被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)在電子支援與偵察、反輻射被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)是反輻射導(dǎo)彈的關(guān)鍵部件,它完成對(duì)輻射源信號(hào)的捕捉和跟蹤,需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn)特征提取、識(shí)別以及威脅評(píng)估,最終上報(bào)探測(cè)到的雷達(dá)信號(hào)的角度信息,保證導(dǎo)彈實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)直至命中。在寬帶被動(dòng)導(dǎo)引系統(tǒng)中,被動(dòng)雷達(dá)數(shù)字接收機(jī)完成的主要任務(wù)包括下面幾方面。
(1)信號(hào)檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)寬帶系統(tǒng)下的雷達(dá)脈沖信號(hào)檢測(cè),主要面對(duì)低信噪比下的信號(hào)檢測(cè)、適應(yīng)信號(hào)和接收環(huán)境的動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)等問(wèn)題。
(2)信號(hào)參數(shù)測(cè)量。完成每個(gè)雷達(dá)脈沖的參數(shù)測(cè)量,從而形成脈沖描述字(PDW)。主要參數(shù)包括載波頻率(CF)、入射方向(DOA)、脈沖寬度(PW)、脈沖重復(fù)周期(PRI)、脈沖幅度(PA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)、信號(hào)帶寬(BW)、起始頻率、終止頻率,等等。同時(shí),現(xiàn)代接收機(jī)還面臨LPI信號(hào)的脈內(nèi)參數(shù)測(cè)量等問(wèn)題,如調(diào)制斜率、相對(duì)編碼形式等。
(3)信號(hào)識(shí)別。主要分為兩部分,即脈間調(diào)制識(shí)別與脈內(nèi)調(diào)制識(shí)別。脈間調(diào)制識(shí)別根據(jù)PDW通過(guò)聚類分析分選出同一部雷達(dá)(輻射源)發(fā)射的感興趣的雷達(dá)信號(hào)。脈內(nèi)調(diào)制識(shí)別主要是指針對(duì)單個(gè)脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)本脈沖的人為有意調(diào)制識(shí)別,如調(diào)頻或調(diào)相調(diào)制等。同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展及偵察的需要,對(duì)特定輻射源的識(shí)別即無(wú)意調(diào)制識(shí)別,也已經(jīng)成為當(dāng)前接收機(jī)附帶的重要功能。
(4)信號(hào)跟蹤。對(duì)感興趣信號(hào)或威脅等級(jí)高的信號(hào)完成信號(hào)跟蹤,輸出信號(hào)方位與俯仰角度信息,從而為偵察系統(tǒng)或?qū)б^提供實(shí)時(shí)信號(hào)跟蹤的可能。
早期的電子器件都是模擬的,因此,傳統(tǒng)的被動(dòng)雷達(dá)接收機(jī)都是由模擬器件組成的,接收機(jī)一般體積較大、靈活度低、功耗較高、集成度低、不可動(dòng)態(tài)隨時(shí)調(diào)整、投入成本較大。隨著科技的發(fā)展和數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及數(shù)字集成電路的發(fā)展,接收機(jī)逐漸步入數(shù)字化時(shí)代,數(shù)字接收機(jī)也成為現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)的研究熱點(diǎn)。
主要接收機(jī)形式
傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)接收機(jī)都是模擬的,尤其是模擬信道化接收機(jī),需要數(shù)目較多的單個(gè)接收機(jī)才能實(shí)現(xiàn)大帶寬的同時(shí)覆蓋,信道均衡性和靈敏度也較差。傳統(tǒng)模擬接收機(jī)從結(jié)構(gòu)上大致分為六類,分別是晶體視頻接收機(jī)、超外差接收機(jī)、瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)、信道化接收機(jī)、壓縮接收機(jī)和布萊格接收機(jī)。另外,隨著技術(shù)的發(fā)展,微波光子接收機(jī)也是一類重要的接收機(jī)。
1. 晶體視頻接收機(jī)
