肖本龍，何勇剛，傅亦源，楊茂松

（電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，河南 洛陽 471003）

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子對抗呈現(xiàn)出愈加激烈的態(tài)勢，各類電子軟殺傷和硬摧毀手段層出不窮，其中反輻射導(dǎo)彈作為反雷達探測的一種手段，通過搜索捕獲目標雷達輻射的電磁波，引導(dǎo)導(dǎo)彈系統(tǒng)對雷達形成有效威脅，其效果在現(xiàn)代局部作戰(zhàn)行動中得到了檢驗和肯定。由于反輻射導(dǎo)彈的獨特優(yōu)勢受到世界軍事強國的普遍重視，反輻射導(dǎo)彈技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。另一方面，對抗反輻射導(dǎo)彈的方法也成為一個重點研究方向，主要方法包括偶極子反射體、引信干擾、高能激光攻擊等，而有源誘偏系統(tǒng)以其“結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、常態(tài)部署”的優(yōu)勢，在抗反輻射導(dǎo)彈領(lǐng)域得到了廣泛的運用。

反輻射武器作戰(zhàn)效能的檢驗方法通常分為外場實彈對抗試驗和內(nèi)場半實物仿真試驗兩種。進行實彈對抗試驗是反輻射武器傳統(tǒng)試驗手段之一，主要用于檢驗其抗有源誘偏能力等性能，通過外場試驗，可綜合考核在反輻射導(dǎo)彈對雷達進行實際攻擊的情況下，有源誘偏系統(tǒng)對被保護雷達的保護效果，其優(yōu)點是反輻射導(dǎo)彈全系統(tǒng)在實際工作狀態(tài)下參與試驗，試驗數(shù)據(jù)真實可靠，試驗結(jié)果置信度高，但存在試驗組織難度大、破壞性強和耗費高等缺點。由于技術(shù)的發(fā)展，反輻射導(dǎo)彈面臨的作戰(zhàn)環(huán)境日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的外場試驗?zāi)Ｊ讲荒芡耆m應(yīng)反輻射導(dǎo)彈的試驗需要，由于試驗的可控性和可重復(fù)性更好，半實物仿真成為反輻射導(dǎo)彈對抗有源誘偏系統(tǒng)試驗的發(fā)展趨勢。通過半實物仿真手段接入反輻射導(dǎo)引頭等制導(dǎo)控制系統(tǒng)，構(gòu)建反輻射導(dǎo)彈的閉環(huán)攻擊試驗環(huán)境，檢驗反輻射導(dǎo)彈在復(fù)雜環(huán)境下抗有源誘偏系統(tǒng)誘偏能力作戰(zhàn)性能。

1 有源誘偏系統(tǒng)典型工作方式分析

反輻射導(dǎo)彈主要利用被動導(dǎo)引頭截獲跟蹤目標雷達信號，并引導(dǎo)反輻射導(dǎo)彈命中目標雷達。由于受導(dǎo)彈體積的限制，被動導(dǎo)引頭的天線不能太大，為了提高目標捕獲概率，其天線波束寬度又不能太窄。反輻射導(dǎo)彈在分辨角范圍內(nèi)無法區(qū)分同時到達的多個輻射源信號，而有源誘偏系統(tǒng)正是利用這一點，采用在雷達周邊部署多個有源誘餌，其發(fā)射的信號在時域、頻域、能量域上與雷達保持高度的匹配關(guān)系，破壞反輻射導(dǎo)引頭對真正目標雷達信號的跟蹤。從效費比的角度分析，誘餌站數(shù)量不宜過多，大量理論分析表明，三誘餌系統(tǒng)對雷達的保護概率好于雙誘餌系統(tǒng)，如愛國者系統(tǒng)一般采用3個有源誘餌對抗反輻射導(dǎo)彈。本文主要研究一部雷達和3個有源誘餌組成的典型有源誘偏系統(tǒng)射頻仿真信號模擬方法。下面針對有源誘偏系統(tǒng)雷達和誘餌信號間的頻率、功率、時序等關(guān)系進行分析。

