一种用于雷达干扰试验演练系统的测向装置及方法

技术领域

本发明涉及电磁环境信号监测技术领域，特别是一种用于雷达干扰试验演练系统的测向装置及方法。

背景技术

在当前及未来战场上，电子战新技术、新装备的使用日新月异，对作战指导、作战方法、作战指挥产生越来越大的冲击，成为夺取战争胜利的关键因素之一。在综合电子战系统中，电子干扰是电子战的主要内容，而电子侦察是组织实施电子干扰和摧毁的前提和基础。

随着电子战的发展，当前电子战技术不仅面临宽频带、高密度、参数捷变、多模复合、多技术体制等电子威胁，而且要面对全纵深、全方位的作战空域并且需要指控中心快速做出相应的反应和部署。为了应对复杂的作战场景，利用情报侦察系统的数据充分模拟并试验演练是非常必要的。

在雷达干扰试验演练系统中，引导干扰机的侦察设备的主要作用是实时快速地提供目标雷达的战术与技术参数，为有效地实施电子干扰提供准确信息。

用于引导干扰机的侦察设备，传统且常规的设计是基于整个雷达干扰系统来考虑的，往往跟系统的耦合性比较强，基本上就是专用设备，存在对外接口复杂，通用性、灵活性和实用性均较差的问题，并且对于模拟和试验演练而言，成本往往也是很高的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于雷达干扰试验演练系统的测向装置及方法，提高常规用于引导干扰机的侦察设备的通用性、灵活性，并提高引导设备的实时性，简化对外接口。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于雷达干扰试验演练系统的测向装置，包括测向设备和显控单元，其中：

所述测向设备包括接收天线、变频单元、参数测量与测向单元、时统定位定向设备、方位-俯仰二维转台，其中接收天线、变频单元、参数测量与测向单元、时统定位定向设备设置于天线座内，天线座设置于方位-俯仰二维转台上；所述接收天线用于接收X/Ku/Ka频段导引头辐射信号；所述变频单元用于将接收天线收到的X/Ku/Ka频段导引头辐射信号变换至中频信号；所述参数测量与测向单元用于将变频单元输出的中频信号通过AD转换单元变换为数字信号，并采用FPGA+DSP的架构对数字信号进行测量、分析，提取辐射源目标，获取目标信号包括频率、脉宽、重周、方向角度的参数；所述时统定位定向设备提供统一时间信息，提供装置位置信息和接收天线绝对方位和俯仰指向信息；所述方位-俯仰二维转台实现方位向和俯仰向转动，用于控制和实时调整天线阵的指向；

所述显控单元用于测向设备的控制及信息显示；显控单元下发测向设备的工作参数和控制指令到参数测量与测向单元，控制参数测量与测向单元、方位-俯仰二维转台进入相应的工作模式，接收测向设备各单元反馈的设备状态和实时的测向数据并显示在人机界面上。

一种用于雷达干扰试验演练系统的测向方法，采用所述的用于雷达干扰试验演练系统的测向装置，方法具体如下：

首先在参数测量与测向单元的FPGA单元中设置FPGA处理软件模块，参数测量与测向单元的DSP单元中设置DSP处理软件模块，显控单元中设置显控软件模块，其中：

所述显控软件模块下发参数测量与测向单元和二维转台的工作参数和控制指令到参数测量与测向单元，控制方位-俯仰二维转台以及参数测量与测向单元中DSP处理软件模块和FPGA处理软件模块进入相应的工作模式，接收测向设备各部分反馈的设备状态和实时的测向数据并显示在人机界面上；

所述FPGA处理软件模块，采集并处理来自AD转换单元输出的数字信号，并进行参数解算，完成对数字信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间以及方位、俯仰的测量和处理，根据主控制台的工作控制指令形成脉冲描述字或脉内采样样本数据，并将脉冲描述字或脉内采样样本数据发送至DSP单元；

所述DSP处理软件模块，将主控制台下发的控制指令转发至测向设备的各部分，将各部分反馈的当前状态转发至显控单元，综合应用多种分选算法对FPGA单元送来的脉冲描述字进行分选，提取出各辐射源信号，并解算各辐射源信号的参数；或者根据主控制台下发的工作控制指令接受FPGA单元送来的脉内采样样本数据，进行脉内调制特征分析，并估算脉内特征参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)测向装置设计上相对独立，对外接口简单，使用通用性、灵活性好，既可以作为雷达干扰系统的一个组成部分，也可以作为单独的侦收设备使用；

