一种多功能sar复杂电磁环境模拟装置制造方法
【专利摘要】一种多功能SAR复杂电磁环境模拟装置，包括天线与微波分系统、基带干扰信息产生及调制单元、控制显示与模型单元。天线与微波分系统获得SAR雷达发射信号，进行功率调整和多级下变频后输出给基带干扰信息产生及调制单元，同时将基带干扰信息产生及调制单元输出的中频干扰信号，进行多级上变频和功率控制后输出给SAR雷达。基带干扰信息产生及调制单元根据接收的控制命令及参数，实时计算产生多种干扰类型的基带调制信息，将基带调制信息与中频雷达信号经过调制后产生所需的干扰信号。控制显示与模型单元根据模拟要求调用干扰模型产生干扰参数送至基带干扰信息产生及调制单元，同时对整个模拟装置的运行状态进行监控和参数记录。
【专利说明】—种多功能SAR复杂电磁环境模拟装置
【技术领域】
[0001]本发明属于通信领域，涉及一种SAR电磁环境模拟装置。
【背景技术】
[0002]合成孔径雷达(英文缩写为SAR)具有全天时、全天候探测成像和强透视性、高分辨率、良好的抗干扰能力等特点，这些特点使得SAR在航空航天领域得到广泛的应用。在实际使用过程中，SAR可能面临来自空间环境中的复杂电磁环境干扰，因此需在SAR产品技术状态定型前对其电磁环境适应能力进行试验考核。
[0003]目前针对SAR对复杂电磁环境的适应性考核，主要通过飞机外场挂飞和航空航天器实飞等模式，试验成本高昂、花费巨大。国外公开发表的技术文献尚无SAR电磁环境适应性考核室内等效替代方法研究的相关报道。国内技术文献中，2010年11月发表于《国防技术基础》的《雷达干扰模拟器的设计及研究》从基本原理上阐述过一种雷达干扰模拟器的组成及基本工作原理，但其叙述较为简单，且未针对SAR的工作模式及特点进行复杂电磁环境的全面覆盖。
[0004]因此，针对SAR在室内进行复杂电磁环境适应性等效考核的具体应用，需要研究开发一种等效模拟装置，通过施加不同种类的电磁环境干扰，考核SAR在指定干扰类型或多干扰类型叠加情况下的环境适应能力。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种多功能SAR复杂电磁环境模拟装置，根据SAR的工作模式及场景参数，实时接收雷达的发射信号，通过空间辐射或直馈电缆耦合的方式模拟来自不同方向、各种类型叠加的空间电磁干扰信号，用于SAR的抗干扰效能测试。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种多功能SAR复杂电磁环境模拟装置，包括天线与微波分系统、基带干扰信息产生及调制单元、SAR实时图采集单元、控制显示与模型单元，其中:
[0007]天线与微波分系统:包括喇叭天线、射频电缆、AGC单元、多级下变频单元、频综单元、多级上变频单元、功率调整单元；SAR雷达发射信号通过喇叭天线空间接收或者通过射频电缆送至AGC单元，AGC单元对SAR雷达发射信号进行功率调整后送至多级下变频单元，多级下变频单元对功率调整后的SAR雷达发射信号进行两级下变频后得到中频雷达信号并输出给基带干扰信息产生及调制单元；多级上变频单元对基带干扰信息产生及调制单元生成的中频干扰信号进行两级上变频后送至功率调整单元，功率调整单元对上变频后的中频干扰信号进行功率调整后得到射频干扰信号，射频干扰信号通过喇叭天线空间辐射或者通过射频电缆送至SAR雷达；频综单元为多级上变频单元和多级下变频单元提供工作所需的频率信号，为基带干扰信息产生及调制单元提供工作时钟；