1.1 頻率關(guān)系

有源誘偏系統(tǒng)內(nèi)的各誘餌與被保護雷達保持一致的工作頻率，或頻率誤差應(yīng)在反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的分辨范圍內(nèi)。誘餌波形上應(yīng)與雷達保持一致，采用這種措施的主要目的是防止具有指紋分析能力的導(dǎo)引頭從信號脈內(nèi)特征中分辨雷達和誘餌。

1.2 功率關(guān)系

由于反輻射導(dǎo)彈一般是從雷達頂空副瓣進行突破，因此，誘餌站輻射信號的最大有效功率至少應(yīng)大于雷達頂空副瓣有效功率（一般取3~5 dB）。

1.3 時序關(guān)系

反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭具備根據(jù)到達時間鑒別不同信號的能力，一般采用時間分辨力指標來描述導(dǎo)引頭的時間鑒別能力。若兩個信號到達導(dǎo)引頭口面的時間差大于導(dǎo)引頭的時間分辨力，則導(dǎo)引頭將鑒別出兩個信號，并且將脈沖導(dǎo)前的信號作為目標進行跟蹤攻擊。因此，在設(shè)計有源誘偏系統(tǒng)時，需嚴格控制被保護雷達和有源誘餌之間的時序關(guān)系，將誘餌和雷達信號到達導(dǎo)引頭的時間差控制在導(dǎo)引頭的時間分辨力內(nèi)，以達到導(dǎo)引頭無法分辨目標雷達信號的目的。一般而言，雷達與誘餌的時序關(guān)系主要包括交替導(dǎo)前、固定導(dǎo)前、閃爍等方式。交替導(dǎo)前指的是各誘餌按照一定的規(guī)律控制交替超前、同步、滯后雷達信號前沿；固定導(dǎo)前指的是各誘餌與被保護雷達信號保持固定的超前、同步和滯后的時序關(guān)系；閃爍指的是各誘餌在閃爍周期內(nèi)，只有一個誘餌輻射脈沖。典型的交替導(dǎo)前時序關(guān)系如圖1所示。

圖1 交替導(dǎo)前方式下雷達與誘餌信號到達反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭時序關(guān)系圖

2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)和試驗流程

根據(jù)反輻射導(dǎo)彈半實物仿真試驗需要，仿真試驗系統(tǒng)應(yīng)具備模擬有源誘偏信號和被保護雷達信號的能力，同時可產(chǎn)生動態(tài)、高密度的復(fù)雜電磁信號環(huán)境，一般由微波暗室、雷達/誘餌信號模擬系統(tǒng)、天線陣列與饋電控制系統(tǒng)、仿真轉(zhuǎn)臺、仿真控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等硬件設(shè)備和仿真模型組成，氣動和動力學(xué)模型安裝于仿真計算機內(nèi)，如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)組成示意圖

試驗時，仿真控制系統(tǒng)運行試驗戰(zhàn)情，實時解算目標雷達、誘餌平臺位置等參數(shù)。

雷達/誘餌信號模擬系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)時間同步，并根據(jù)雷達輻射源與反輻射武器的空間關(guān)系、運動特性、天線方向圖等，解算雷達和誘餌信號的多普勒、時延、相位、幅度等特征參數(shù)，生成射頻信號后送至天線陣列饋電通道輸入端，同時提供輻射源代碼、空間位置、有效信號功率等控制信息。

天線陣列與饋電控制系統(tǒng)依據(jù)雷達/誘餌信號模擬系統(tǒng)所提供的信息，完成天線陣列控制所需要的各種解算，包括輻射單元選擇、幅相控制和校正、輻射功率控制等。

反輻射導(dǎo)引頭對信號進行截獲、分選、識別和測向，并將視線角等偵測結(jié)果送至自動駕駛儀，仿真模型計算機將陀螺儀等傳感器模型解算出的視線角速率、彈體加速度以及彈體姿態(tài)等信息送至自動駕駛儀，自動駕駛儀按照給定的制導(dǎo)律和控制算法計算舵控指令，同時將舵控指令寫入實時內(nèi)存網(wǎng)，供仿真模型計算機調(diào)用。

