1　引言

    小型化和集成化已成为现代电子系统越来越重要的发展方向,雷达侦察干扰系统也是如此。近年来,现代电子战的雷达越来越多地采用相控阵体制,而相控阵应用于雷达侦察干扰机时也能得到与雷达相同的灵活性,且能显著提高对雷达的干扰功率。但相控阵的实现需要多通道收发架构,动辄数十上百个通道。收发天线和数据链路的增加使相控阵体制的雷达侦察干扰机体积和重量增大,在机载、弹载等空间有限的场景下应用困难,这对雷达侦察干扰设备小型化和集成化提出了更高的要求[1-3] 。

    芯片级宽带收发器的发展使得相控阵体制的雷达侦察干扰机在机载、弹载等对空间和重量有限制的场景下能够实际应用。朱童等人[4] 基于AD9361 芯片设计了一种弹载一体化射频前端。使用了射频芯片AD9361 配合低噪放和功放的架构,相比传统体制的射频前端体积更小,具有高灵敏度、低功耗、高集成度的优点。电子科技大学的廖鹏[5] 设计了一套基于射频收发器AD9371 的数字波束成形(Digital Beam Forming,DBF) 收发机硬件电路,在信噪比、无杂散动态范围、EVM、相频一致性等一系列指标上均能满足相控阵设计要求,相比传统相控阵减小了系统的体积与功耗。

    ADRV9009 作为目前最新芯片级的宽带收发器,满足小型化的需求,且具有当前市场上最大的带宽和75 MHz~6 GHz 的频率调谐范围,可很好地实现传统雷达侦察干扰设备中射频微波部分的功能,具有低功耗、低成本和良好通用性的特点。本文利用Xilinx 公司的ZC706 评估板和ADI 公司的ADRV9009-W/ PCBZ 评估板进行联合设计,实现对雷达信号的脉冲描述字(Pulse DescriptionWord,PDW)提取功能以及多假目标欺骗干扰、密集压制干扰和噪声调制干扰三种干扰样式。验证雷达侦察干扰系统在此架构上的可行性,实现板级的雷达侦察干扰一体化系统,为基于该射频芯片的小型化相控阵雷达侦察干扰系统设计提供借鉴。

2　总体方案

　　硬件平台功能框图如图1 所示, 由ADRV9009和ZYNQ 平台ZC706 构成。ZC706 的可编程逻辑(Programmable Logic,PL)端作为基带数据处理模块,接收来自射频模块的基带数字信号,产生基带数字干扰信号。ARM 处理器部分(ProcessingSystem,PS)完成对射频模块平台的初始化和控制工作,同时能够通过串口与上位机进行通信,完成对射频通道的开关设置,射频模块的本振切换,射频收发的增益控制等功能,具有小型化和高集成度的优点[6] 。

    对于系统的初始化配置主要通过调用ADI公司提供的一系列API 函数实现。该过程在SDK 软件上实现,添加对应的底层函数库之后,按照ADI 官方手册的步骤调用对应的函数即可。

    在完成上述配置后,ADRV9009 射频收发器即可工作在收发通路的状态下。本文配置的观测接收通道带宽为450 MHz, 接收通道带宽为200 MHz,发射通道带宽为200 MHz,收发数据率为245. 76 MHz,后续可通过直接调用对应的函数完成对射频收发器的控制。

    ADRV9009 接收到的射频模拟信号转换成基带数字信号,通过JESD204B 协议传输给ZC706,在ZC706 中完成对基带数字信号的处理。利用CORDIC IP 核算得信号幅度和相位,经过相位一阶差分、检波和脉宽、到达时间提取后求得脉冲描述字,可用于后续的分选算法和干扰效果评估。上位机可显示侦测的PDW 参数,控制侦察干扰样式的切换,下发干扰样式选择,生成多假目标欺骗干扰、密集假目标压制干扰或噪声调制干扰,最后由ADRV9009 转换成射频干扰信号。雷达侦察干扰功能实现框图如图2 所示[7-8] 。

3　PDW 及干扰信号产生原理

3. 1　侦察模式下PDW 产生原理

    侦察模式中除了实现对射频雷达信号的侦收外,还需要实现对雷达信号PDW 的提取。用于后续分选算法的PDW 需要包含频率、幅度、带宽、脉宽和脉冲重复周期。干扰机在机载、弹载突防条件下往往面对较大功率的雷达信号,此时对雷达信号频率的提取可直接采用基于坐标旋转数字计算方法(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)的相位一阶差分测频[9] 。ADRV9009 采集的I/ Q 基带数字信号通过CORDIC IP 核,得到信号的瞬时幅度和瞬时相位,解缠绕处理后的瞬时相位通过一阶差分求得瞬时频率,瞬时频率和相位的关系如式(1)所示:

式中:φi 为第i 个样本点的相位值,Ts 为采样周期。由于相位差分测频对于噪声比较敏感,因此通过8 级流水的方法获得高精度的瞬时频率。在每个瞬时相位一阶差分点均取前8 点的均值作为此点的瞬时频率,如式(2)所示:

    信号幅度信息通过数字检波模块生成检波信号,通过对检波信号高电平和低电平的计数即可求得脉宽和脉冲重复周期。在检波信号高电平期间对瞬时频率检索可得脉冲内最大频率和最小频率,作差求得信号带宽。

3. 2　干扰信号产生原理

    本文在干扰模式下针对线性调频雷达信号能生成三种干扰样式,分别是多假目标欺骗干扰、密集假目标压制干扰和噪声调制干扰。当少量转发接收雷达信号时为多假目标欺骗干扰;当转发的假目标数目增多且与假目标间隔较小的时候,能够有效抬高目标雷达的检测门限,此时就形成密集假目标压制干扰;噪声调制干扰则是基于随机噪声与雷达信号乘积产生的干扰,兼具欺骗与压制的效果[10-13] 。

    延时转发叠加的原理是干扰机收到敌方雷达发射的脉冲信号后,对其放大并延迟一定时间后再发射,使雷达接收到一个或多个比该目标真实距离靠后的回波信号。接收线性调频的脉冲雷达信号可用式(3)来表示:

则经过延时叠加后的干扰信号公式可表示为:

    式中:As 是发射信号的幅度,Aj 是干扰信号的幅度,fc 是雷达信号的起始频率,B 是信号带宽,T为雷达信号脉宽,rect( t/T)为矩形信号,τi 为第n个假目标与第一个假目标之间的延时。

    对于多假目标欺骗干扰来说,可根据需要生成的假目标数量选择数据输入口。对多假目标欺骗干扰进行仿真验证,采用延时叠加结构,产生8个假目标,根据式L = τ·c/ 2 可算出在17. 2 km范围内均有假目标,仿真结果如图3 所示。

    对于密集假目标压制干扰来说,需要产生尽可能多的假目标以压制住目标回波信号,抬高雷达接收机的检测门限,降低雷达接收机的检测概率。对密集压制干扰进行仿真验证,采用更多级延时叠加结构,可算出其掩护距离约为20 km,仿真结果如图4 所示。

    电子战中传统噪声干扰方式利用己方远大于对方的干扰功率来覆盖包含敌方侦察频段的方法来产生干扰效果。但这种方式仅能在己方干扰机功率足够大的情况下使用,且不能获得对方侦察接收机的增益。本文用噪声调制干扰的产生方法,用带限噪声与接收到的雷达信号做时域相乘,能够获得部分匹配滤波增益,同时具有欺骗与压制的效果,噪声调制干扰脉压仿真结果如图5 所示。

4　实验测试

4. 1　侦察模式下PDW 提取测试

    在实验室环境下使用安捷伦E4438C 信号源产生LFM 信号,使用Pulse Building 软件进行设置。信号中心频率为320 MHz、带宽10 MHz、脉宽10 μs、脉冲重复周期1 ms,ADRV9009 本振设为300 MHz。对PDW 测量功能进行测试,取500次测量数据的平均值,测试结果如表1 所示。

    从表1 可以看出,通过该宽带收发器接收的雷达信号能够测量出高精度的PDW 数据,完全满足小型化雷达后续分选功能对PDW 精度的需求。

4. 2　干扰信号产生测试

    对系统干扰功能进行测试,干扰样式选择多假目标欺骗干扰时,选择最大三级延迟叠加结构,应当生成8 个假目标。实测多假目标欺骗干扰的ILA 显示和示波器显示如图6 所示。

    `通过把ILA 抓取的数据做脉冲压缩分析,能够更直观地看出干扰效果和干扰掩护距离。多假目标干扰中ADRV9009 时钟为245. 76 MHz,最大延迟点数为28662, 假目标最大间隔应约为116 μs。结合采样率可算得有假目标的距离为17. 4 km,假目标间距约为2. 49 km,其脉压图如图7(a)所示。密集假目标压制干扰根据相关参数可算出掩护距离为21. 4 km,其脉压图如图7(b)所示。

