張 鵬

(羅德與施瓦茨(中國)科技有限公司， 北京100012)

0 引言

當前的雷達目標模擬器和雷達干擾模擬器廣泛采用DRFM方法實現。DRFM技術可以高保真地對目標進行相參轉發(fā)，實現雷達目標模擬器的作用。DRFM技術在雷達對抗中也非常重要，其可通過對信號進行時延達到距離波門的欺騙，通過頻率直接數字合成達到對速度波門的欺騙，從而實現威脅電磁環(huán)境的模擬［1］。當前市面上專用DRFM雷達目標模擬器，其射頻性能、動態(tài)范圍、寄生信號還有提升的空間，而基于通用儀器構建的DRFM雷達目標模擬器在射頻性能、動態(tài)范圍、雜散等方面給工程師提供了更多的選擇，是構建雷達復雜電磁環(huán)境非常高效的方式。

1 雷達信號模型

1.1 雷達發(fā)射信號模型

以線性調頻信號為例，雷達發(fā)射信號可表示為

式中:μ(t)為信號的復包絡;f0為載波頻率;K=B/T為頻率變化斜率，B為信號帶寬，T為時寬。使用矢量信號源SMW200A產生線性調頻信號很容易，可以先將雷達信號的基帶信號做好，如用K300雷達復雜環(huán)境生成軟件，然后調入到任意波型當中進行播放，最后，通過I/Q調制，實現40 GHz頻率范圍的信號輸出，如圖1所示。圖1將式(1)進行采樣、量化，得到正交的數字基帶波形數據I［n］、Q［n］，再經濾波和I/Q調制生成中心頻率為f0的線性調頻信號。根據奈奎斯特采樣定理，采樣時鐘滿足fc＞2(f0+B/2)時，可無失真地重建波形。其他信號模型產生方法與LFM信號類似。

圖1 SMW200A原理框圖

1.2 雷達回波信號模型［1-2］

一般情況下，點目標回波數學模型可簡化表示為

式中:τ=2R(t)/c為目標距離延時;γ為復反射系數;「G2λ2/((4π)3R4)」1/2為回波的衰減系數;fd=2v/c為目標回波多普勒頻移。因此，目標回波特性模擬就在雷達發(fā)射信號上添加距離延時、多普勒頻移、幅度衰減等變化量，目標特性模擬的典型方式為延遲轉發(fā)，其原理框圖如圖2所示。DRFM采用高速采樣和數字存儲作為其技術基礎，具有對射頻和微波信號的存儲和再生能力，它可存儲相應長度的相參信號，用于目標回波信號模擬器中，既能模擬目標回波的延遲，又能通過對其延遲時間的控制來模擬距離拖引干擾、多假目標干擾等干擾形式。圖2中輸入的射頻信號經下變頻和采樣量化，量化后的數據被存儲到高速存儲器中。信號的再生過程需經過相反的模數轉換和上變頻過程，以恢復到原始信號的頻率。DRFM系統的瞬時帶寬主要由A/D轉換器的采樣率決定，而系統工作頻帶的擴展，可通過本振工作頻帶的切換來實現。DRFM使用雙端口存儲器作為高速數字存儲器，以確保對信號記錄和再現的同時進行，除此以外，DRFM系統可能具有的信號處理能力可通過在高速存儲器與通用數字計算機之間的數據傳輸和交換來擴展其應用領域。

圖2 DRFM目標模擬器原理框圖

DRFM原理的模擬器核心部分是數字射頻存儲器。因為傳輸波形存儲在數字射頻存儲器中，可在適當的時刻轉發(fā)，它無需與雷達連接來確定脈沖特征，所以，該模擬器可用于測試多種雷達和引信而不必設計新的硬件界面和軟件。該系統產生的目標回波信息中還可包含多普勒頻移、振幅調節(jié)(距離、雷達反射截面和閃爍)和雷達信號調制。

延遲轉發(fā)的關鍵是不能改變雷達發(fā)射信號的相位相參性。而使用通用儀器構建的DRFM目標模擬器是利用了SMW200A中的衰落功能，可將采集來的信號進行二次改造，如目標的距離、速度等信息，可以通過修改衰落功能的參數達到目標特性的修改。

1.3 雜波信號模型

雜波信號通常采用幅度統計特性和功率譜特性描述。常用的雜波幅度分布模型如下。

式中:σf為雜波均方譜寬;fd為雜波平均多普勒頻率;fc為歸一化特征頻率。

雜波模擬的關鍵是產生同時具有特定概率密度和自相關函數的隨機數。本文采用零記憶非線性變換法實現雜波隨機數產生，該方法理論成熟，算法相對簡單。

1.4 常用有源干擾模型

按照干擾信號的作用機理可將有源干擾分為遮蓋性干擾和欺騙性干擾。遮蓋性干擾通常包括噪聲調幅、噪聲調頻、噪聲調相干擾等，其數學模型分別描述如下。

噪聲調幅干擾

式中:調制噪聲Un(t)均值為0，方差為;φ為［0，2π］上均勻分布;μ(t)均值為0;Uj為噪聲調頻信號幅度;ωj為中心頻率，KFM為調頻斜率;KPM為調相斜率。