仿真模型計算機根據(jù)空氣動力學(xué)等數(shù)學(xué)模型解算反輻射武器當前時刻的位置、姿態(tài)等信息，通過實時內(nèi)存網(wǎng)發(fā)送給轉(zhuǎn)臺。

轉(zhuǎn)臺接收到姿態(tài)信息后進行姿態(tài)調(diào)整，模擬反輻射武器的空間姿態(tài)變化；數(shù)據(jù)錄取與接口適配分系統(tǒng)錄取各類試驗數(shù)據(jù)，通過分析處理，完成反輻射導(dǎo)彈抗有源誘偏能力評估。

3 基 于FPGA的DDS技 術(shù)

近年來，無線電技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用于通信、雷達、電子對抗、導(dǎo)航等領(lǐng)域的信號模擬技術(shù)得到了長足的發(fā)展，為了滿足任意頻率的載頻信號產(chǎn)生以及調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制需求，基于FPGA的直接數(shù)字合成技術(shù)（Direct Digital Synthesize，DDS）應(yīng)運而生。采用FPGA實現(xiàn)DDS技術(shù)方便靈活，借助其較高的頻率轉(zhuǎn)換速度，強大的可編程邏輯實現(xiàn)功能，雷達/誘餌信號模擬系統(tǒng)可通過控制DDS的頻率碼及調(diào)制工作方式，產(chǎn)生靈活多樣的雷達、誘餌調(diào)制樣式組合。

DDS的原理圖如圖3所示，主要由相位累加器、波形存儲器（ROM）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以及低通濾波器（LPF）等部分組成，并在同一個參考時鐘的觸發(fā)下同步工作。其基本工作過程為：相位累加器根據(jù)輸入的頻率控制字進行循環(huán)累加，在時鐘的作用下進行相位累加，當相位累加器累加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作；ROM主要完成信號的相位序列到幅度序列的轉(zhuǎn)化；DAC將已合成的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，LPF濾除高頻成分，恢復(fù)所要的波形。

圖3 DDS的原理示意圖

4 信號仿真實例

對典型的交替導(dǎo)前方式下雷達與誘餌信號時序進行仿真實現(xiàn)。仿真時，采用的FPGA為Xilinx ZYNQ UltraScale+RFSoC ZU27DR，并具有4個14位、采樣率最高支持6.4 GSPS的DAC。雷達信號波形參數(shù)選擇為脈寬12 μs、重復(fù)間隔512 μs、線性調(diào)頻帶寬為5 MHz、中心頻率為3.8 GHz，誘餌與雷達信號波形相同，時序關(guān)系如圖1所示，開發(fā)環(huán)境為Vivado 2018.3。

被保護雷達及三路誘餌的IQ正交線性調(diào)頻信號仿真結(jié)果如圖4所示，實驗現(xiàn)場及示波器測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 FPGA功能仿真結(jié)果

圖5 實驗現(xiàn)場及示波器測試結(jié)果

實驗結(jié)果表明，利用FPGA能夠準確模擬實現(xiàn)雷達和誘餌信號的相對時序關(guān)系，并且參數(shù)重構(gòu)靈活、實現(xiàn)便捷，實驗時生成的為射頻信號，可通過射頻仿真試驗系統(tǒng)天線陣列輻射至微波暗室內(nèi)的反輻射導(dǎo)引頭處，完成對導(dǎo)引頭的誘偏效果檢驗。

5 結(jié) 語

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA集成度越來越高，性能也越來越先進，基于FPGA的數(shù)字化信號產(chǎn)生技術(shù)得到廣泛運用。將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于射頻半實物仿真信號環(huán)境構(gòu)建，有利于克服傳統(tǒng)模擬器件使用方式受限、難以升級擴展的缺陷，充分發(fā)揮數(shù)字化帶來的靈活性好、可重構(gòu)性強的優(yōu)勢，可根據(jù)實際需要隨時模擬不同的雷達和誘餌信號時序，驗證不同誘偏策略對反輻射導(dǎo)彈的誘偏效果。