組件。發(fā)射組件將干擾信號與本振信號進行上變頻、濾波和放大等處理，輸出射頻信號至功放組件，功放組件輸出的射頻信號送至發(fā)射天線，最終實現(xiàn)干擾信號輻射[5]。

圖2 工作原理

1.3 工作模式和流程

機載干擾設備有3種工作模式：自主模式、遙控模式和人工模式。機載干擾設備工作模式及流程如圖3所示。

圖3 工作模式及流程

a.自主干擾模式。

干擾機對偵收雷達信號進行信號分選和判別，與裝訂雷達庫進行比對，可實現(xiàn)對指定雷達干擾，而對受保護雷達不干擾。

b.遙控干擾模式。

干擾機通過遙控鏈路控制干擾機加電，然后由地面操作員遙控干擾機自檢并回傳自檢結果，再切換到任務模式。

c.人工干擾模式。

試驗時人工改變干擾機工作狀態(tài)及參數(shù)，干擾參數(shù)和干擾策略可現(xiàn)場實時編輯。

2 機載有源干擾機系統(tǒng)設計

2.1 接收變頻組件

接收變頻組件系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 接收變頻組件原理

接收組件主要完成對輸入信號進行限幅及靈敏度控制，保護微波電路，避免大功率輸入信號損毀器件。接收下變頻模塊接收來自接收組件模塊的測頻支路和變頻支路2路信號，變頻支路信號與頻綜信號下變頻至中頻信號，中頻信號經(jīng)過限幅放大和濾波后送至數(shù)字組件，同時產(chǎn)生檢波脈沖。

2.2 發(fā)射組件

發(fā)射組件主要完成將欺騙和壓制干擾中頻信號上變頻到射頻，由儲頻上變頻模塊、發(fā)射開關濾波器組和發(fā)射模塊3部分組成[6-7]，如圖5所示。

圖5 發(fā)射組件原理

其中，儲頻上變頻模塊主要接收來自數(shù)字儲頻組件輸出的欺騙和壓制2路信號，分別經(jīng)過濾波器、數(shù)控衰減器、放大器和調(diào)制器后合路輸出，與頻綜信號上變頻至射頻信號，之后輸出至發(fā)射開關濾波器組。

發(fā)射開關濾波器組接收來自儲頻上變頻模塊的射頻信號后，經(jīng)過開關濾波濾除本振和交調(diào)雜散，輸出至發(fā)射模塊。

發(fā)射模塊接收來自發(fā)射開關濾波組輸出的信號，經(jīng)過動態(tài)數(shù)控和發(fā)射調(diào)制后功分2路輸出，一路經(jīng)過檢波比較后作為發(fā)射組件故障檢測，一路經(jīng)過放大器和高通濾波器等輸出至功放組件。

2.3 頻綜組件

頻綜組件主要由晶振、鎖相環(huán)、開關濾波器和點頻源組成，頻綜組件原理如圖6所示。

圖6 頻綜組件原理

頻綜組件由恒溫晶振作為基準信號，經(jīng)過功分器功分2路后，一路經(jīng)點頻源產(chǎn)生時鐘信號，作為數(shù)字儲頻組件的采樣時鐘信號；一路送入鎖相環(huán)得到2路頻綜信號，分別為接收組件和發(fā)射組件提供下變頻和上變頻本振信號。

2.4 功放組件

功放組件均采用固態(tài)功放體制，主要由功放模塊、電源轉換模塊和控制模塊等組成。發(fā)射功放主要功能是將干擾主機送至的干擾激勵信號進行放大后通過天線發(fā)射出去，原理如圖7所示。

圖7 功放組件原理

3 干擾信號模擬生成

3.1 數(shù)字組件

數(shù)字組件組成如圖8所示，主要包括DSP、FPGA、高速A/D、高速D/A、存儲器及配套電路。

圖8 數(shù)字組件組成

3.2 信號處理及系統(tǒng)控制

信號處理及系統(tǒng)控制單元接收瞬時測頻接收機的全脈沖數(shù)據(jù)，進行信號分選、測量和識別，確定雷達的載波頻率、脈沖寬度和脈沖重復周期等主要參數(shù)，用于引導干擾源[8-9]。

