多功能电子靶标的相关研究(一)

四创微波2021-11-21 15:34:18

  电子战靶场是和平时期的电子作战战场,也是和平时期检验和提高电子战综合实力的关键,其最主要的试验任务就是在近于实战的作战电磁环境下检验电子战装备的作战效能和作战使用性,对电子战装备进行试验与鉴定,同时可用于电子战的作战战术研究和电子战指战员的训练。

  随着现代战争中电子对抗日趋激烈,对武器装备的抗干扰能力要求也越来越高,如何有效的提高国内武器装备的抗干扰技术水平显得尤为重要。由于外场试验模拟战场环境的可信度和逼真度高,武器系统最终的性能检验要在外场复杂的电磁环境试验中进行,所以说提升武器系统在复杂电磁环境下的生存能力,改善武器系统在复杂环境下的探测能力迫在眉睫。

  目前的靶标系统主要用于武器系统的定型试验,靶标系统功能单一。本文介绍的多功能雷达靶标系统,不仅能用于武器系统的靶场定型试验,而且兼顾用于靶场复杂电磁环境模拟,为电子战靶场提供一定频谱和调制样式的电磁波辐射源。多功能雷达靶标系统在合理布站后能达到在时域上信号持续不断、变化难测,具备动态性;频域上密集重叠;空域上纵横交错;能量域上密度不均,具有对抗性的特点。多功能靶标系统针对特定被试武器装备的专用对抗性设备建设需要,具备与欺骗源、噪声源、诱饵源等设备对接的接口。

  本文论述了多功能雷达靶标系统的设计和功能拓展能力。多功能雷达靶标系统研究的主要内容包括以下几个方面:逼真的基带信号模拟系统(产生线性调频,非线性调频,相位编码,重频抖动,频率捷变,频率分集等多种雷达信号样式,具备多部雷达信号的分时合成能力)、变频与频综系统(将基带信号变频至1GHz~18GHz,完成系统的宽频带覆盖)、显示与控制系统(完成多功能靶标系统的远程组网与控制显示功能)、伺服系统、天线系统(完成天线的高旁瓣增益功能)、发射系统、软件系统(完成对雷达参数的设定、雷达信号的更新,雷达信号的加载和卸载、系统的监测与录取,试验参数、过程、工作状态记录的功能)。通过多功能雷达靶标系统再现逼真的战场环境,完成对被试武器系统及被试电子战设备的性能分析试验。

  多功能靶标系统的研制优先考虑对空军和火箭军突防作战中威胁最大的三类雷达,包括地面三坐标远程对空搜索雷达、近程防空雷达和导弹制导雷达。在频段覆盖的条件下,利用数字控制和软件无线电技术可灵活控制的特点,在同频段内也可兼顾模拟其他型号的雷达目标信号。多功能靶标系统主要功能如下:

a)作为被试武器系统实装打靶的靶标进行打击效果评估。此时设备较逼真地模拟特定雷达的信号形式及战术使用方式,为被试武器系统攻击提供目标。该使用方式可评估被试武器系统的打击效果,检验其作战效能。

b)用于被试武器系统训练及战法研究。机载被试武器系统发射前需要满足一定的条件,这为战术对抗提供了条件。多功能靶标系统同其他辐射源及干扰设备配套使用,为被试武器系统提供一个训练和战法研究的逼真信号环境,为被试武器系统在复杂威胁信号环境中战法研究提供了手段。

c)构建复杂电磁环境。多功能靶标系统既可以逼真模拟敌重点雷达信号波形及空间扫描特性,又可以模拟其它雷达信号环境和千扰信号环境,构成复杂的电磁背景信号环境,为我电子对抗侦察、测向及定位装备提供动态的训练和试验环境。

功能靶标系统时域频域分析

  多功能雷达靶标系统需要模拟的雷达主要包括两类:机械扫描雷达和相控阵体制雷达。对于机扫雷达,可以通过伺服子系统模拟天线扫描特性,由信号产生子系统模拟雷达的发射波形特性。对于相扫雷达,由于天线的扫描特性和发射波形特性都比较复杂,下面重点讨论如何逼真地模拟相控阵雷达的工作波形和工作特性。

