EW接收機(jī)面臨的信號(hào)環(huán)境 現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境更加復(fù)雜,除了傳統(tǒng)的雷達(dá)和通信設(shè)備越來(lái)越多,而隨著無(wú)人機(jī)、巡飛彈、各類誘餌的廣泛使用,電磁環(huán)境更加擁擠重疊,電子戰(zhàn)(EW)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中尤為重要的敵我對(duì)抗手段,電子對(duì)抗包括雷達(dá)對(duì)抗、通信對(duì)抗和光電對(duì)抗,由于雷達(dá)對(duì)抗的威脅等級(jí)高,實(shí)時(shí)性要求強(qiáng),我們這里以討論雷達(dá)對(duì)抗為主,以下討論的EW接收機(jī)內(nèi)容,我們暫且默認(rèn)為雷達(dá)對(duì)抗接收機(jī)。 EW接收機(jī)是用來(lái)截獲雷達(dá)信號(hào)的,EW接收機(jī)接收到的雷達(dá)脈沖密度可能達(dá)到幾百萬(wàn)/秒,這個(gè)大大增加了對(duì)EW接收機(jī)的能力要求?;鹂乩走_(dá)信號(hào)是EW接收機(jī)工作的主要目標(biāo)之一,還有比如末制導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)等,這些信號(hào)大部分是射頻脈沖信號(hào),一般采用線性調(diào)頻(chirp)脈沖壓縮方式或者其他的脈沖壓縮方式。射頻頻率范圍大致在2GHz-100GHz,但是最常用的頻段范圍是2GHz-18GHz以及33GHz-37GHz,現(xiàn)在也有用在更高頻段的末制導(dǎo)雷達(dá)。脈沖的脈寬一般在幾十納秒到幾百微秒,為了能夠進(jìn)行低空觀測(cè)和火力制導(dǎo),也有雷達(dá)采用連續(xù)波CW。脈沖重復(fù)頻率PRF(或者脈沖重復(fù)間隔)是脈沖雷達(dá)最重要的參數(shù)之一。 EW接收機(jī)的功能和趨勢(shì) 對(duì)于EW接收機(jī)來(lái)說,實(shí)時(shí)輸出令人滿意的PDW(脈沖描述字)是其追求的目標(biāo),也就是EW接收機(jī)通過天線接收到了復(fù)雜電磁環(huán)境中的各種信號(hào),然后實(shí)時(shí)輸出PDW,EW處理機(jī)把PDW去交織進(jìn)行脈沖分選,給出分選結(jié)果再進(jìn)行下一步?jīng)Q策,比如對(duì)特定雷達(dá)進(jìn)行干擾。接收機(jī)所產(chǎn)生的PDW包含了每個(gè)脈沖的頻率RF、入射方向和到達(dá)角AOA、脈沖寬度PW、脈沖幅度PA和到達(dá)時(shí)間TOA等。隨著電磁環(huán)境的越來(lái)越復(fù)雜,作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的瞬息萬(wàn)變,對(duì)EW接收機(jī)的性能提出了新的挑戰(zhàn):
EW接收機(jī)的測(cè)試需求和測(cè)試挑戰(zhàn) EW接收機(jī)常規(guī)測(cè)試。 EW接收機(jī)的性能測(cè)試是當(dāng)前面臨的研究瓶頸之一,當(dāng)前EW接收機(jī)都采用數(shù)字接收機(jī),包括單比特接收機(jī)、數(shù)字信道化接收機(jī)等,這些接收機(jī)都采用ADC采樣后進(jìn)行信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)前沒有像EMC一樣的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),EW接收機(jī)性能測(cè)試沒有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),基于此,跟研發(fā)人員在改進(jìn)接收機(jī)性能的時(shí)候帶來(lái)困惑,如果不能給出定量的測(cè)試結(jié)果,性能改進(jìn)就無(wú)法給研發(fā)人員足夠的信心。比如一部會(huì)丟失脈沖或者產(chǎn)生大量虛假響應(yīng)的接收機(jī),他的其他指標(biāo)再好,也無(wú)法使用。 當(dāng)前EW接收機(jī)的測(cè)試分為實(shí)驗(yàn)室分項(xiàng)測(cè)試、暗室測(cè)試以及環(huán)境模擬測(cè)試和外場(chǎng)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室需要進(jìn)行常規(guī)的指標(biāo)性測(cè)試: 單信號(hào)測(cè)試