信號處理的原理如圖9所示。它主要由脈沖參數(shù)量化器、全脈沖參數(shù)相關緩沖器、信號預處理器、雙口存儲器、雷達信號處理器、時鐘產(chǎn)生器和時序信號控制器等組成。

圖9 信號處理原理

接收機對每個雷達脈沖信號進行1次測量，測頻接收機提供的接口信號有全頻信號VP和PCMD、頻率碼RF。對視頻信號VP進行到達時間(TOA)量化和脈寬(PW)量化，形成的脈沖描述字PDW存入FIFO進行流率平滑，F(xiàn)IFO的輸出進行頻率一維預處理，刪除已知雷達信號和多余的PDW，大幅度降低數(shù)據(jù)流率。預處理數(shù)據(jù)存入雙口RAM，供高速處理器作信號分選識別用。

3.3 干擾技術

干擾技術可分為時域干擾和頻域干擾。時域干擾技術主要是基于脈沖樣本存儲的干擾技術，將不同的樣本信號存儲于DRFM的大容量存儲器中，并根據(jù)干擾要求進行樣本讀取、處理并轉發(fā)，形成干擾信號。時域干擾技術原理如圖10所示。

圖10 時域干擾技術原理

頻域干擾技術主要是利用數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生相應的多普勒信號直接轉發(fā)或調(diào)制到雷達信號上去，形成對雷達的移頻干擾或多普勒噪聲干擾。

數(shù)字域實現(xiàn)多普勒調(diào)制的方法可以表示為簡單的三角函數(shù)運算，即

cos[2π(f0+fd)n]=

cos(2πf0n)cos(2πfdn)-sin(2πf0n)sin(2πfdn)

(1)

f0為輸入信號載頻；fd為多普勒頻移，多普勒頻移的分辨率為DDS工作時鐘除以量化位數(shù)。

利用多相DDS和正交變換結構可以得到正交的f0和fd分量，分別進行相乘后相加即可得到多普勒頻移信號，運算結構如圖11所示。

圖11 數(shù)字多普勒移頻干擾實現(xiàn)原理

通過對雷達信號多普勒調(diào)制后轉發(fā)，能夠形成對不同體制雷達的頻域干擾信號，影響雷達對目標信號的多普勒檢測。

3.3.1 距離拖引干擾

距離拖引干擾是針對敵方雷達發(fā)出的信號形成距離門上的相對假目標，假目標相對目標平臺呈現(xiàn)一定規(guī)律的距離移動，使敵方雷達更容易跟蹤上假目標。

DRFM接收到雷達脈沖信號之后，在時域上產(chǎn)生可移動的距離波門。距離波門拖引只要按照時間更新目標的延遲時間，就會形成輸出在距離上的按照某種規(guī)律移動的目標，從而實現(xiàn)距離波門拖引。多重距離拖引干擾是在不同的時間延遲復制輸出多個不同距離的假目標脈沖，在時域上合成。

如圖12所示，數(shù)字儲頻接收到雷達脈沖信號之后，在不同的編程時間延遲之后在1個重頻周期內(nèi)可以復制輸出1～3個不同距離的假目標脈沖。當距離拖引方式啟動時，DSP系統(tǒng)對接收到的拖引參數(shù)進行計算，并對FPGA設置初值，然后設置數(shù)字儲頻為直通工作方式，在延遲保持時間后，切換到拖引方式，開始進行拖引。