[0008]基带干扰信息产生及调制单元:包括瞬时测频单元、干扰信息实时计算单元、干扰信息实时调制单元；干扰信息实时计算单元根据控制显示与模型单元传来的干扰参数，产生相应干扰类型的基带调制信息；瞬时测频单元通过数字测频的方法获取中频雷达信号的频率；干扰信息实时调制单元将基带调制信息按照中频雷达信号的频率与中频雷达信号经过调制后产生所需的中频干扰信号送至基带干扰信息产生及调制单元；
[0009]SAR实时图采集单元:通过LVDS接口接收SAR实时图像并送至控制显示与模型单元;
[0010]控制显示与模型单元:包括界面控制及显示单元、干扰模型单元；干扰模型单元存储了压制干扰模型、欺骗干扰模型、相关干扰模型、箔条干扰模型、杂波干扰模型，根据外部输入的干扰条件调用相应的干扰模型产生相应的干扰参数并送至干扰信息实时计算单元；根据外部输入的干扰条件对功率调整单元的功率进行控制JiSAR雷达在干扰条件下生成的图像与实际图像进行比对，获取SAR干扰效果；对整个模拟装置的运行状态进行监控和参数记录。
[0011]所述的多级下变频单元包括两个混频器、自动增益调节器、低通滤波器；SAR雷达发射的12?18GHz射频信号与频综单元提供的频率范围12?16GHz的本振信号通过第一混频器进行第一级下变频，得到2GHz第一中频信号；第一中频信号经过自动增益调节器进行自动增益控制后，通过第二混频器与频综单元提供的2.5GHz的本振信号混频进行第二级下变频，第二级下变频后的信号经过低通滤波器后得到500±250MHz的中频雷达信号。
[0012]所述的多级上变频单元包括两个混频器、带通滤波器、开关滤波器组、两个放大器和衰减器；中频干扰信号与频综单元提供的2.5GHz本振信号在第三混频器中混频得到2GHz频率的信号；2GHz频率的信号通过带通滤波器滤波和第一放大器放大后送至第四混频器，在第四混频器中2GHz中心频率的信号与频综单元提供的12?16GHz本振信号混频得到中心频率为12?18GHz的信号，信号带宽为500MHz的中间信号，中间信号通过开关滤波器组滤除相应的频段后得到满足纯度要求的12?18GHz信号，满足纯度要求的12?18GHz信号依次经过程控衰减器进行衰减和第二放大器进行功率放大后得到所需的射频干扰信号。
[0013]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0014](I)本发明装置将干扰模型与基带干扰信息产生及调制单元分离，干扰模型可以独立配置，干扰样式多，可灵活选择干扰类型，并可同时实现压制式干扰、欺骗干扰、相关干扰、杂波干扰和箔条干扰五种类型干扰的组合式干扰信号的模拟，构成复杂电磁环境，同时有效降低硬件设备的体积和成本；
[0015](2)本发明装置模拟的干扰信号能通过射频注入或空间辐射的方式被雷达接收，使用方式灵活，干扰信号功率可根据实际需求灵活配置，有效模拟各种作用距离下各种干扰辐射源的作用效果；
[0016](3)本发明装置具备SAR实时图像采集功能，为评估、比对各种电磁环境下SAR图像输出结果提供了条件；
[0017](4)本发明根据SAR工作带宽超宽的特点，基于宽带频综输出的两级本振信号对射频信号进行多级下变频控制、多级上变频处理，以使设备适应更宽的频带范围，同时保证系统在超宽带频率范围内提供较高的杂散抑制水平。【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明装置的组成原理框图；
[0019]图2为本发明多级下变频单元的组成原理框图；
[0020]图3为本发明多级上变频单元的组成原理框图；
[0021]图4为本发明频综单元的组成原理框图；
[0022]图5为本发明SAR实时图采集单元组成原理图。
【具体实施方式】
[0023]如图1所示，本发明的多功能SAR复杂电磁环境模拟装置由以下分系统组成:天线与微波分系统、基带干扰信息产生及调制单元、SAR实时图采集单元、控制显示与模型单元。