雙信號(hào)測(cè)試
EW接收機(jī)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),通過信號(hào)源輸入RF信號(hào),而輸出的是PDW,通常需要2個(gè)帶脈沖調(diào)制的信號(hào)源,并在輸出端有頻譜儀、功率計(jì)、示波器進(jìn)行檢測(cè),即便如此,也無(wú)法實(shí)現(xiàn)全脈沖全參數(shù)的測(cè)試,因?yàn)橥ㄓ脺y(cè)試測(cè)量?jī)x器是為穩(wěn)態(tài)信號(hào)而設(shè)計(jì)的,無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量。所以對(duì)EW接收機(jī)來(lái)說真正的測(cè)試挑戰(zhàn)是如何模擬真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,在復(fù)雜電磁環(huán)境的背景下驗(yàn)證接收機(jī)性能。 EW接收機(jī)的測(cè)試挑戰(zhàn) 可以說模擬真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境是驗(yàn)證接收機(jī)性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)。這樣才能得到接收機(jī)在高密度、實(shí)時(shí)多變的環(huán)境下的適應(yīng)性。這需要模擬一個(gè)包含多部雷達(dá)信號(hào)的高密度環(huán)境,還需要模擬真實(shí)的雷達(dá)天線方向圖以及掃描速度。這就要求信號(hào)源同時(shí)產(chǎn)生數(shù)百部雷達(dá)的波束,但是用數(shù)百個(gè)信號(hào)源來(lái)模擬所有的波束是不現(xiàn)實(shí)的,即使買的起這么多信號(hào)源,也很難把他們合成到一個(gè)輸出而不產(chǎn)生顯著的功率損失和失真。在 EW 設(shè)計(jì)中,由于環(huán)境的密度和頻率范圍,使用單個(gè)傳統(tǒng)信號(hào)源(如基于分?jǐn)?shù) N 合成的信號(hào)源)或甚至少量此類信號(hào)源來(lái)模擬多個(gè)發(fā)射器是不切實(shí)際的,因?yàn)樗鼈儫o(wú)法足夠快地改變?cè)O(shè)置。要產(chǎn)生高密度信號(hào),就必須能夠用一個(gè)信號(hào)源模擬多個(gè)發(fā)射器。如果需要產(chǎn)生更大的信號(hào)密度、或模擬 AoA 時(shí),解決方案是利用并同步多個(gè)信號(hào)源,每個(gè)信號(hào)源都能模擬多個(gè)發(fā)射器。在多個(gè)頻率上模擬多個(gè)發(fā)射器的能力取決于幾個(gè)關(guān)鍵屬性:脈沖重復(fù)頻率(PRF)和占空比;發(fā)射器的數(shù)量;以及信號(hào)源快速、連貫地切換頻率、振幅和調(diào)制設(shè)置的能力。 我們把能對(duì)逐個(gè)脈沖都可以快速捷變頻率、幅度、脈寬等,并能以流水方式按照PDW流產(chǎn)生實(shí)時(shí)變化的信號(hào)場(chǎng)景的信號(hào)源,稱作為捷變頻實(shí)時(shí)信號(hào)源。 驗(yàn)證EW接收機(jī)的實(shí)時(shí)性。 傳統(tǒng)的信號(hào)源或者信號(hào)發(fā)生器輸入的脈沖類型基本是固定的,而模擬真實(shí)的環(huán)境是需要同時(shí)模擬上百部雷達(dá)的脈沖形式,而且這些脈沖有機(jī)會(huì)同時(shí)到達(dá),這些脈沖之間是有時(shí)序關(guān)系的,這些脈沖像水流一樣流入接收機(jī),期望EW接收機(jī)能像水流一樣輸出PDW,這就需要信號(hào)源能以PDW的方式產(chǎn)生脈沖環(huán)境,也就是說,我需要信號(hào)源具有對(duì)PDW進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯和實(shí)時(shí)產(chǎn)生的能力,就像是接收機(jī)的鏡像,我們把有這中能力的信號(hào)源稱為實(shí)時(shí)信號(hào)源。 EW接收機(jī)應(yīng)對(duì)捷變信號(hào)的能力。 