(2)将时统定位定向设备、方位-俯仰二维转台的接口及控制时机，由传统的显控单元前移至接收和信号处理单元，实时性更优；

(3)转至跟踪阶段时，接收与信号处理不再使用传统的分选流程，而是由接收单元实时地把PDW切换至信号处理，信号处理也并行地进行信号对比匹配并确认，以达到100MHz跟踪速率；

(4)操作员可以根据需要控制设备将当前工作状态和实时侦收的雷达信号参数进行存储，供事后分析用。

附图说明

图1是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向装置的原理图。

图2是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向方法中DSP同步处理框图。

图3是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向方法中脉冲匹配流程图。

图4是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向装置的天线座侧视图1。

图5是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向装置的天线座侧视图2。

图6是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向装置的天线座后视图。

图7是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向装置的天线座正视图。

图8是本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向装置的天线座内部俯视图。

具体实施方式

本发明提供一种用于雷达干扰试验演练系统的测向装置，所述测向装置为试验配试设备，是雷达干扰系统的一个组成部分，可对X/Ku/Ka频段信号进行测向，并对感兴趣的目标进行10ms内快速跟踪。测向装置安装在地面上，在控制设备的指挥下，接收被测导引头的发射信号，测量信号的来向。

结合图1，本发明用于雷达干扰试验演练系统的测向装置，包括测向设备和显控单元，其中：

所述测向设备包括接收天线、变频单元、参数测量与测向单元、时统定位定向设备、方位-俯仰二维转台，其中接收天线、变频单元、参数测量与测向单元、时统定位定向设备设置于天线座内，天线座设置于方位-俯仰二维转台上；所述接收天线用于接收X/Ku/Ka频段导引头辐射信号；所述变频单元用于将接收天线收到的X/Ku/Ka频段导引头辐射信号变换至中频信号；所述参数测量与测向单元用于将变频单元输出的中频信号通过AD转换单元变换为数字信号，并采用FPGA+DSP的架构对数字信号进行测量、分析，提取辐射源目标，获取目标信号包括频率、脉宽、重周、方向角度的参数；所述时统定位定向设备提供统一时间信息，提供装置位置信息和接收天线绝对方位和俯仰指向信息；所述方位-俯仰二维转台实现方位向和俯仰向转动，用于控制和实时调整天线阵的指向；

所述显控单元用于测向设备的控制及信息显示，本单元可单独使用，也可集成到指控系统中使用，决定于本测向装置的使用场景是单独使用还是引导干扰；显控单元下发测向设备的工作参数和控制指令到参数测量与测向单元，控制参数测量与测向单元、方位-俯仰二维转台进入相应的工作模式，接收测向设备各单元反馈的设备状态和实时的测向数据并显示在人机界面上。

进一步地，所述的用于雷达干扰试验演练系统的测向装置，还包括辅助设备，所述辅助设备包括可移动底座、底座调平装置，用于固定、移动和调平测向装置。

进一步地，所述接收天线按频段划分，包括：频段8-18GHz的平面螺旋天线7只、频段34-36GHz的平面螺旋天线7只、频段8-18GHz的全向天线1只、频段34-36GHz的全向天线1只；所述平面螺旋天线组成干涉仪天线阵，完成雷达信号的到达角测量；所述全向天线完成空域范围内的频谱监测和对干涉仪天线阵的压副瓣。

进一步地，所述变频单元包括2～18GHz变频组件、26.5～40GHz变频组件、频率源组件，其中：

所述2～18GHz变频组件将输入2～18GHz射频信号变换成1.3～2.3GHz中频信号输出至参数测量与测向单元的AD转换单元；

所述26.5～40GHz变频组件将输入26.5～40GHz射频信号变换成2～15.5GHz中频信号输出至2～18GHz变频组件，经2～18GHz变频组件变换成1.3～2.3GHz中频信号输出至参数测量与测向单元的AD转换单元；

所述频率源组件产生本振信号、自检信号和时钟信号。

进一步地，所述参数测量与测向单元包括信号采集单元、AD转换单元、信号处理单元、存储单元，其中：

所述信号采集单元，对2～18GHz变频组件送来的1路全向中频信号和7路定向中频信号采样，中频信号频率1.3GHz～2.3GHz，采样时钟频率2.4GHz；

所述AD转换单元将信号采集单元采集的中频信号变换为数字信号；

所述信号处理单元采用FPGA+DSP的架构，包括FPGA单元和DSP单元，FPGA单元对AD转换单元输出的数字信号进行处理，并由DSP单元将处理结果通过千兆网发送给显控单元；