[0024]天线与微波分系统主要由喇叭天线、射频电缆、多级下变频、AGC、多级上变频、功率调整、功分器、频综等模块组成。该分系统的主要功能有两部分，第一部分是通过空间接收或者线馈的方式获得SAR雷达发射信号，并对该信号进行功率调整和多级下变频，然后将中频雷达信号输出给基带干扰信息产生及调制单元。第二部分是将基带干扰信息产生及调制单元输出的中频干扰信号，进行多级上变频和功率控制，然后通过天线辐射或者线馈的方式，输出给被测SAR雷达。
[0025]基带干扰信息产生及调制单元包括瞬时测频、干扰信息实时计算以及干扰信息实时调制等几个组成部分。根据接收的控制命令及参数，干扰信息实时计算模块可产生多种干扰类型的基带调制信息，包括压制式干扰、欺骗干扰、相关干扰、杂波干扰和箔条干扰；瞬时测频可以通过数字测频算法提供中频雷达信号的频率，数字测频算法参见2012年3月发表于《舰船电子对抗》的《基于实时数字信号处理的宽带单比特瞬时测频接收技术》;干扰信息实时调制模块用于将实时计算的干扰信息与瞬时测频所得的中频雷达信号频率信息经过调制后产生所需的干扰信号，它包括宽带信号AD采集、数字下变频、基带干扰信息调制、数字上变频以及宽带DA等环节。
[0026]SAR实时图采集单元通过LVDS接口接收SAR实时图像，可以对雷达在干扰条件下生成的图像与实际图像进行比对，通过干扰评测软件对SAR干扰效果进行评估。
[0027]控制显示与模型单元主要由界面控制及显示以及干扰模型两个主要部分组成。干扰模型根据界面设置参数计算所需的各种类型的干扰信息的参数，并将参数下发给基带干扰信息产生及调制单元；根据设置的干扰功率、干扰信号频率等参数，对天线与微波分系统进行控制；对整个模拟装置的运行状态进行监控和参数记录。
[0028]系统的工作原理为:仿真开始前，操作员通过控制显示及干扰模型单元，完成干扰决策和干扰参数的设置，干扰模型根据设置的参数和相对应的模型，生成控制命令输出给基带干扰信息产生及调制单元。天线和微波子系统，采用空馈或线馈的方式接收雷达射频信号，低功率的雷达射频信号经过功率调整后，进行下变频处理得到雷达中频信号以便进行信号的采集。基带干扰信息产生及调制单元利用A/D采集雷达信号，通过瞬时测频、数字下变频后用于和干扰参数进行卷积，干扰参数主要由干扰信息实时计算模块根据控制命令计算得出(压制干扰等直接根据模型产生，不用进行卷积)。卷积后生成干扰信号经过D/A变换后，输出给天线和微波分系统，由天线和微波分系统完成上变频与滤波、功率放大与功率控制，最后通过线馈或空间辐射的方式输出给被测雷达。SAR实时图采集单元通过LVDS接口接收SAR实时图像，对SAR干扰效果进行评估。
[0029]如图2所示，为天线与微波分系统中多级下变频单元的组成框图。SAR发射的12?18GHz射频信号与频率范围12?16GHz的本振信号进行第一级下变频，得到2GHz第一中频信号；第一中频信号经过自动增益控制后，进行第二级下变频，与2.5GHz的本振信号混频、低通滤波，得到500±250MHz第二中频信号(中频雷达信号)，提供给基带干扰信息产生及调制单兀。
[0030]如图3所示，多级上变频单元用于将基带干扰信息产生及调制单元的中频干扰信号转换为射频干扰信号，并控制干扰信号功率。第一级变频，中频干扰信号和2.5GHz的本振信号混频得到2GHz频率的信号；第二级变频中，2GHz中心频率的信号经过滤波放大后与来自频综的12?16GHz本振信号混频得到中心频率为12?18GHz的信号，信号带宽为500MHz，然后通过开关滤波器组滤除相应的频段，即可以得到所需频谱纯度的12?18GHz的信号，最后经过程控衰减控制及功率放大，便可以得到所需的射频干扰信号。
