趙 玉袁鵬鵬居 易

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的新體制雷達(dá)具有低截獲概率(LPI)、信號(hào)瞬時(shí)帶寬越來(lái)越寬和信號(hào)脈內(nèi)特征復(fù)雜度越來(lái)越高等特點(diǎn),這就對(duì)雷達(dá)偵察裝備的性能提出了更高要求,以滿足對(duì)新體制雷達(dá)的偵察需求,為后續(xù)對(duì)抗提供有力支持和保障。因此研究如何實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)寬帶寬且偵察靈敏度高的偵察技術(shù)是雷達(dá)偵察領(lǐng)域的重要研究方向。本文將介紹一種寬開(kāi)高靈敏度雷達(dá)偵察技術(shù),該技術(shù)適用于實(shí)際雷達(dá)偵察裝備的設(shè)計(jì)工作。

1 雷達(dá)偵察體制

雷達(dá)偵察技術(shù)主要用于對(duì)環(huán)境中雷達(dá)信號(hào)的實(shí)時(shí)截獲、參數(shù)測(cè)量、分選和識(shí)別。根據(jù)雷達(dá)偵察裝備所采用的測(cè)頻、測(cè)向技術(shù)的不同,測(cè)向可以分為模擬多波束比幅測(cè)向、數(shù)字多波束比幅測(cè)向、干涉儀比相測(cè)向等;測(cè)頻分為寬開(kāi)瞬時(shí)測(cè)頻、單比特測(cè)頻和數(shù)字信道化測(cè)頻等。常見(jiàn)的雷達(dá)偵察裝備主要由測(cè)頻+測(cè)向天線、微波電路、信號(hào)接收及測(cè)量電路、數(shù)據(jù)處理電路以及電源等部分組成。雷達(dá)偵察裝備根據(jù)使命任務(wù)及布置平臺(tái)的不同,采用的測(cè)向、測(cè)頻體制各部分的組成也有很大差異,艦載平臺(tái)多采用多波束比幅測(cè)向(如美國(guó)的SLQ-32偵察系統(tǒng)),機(jī)載告警偵察系統(tǒng)多采用干涉儀測(cè)向體制。

1.1 模擬多波束比幅測(cè)向體制

采用模擬多波束比幅測(cè)向體制的偵察裝備主要包括多波束測(cè)向天線(多數(shù)為喇叭陣或者透鏡)、寬開(kāi)測(cè)頻天線、微波接收、測(cè)頻接收機(jī)、測(cè)向接收機(jī)、后端分選識(shí)別、顯示控制及電源,其設(shè)備組成示意圖如圖1所示。測(cè)頻接收機(jī)主要有單比特測(cè)頻接收機(jī)、瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)或數(shù)字信道化測(cè)頻接收機(jī)等。其工作流程為:后端控制電路接收到顯控下發(fā)的工作命令后,測(cè)頻接收機(jī)從測(cè)頻天線檢測(cè)到外界雷達(dá)信號(hào)并測(cè)量信號(hào)的載頻、脈寬、幅度等參數(shù),測(cè)向接收機(jī)接收前端多路測(cè)向天線經(jīng)對(duì)數(shù)視頻檢波放大器(DLVA)處理后的視頻信號(hào),進(jìn)行方位參數(shù)測(cè)量并接收測(cè)頻接收機(jī)的頻率碼等信息,最終形成雷達(dá)輻射源脈沖描述字(PDW)送后端進(jìn)行分選識(shí)別,識(shí)別處理結(jié)果送顯示控制進(jìn)行最終顯示。該技術(shù)體制具有成熟度高、設(shè)備量適中、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其主要缺點(diǎn)是難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬開(kāi)+高靈敏度偵察。

圖1 模擬多波束比幅測(cè)向體制裝備組成示意圖

1.2 數(shù)字多波束比幅測(cè)向體制

基于數(shù)字多波束比幅測(cè)向的偵察系統(tǒng)主要由陣列天線(接收組件)、波束控制及饋電、微波接收、數(shù)字波束形成、參數(shù)測(cè)量、分析識(shí)別和顯示控制等部分組成,其組成示意圖如圖2所示。該偵察體制的顯著優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高(超過(guò)-100 dBm 以上),可以實(shí)現(xiàn)方位、俯仰二維測(cè)向等;但同時(shí)也具有設(shè)備量大、技術(shù)復(fù)雜度高、成本貴等缺點(diǎn),且瞬時(shí)工作帶寬一般不超過(guò)1 GHz,如果想具有更寬的瞬時(shí)帶寬,其設(shè)備量、實(shí)現(xiàn)難度和成本均將急劇增大。