欺騙性干擾按照假目標與真目標參數信息的差別分類，可分為距離欺騙干擾、角度欺騙干擾、速度欺騙干擾、AGC欺騙干擾、多參數欺騙干擾等，欺騙干擾數學模型不再詳述。

各種噪聲調制干擾通常采用控制DDS的幅度、相位和頻率的方法實現，其他噪聲干擾類型的產生方法與噪聲調制干擾類似，或增加了輸出調制等處理。

欺騙干擾信號與目標回波的區(qū)別主要在于其運動規(guī)律不同，實現方法與目標特性模擬相同。對于雜波的模擬，可以通過SMW200A第二個基帶源調用信號并與回波信號進行相乘得到帶有雜波特性的回波信號。

2 模擬器系統組成

基于通用儀器的雷達目標模擬器組成，如圖3所示。其主要包含寬帶實時信號分析儀FSW、寬帶矢量信號源SMW200A以及數字接口電纜和SMA電纜，其核心單元是 SMW200A的衰落模塊，實現DRFM的功能。

采用實時信號分析儀FSW和矢量信號源SMW200A組成的DRFM復雜電磁環(huán)境干擾模擬器是借助了這兩款儀器的數字基帶接口功能。FSW的數字基帶接口B17可以將160 MHz帶寬的信號實時數字化并輸出，通過電纜可直接轉給矢量信號源SMW的數字基帶輸入接口，再利用SMW200A里面帶有的衰落功能，對數字基帶輸入的信號進行實時的二次改造，如延時、衰減、多普勒、假目標等設置。正是有了B17基帶數字接口，才能實現以通用儀器搭建的DRFM方式的復雜電磁環(huán)境模擬器。

這種通用的干擾DRFM模擬器的工作頻率范圍100 kHz～40 GHz，在規(guī)定的頻段以高達160 MHz的帶寬接收任何類型的射頻雷達信號，并將信號轉換成同相和正交相移數據(I/Q數據)。I/Q數據傳送到信號發(fā)生器的基帶輸入端，在基帶上按用戶指定值添加時間延遲、多普勒頻移和衰減。然后，由信號發(fā)生器將雷達回波信號重新發(fā)射到雷達，如圖3所示。

圖3 基于通用儀器的DRFM模擬器框圖

該系統由使用商用化測試和測量設備的接收機(實時信號分析儀FSW代替了接收機和A/D的功能)和發(fā)射機(射頻矢量信號發(fā)射器代替了發(fā)射機和D/A的功能)構成，它們通常用作分析或生成射頻信號的獨立設備。當組合使用時，這兩種儀器可作為雷達目標生成器工作。

通用DRFM雷達模擬器的優(yōu)點是優(yōu)異的射頻性能和通用性，特別適合復雜雷達目標的模擬，用來驗證雷達接收機的接收性能和信號處理功能。這種靈活、儀器化的方法，大大減少了成本的投入。其中矢量信號發(fā)生器或信號和頻譜分析儀還可在其他的測試環(huán)境中作為通用儀器使用。

系統采用通用儀器實現DRFM模擬器，解決了用戶因傳統定制DRFM模擬器不通用的問題，大大提高了系統的射頻指標和易用性。傳統頻譜儀的頻率范圍可以調諧，根據用戶雷達的頻段不同，選擇合適的載頻進行信號的采集分析和產生，頻率范圍可達40 GHz。矢量信號源SMW200A以其優(yōu)異的射頻性能，可以產生高質量的回波信號，如相位噪聲指標和無雜散動態(tài)范圍指標，以及最小功率輸出指標，這幾個指標都影響到雷達目標回波的功能。

整個系統的無雜散動態(tài)范圍可實現70 dB，最小回波功能輸出可達到-120 dBm。相位噪聲性能是雷達目標模擬器的一個關鍵的指標，例如，測量雷達系統的固定目標抑制時，模擬器必須有一個好的相位噪聲，在大多數雷達系統使用一個本地振蕩器(LO)時為發(fā)射和接收路徑提供頻率參考。以下是將參考目標雷達系統和信號源SMW200A的相位噪聲進行對比測試，使用公司FSUP信號源分析儀，測試結果如圖4～圖6所示。