[0031]如图4所示，宽带频综利用SAR的同步信号，提供基带干扰信息产生及调制单元所需的同步时钟和变频环节需要的宽带可变本振及中间频率；也可以利用自带的晶振作为基准提供同步时钟和本振及中间频率。宽带频综采用混频锁相技术，其中参考锁相环产生小步进信号，信号经过处理后输入主锁相环；本振环产生大步进信号，与射频压控振荡器的四分频输出信号混频后输入主环；主环控制锁相极性选择锁定的频率范围，产生电压信号Vt控制射频压控振荡器；压控振荡器输出信号经过倍频和频段选择后，经过放大器均衡器输出。放大器用于对信号放大并提供一定功率，均衡器保证信号在带宽内的平坦度。
[0032]天线选用的超宽频带双脊喇叭天线具有极宽的频率带宽、高的增益。频率覆盖大于一个倍频程。
[0033]基带干扰信息产生及调制单元采集多级下变频单元输出的低中频雷达发射宽带信号，进行瞬时测频、数字下变频，并与干扰信息卷积，数字上变频、DA输出低中频干扰信号；产生压制干扰信号，包括瞄准式噪声干扰、阻塞式噪声干扰、扫频式噪声干扰、覆盖脉冲干扰，此类信号和雷达发射信号无关；产生相关干扰信号，包括卷积噪声、多普勒噪声和密集复制，此类信号和雷达发射信号相关；产生欺骗干扰信号，包括点目标和面目标，此类信号和雷达发射信号相关；产生箔条和地杂波干扰信号，此类信号和雷达发射信号相干。
[0034]基带干扰信息产生及调制单元控制接收中频雷达信号，经模数转换、数字下变频变为包含有SAR信号特征的基带信号；干扰信息实时计算模块接收干扰信号参数，生成相应的压制干扰、相关、欺骗干扰模型；在同步时钟的控制下，干扰信息实时计算模块利用生成的干扰模型对包含有SAR信号特征的基带信号进行调制，得到能够对SAR起到干扰作用的基带干扰信号；基带干扰信号经数字上变频、数模转换后得到中频干扰信号，送至后续的多级上变频器。
[0035]如图5所示，SAR实时图采集单元采用LVDS接口采用SAR输出的高速大容量实时图像数据，LVDS接口芯片时钟频率为12MHz，总线传输码率为144Mbps。
[0036]控制显示与模型单元的作用是对模拟的干扰信号类型、干扰信号频率及功率等进行控制，并可对整个装置的运行状态进行监控和参数记录；而干扰模型将根据界面设置参数计算基带单元工作所需的各种类型的干扰信息计算参数。
[0037]以下对各种干扰模型进行详细的介绍。[0038]1、压制干扰
[0039]压制干扰包括瞄准式噪声干扰、阻塞式噪声干扰、扫频式噪声干扰、覆盖脉冲干扰和梳状谱干扰。疏状谱干扰模型参考2008年6月发表于《计算机仿真》的《无载频超宽带雷达的梳状谱干扰仿真研究》实现，阻塞式噪声干扰、瞄准式噪声干扰、扫频式噪声干扰、覆盖脉冲干扰等压制干扰模型参考2010年电子科技大学硕士学位论文《基于FPGA的雷达有源干扰产生技术研究》。
[0040]2、相关干扰
[0041]相关干扰信号包括卷积噪声、多普勒噪声和密集复制干扰。
[0042]卷积噪声干扰模型参考2007年6月发表于《电子与信息学报》的《对线性调频雷达的卷积干扰技术》实现。传统的噪声干扰信号由于与雷达信号处理机失配，导致大部分干扰能量被匹配滤波器滤除，使干扰效果降低。卷积噪声是将基带噪声与基带雷达信号卷积，得到卷积噪声信号，再上变频输出。这样做的主要目的是减小噪声干扰信号通过匹配滤波器后的能量损失，进而遮盖脉冲压缩后的回波信号，影响后续检测。卷积噪声能充分利用干扰能量，在较低的功率输入下能对线性调频脉冲压缩雷达产生更好的干扰效果。