信號(hào)的捷變包括頻率捷變和功率捷變。信號(hào)的捷變可能是因?yàn)榇嬖诮葑冾l雷達(dá),這種雷達(dá)信號(hào)本身就是頻率捷變的,而不同的雷達(dá)在接收機(jī)輸入端注入的時(shí)候,可能脈沖和脈沖之間的頻率差別非常的大,比如從C頻段5GHz直接跳到了Ku頻段17GHz,這之間有12GHz的頻率差,EW接收機(jī)所面臨的帶寬非常寬,為了能首先把寬開的電磁環(huán)境全都能截獲到,需要用到瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)(IFM),比如單比特接收機(jī)UBR200B,該接收機(jī)可以提供瞬時(shí)16GHz的帶寬。為了驗(yàn)證接收機(jī)應(yīng)對(duì)捷變的能力,需要捷變頻實(shí)時(shí)信號(hào)源提供頻率捷變和功率捷變的能力。 多信號(hào)同時(shí)到達(dá)的處理能力。 多信號(hào)同時(shí)到達(dá)是EW接收機(jī)必須有的能力。要驗(yàn)證這個(gè)能力,就需要實(shí)時(shí)信號(hào)源可以方便的編輯多個(gè)脈沖同時(shí)到達(dá)的功能,來(lái)驗(yàn)證接收機(jī)的性能。 EW信號(hào)處理機(jī)的信號(hào)分選能力。 EW處理機(jī)是對(duì)截獲的脈沖串進(jìn)行分選處理,對(duì)不同雷達(dá)發(fā)射的脈沖進(jìn)行聚類,以分選出單部雷達(dá)的脈沖串, 產(chǎn)生單部雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期(PRI)數(shù)據(jù)、識(shí)別雷達(dá)個(gè)體、跟蹤和重訪問。如果確定為威脅信號(hào),就進(jìn)行干擾。分選能力是能夠正確對(duì)威脅雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和干擾的基礎(chǔ),分選技術(shù)一直在進(jìn)步,但是仍然無(wú)法完全滿足當(dāng)前的復(fù)雜電磁環(huán)境的不斷變化,尤其是脈沖密度更大,多信號(hào)同時(shí)到達(dá)的處理等等,所以對(duì)EW處理機(jī)的能力測(cè)試,需要實(shí)時(shí)信號(hào)源產(chǎn)生高密度、復(fù)雜的雷達(dá)脈沖信號(hào)流,并能跟分選的結(jié)果進(jìn)行比對(duì),這樣才能增強(qiáng)對(duì)處理機(jī)能力的信心。 利用捷變頻實(shí)時(shí)信號(hào)源提升EW接收機(jī)的性能 捷變頻 圖 1 實(shí)時(shí)信號(hào)源WSA100A 實(shí)時(shí)信號(hào)源WSA100A是威頻科技開發(fā)的一臺(tái)基于電子戰(zhàn)需求的信號(hào)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的通用儀表型信號(hào)源,可以以PDW流的方式實(shí)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的電子戰(zhàn)電磁環(huán)境,頻率范圍可以覆蓋10M-44GHz,能夠定義每一個(gè)脈沖的頻率、脈寬、ToA、幅度等信息,有非常強(qiáng)的捷變(agile)能力。捷變實(shí)時(shí)信號(hào)源WSA100A支持脈沖描述字的直控,可以根據(jù)脈沖描述字信息實(shí)時(shí)產(chǎn)生射頻脈沖信號(hào)。 WSA100A實(shí)時(shí)信號(hào)源主要技術(shù)指標(biāo)如下:
實(shí)時(shí)信號(hào)源WSA100A支持產(chǎn)生多種雷達(dá)信號(hào)體制,包含以下類型:
4.1 驗(yàn)證EW接收機(jī)的實(shí)時(shí)性測(cè)試方法 EW接收機(jī)是輸出PDW,真實(shí)的環(huán)境是需要同時(shí)模擬上百部雷達(dá)的脈沖形式,而且這些脈沖有機(jī)會(huì)同時(shí)到達(dá),脈沖之間是有時(shí)序關(guān)系的,這些脈沖像水流一樣流入接收機(jī),期望EW接收機(jī)能像水流一樣輸出PDW,這是EW接收機(jī)的實(shí)時(shí)能力,WSA100A實(shí)時(shí)信號(hào)源能以PDW的方式實(shí)時(shí)產(chǎn)生脈沖環(huán)境,信號(hào)源具有對(duì)PDW進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯和實(shí)時(shí)產(chǎn)生的能力, 信號(hào)源實(shí)時(shí)WSA100A支持PDW文件和實(shí)時(shí)PDW流兩種模式。