雷达信号频率测量技术

1、 雷达信号频率测量技术 前言 21世纪的战争已经由常规武器对抗演变为以信息战为核心的高科技综合战争。电子战是信息战中进攻和防御的重要手段和形式，已发展为继陆、海、空、天之后的第五维战场，其重要性已得到各国军方广泛认同。作为现代战争的核心要素，可以说没有制电磁权就谈不上“制天、制空、制海、制陆”权，交战双方的电子战实力很大程度上将影响战争的胜负。电子战主要包括电子对抗和电子反对抗。针对雷达的电子对抗主要涉及电子侦察、电子干扰、电子隐身及电子摧毁等。雷达电子对抗的有效性主要依赖电子情报、电子支援措施以及雷达告警等任务，这些任务的完成关键在于高性能的电子侦察接收机，可以说高性能的电子侦察接收机是雷达

2、电子对抗乃至整个电子战的基础。雷达侦察接收机的主要任务有，对战场电磁环境进行监视和检测，截获雷达辐射信号，收集来自敌方雷达的辐射信号，对雷达辐射信号进行参数估计和调制类型识别进而形成脉冲描述字(PDW)，最后完成辐射源分选和攻击引导。电磁信号的接收和处理一直都是电子战的关键技术和研究的热点问题。随着低截获概率(LPI)雷达和捷变频雷达的出现，使得现代雷达对抗信号环境出现新特征:辐射源的数量多、分布密度大、信号交叠严重和信号参数多变等。这就要求电子战接收机必须具有很宽的处理带宽、高灵敏度、大动态范围、多信号并行处理和大量信息实时处理的能力。数字信道化接收机不仅可以较好的满足上述要求，在监视带宽内

3、还可以实现信号的全概率截获。在现代电子对抗中，雷达信号频率信息是信号分选、威胁识别和引导干扰的重要参数，现代电子战中电磁环境日益复杂，这就要求测频接收机不仅能快速、准确地测量雷达信号频率，而且必须能检测同时到达的多个雷达脉冲信号。传统的模拟测频接收机由于受到模拟器件的限制，测频精度较低，已经无法满足实际的测频需求。随着大规模集成电路的发展，数字瞬时测频接收技术逐渐取代了模拟测频技术，数字测频技术多采用体积小、重量轻的半导体元件，以其灵活多样的算法、高精度的测频能力以及可测量和分辨多雷达信号等方面呈现出强大的优势。在对一个信号的频率进行测量时，测频精度是一个重要的指标，测频精度通常用测频误差来表

4、示。测频误差是指测量得到的信号频率值与信号频率真值之间的差，采用均方根值表示。在雷达信号环境中，最常见的信号包括常规脉冲调制信号、脉内二相编码信号以及线性调频信号。对这些信号的载频测量在电子战中具有重要意义。 雷达信号测频的方法信号载频的测量方法可根据测频系统的发展分为模拟测频和数字测频两个阶段。模拟测频接收机具体的实现方法从其结构上大致分为六类:晶体视频接收机，超外差接收机，瞬时测频接收机(IFM，信道化接收机，压缩接收机和声光接收机）。数字测频由于其优异的性能和灵活多样的算法，且有不断发展的高速集成电路的支持，正在取代模拟方法成为测频方法发展的主流。（1）模拟测频系统及方法射频调谐晶体视频

5、接收机测频方式属于频域直接测频。它是在高频直接开窗口，通过窗口扫描完成测频功能。这种接收机结构简单，工作可靠，但灵敏度低，频率分辨率和精度都不高。由于直接在射频开窗口，很难保持窗口的特性不随频率变化，且很难将窗口做窄。该模拟测频系统灵敏度低、测频分辨力和精度都不够高。超外差接收机的测频方法也属于频域直接测量，其原理如图。它是将射频信号做一次或多次变频，然后在中频产生较容易滤波、放大处理的信号，雷达信号的幅度和相位等信息得到了比较精确的保留。由于处理中频，因此具有良好的选择性和很高的增益，接收机灵敏度也很高。但是存在寄生信道干扰，结构相对比较复杂，窄带搜索式超外差接收机搜索时间长，在某一时间段内