所述存储单元用于根据上位机指令对测向设备当前工作模式、设备状态及测向信息进行存储。

进一步地，所述时统定位定向设备包括北斗天线和定位板卡，其中：

所述北斗天线采用三星七频XY-BGL07R，体积为φ145*60mm；所述定位板卡采用星宇芯联Y726D GNSS主板，该定位板卡支持双天线输入，尺寸为100*60mm。

进一步地，所述方位-俯仰二维转台的方位调整范围：-180°～180°；俯仰调整范围：5°～95°；方位和俯仰最大转动速度：30转/s；方位和俯仰转动加速度：0～20转/s

进一步地，所述天线座里面设置有接收天线、变频单元、参数测量与测向单元、时统定位定向设备的定位板卡。

一种用于雷达干扰试验演练系统的测向方法，采用任一项所述的用于雷达干扰试验演练系统的测向装置，方法具体如下：

首先在参数测量与测向单元的FPGA单元中设置FPGA处理软件模块，参数测量与测向单元的DSP单元中设置DSP处理软件模块，显控单元中设置显控软件模块，其中：

所述显控软件模块下发参数测量与测向单元和二维转台的工作参数和控制指令到参数测量与测向单元，控制方位-俯仰二维转台以及参数测量与测向单元中DSP处理软件模块和FPGA处理软件模块进入相应的工作模式，接收测向设备各部分反馈的设备状态和实时的测向数据并显示在人机界面上；

所述FPGA处理软件模块，采集并处理来自AD转换单元输出的数字信号，并进行参数解算，完成对数字信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间以及方位、俯仰的测量和处理，根据主控制台的工作控制指令形成脉冲描述字或脉内采样样本数据，并将脉冲描述字或脉内采样样本数据发送至DSP单元；

所述DSP处理软件模块，将主控制台下发的控制指令转发至测向设备的各部分，将各部分反馈的当前状态转发至显控单元，综合应用多种分选算法对FPGA单元送来的脉冲描述字进行分选，提取出各辐射源信号，并解算各辐射源信号的参数；或者根据主控制台下发的工作控制指令接受FPGA单元送来的脉内采样样本数据，进行脉内调制特征分析，并估算脉内特征参数。

进一步地，测向装置设有搜索工作模式和跟踪工作模式，由显控单元根据实时工作场景下发指令进行控制；

在搜索工作模式下，所述参数测量与测向单元中的信号处理单元根据显控单元对频域范围和空域范围的输入，控制接收天线和方位-俯仰二维转台对指定频域和空域进行搜索，当搜索到目标时，测向装置自动或人工转入跟踪工作模式；

当测向装置由搜索工作模式转至跟踪工作模式时，信号处理单元进入快速跟踪状态，首先控制接收天线转入目标所在频段，控制方位-俯仰二维转台对准目标方位和俯仰向，然后对接收到的脉冲与所跟踪的目标信号参数进行匹配，并拟合出当前的参数变换情况，以100Hz的速率上传所跟踪目标信号的当前参数，并实时控制方位-俯仰二维转台始终指向目标所在方位向；

在跟踪工作模式下，FPGA单元与DSP单元之间的数据中断触发由原来的数据满或500ms定时触发改为定时10ms触发中断，DSP单元设置两片跟踪专用数据区用于双核乒乓切换数据，供DSP单元的核0和核1互斥使用，如图2所示，核0接收数据，核1处理数据，核1以方位向为基准进行脉冲匹配，保证10ms的数据在10ms内处理完成，实现100Hz的数据率，结合图3，具体匹配过程如下：

(1)输入跟踪目标的参数，包括方位DOA、脉宽PW、载频RF、重复间隔PRI；

(2)输入总脉冲数Pnum及脉冲描述字PDW序列；

(3)设定i＝0；

(4)判断i

(5)判断第i个脉冲方位DOA[i]与跟踪目标方位DOA是否匹配，若是则进入(6)，否则i＝i+1并返回(4)；

(6)判断第i个脉冲载频RF[i]与跟踪目标载频RF是否匹配，若是则第i个脉冲入有效脉冲集，i＝i+1并返回(4)；否则进入(7)；

(7)判断第i个脉冲脉宽PW[i]与跟踪目标脉宽PW是否匹配，若是则第i个脉冲入有效脉冲集，i＝i+1并返回(4)；否则计算与前一个有效脉冲的到达时间间隔tmppri，并进入(8)；