晶體視頻接收機(jī)是一種最簡(jiǎn)單的偵察接收機(jī),它可以簡(jiǎn)單到在一定頻段內(nèi)只由一個(gè)晶體檢波二極管和視頻放大器組成,在這個(gè)頻段內(nèi)只要雷達(dá)信號(hào)超過(guò)一定級(jí)別的強(qiáng)度,視頻放大器輸出信號(hào)超過(guò)一個(gè)規(guī)定的電壓,即認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了雷達(dá)信號(hào),完成檢波功能。
晶體視頻接收機(jī)在頻率上是寬開的,其接收靈敏度相對(duì)較低,動(dòng)態(tài)范圍一般很小,無(wú)法處理同時(shí)到達(dá)的信號(hào)。晶體視頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.11。
2. 超外差接收機(jī)
超外差接收機(jī)使用的是利用本地產(chǎn)生的振蕩器與輸入信號(hào)混頻,將輸入信號(hào)頻率變換為某個(gè)預(yù)先確定的頻率的方法。超外差接收機(jī)有效解決了原來(lái)高頻放大式接收機(jī)輸出信號(hào)弱、穩(wěn)定性差的問(wèn)題,且輸出信號(hào)具有較高的選擇性和較好的頻率特性,易于調(diào)整。超外差接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.12。
超外差接收機(jī)的靈敏度一般較高,可以做到優(yōu)于-70 dBmW,且動(dòng)態(tài)范圍大,能同時(shí)接收多個(gè)信號(hào)。但是,輸入帶寬一般較窄,超外差接收機(jī)的一個(gè)重要特征是可以針對(duì)幾乎任意帶寬進(jìn)行設(shè)計(jì),在接收靈敏度和覆蓋帶寬間提供了某種平衡,適用于連續(xù)波信號(hào)和窄帶信號(hào)的分離。
圖1.12 超外差接收機(jī)的結(jié)構(gòu)
3. 瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)
瞬時(shí)測(cè)頻(Instantaneous Frequency Measurement,IFM)是一種基于相位比較法的頻率測(cè)量方法,在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中適用于電子情報(bào)偵察、雷達(dá)告警等應(yīng)用。相關(guān)器是IFM接收機(jī)的核心單元,延時(shí)為的信號(hào)與輸入信號(hào)構(gòu)成相關(guān)器,從而確定輸入信號(hào)頻率。采用了IFM的偵察接收機(jī)稱為瞬時(shí)頻率測(cè)量接收機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、偵察頻帶寬、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于多種電子戰(zhàn)設(shè)備中。瞬時(shí)測(cè)頻(IFM)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.13。
圖1.13 IFM接收機(jī)的結(jié)構(gòu)
瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)的瞬時(shí)帶寬很寬,可以覆蓋到2~18 GHz,同時(shí)其可以在極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得信號(hào)的頻率,具有高的頻率分辨精度,能夠適應(yīng)窄脈沖的處理,對(duì)0.1 μs的脈沖進(jìn)行測(cè)量時(shí)能夠達(dá)到1 MHz的精度,但對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的處理會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的頻率信息。
4. 信道化接收機(jī)
信道化接收機(jī)是對(duì)接收信號(hào)帶寬進(jìn)行劃分接收的接收機(jī),主要利用濾波器進(jìn)行頻帶劃分,早期的信道化接收機(jī)都是由模擬器件組成的,設(shè)計(jì)多信道的信道化接收機(jī)時(shí)需要設(shè)計(jì)多個(gè)模擬帶通濾波器來(lái)組成不同的接收機(jī),從而完成整個(gè)信道的劃分,信道均衡性差、硬件消耗和體積隨信道數(shù)目的增加而急劇增大,成本較高。另外,窄帶濾波器的暫態(tài)效應(yīng)使得脈沖前后產(chǎn)生“兔耳效應(yīng)”,不適用于頻率分辨率要求高的應(yīng)用場(chǎng)景。信道化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.14。
5. 壓縮接收機(jī)