6、截获概率低。由于对模拟器件的依赖度敏感等缺点。超外差接收机还具有对环境温度敏感等缺点。信道化接收机是将多波道接收机和超外差接收机相结合的产物。多波道接收机将多路晶体视频接收机进行并行运用，既利用了晶体视频接收机技术简单、工作可靠的优点，又解决了单个晶体视频接收机灵敏度、测频精度和频率分辨力低的问题。但是它仍有路数有限，频带不能做窄的缺点。信道化接收机继承了多波道接收机和超外差接收机接收机的优点，拥有高灵敏度，大动态范围，高截获概率，又能对同时到达信号进行处理。它的测频方式也是频域测量，抗干扰能力强，测频精度和频率分辨率不易受外来信号干扰影响。信道化接收机的缺点是信道不均衡，强信号容易产生信道间

7、干扰；系统复杂度随着信道化数目以及监视带宽的增大而增大，成本较高；测频精度和频率分辨力受信道宽度，信道数和检测特性的限制。瞬时测频接收机采用功分器件使信号分别具有不同的延时来得到相位信息，采用信号的自相关技术进行频率一相位转换，实现测频。优点是测频精度高，无需频率扫描，截获时间短，体积小，成本低。但是瞬时测频接收机对多信号接收存在困难，当存在同时到达信号时，测频误差将增大，甚至引起测频错误。压缩接收机是将Chrip变换与高灵敏度超外差接收机相结合。对信号具有压缩能力，使信号峰值功率增加，提高了对微弱信号的发现概率;瞬时频带大大增加，截获概率高;频域分辨能力强，饱和动态范围大。但是输出脉冲窄，使

8、后续视频处理复杂化。声光接收机是利用声光调制技术和透镜的空间傅立叶变换原理，实现快速傅立叶变换，完成实时频谱分析。它的瞬时带宽比较宽，频率分辨率高，灵敏度高，处理同时到达信号能力强。但是动态范围不够大。总而言之，模拟接收机难以检测同时到达信号，它受限于模拟器件，难以解决频率截获概率和频率分辨率之间的矛盾等问题，且一旦成型不便于修改，处理方法不够灵活。（2）数字测频系统及方法现代电子信号环境要求接收机同时具有极宽的处理带宽，大的动态范围，高灵敏度，快速处理能力，及多信号特征提取等能力。显然任何模拟的信号接收系统都己经无法满足这样的要求。然而，随着模数转换器的发展和数字信号处理器速度的提高，数字接

9、收机特有的优点使它能够逐步达到上述电子战的要求。因而数字接收机己经成为当前研究的重点。而种类繁多的数字信号处理方法也应运而生，这也成为数字信号接收系统开发人员关注的重中之重。 数字测频方法不是直接在频域进行的，而是通过对被测信号进行幅度A/D变换和各种变换处理来获取信号的载频和调制方式(包括相关/卷积器和傅立叶变换等)。这些方法的共同特点是:既能获得宽瞬时带宽，实现高截获概率，又能获得高频率分辨力以及多信号特征，较好地解决了截获概率和频率分辨力之间的矛盾。随着超高速大规模集成电路的发展，数字式接收机己经成为电子信号接收系统的主流。它通过对射频信号的直接或间接采样，将模拟信号转变成数字信号，实现

10、信号的存储和再现，能够充分利用数字信号处理的优点，尽可能多地提取信号的信息。比如，利用FFT算法组成的数字式快速傅立叶变换处理机构成高性能测频接收机，不仅能够解决截获概率和频率分辨力之间的矛盾，而且测频精度很高，使用也很灵活。当前的数字接收机基本结构如图。数字接收机与模拟接收机相比不存在模拟电路中的温度漂移、增益变化或直流电平漂移等现象，具有很好的稳定性。这样就不需要采用过多的校正技术。后续数字信号处理的算法灵活多样，有非常好的测量效果。数字接收机的另一大优点是能够长期保存、信息损失小。因此，能够多次处理数字化的数据，并从中提取所需要的信息。前面己经提到频率数字化测量方法是用数字信号处理的方法