圖2 數(shù)字多波束比幅測(cè)向體制裝備組成示意圖

1.3 干涉儀比相測(cè)向偵察體制

干涉儀比相測(cè)向體制具有設(shè)備量小、測(cè)向精度高、組陣形式多樣、可二維測(cè)向等諸多優(yōu)點(diǎn),在電子偵察領(lǐng)域具有重要地位。該體制是通過(guò)測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的相位信息從而獲得信號(hào)的來(lái)波方向。雖然其在設(shè)備量、測(cè)向精度等方面有其自身的優(yōu)勢(shì),但是當(dāng)環(huán)境中存在多徑傳輸時(shí),干涉儀測(cè)向系統(tǒng)往往會(huì)產(chǎn)生方位增批現(xiàn)象,另外受限于天線形式等因素其系統(tǒng)靈敏度提升困難。通常采用干涉儀比相測(cè)向體制的偵察裝備,其組成如圖3所示。其主要由干涉儀天線陣、微波變頻、數(shù)字信道化接收機(jī)、分選識(shí)別和顯示控制等部分組成,圖3中的干涉儀天線為一維陣列,如需實(shí)現(xiàn)二維測(cè)向,則天線為二維陣列。

圖3 干涉儀測(cè)向體制組成示意圖

2 一種寬開(kāi)高靈敏度偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)上一節(jié)的分析比較,可以看出數(shù)字多波束比幅測(cè)向體制可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度偵察,但是難以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)帶寬寬開(kāi),干涉儀測(cè)向體制靈敏度難以提升。本文設(shè)計(jì)的寬開(kāi)高靈敏度偵察系統(tǒng)要求方位瞬時(shí)360°寬開(kāi),頻率瞬時(shí)覆蓋8～18 GHz,靈敏度優(yōu)于-75 dBmi,天線需平面化安裝。針對(duì)上述要求,采用模擬多波束比幅測(cè)向技術(shù)實(shí)現(xiàn)方位瞬時(shí)360°寬開(kāi),測(cè)頻使用數(shù)字瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻域?qū)掗_(kāi)。其組成原理框圖如圖4所示,即測(cè)頻采用1/4全向天線(每個(gè)天線覆蓋90°方位范圍),經(jīng)微波前端接收后變頻送測(cè)頻接收機(jī)測(cè)頻;測(cè)向天線陣接收測(cè)向信號(hào)經(jīng)測(cè)向接收前端DLVA 處理后送測(cè)向接收機(jī),最終形成PDW 送后端分選與識(shí)別。

圖4 總體組成框圖

2.1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的寬開(kāi)高靈敏度接收系統(tǒng)主要由天線陣、測(cè)頻接收前端、測(cè)向接收前端、測(cè)頻接收機(jī)、測(cè)向接收機(jī)及后端的分選與識(shí)別和顯示控制部分組成。下面主要從影響偵察靈敏度的天線陣、測(cè)向接收前端和接收機(jī)等方面進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2.2 天線設(shè)計(jì)技術(shù)

偵察設(shè)備的天線設(shè)計(jì)主要取決于系統(tǒng)的測(cè)向精度、靈敏度等指標(biāo)以及安裝尺寸要求等。對(duì)于采用多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)的天線,其方向圖可用高斯型近似表示,天線的波束寬度(由單元數(shù)決定)對(duì)系統(tǒng)測(cè)向精度起著決定性的作用,同時(shí)也影響著系統(tǒng)靈敏度。常用的多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)天線陣多采用柱透鏡天線陣或恒波束喇叭陣,圖5給出了幾種常見(jiàn)的多波束天線陣示意圖。當(dāng)安裝平臺(tái)尺寸較大、系統(tǒng)測(cè)向精度要求不高時(shí)可采用圓陣?yán)汝?喇叭數(shù)量一般不超過(guò)32個(gè)),當(dāng)系統(tǒng)測(cè)向精度要求較高時(shí)可采用直線喇叭陣+羅特曼透鏡或柱透鏡天線陣形式。

圖5 常用天線陣組成示意圖

天線單元數(shù)越多,波束寬度則越窄,天線的增益也越高。如圖5所示,采用圓陣?yán)汝嚮蛘咧哥R天線陣,不容易實(shí)現(xiàn)平面化安裝,對(duì)有平面化安裝要求的平臺(tái)則不適用?？梢圆捎弥本€喇叭陣+羅特曼透鏡的方式實(shí)現(xiàn)平面化安裝,同時(shí)可以在360°方位范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的測(cè)向波束數(shù),使得系統(tǒng)的測(cè)向精度和靈敏度指標(biāo)更高。本文設(shè)計(jì)的寬開(kāi)高靈敏度偵察系統(tǒng)測(cè)向天線陣采用直線喇叭陣+羅特曼透鏡,測(cè)頻采用角錐喇叭天線。其天線方向圖仿真結(jié)果如圖6所示,由圖可以看出測(cè)向天線增益約為16 d B,測(cè)頻天線增益大于5 d B(±45°范圍內(nèi))。

圖6 測(cè)向測(cè)頻天線仿真方向圖

2.3 微波測(cè)向前端設(shè)計(jì)