壓縮接收機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)頻率快速搜索的超外差接收機(jī)。普通超外差接收機(jī)的掃頻速度和頻率分辨率之間的矛盾是制約搜索速度的一個(gè)關(guān)鍵因素,通過(guò)使用壓縮濾波器能夠把帶寬較寬的線性調(diào)頻信號(hào)壓縮為窄脈沖,緩解掃頻速度和頻率分辨率之間的矛盾。壓縮接收機(jī)可以快速掃描一個(gè)寬范圍波段,可以檢測(cè)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的頻率和信號(hào)強(qiáng)度,具有良好的接收靈敏度,但識(shí)別信號(hào)的調(diào)制類型較為困難。壓縮接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.15。
▲圖1.14 信道化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)
圖1.15 壓縮接收機(jī)的結(jié)構(gòu)
輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)由本地掃頻源作為本振源的混頻器轉(zhuǎn)換為線性調(diào)頻(chirp)信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮(色散延遲線)被壓縮成短脈沖。這些短脈沖經(jīng)檢波后變?yōu)橐曨l信號(hào)。每個(gè)輸出脈沖在時(shí)間上相對(duì)于本振掃描起始點(diǎn)的位置,表示與其對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的頻率。
6. 布萊格接收機(jī)
布萊格接收機(jī)采用一個(gè)光學(xué)布萊格小室來(lái)完成頻率分離,輸入的RF信號(hào)被變換成在布萊格小室中傳播的聲波,布萊格小室使入射的直行激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)激光束的位置是輸入頻率的函數(shù),圖像檢測(cè)裝置用來(lái)把激光束輸出的光信號(hào)變換為時(shí)頻信號(hào),完成信號(hào)檢測(cè)。布萊格接收機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,只需要少量部件就可實(shí)現(xiàn)大量信道化,這些部件主要包括激光器、偏轉(zhuǎn)器、兩個(gè)光學(xué)透鏡、布萊格小室和一個(gè)圖像檢測(cè)裝置。
表1.1給出了現(xiàn)有各種接收機(jī)的性能對(duì)比。
通過(guò)表1.1的對(duì)比分析可以看出,布萊格接收機(jī)、壓縮接收機(jī)和信道化接收機(jī)的整體性能很好,但布萊格接收機(jī)采用光學(xué)布萊格盒信號(hào)進(jìn)行頻譜分離,系統(tǒng)的復(fù)雜度高、動(dòng)態(tài)范圍低。壓縮接收機(jī)用色散延遲線把輸入射頻信號(hào)壓縮成一個(gè)窄帶脈沖,數(shù)據(jù)處理率很高,而且信號(hào)壓縮產(chǎn)生的旁瓣會(huì)影響系統(tǒng)的檢測(cè)性能并丟失信號(hào)的脈內(nèi)調(diào)制信息。信道化接收機(jī)通過(guò)模擬或數(shù)字濾波器組對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻域信道劃分,可實(shí)現(xiàn)不同頻率信號(hào)的分離,能接收時(shí)域重疊信號(hào),具有高的靈敏度和頻率分辨率,截獲概率接近 100%,選擇性和抗干擾能力強(qiáng),保真度與超外差接收機(jī)相近,是目前較為實(shí)用且滿足電子戰(zhàn)需求的寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)。其主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、系統(tǒng)質(zhì)量大、功耗和成本高,一定程度上限制了其發(fā)展。然而,隨著ADC、數(shù)字集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展,接收機(jī)在不斷向數(shù)字化方向發(fā)展,彌補(bǔ)了模擬信道化接收機(jī)的缺點(diǎn)。
表1.1 不同接收機(jī)的性能對(duì)比
7. 微波光子接收機(jī)
現(xiàn)有以微波技術(shù)為處理核心的接收機(jī)面臨技術(shù)瓶頸,主要體現(xiàn)在瞬時(shí)帶寬、系統(tǒng)靈敏度、小型化、低功耗等方面。光子技術(shù)與生俱來(lái)地具有大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁干擾等特性,同時(shí),光子系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、體積小、可集成等特點(diǎn),這為傳統(tǒng)技術(shù)提供了解決技術(shù)瓶頸的新思路。