11、对信号的载频进行测量。随着数字接收机的发展，对数字测频方法的研究也越来越多。现代电子信号环境要求数字接收机有大的处理带宽，对要接收的信号进行全概率的接收，又必须有很快的处理速度。所以，目前应用于数字接收机中的数字测频算法研究也是基于这个目的。虽然有一些性能非常好的频率估计方法，能够对大带宽内的多个信号进行精确测量。但是，由于当前硬件发展水平的限制，还不能直接应用。因此，就必须基于现有的硬件条件，研究较易实现的信号频率测量算法。己有的数字测频结构有信道化数字测频，离散傅立叶变换是应用较多的数字测频方法。这些结构和方法各有优缺点，需要根据不同的应用场合进行应用。随着大规模集成电路的发展，人们对数字

12、化信号接收系统的需求将越来越迫切，对高性能的数字测频算法的研究也将越来越深入。 典型测频技术（1）超外差接收机 超外差接收机的原理是YIG滤波器从密集信号的环境中选出一定通带内的带宽信号送入混频器，与本振信号变频为中频信号；再经过中放、检波器和视频放大器，送给信号处理器；最后通过改变本振频率实现频率搜索。在搜索过程中，为了始终保持需要的信号频率和本振频率差一个中频，YIG滤波器必须和本振统调。由于通常变频采用下变频，使得得到的中频频率比接收的射频频率低，从而可以得到很好的选择性和较高的放大量，同时也完整地保存了频率和相位信息，失真小，可以检测宽脉冲线性调频信号和相位编码信号，而且其灵敏度高选择

13、性好易于实现。超外差接收机的特点就是具有一个固定带宽的中频频率。其特点是频率分辨率高、灵敏度高、抗干扰能力非常强。而超外差接收机的缺点是易于产生寄生通道干扰，窄带式搜索时间长，结构复杂，对短时间出现的信号及瞬间信号的截获概率非常低。超外差接收机原理框图如图。（2）信道化接收机由于现代战争中使用的雷达很多，作战环境中雷达发射的电磁辐射不仅信息密集而且频段很宽，当前信号的调制技术和雷达的工作方式也日益增多。这就对侦察接收机提出了较高的要求:能在宽广的频率范围内，以一定的测频精度快速地测定雷达的包括频率等信息，这就迫使人们研制各种新的接收机，并大力采用先进的数字化处理技术和计算机技术来提高侦察设备的

14、自动化程度和对复杂环境的适应能力。 1.原理及分类信道化接收机的测频方法是直接在频域进行的，通过毗邻频率窗法来实现。这种方法较好地解决了频率截获概率与频率分辨率的矛盾。信道化接收机的基本结构如图。由图我们看出，信道化接收机实际上是多波道接收机与超外差接收机相结合的产物。这样就解决了这样一个问题:如果多波道接收机的频率分路器的路数越多，则所分频段就越窄，相应频率分辨率和测频精度就越高。但是实际工程中，由于频率分路器的路数不能任意增多;微波领域无法获得频带极窄的信道，于是难以满足较高的测频精度要求。而与超外差接收机结合起来，将接收到的射频信号进行下变频，变频后再进行波段选择，这样就解决了存在的问题

15、。信道化接收机主要分三种形式:纯信道化接收机、频段折叠信道化接收机和时分信道化接收机。纯信道化接收机将所测频率范围分成达到要求分辨率的多个相邻信道。首先用频段分路器及宽带滤波器将系统的频率覆盖范围分成M路，M路的信号分别经过第一次变频，将接收到的射频信号变成第一中频信号，因为各路信号的变频本振不同，但变频后的中频频率、带宽相同。各路信号经中放、检波和视放后，送入比较器，进行检波比较，再输出给逻辑判决电路进行门限判别，以确定信号的中心频率，最后送入频率编码器，编出代表不同信号频率的频率码送给信号处理器进行处理。为保证测频精度，再将各个频段的第一中频信号分别送往各自的分频段分路器，把每个波段分成N