[0043]多普勒噪声干扰模型参考2010年4月发表于《电子信息对抗技术》的《基于窄带噪声调相的多普勒噪声对ro雷达的干扰分析》实现。在实现时，多普勒噪声信号带宽最大为5MHz，带宽相对平台系统时钟250MHz来说相对较小，在产生特定的带宽高斯白噪声之后，为了达到250MHz的采样率，需要对带限白噪声进行内插滤波处理。由于内插倍数较高，为了节省硬件逻辑资源，这里使用级联的积分梳状滤波器来实现。
[0044]多普勒噪声干扰模型参考2010年电子科技大学硕士学位论文《基于FPGA的雷达有源干扰产生技术研究》实现。假目标密集复制干扰采用延迟叠加的方式对目标在距离向上覆盖目标回波，干扰信号在距离向上可以获得处理增益，覆盖真实目标，达到线状干扰效果。密集复制的方式实现，使用延时模块，延迟一段时间后读出数据，复制的目标与原目标只是距离上不同。单个RRI内密集复制脉冲数为100个，且距离上均匀分布，多普勒相同，幅度相同。
[0045]3、欺骗性干扰
[0046]欺骗性干扰模型参考2009年8月发表于《现代防御技术》的《SAR有源欺骗式干扰模型研究》实现。欺骗性干扰主要根据SAR目标回波的产生方式，生成假目标回波，当接收SAR雷达发射信号后，直接将假目标应答发射给雷达，使SAR雷达接收信号中混有一定得假目标信息，在一般的SAR成像处理后，形成SAR假目标或图像。
[0047]针对点目标干扰，在实现过程中，点阵中的每个目标都可以看成是一个独立的SAR点目标，每个目标都进行独立的相位调制，目标运动按照匀加速直线运动处理，通过FPGA完成目标运动轨迹的插值运算，将多个独立点目标最终加权输出得到点阵目标回波信号模拟。
[0048]针对面目标干扰，考虑到SAR面目标仿真散射点个数较多，按照通常的点目标实现方式对于FPGA实现来讲是不现实的，因此对面目标的实现要求预先设置当前PRI (脉冲重复间隔)且PRI保持不变，得到当前仿真系统回波传递函数，系统实时回放更新回波传递函数，然后通过与雷达基带信号卷积得到基带目标回波信号。实时卷积所需的雷达基带信号通过采集雷达中频信号，然后进行数字下变频和FFT (快速傅里叶变换)处理得到。[0049]4、地杂波干扰
[0050]地杂波干扰模型参考2003年6月发表于《航天电子对抗》的《雷达信号模拟器中的杂波仿真模型》实现。杂波在雷达中指的是接收信号中包含的由于体散射或者表面散射造成的回波分量。对于杂波干扰的模拟，通常采用基带回波信号与杂波模型数据进行实时卷积的方式产生。根据模型产生基带杂波数据，在检波脉冲的触发下与接收到的发射信号进行卷积。对于杂波的模拟建模，可以通过杂波的雷达散射截面积以及散射率变化的概率密度函数来刻画。杂波按照幅度统计模型可以分为:瑞利、威布尔、对数-正态、K，按照功率谱可以分为:高斯谱、柯西谱、立方谱。
[0051]5、箔条干扰
[0052]箔条干扰模型参考2006年8月发表于《现代雷达》的《箔条云回波的一种建模与仿真方法》实现。为了更加方便地产生箔条干扰信号，需要进一步的简化箔条信号的回波模型，利用简单的手段来重现箔条回波信号的诸般特性，包括距离延时、距离扩散、回波功率起伏、多普勒频移、多普勒扩散、发射信号形式等。本实现认为箔条云是由多个小立方体组成的，且每个小立方体的运动速度并不是一致的，将有一个速度的起伏，在这里认为这种起伏服从正态分布，这样就可以得到每个小立方体的速度起伏引起的多普勒频移，接着就可以产生这个小立方的回波，最后将所有的小立方的回波相加就得到箔条云整体的回波信号。
[0053]在实际使用时，可以采用多台本发明提出的模拟装置，通过组网配合，模拟不同方向、各种类型叠加的空间电磁干扰信号。