    多功能相控阵雷达工作时,根据目标的远近有多种脉冲序列的信号,可以单独使用,也可交替变换组合使用,这些脉冲序列的载频可以是单载频,也可以进行脉间或脉组间频率捷变,在每一脉冲内的调制方式可以采用单载频、线性调频信号或相位编码调制信号。对应不同空域的目标,雷达可以调用不同的脉冲序列,根据相控阵雷达的工作特点,其信号波形需要在时域、频域和空域上分别模拟。

多功能靶标系统时域模拟

    相控阵雷达工作在边扫描边跟踪模式时,工作波形与目标的空域有关,一般情况下,雷达将搜索空间分为低空区、中程区、远空区和高远角区,不同的区域威胁等级不同,雷达采用的波形也不同。低空区的威胁等级最高,采用的波形一般为多脉冲积累;其它区域采用单脉冲方式。

    由于部分被试武器系统在试验过程中,不能传递GPS位置数据,因此雷达靶标就无法根据目标的距离和位置信息,改变它的工作状态和工作波形。在雷达波形设计时,使脉宽范围、重频范围和频率捷变范围涵盖雷达可能的变化范围,这样多功能雷达靶标工作时,可以设定几种工作波形,通过定时器进行切换。多功能雷达靶标系统的时域波形参数范围如下:

a)脉宽范围:1-}-100 a s;

b)重频范围:100Hz-V l OkHz;

c)一次波束调度脉冲数量:1^}4;

d)脉冲间隔:可变(小于波束调度时间)

相控阵雷达时域波形图如下:

 

相控阵雷达时域波形图 

  相控阵雷达系统产生的信号主要是脉冲体制。通常以每秒λ个脉冲(pps)来描述雷达信号环境的复杂性,并用泊松分布来描述雷达脉冲的规律。即假定雷达脉冲宽度为T时,有k个脉冲重叠的概率为:

 

    本系统中假定λ对于不同的脉冲宽度10万脉冲/,即多功能雷达靶标产生的雷达信号密度为10万脉冲/秒,可以计算出雷达脉冲在时域上分布的情况:

 

  由上表可见,当雷达脉冲为lµs时,大约在90%的时间无信号。单个信号出现概率约为9%。两个及两个以上信号同时出现的概率不到千分之五。

 

多功能靶标系统频域模拟

相控阵雷达信号的频域特征包括以下几种。

a)线性调频信号模拟:通过控制DDS模块产生系统所需的线性调频信号,信号的调制带宽和调制规律均可以根据用户的要求改变。根据国内外常用雷达的特征,本系统设计的线性调频信号带宽范围为1 ~400MHz

b)频率捷变信号模拟:一般情况下,雷达系统的最大捷变频带宽为400MHza在该频段内设有间隔为1MHz400个固定频率点。系统工作时,根据频率捷变规律实时计算频率值,控制DDS模块产生所需的雷达信号,频率分布图如下:

 

c)相位编码信号:通过FPGA电路产生码元宽度和码形均可变的二相码调制信号,控制DDS模块产生基带相位编码信号,再由微波变频电路实现1 ~ 18GHz的相位编码信号。

2. 3多功能雷达靶标系统组成

    多功能雷达靶标系统由一套控制系统、多套信号产生系统、多套通讯系统及多套辐射源组成。

    系统按功能模块划分主要包括天馈线、发射、伺服、变频与频综、信号产生、软件、显示与控制,另外还包括了相应的对外接口电路。系统组成框图如下图所示。

 

 

多功能雷达靶标系统的工作原理

  多功能雷达靶标系统各部分的主要功能:

  天线由多个频段的天线组成,可配置两种类型天线:一种类型是用于L, S, C频段的抛物面天线,通过伺服控制具有扇扫、圆扫等多种扫描方式,用于完成L, S,C频段脉冲雷达信号的旁瓣模拟;另一种类型是用于X, Ku频段的双弯曲赋形反射面天线,同样具有扇扫、圆扫等方式,用于完成X, Ku频段脉冲雷达信号的主瓣模拟。馈线由大功率环形器、定向祸合器、大功率铰连和波导组成,将发射机输出的信号传输到天线,同时对馈线内的传输功率和反射功率进行监测。