圖12 距離拖引干擾時序

3.3.2 速度拖引干擾

速度拖引干擾是針對敵方雷達發(fā)出的信號形成速度門上的相對假目標，假目標相對平臺呈現(xiàn)一定規(guī)律的速度移動，使敵方雷達更容易跟蹤上假目標。產(chǎn)生速度拖引信號時，DRFM首先轉發(fā)目標回波信號，通過射頻直通的方式實現(xiàn)。然后DSP根據(jù)公式Δf=2V/λ及速度欺騙干擾信號的拖引規(guī)律，計算多普勒頻率值，定時對DDS置當前頻率控制字，計算當前多普勒頻率。

3.3.3 距離/速度聯(lián)合拖引干擾

單純的距離拖引干擾對于敵方測距雷達是有效的，當敵方雷達具有速度和距離雙重測量功能時，很容易通過距離和速度的相關特性識別干擾。相對應地，單純的速度拖引干擾也有類似問題。為了實現(xiàn)更好的欺騙效果，常采用距離速度聯(lián)合拖引方法，滿足距離導數(shù)等于速度這一相關特性。

在產(chǎn)生距離/速度聯(lián)合拖引干擾信號時，干擾技術產(chǎn)生器采取距離欺騙和速度欺騙干擾信號各自產(chǎn)生方法，分別對視頻脈沖延時產(chǎn)生電路和DDS定時刷新置數(shù)。在計算多普勒頻率Δf=2V/λ時，此時速度V應根據(jù)距離R的信息(V是R的導數(shù))來計算，因此，對視頻脈沖延時電路和DDS置數(shù)具有相關性。

3.3.4 多假目標干擾

在多假目標干擾模式下，干擾技術產(chǎn)生器產(chǎn)生多路獨立運動的假目標。每一路目標分別控制讀取延時實現(xiàn)距離控制，同時分別控制多普勒調(diào)制頻率實現(xiàn)可變載頻，多個可變載頻的假目標在時域上合成后輸出,受數(shù)字資源的限制，最多可產(chǎn)生16路獨立運動的假目標，如圖13所示。

圖13 假目標干擾

4 干擾主機熱仿真分析

干擾主機是一個較大的熱源，主要熱量來自功放組件和數(shù)字組件中的集成電路芯片以及二次電源。

采用ICEPAK軟件進行了熱仿真計算，仿真條件為環(huán)境溫度+60 ℃，自然對流和強迫風冷。設計要求為整機所有器件達到穩(wěn)態(tài)工作時的最高點溫度不高于85 ℃。熱仿真模型如圖14所示。

圖14 熱仿真模型

仿真風速如圖15所示。

圖15 仿真風速

功放組件溫度仿真穩(wěn)態(tài)云圖如圖16所示。

由圖16溫度仿真云圖可以看出，功放組件內(nèi)部發(fā)熱量比較大的末級功放部分的溫度上升最高，達到79.52 ℃，小于最高溫度85 ℃的要求，滿足長時間連續(xù)工作需要。

圖16 功放組件溫度仿真穩(wěn)態(tài)云圖

電源組件和數(shù)字組件主要發(fā)熱器件溫度仿真云圖如圖17所示。

圖17 二次電源和數(shù)字組件溫度仿真云圖

從二次電源和數(shù)字組件主要發(fā)熱器件的溫度仿真云圖上看，二次電源和數(shù)字組件的主要發(fā)熱器件的溫度在79.07 ℃左右，小于芯片工作環(huán)境溫度85 ℃的要求，完全滿足工作要求。

干擾主機溫度仿真云圖如圖18所示。

圖18 干擾主機溫度仿真云圖

從電源組件和數(shù)字組件主要發(fā)熱器件的溫度仿真云圖上看，電源組件和數(shù)字組件的主要發(fā)熱器件的溫度在79.52 ℃左右，小于芯片工作環(huán)境溫度85 ℃的要求，完全滿足工作要求。

5 結束語

本文介紹了機載有源干擾機的工作原理和流程，對系統(tǒng)組成進行了設計。描述了干擾信號生成的關鍵技術，同時對整個系統(tǒng)進行了熱仿真分析，驗證了設計的可行性。其原理和技術可擴展到其他干擾機研制領域，可廣泛應用于軍用裝備試驗測試領域。