(8)判断tmppri与跟踪目标重复间隔PRI是否匹配，若是则第i个脉冲入有效脉冲集，i＝i+1并返回(4)；否则i＝i+1并返回(4)；

(9)根据有效脉冲集修正跟踪目标参数，包括方位DOA、脉宽PW、载频RF、重复间隔PRI，目标匹配处理结束。

流程图中所述匹配是指两个参数在指定的容差范围内，图2中CORE0表示DSP的核0，CORE1表示DSP的核1。图3中PDW表示脉冲描述字，DOA表示方位，PW表示脉宽，RF表示载频，PRI表示重复间隔。

本发明测向装置能够依据方位和俯仰角度测量结果调整测向装置天线指向，使其方位向始终对准导引头方向。在控制设备的指挥下，对来自导引头的X、Ku和Ka频段的特定目标进行跟踪时，测向数据输出率不低于100Hz。测向装置具有存储功能，操作员可以根据需要控制设备将当前工作状态和实时侦收的雷达信号参数进行存储，供事后分析用。相比常规的专用于引导雷达干扰的侦收设备来说，本装置设计上相对独立，对外接口简单，使用通用性、灵活性好，既可以作为雷达干扰系统的一个组成部分，也可以作为单独的侦收设备使用。设计时考虑将时统定位定向设备、方位-俯仰二维转台和参数测量与测向处理单元直接接口，对转台的控制也由传统显控单元前移至信号处理单元，实时性更优，而且保证测向设备对外只有一路网口输出，接口关系简单。测向装置软件设计有两种工作模式：搜索、跟踪，由显控单元根据实时工作场景下发指令进行控制。当由搜索模式转至跟踪模式时，设备以100Hz的速率上传目标信号的当前参数。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例用于雷达干扰试验演练系统的测向装置，在保证测向装置基本侦收功能的基础上，充分考虑测向装置使用的通用性、实时性，从硬件设计和软件设计两方面进行设计，以达到更通用、更灵活、更实时的效果，并满足100MHz跟踪速率的技术要求。

1、硬件设计

测向装置的硬件组成包括接收天线、变频单元、参数测量与测向单元、显控单元、时统定位定向设备、方位-俯仰二维转台及辅助设备。辅助设备包括可移动底座(本发明实施例为可升降小车)、底座调平装置(本发明实施例为水平仪)。因辅助设备仅作为固定、移动和调平测向装置主体用，故本文不做描述。

本实施例天线座里面包括接收天线、变频单元、参数测量与测向单元及时统定位定向设备的定位板卡，如图4～图8所示。

本发明的测向装置主要硬件原理框图及数据流图见图1。为方便描述，本实例将测向装置主体分为两大部件：测向设备、显控单元，如图1所标注。

其中，测向设备为测向装置的主体设备，包括接收天线、变频单元、参数测量与测向单元、时统定位定向设备、方位-俯仰二维转台。

接收天线用于接收X/Ku/Ka频段导引头辐射信号。本发明天线设计按频段划分：频段8-18GHz(包含X/Ku频段)平面螺旋天线(7只)、频段34-36GHz(Ka频段)平面螺旋天线(7只)和8-18GHz(1只)、34-36GHz(1只)全向天线；平面螺旋天线组成干涉仪天线阵完成雷达信号的到达角测量，全向天线完成空域范围内的频谱监测和对干涉仪天线阵的压副瓣。

变频单元用于将天线收到的X/Ku/Ka频段导引头辐射信号变换至中频。本发明包括2～18变频组件(包含X/Ku频段)、26.5～40GHz变频组件(包含Ka频段)、频率源组件。2～18变频组件将输入2～18GHz射频信号变换成1.3～2.3GHz中频信号输出至参数测量单元的AD模块；26.5～40GHz变频组件将输入26.5～40GHz射频信号变换成2～15.5GHz中频信号输出至2～18变频组件，经2～18变频组件变换成1.3～2.3GHz中频信号输出至参数测量单元的AD模块；频率源组件产生模块所需的本振信号、自检信号和时钟信号。

参数测量与测向单元用于将变频单元输出的中频信号通过AD转换单元变换为数字信号，并对数字信号进行测量、分析，提取辐射源目标，并获取目标信号的频率、脉宽、重周、方向角度等参数。参数测量与测向单元对2～18GHz变频组件送来的1路全向中频信号和7路定向中频信号采样，中频信号频率1.3GHz～2.3GHz，采样时钟频率2.4GHz，采用FPGA+DSP的架构对采样信号进行处理，并由DSP将处理结果通过千兆网送给显控单元。同时，根据上位机指令可将测向设备当前工作模式、设备状态及测向信息存储于存储板，以供事后导出进行分析。