  发射为高功率放大设备,对输入激励信号进行放大,输出满足要求的大功率信号。同时,控保电路实时监控发射机的工作状态,并将数据传送到计算机显示。

  信号产生不仅能模拟特定体制的雷达信号,而且能模拟多部以上的雷达环境信号(在满足发射机占空比要求的前提下),包括常规、频率捷变(脉间捷变、脉组捷变)、频率分集、脉冲压缩(线性调频、非线性调频、相位编码)、重频抖动、重频参差等体制雷达信号,用于检验被试武器系统的信号接收能力。为了能模拟频率分集信号、非线性调频信号和多相码调制信号,系统中设置了独立的高速D/A通道,可模拟上述特殊体制的雷达信号,同时该通道也可以模拟常规体制雷达信号,作为DDS通道的备份信号。

  软件系统是整个系统的控制和操作中心,设置和下载试验需要的雷达信号参数,控制信号产生系统、伺服和发射工作,并对试验参数进行录取、保存和显示。

  显示与控制完成系统控制、显示、监视功能,对各子系统的状态进行监视,并将监控信息、设备监视图像等实时显示和存储。

  下图为其中一个频段的工作原理框图。

 

系统工作方式

常规靶标工作方式

    本系统有多路独立的信号产生电路,频率范围可覆盖多个波段,每个波段含有两个信号产生电路,具备互溶能力。多功能雷达靶标系统主要用于被试武器系统的靶场定型试验,此时系统主要采用单部雷达模拟器方式。

单部雷达模拟器工作方式

    战场环境所需的时域特性主要通过基带信号产生的多雷达信号合成实现。由一路信号产生电路输出激励信号,送高功率发射机,模拟单部雷达的工作波形和工作方式,工作波形可以是常规体制和特殊体制,也可以是多部雷达信号的合成,下图为多部雷达信号的合成时序图。

 

雷达脉冲合成时序图

可扩展的工作方式

    结合系统目前己有的设备量及部分预留的接口,重新进行系统配置或部分功能扩充的情况下,可生成以下几种工作方式。

一部雷达模拟器加多路诱饵方式

    多功能雷达靶标系统配置了相参信号源接口,可以组成一个标准的雷达模拟器和多个诱偏源系统。主控计算机通过控制多路诱饵信号的相位、延时量等相关参数,实现对被试武器的诱偏功能。

    多功能雷达靶标系统在工作过程中主瓣/副瓣雷达模拟辐射源(主站)信号完全相参,诱饵站间信号可相参和不相参,主站信号和诱饵站信号可相参和不相参。在相参与非相参诱偏系统两种工作模式的实现中,非相参实现较为简单。而相参则要求诱偏系统自身保持相参辐射能力,或必须与雷达主瓣/副瓣信号保持相参辐射能力,对于具有快速捷变特性的电扫雷达信号辐射的保护,诱偏系统采用了统一基准源生成相同信号的方案,基准源和波形数据采用光纤射频信号传输方式,诱饵信号可对雷达信号进行可靠的复现,并实现保护覆盖,具体实现技术如下图所示。

 

    多功能雷达靶标系统选用二个基准源,当基准源选择一个100MHz时钟时,则系统是全相参的;当基准源选择不同的100MHz时钟时,则雷达主站和诱饵站不相参。诱饵站可以用相参源(即主站雷达信号源2,信号可展宽覆盖雷达主/副瓣信号),也可以用自身独立的诱饵站信号源。

    采用诱偏系统的目的就是要破坏被试武器系统的正常测角能力,途径之一就是在地理位置上使诱饵与雷达拉开一定距离,并使多个辐射源(包括诱饵)的信号进入被试武器系统接收装置后形成一个虚幻的等效假目标,致使被试武器系统沿着这个假目标进行导引攻击,而最终不能击毁雷达靶标或地面任何一个辐射源(诱饵)

    为保证各模拟器发射信号能同时到达被试武器接收机位置,需引入导前脉冲,通过对四路模拟器导前脉冲的延迟控制,控制发射脉冲的时差。导前脉冲时差控制首先根据理论航迹推算出入射角,然后根据模拟器位置、各模拟器延迟时间、被试武器发射时间计算出四个模拟器相对时差,系统根据测控网下传被试武器位置信息进行修正。