在PDW文件模式下,WSA100A會(huì)讀取PDW文件中的脈沖描述字信息計(jì)算產(chǎn)生射頻脈沖信號(hào)。在實(shí)時(shí)PDW流模式下,捷變頻信號(hào)源WSA100A通過快速控制接口(FCP)接收PDW信息,再實(shí)時(shí)產(chǎn)生射頻脈沖信號(hào)。為了模擬脈沖同時(shí)到達(dá)的情況,可多臺(tái)WSA100A同步產(chǎn)生更高密度的電磁環(huán)境,并能精確模擬脈沖同時(shí)到達(dá)的情況。 圖2 多臺(tái)信號(hào)源同步模擬高密度脈沖流和脈沖同時(shí)到達(dá) 4.2 高密度復(fù)雜多變的信號(hào)環(huán)境下的能力測(cè)試方法 利用PDW文件模式產(chǎn)生信號(hào)流具有操作簡(jiǎn)單、信號(hào)可循環(huán)播放、場(chǎng)景可多次復(fù)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時(shí)PDW流模式具有靈活、實(shí)時(shí)、可模擬超長(zhǎng)時(shí)間的場(chǎng)景、可實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)模擬等優(yōu)點(diǎn),這是能夠產(chǎn)生高密度脈沖環(huán)境非常有效的方式,每個(gè)脈沖都可以獨(dú)立用PDW描述,產(chǎn)生的的脈沖可以具有不同的載頻、ToA等,這就實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多變的信號(hào)環(huán)境產(chǎn)生。傳統(tǒng)的任意波發(fā)生器AWG和矢量信號(hào)源通常使用同相/正交(I/Q)表示法,因?yàn)樗梢杂行У禺a(chǎn)生幾乎任何類型的信號(hào)或調(diào)制。相比之下,PDW 則針對(duì)脈沖信號(hào)和有限類型的調(diào)制(如Chirp,相位編碼)進(jìn)行了優(yōu)化。關(guān)鍵區(qū)別在于每種方法在應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)模擬復(fù)雜信號(hào)環(huán)境時(shí),不同方法所需的內(nèi)存量不同,以PDW的方式是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)產(chǎn)生最有效的方式,完美的解決了EW接收機(jī)測(cè)試的實(shí)時(shí)性和瞬態(tài)多變的測(cè)試要求。 考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的雷達(dá)場(chǎng)景,在 5 GHz 帶寬上產(chǎn)生 5 秒鐘的脈沖射頻信號(hào)在 5 GHz 帶寬上產(chǎn)生 5 秒鐘的脈沖射頻信號(hào),密度為每秒 10,000 個(gè)脈沖。如表 1 所示,PDW 方法生成這一場(chǎng)景所需的內(nèi)存減少了 60,000 倍。當(dāng)然,巧妙地使用序列模式或DDS能使 I/Q 方法更節(jié)省內(nèi)存,同樣,序列模式也會(huì)使 PDW 方法更加高效??偟膩?lái)說,雷達(dá)對(duì)抗場(chǎng)景采用PDW的方式產(chǎn)生信號(hào),能實(shí)現(xiàn)更實(shí)時(shí)更靈活的產(chǎn)生復(fù)雜環(huán)境,可以在更少的內(nèi)存中創(chuàng)建更長(zhǎng)的威脅場(chǎng)景,以達(dá)到實(shí)時(shí)產(chǎn)生信號(hào)的能力,也更符合EW接收機(jī)的測(cè)試要求。 表 1.在簡(jiǎn)單雷達(dá)場(chǎng)景下,比較 I/Q 或 PDW 所需的總內(nèi)存 4.3 EW接收機(jī)捷變信號(hào)截獲能力測(cè)試方法 EW接收機(jī)面臨的環(huán)境信號(hào)復(fù)雜,為了準(zhǔn)確模擬雷達(dá)威脅和目標(biāo),需要一種能夠在200ns的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)切換頻率和穩(wěn)定振幅的捷變信號(hào)發(fā)源。