时统定位定向设备提供统一时间信息，提供装置的位置信息和天线绝对方位和俯仰指向信息。时统定位定向设备由北斗天线和定位板卡组成。北斗天线采用三星七频XY-BGL07R，具有体积小，重量轻等特点，体积为φ145*60mm。定位板卡采用星宇芯联Y726DGNSS主板，该板卡支持双天线输入，尺寸为100*60mm。

方位-俯仰二维转台实现方位向和俯仰向转动，用于控制和实时调整天线阵的指向。其方位调整范围：-180°～180°；俯仰调整范围：5°～95°；方位和俯仰最大转动速度：30/s；方位和俯仰转动加速度：0～20/s2；方位和俯仰置位读数误差：≤0.1°。

显控单元用于对测向装置的控制及信息显示，本单元可单独使用，也可集成到指控系统中使用，决定于本测向装置的使用场景是单独使用还是引导干扰。

2、软件设计

测向装置的软件主要有三部分：FPGA处理软件、DSP处理软件和显控软件。

其中，显控软件下发测向设备和二维转台的工作参数和控制指令到DSP处理单元，控制测向设备和二维转台以及DSP处理软件和FPGA处理软件进入相应的工作模式，接收测向设备各单元反馈的设备状态和实时的测向数据并显示在人机界面上；

FPGA处理软件，用于采集并处理来自AD转换单元(AD转换单元，用于实时采集来自前端天线及微波模块的模拟信号，经量化处理转换成数字脉冲信号)的数字脉冲信号，并进行参数解算，完成对数字脉冲信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间以及方位、俯仰的测量和处理，根据主控制台的工作控制指令形成脉冲描述字或脉内采样样本数据，并将脉冲描述字或脉内采样样本数据发送至DSP处理单元；

DSP处理软件，用于将主控制台下发的控制指令转发至测向设备的各单元模块，将各单元模块反馈的当前状态转发至显控单元，综合应用多种分选算法对FPGA处理单元送来的脉冲描述字进行分选，提取出各辐射源信号，并解算各辐射源信号的参数；或者根据主控制台下发的工作控制指令接受FPGA处理单元送来的脉内采样样本数据，进行脉内调制特征分析，并估算脉内特征参数。

3、由搜索模式转至跟踪模式时，设备以100Hz的数据率上传目标信号当前参数的功能设计

测向装置软件设计两种工作模式：搜索、跟踪，由显控单元根据实时工作场景下发指令进行控制。工作流程为：首先进行搜索，在搜索模式下，信号处理单元根据显控单元对频域范围和空域范围的输入，控制接收前端和二维转台对指定频域和空域进行搜索，当搜索到感兴趣的目标时，设备自动或人工转入跟踪模式，进入跟踪模式后，信号处理单元也进入快速跟踪状态，首先控制接收前端转入目标所在频段，控制二维转台对准目标方位和俯仰向，然后对接收到的脉冲与所跟踪的目标信号参数进行匹配，并拟合出当前的参数变换情况，以100Hz的速率上传所跟踪信号的当前参数，并实时控制二维转台始终指向目标所在方位向。

100Hz的数据更新率也就意味着每10ms要实时上报当前目标参数，传统的信号处理流程是先收集满足分选要求的脉冲，然后综合运用各种分选算法提取出辐射源信号，并解算信号参数，该过程最少耗时监测记录是20ms以上，显然是不满足要求的。本实施例主要通过FPGA软件和DSP软件设计配合完成：当设备工作模式转至跟踪时，首先FPGA与DSP之间的数据中断触发由原来的数据满或500ms定时触发改为定时10ms触发中断，DSP设计两片跟踪专用数据区用于双核乒乓切换数据，供DSP的核0和核1互斥使用，核0接收数据，核1处理数据，核1不再使用传统的分选算法，而是以方位向为基准(10ms之内方位向变化小或渐变)，兼顾雷达模式切换时参数变化的一些规律快速进行脉冲匹配，并进行参数解算，该方法能保证10ms的数据在10ms内处理完成，以实现100Hz的数据率。

经过以上3方面的设计，可以提供一种能快速跟踪的测向装置，可对X/Ku/Ka频段信号进行测向，并对感兴趣的目标进行快速跟踪。提高常规用于引导干扰机的侦察设备的通用性、灵活性，提高引导设备的实时性，简化对外接口，很好地满足实际应用的需要。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。