目前,微波光子接收機(jī)(其鏈路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.16)實(shí)際上是一套光電混合系統(tǒng),前端的天線接收及后端的中頻處理依然是電信號(hào)處理。但對(duì)于原來(lái)的微波混頻、微波干涉、波束合成,則可采用光路實(shí)現(xiàn)處理。當(dāng)然,隨著技術(shù)的發(fā)展,利用光處理可實(shí)現(xiàn)更多的信號(hào)處理,提高處理速度。利用微波光子實(shí)現(xiàn)接收機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)。
圖1.16 微波光子接收機(jī)的鏈路結(jié)構(gòu)
(1)損耗小。相對(duì)于微波系統(tǒng),微波光子接收機(jī)采用光纖處理,信號(hào)損耗較小。射頻電纜傳輸損耗約為0.2~1 dB/m,長(zhǎng)距離傳輸時(shí)需多級(jí)放大才能補(bǔ)償信號(hào)衰減,而這必然引入大量的非線性和噪聲,增加了能耗。利用超低損耗的光纖(傳輸損耗僅有0.0002 dB/m)可取代體積大、質(zhì)量大、損耗大和易被電磁干擾的同軸電纜。
(2)靈敏度高。相對(duì)于微波鏈路,光處理鏈路具有較低的相位噪聲和系統(tǒng)噪聲,因此可以進(jìn)一步提高接收機(jī)的靈敏度。如利用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光電振蕩器(OEO),可產(chǎn)生數(shù)兆赫茲到數(shù)百兆赫茲的高頻譜純度微波或毫米波信號(hào),相位噪聲可以到達(dá)接近量子極限的-163 dBc/Hz@10kHz,是一種理想的高性能微波振蕩器。
(3)大瞬時(shí)帶寬。傳統(tǒng)的聲表面波信道化濾波器組和聲光信道化接收機(jī)受聲波調(diào)制帶寬的限制,瞬時(shí)帶寬不超過(guò)幾吉赫茲。另外,隨著高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,較好的技術(shù)水平能生成與處理的信號(hào)帶寬往往低于幾吉赫茲,但現(xiàn)有ADC很難直接對(duì)數(shù)十吉赫茲帶寬的信號(hào)直接采樣。受益于光子技術(shù)的大帶寬,微波光子技術(shù)提供了超大帶寬雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的可能性,可處理幾十吉赫茲帶寬的信號(hào)。如利用光頻時(shí)映射法,可以產(chǎn)生高達(dá)50 GHz的超大帶寬信號(hào)。
美國(guó)DARPA近年來(lái)設(shè)立了數(shù)十個(gè)項(xiàng)目支持核心微波光子器件、光電振蕩器、光任意波形產(chǎn)生(OAWG)、光模數(shù)轉(zhuǎn)換(OADC)、模擬光子信號(hào)處理、模擬光子前端、光電集成等技術(shù)的研究。
以光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)為例,目前利用半導(dǎo)體和光纖鎖模激光器可以產(chǎn)生采樣速率為40~100 GHz的光采樣脈沖。光采樣脈沖的寬帶可達(dá)皮秒(ps)級(jí),甚至飛秒(fs)級(jí),可實(shí)現(xiàn)直接對(duì)射頻0.2~40 GHz信號(hào)的光采樣。目前光學(xué)ADC主要有兩種工作模式,即全光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(OADC)和電-光模數(shù)轉(zhuǎn)換器(E-OADC),兩種轉(zhuǎn)換器均處于研究階段。
利用微波光子技術(shù)可以構(gòu)成微波光子信道化接收機(jī),即在光域?qū)拵У慕邮招盘?hào)分割到多個(gè)窄帶的處理信道中,然后對(duì)每個(gè)窄帶信道中的接收信號(hào)進(jìn)行光電探測(cè)和信號(hào)處理。相比傳統(tǒng)信道化接收機(jī),微波光子信道化具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、較大的承載帶寬和瞬時(shí)帶寬、極低的傳輸損耗等顯著優(yōu)勢(shì),而且信道化本質(zhì)上是一個(gè)多通道并行處理系統(tǒng),而光域豐富的光譜資源和靈活的復(fù)用手段(如波分復(fù)用)與此不謀而合。因此,微波光子信道化得到了廣泛關(guān)注。采用微波光子實(shí)現(xiàn)信道化,依然面臨濾波器設(shè)計(jì)難題,窄帶、通帶平坦,阻帶抑制比大及濾波邊沿陡峭的濾波器組,無(wú)論是集成技術(shù)還是分立元件,都比較難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí),由于光電探測(cè)將丟失相位信息,該信道化方法通常只能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)有無(wú)的判斷,無(wú)法得到信號(hào)中的信息。
編輯:黃飛
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評(píng)論
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