    干扰样式选择噪声调制干扰时,在FPGA 实现中先产生伪随机序列,伪随机数映射到噪声带宽上产生的频率控制字输入DDS IP 核生成随机噪声。设置随机序列产生的随机噪声信号带宽为5 MHz,时长为80 μs,结合采样率可算得噪声调制干扰的掩护距离为12 km,其时域图如图8(a)所示。实测噪声调制干扰的ILA 抓取的数据同样进行脉冲压缩分析,得到其脉压图如图8(b)所示。

    通过对比实测干扰样式的脉压图和仿真干扰样式的脉压图可以看出,多假目标干扰产生8 个清晰的假目标,密集压制干扰生成大量近距离的假目标,对敌方接收雷达形成压制效果,噪声调制干扰兼具假目标欺骗和密集压制效果。实验结果证明该架构能够很好地实现三种干扰信号的产生和发射,验证了干扰系统在该架构下的可行性。

5　结束语

　　本文针对机载、弹载等应用场景,采用ZC706+ADRV9009 架构来实现一种小型化的雷达侦察干扰子系统。介绍了ADRV9009 芯片以及如何完成该芯片的初始化配置,给出对雷达信号进行脉冲描述字提取的方法,说明多假目标干扰、密集压制干扰和噪声调制干扰产生的原理,并对三种干扰样式进行仿真验证。利用该架构实现高精度脉冲描述字的测量以及生成三种干扰样式,对该小型化雷达侦察干扰子系统进行板级验证实测,对比仿真结果可以看出该子系统能够正确产生欺骗压制干扰和噪声调制干扰。实验表明此种架构能够很好地实现雷达侦察干扰功能,相较于传统体制的雷达侦察干扰设备具有体积小和集成度高等优点,能够更好地应用于机载、弹载等场景。

刘俊杰1,郑　沛2,赵忠凯1 (1. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院,哈尔滨 150001;2. 试验物理与计算数学国家级重点实验室,北京 100876)

参考文献:

[ 1 ]　胡威,陶东香. 机载电子战设备的发展趋势[J]. 科技信息,2012(29):138,156.

[ 2 ]　郭宇华,夏正欢,张涛,等. 空间目标小型相控阵雷达探测技术[J]. 航天器环境工程,2021,38(4):446-452.

[ 3 ]　张毅,马兴胜. S 波段射频前端小型化的设计与实现[J]. 太赫兹科学与电子信息学报,2020,18(6):1147-1150.

[ 4 ]　朱童,艾冬生,张景鹏,等. 基于AD9361 芯片的弹载一体化射频前端[J]. 探测与控制学报,2021,43(3):64-69.

[ 5 ]　廖鹏. 数字波束成形的硬件设计与测试[D]. 成都:电子科技大学,2020.

[ 6 ]　李宝鹏,彭志刚,王艳军,等. 基于VST-FPGA 的雷达侦察与干扰系统设计[J]. 电子测量与仪器学报,2020,34(11):181-187.

[ 7 ]　罗勇江,杨腾飞. 基于AD9361 的雷达干扰信号模拟器设计[J]. 实验技术与管理,2020,37(7):105-109.

[ 8 ]　王守权,高伟亮,李宝鹏,等. 一种多功能雷达干扰信号发生设备[J]. 兵器装备工程学报,2021,42(1):44-49.

[ 9 ]　李雷,严玉国,杨宾峰. 二次雷达双门限检测接收机的研究及FPGA 实现[J]. 火力与指挥控制,2019,44(8):141-145.

[10]　姬伟杰,张筱,史巧恒. 航空远距离压制干扰对雷达压制效果仿真分析[J]. 电子信息对抗技术,2021,36(4):83-86,91.

[11]　李宝鹏,彭志刚,高伟亮. 基于时频特性分析的雷达压制干扰信号识别[J]. 电光与控制,2020,27(9):14-18.

[12]　张坤,姜秋喜,欧阳晓凤,等. 基于仪表的多样式导航干扰信号的实现[J]. 火力与指挥控制,2019,44(6):128-131.

[13]　WEI C,ZHANG J J,XIE W C,et al. Research on Smart Jamming Signal Model and Suppression Method for Airborne Phased Array Radar[J]. Systems Engineering and Electronics,2021,43(2):343-350.