在不同頻率下切換頻率和穩(wěn)定振幅,WSA100A捷變實(shí)時(shí)信號(hào)源可以完美的滿足測(cè)試要求, WSA100A 捷變實(shí)時(shí)信號(hào)源能夠快速調(diào)頻,切換時(shí)間小于180ns,并具有相參性和可重復(fù)性,和傳統(tǒng)的矢量信號(hào)源不同,捷變實(shí)時(shí)信號(hào)源可以在10M-44G的范圍內(nèi)任意頻率捷變,因此是在的整個(gè) 44GHz 范圍內(nèi)有效模擬復(fù)雜威脅環(huán)境的理想信號(hào)源。如果模擬不同頻率的多個(gè)脈沖多普勒雷達(dá),同時(shí)在信號(hào)源從一個(gè)雷達(dá)脈沖頻率跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)雷達(dá)脈沖頻率時(shí),保持原始相位,可以具有數(shù)千個(gè)雷達(dá)威脅和每秒數(shù)百萬(wàn)個(gè)具有獨(dú)特天線掃描的脈沖的 EW 場(chǎng)景。 4.4 EW處理機(jī)的信號(hào)分選能力測(cè)試方法 逼真的威脅電磁環(huán)境,是驗(yàn)證EW信號(hào)處理機(jī)脈沖分選能力的重要條件。這要求模擬產(chǎn)生高密度、多體制的信號(hào)環(huán)境,不但能精確模擬出真實(shí)多雷達(dá)信號(hào),還要在連續(xù)脈沖串信號(hào)中體現(xiàn)多部雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的特點(diǎn),要和真實(shí) EW 場(chǎng)景的幾何形狀和運(yùn)動(dòng)學(xué)相匹配,這一點(diǎn)很重要,所以不是僅僅是研制具有所需保真度和密度的模擬器就可以了。這一點(diǎn)之所以重要,其中部分原因是一些干擾系統(tǒng)使用了有源相控陣(AESA)。AESA技術(shù),能夠精確形成波束,最大限度地減少因波束向威脅擴(kuò)散而造成的干擾功率損失,這就要求模擬器能夠精確控制相位等信息。在捷變實(shí)時(shí)信號(hào)源模擬威脅環(huán)境到時(shí)候,可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)以數(shù)字方式控制頻率和相位的極度微調(diào)。時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)頻率和相位進(jìn)行數(shù)字控制,使用數(shù)字調(diào)制器進(jìn)行幅度、頻率和相位調(diào)制的 DDS 可以在數(shù)控振蕩器中實(shí)時(shí)產(chǎn)生不同的脈沖信號(hào)。其次,能提供快速捷變并具有模擬脈沖所需的相位連續(xù)性和相位可重復(fù)性的能力,以模擬不同頻率的脈沖多普勒雷達(dá),同時(shí)保持其原始相位關(guān)系。這都保證了產(chǎn)生逼真的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。另外實(shí)時(shí)信號(hào)源可以回放單比特接收機(jī)UBR200B采集記錄外場(chǎng)的PDW,組成一個(gè)基于PDW的信號(hào)采集回放系統(tǒng),高效逼真的進(jìn)行環(huán)境產(chǎn)生。UBR200B是基于Monobit-FFT算法研發(fā)的一款單比特超寬帶數(shù)字接收機(jī),可以用于寬帶瞬時(shí)測(cè)頻,也可以用于復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和PDW實(shí)時(shí)記錄,可以更逼真的還原真實(shí)電磁環(huán)境。這些能力確保對(duì)EW處理機(jī)的脈沖分選能力更有信心。 圖3 進(jìn)行PDW錄取的單比特接收機(jī)UBR200B 這些雷達(dá)環(huán)境產(chǎn)生方式,提供了逼真模擬電磁環(huán)境的條件。同時(shí)能把輸入的PDW而產(chǎn)生的信號(hào)和EW處理機(jī)分選的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,來(lái)驗(yàn)證處理機(jī)分選能力。 |
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