圖4 S-波段相位噪聲性能

圖5 X-波段相位噪聲性能

圖6 Ku-波段相位噪聲性能

3 關鍵技術

3.1 DRFM的實現

DRFM的實現是依靠SMW200A矢量信號源中的衰落選件B14，B14選件最初的設計是為了實現通信信道衰落特性，使通信信號可在 SMW200A上設置信道衰落模型，包括瑞利、萊斯、多普勒、高斯以及幅度、相位、頻率、速度的模擬?？梢杂脕碜鐾ㄐ判诺滥M和目標模擬，由于其原理跟DRFM的原理一致都是采用對基帶數據進行處理-轉發(fā)的操作，所以完全可用于雷達信號的處理轉發(fā)，即可實現對目標特性地模擬。衰落設置界面如圖7所示，通過修改就可實現對雷達目標的距離、起伏、功率、速度、目標個數等參數進行設置，從而完成對目標的逼真模擬。多目標的實現是通過添加多徑參數，每一個徑就可以模擬一個獨立的目標回波，如圖8所示。

圖7 SMW200A衰落設置(B14)界面

圖8 SMW200A多徑圖示截面

衰落模塊與主要雷達目標參數的對應關系和能力范圍參考，如圖9所示。

圖9 衰落模塊與雷達回波參數對比

基于通用儀器實現的目標模擬器可實現全方位的目標性能檢測、驗證和雷達系統級的認證，如圖10所示。

圖10 雷達目標測試系統功能實現

3.2 最小可檢測目標回波信號

最小可檢測目標回波信號測試顯示了最小回波信號的功率，這是雷達回波信號必要的監(jiān)測［4］。通過系統設置，將發(fā)射信號功率降低，測試雷達回波信號是否被雷達檢測到，一旦目標消失，達到最小的信號功率，直接復制SMW200A功率顯示的功率數值，無需重新計算閾值信號。最小監(jiān)測功率的功率電平等于矢量信號發(fā)生器的顯示數值(減去其他信號插損，需要校準測試設備)。運行這個測試，可以在衰落模塊里設置一個功率范圍，觀測靜態(tài)目標消失的情況，目標探測可在雷達屏幕上進行，一旦雷達的目標消失，最低可檢測的信號電平就找到了。SMW200A能夠設定的射頻輸出功率電平，也就是最低檢測閾值，是驗證雷達發(fā)現目標的必要條件。SMW200A的射頻功率輸出范圍是-120 dBm～+18 dBm。最小的輸出功率足可驗證雷達接收系統的功能。

3.3 干擾模擬

干擾模擬通過第二條基帶路徑產生，可在基帶上進行疊加。SMW200A提供4個獨立的基帶模塊，最多可提供8個基帶源，SMW200A信號源，如圖11所示?；鶐盘柨蛇M行數字疊加，提供最大 ±80 MHz的頻率偏移，在功率和相位上相對彼此改變。因此，采用SMW200A能非常簡便地生成背景電磁環(huán)境和各種干擾信號，如通信信號。單臺雙通道SMW200A能滿足建立有用信號加干擾信號場景所要的全部要求，根據場景的總帶寬、一般情況有用信號和干擾信號間的電平差，可使用一條射頻通道輸出。第二條射頻通道可用于其他任務，例如，生成附加的連續(xù)波干擾。

圖11 具有雙射頻通道的矢量信號源SMW200A

3.4 軟件支持

矢量信號源SMW200A配置了雷達環(huán)境模擬軟件K300，該軟件既能方便地構建帶有干擾源的多雷達輻射源環(huán)境，又能按照雷達的不同體制去創(chuàng)建添加不同的雷達輻射源，還能定義輻射源之間的相對位置關系，并在地圖上顯示，如圖12所示。

圖12 K300地圖顯示雷達輻射源和干擾輻射源

每一部雷達輻射源都可以定義雷達的天線參數，如天線方向圖和掃描方式，以及每一部雷達輻射源的不同的體制，如PRI、脈壓方式、波形方式、脈沖參數等。

K300是一個綜合性的多功能雷達輻射源模擬軟件，配合雙通道射頻SMW200A，可以實現一個通道產生雷達輻射源，另外一個射頻通道配合FSW實時頻譜儀進行雷達信號的采集-存儲-處理-轉發(fā)，實現DRFM的目標模擬器。

4 結束語

采用通用儀器構建的雷達目標模擬器實現了DRFM模擬器的通用化、標準化，提高了模擬器的射頻性能，尤其是相位噪聲性能、A/D和D/A的雜散控制，射頻指標都能做的很高，可以模擬比較苛刻的復雜電磁環(huán)境下的目標。經過工程驗證，該系統可以實現雷達目標距離欺騙、速度欺騙和多目標欺騙等，是威脅復雜電磁環(huán)境構建的一個非常有效的手段。

［1］ 張建科，黨立坤，刁華偉.數字儲頻技術發(fā)展芻議［J］.電子信息對抗技術，2010，25(4):39-43.Zhang Jianke，Dang Likun，Diao Huawei.Discussion on digital radio frequency memory development［J］.Electronic Information Warfare Technology，2010，25(4):39-43.

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