[0054]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种多功能SAR复杂电磁环境模拟装置，其特征在于:包括天线与微波分系统、基带干扰信息产生及调制单元、SAR实时图采集单元、控制显示与模型单元，其中: 天线与微波分系统:包括喇叭天线、射频电缆、AGC单元、多级下变频单元、频综单元、多级上变频单元、功率调整单元；SAR雷达发射信号通过喇叭天线空间接收或者通过射频电缆送至AGC单元，AGC单元对SAR雷达发射信号进行功率调整后送至多级下变频单元，多级下变频单元对功率调整后的SAR雷达发射信号进行两级下变频后得到中频雷达信号并输出给基带干扰信息产生及调制单元；多级上变频单元对基带干扰信息产生及调制单元生成的中频干扰信号进行两级上变频后送至功率调整单元，功率调整单元对上变频后的中频干扰信号进行功率调整后得到射频干扰信号，射频干扰信号通过喇叭天线空间辐射或者通过射频电缆送至SAR雷达；频综单元为多级上变频单元和多级下变频单元提供工作所需的频率信号，为基带干扰信息产生及调制单元提供工作时钟； 基带干扰信息产生及调制单元:包括瞬时测频单元、干扰信息实时计算单元、干扰信息实时调制单元；干扰信息实时计算单元根据控制显示与模型单元传来的干扰参数，产生相应干扰类型的基带调制信息；瞬时测频单元通过数字测频的方法获取中频雷达信号的频率；干扰信息实时调制单元将基带调制信息按照中频雷达信号的频率与中频雷达信号经过调制后产生所需的中频干扰信号送至基带干扰信息产生及调制单元； SAR实时图采集单元:通过LVDS接口接收SAR实时图像并送至控制显示与模型单元；控制显示与模型单元:包括界面控制及显示单元、干扰模型单元；干扰模型单元存储了压制干扰模型、欺骗干扰模型、相关干扰模型、箔条干扰模型、杂波干扰模型，根据外部输入的干扰条件调用相应的干扰模型产生相应的干扰参数并送至干扰信息实时计算单元；根据外部输入的干扰条件对功率调整单元的功率进行控制；对SAR雷达在干扰条件下生成的图像与实际图像进行比对，获取SAR干扰效果；对整个模拟装置的运行状态进行监控和参数记录。
2.根据权利要求1所述的一种多功能SAR复杂电磁环境模拟装置，其特征在于:所述的多级下变频单元包括两个混频器、自动增益调节器、低通滤波器；SAR雷达发射的12?18GHz射频信号与频综单元提供的频率范围12?16GHz的本振信号通过第一混频器进行第一级下变频，得到2GHz第一中频信号；第一中频信号经过自动增益调节器进行自动增益控制后，通过第二混频器与频综单元提供的2.5GHz的本振信号混频进行第二级下变频，第二级下变频后的信号经过低通滤波器后得到500±250MHz的中频雷达信号。
3.根据权利要求1所述的一种多功能SAR复杂电磁环境模拟装置，其特征在于:所述的多级上变频单元包括两个混频器、带通滤波器、开关滤波器组、两个放大器和衰减器；中频干扰信号与频综单元提供的2.5GHz本振信号在第三混频器中混频得到2GHz频率的信号；2GHz频率的信号通过带通滤波器滤波和第一放大器放大后送至第四混频器，在第四混频器中2GHz中心频率的信号与频综单元提供的12?16GHz本振信号混频得到中心频率为12?18GHz的信号，信号带宽为500MHz的中间信号，中间信号通过开关滤波器组滤除相应的频段后得到满足纯度要求的12?18GHz信号，满足纯度要求的12?18GHz信号依次经过程控衰减器进行衰减和第二放大器进行功率放大后得到所需的射频干扰信号。
【文档编号】G01S7/40GK103675772SQ201310612016
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】刘伟, 王朔, 曹雷团, 吴强, 杨秀山, 张洪源, 梁超杰, 张子剑, 李茜华, 贾睿 申请人:北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院