微波測(cè)向前端主要完成對(duì)天線端輸入射頻信號(hào)的放大、開(kāi)關(guān)選擇、程控、視頻檢波等,其單路的工作原理框圖如圖7所示。

圖7 測(cè)向微波前端工作原理框圖

2.4 接收機(jī)設(shè)計(jì)

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣率的提高和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)數(shù)字信號(hào)處理能力的增強(qiáng),數(shù)字信道化接收機(jī)的瞬時(shí)帶寬和靈敏度均有較大提升。美國(guó)BAE系統(tǒng)公司研制的數(shù)字信道化接收機(jī),其瞬時(shí)帶寬超過(guò)500 MHz,被廣泛裝備到F35 和F22戰(zhàn)斗機(jī)。本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)主要包括超寬帶測(cè)頻接收機(jī)和多波束比幅測(cè)向接收機(jī)設(shè)計(jì)兩部分,其組成如圖8所示,主要包括測(cè)量量化板、超寬帶測(cè)頻接收板、參數(shù)融合板和接口板等。

圖8 接收機(jī)組成框圖

超寬帶測(cè)頻接收板原理框圖如圖9所示,單路測(cè)頻射頻進(jìn)入接收機(jī),經(jīng)變頻后形成4 路0.5～4.5 GHz的中頻信號(hào),經(jīng)高速模/數(shù)(A/D)采樣后送融合FPGA 處理形成頻率碼,因此超寬帶測(cè)頻接收的瞬時(shí)帶寬可達(dá)16 GHz。

圖9 超寬帶測(cè)頻接收原理框圖

2.5 主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算分析

本文采用直線喇叭陣+羅特曼透鏡形成64路測(cè)向波束,下面對(duì)瞬時(shí)覆蓋帶寬、測(cè)向精度和靈敏度等指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算。

本文的偵察系統(tǒng)測(cè)向接收機(jī)采用多波束比幅測(cè)向,其瞬時(shí)帶寬取決于DLVA 的帶寬,目前DLVA的瞬時(shí)帶寬可以覆蓋2～18 GHz,達(dá)到16 GHz;測(cè)頻接收機(jī)瞬時(shí)帶寬前文已經(jīng)分析,也可以達(dá)到16 GHz。

當(dāng)天線單元數(shù)為64時(shí),為5.625°,利用實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可以得到測(cè)向精度,達(dá)到1.5°(r.m.s)左右。下面計(jì)算接收機(jī)靈敏度:

式中:F 為噪聲系數(shù)(取6 d B);B 為射頻帶寬(取10 G);B 為視頻帶寬(取50 M);為識(shí)別系數(shù)(取3 dB)。

則計(jì)算得到測(cè)向接收機(jī)的靈敏度為-65 d Bm。由圖6可見(jiàn)天線的增益大于15 dB,則設(shè)計(jì)之后的系統(tǒng)測(cè)向靈敏度可達(dá)-80 dBm 以上。測(cè)頻支路采用超寬帶測(cè)頻接收機(jī),其靈敏度為:

式中:P 為接收機(jī)靈敏度,單位為d Bm;為接收機(jī)中頻帶寬,單位為MHz;為接收機(jī)噪聲系數(shù),單位為d B;σ為檢測(cè)或處理所需要的最低信噪比,單位為dB。

根據(jù)本系統(tǒng)特性,要保證寬的瞬時(shí)帶寬,提高靈敏度只能從兩方面著手:一是減小接收機(jī)噪聲系數(shù),這方面的潛力是有限的;二是降低檢測(cè)信號(hào)所需的信噪比,通過(guò)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)處理技術(shù),提高處理增益,降低σ。本文設(shè)計(jì)的高靈敏度偵察系統(tǒng)中,頻帶寬取10 000 MHz,噪聲系數(shù)取10 d B,檢測(cè)信噪比σ取-9 dB,接收機(jī)靈敏度P 可以達(dá)到-73 dBm(-114+40+10-9)。測(cè)頻天線增益可以達(dá)到5 d B以上(8～18 GHz頻段),因此測(cè)頻支路靈敏度優(yōu)于-78 dBm,考慮到天線增益起伏等因素,系統(tǒng)整體靈敏度可達(dá)-75 dBm 以上,相比多數(shù)寬開(kāi)偵察系統(tǒng)的靈敏度有較大提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從雷達(dá)偵察體制角度出發(fā),分析了模擬多波束、數(shù)字多波束和干涉儀比相測(cè)向等幾種測(cè)向體制的偵察設(shè)備組成及優(yōu)缺點(diǎn),提出一種滿足平面化安裝要求的寬開(kāi)高靈敏度雷達(dá)偵察技術(shù)及系統(tǒng),介紹了該偵察系統(tǒng)的天線、微波測(cè)向前端和接收機(jī)等部分的設(shè)計(jì),最后對(duì)基于該技術(shù)的一種8～18 GHz頻段的偵察系統(tǒng)測(cè)向精度和靈敏度指標(biāo)進(jìn)行仿真分析和計(jì)算。該技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)寬開(kāi)高靈敏度偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有實(shí)際借鑒意義。