16、个等分。每个分频段的信号经过第二次变频、第二中放、检波和视放，送往比较器检测门限、逻辑判决电路，送入编码器编出信号频率对应的频率码。由此可见，纯信道化接收机的优点是:频率截获概率为100%，可以处理分集信号，显而易见它的缺点是:体积大、重量重和消耗功率很大，造价也很高。频段折叠式信道化是把多个频段折叠到一个公共子频段上。而时分式信道化是只把有活动的信道通过开关，切换转移到公共子频端上，然后再将子频段细分为多个相邻的信道。中间信号处理的过程同纯信道化接收机是一致的。三种结构接收机在处理M个子频段的时候方法是不同的。纯信道化接收机共要处理N×M个子频段；频段折叠结构所有N个频段都折叠在一

17、起，所以只处理M个子频段:时分式接收机将多路器用开关代替，因此某一时刻，N路中只有一路信号输出，因此也只处理M个子频段。从测频精度来看，频段折叠式因频段折叠，将各个频段的噪声同时也进行了叠加，但同时也降低了接收灵敏度:时分式测频精度介于二者之间，而且时分式在多信号的情况下容易产生测频模糊，需要另外做外部处理，同时其截获时间也相应延长。综合上述特点，我们采用了纯信道化形式，灵敏度高，测频速度快，精度高且支持多信号的测频，且频率截获概率为100%。2.信道化接收机的特点及应用 在技术竞争的道路上，信道化接收机继承了晶体视频接收机与超外差接收机的优点并解决了比相法瞬时测频接收机难以解决的对频率分集信

18、号的分离问题，使得侦察接收向敞开式全概率接收机的进军，又向前迈出了一大步。信道化接收机是一种高截获概率的接收机，截获概率可以达到1。由于它能直接从频域选择信号，避免了时域重叠信号的干扰，抗干扰能力非常强；测频精度和频率分辨力也不易受外来干扰信号的影响，而只取决于信道频率分路器的单元宽度，工程上频率分辨力可以做到士1MHz。因为通常信道化接收机是在超外差接收机基础上构成的，因此，它的灵敏度高，动态范围大。 在实际的电子战环境中，雷达信号异常密集，在每秒单位时间内出现的雷达信号可能高达数百万个脉冲，信号在时域上重叠，信号的频率范围也宽，方位覆盖较广。而信道化接收机在高密度信号环境中具有卓越的分离能

19、力，使得它完全适用于空中电子支援侦察系统。近几年，表声波滤波器、微波集成电路和大规模集成电路的迅速发展，又使得信进化接收机成为未来的空中干扰系统干扰机控制接收机的有力竞争者。信道化接收机的分辨力由频率分路器决定的，无论是直接在微波分频，还是经混频后在较低的中频分频，频率分路器的功能都是通过滤波器来实现的。由图我们可以看到，N个滤波器将把覆盖的频段分成2（N-1)个信道。滤波器B与相邻的滤波器A, C带宽分别交叠三分之一，通过判断信号落入滤波器A还是B或A与B或B与C的交叠处来判断输入信号的频率范围，检波电路将通过门限电平的中频信号检波输出，在编码部分进行频率编码，再进行编码比对，即可实现时时测

20、频功能。滤波器的带宽决定了接收机的测频精度。采用这种方式较滤波器不相邻的方式，用同样多的滤波器在同样的频率范围内将大约多一倍的信道，从而提高了测频精度。（3）数字接收机电子侦察一般要求接收机具有宽输入带宽，高灵敏度、分辨率，大动态范围，同时到达多信号接收，低响应时间，目标信息保存完整等能力。很显然数字化接收机对上述要求能够很好满足。并且数字信号具有长期储存、信号信息损失少等特点，可以使用更灵活的信号处理方式直接从数字化信号获得更多的信息，使用较为复杂的算法进行细微信号特征。因此数字化接收机是电子侦察系统发展的必然趋势。 数字接收机是新一代雷达侦察系统的重要组成部分，理想的数字接收机是在接收机前端直接对射频信号进行采样、存贮与处理，再利用数据率转换系统来降低后续数据处理流量并同时