寬帶偵察靈敏度提升設計

陳章龍

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

1 概 述

為了提高復雜環境中對綜合電磁態勢的感知能力，下一代電子偵察設備必須大力提高復雜電磁環境下的接收、處理和識別能力。提高這些能力的基礎就是要提高偵察設備的靈敏度。

1.1 國內外研究現狀

20個世紀70年代，美國海軍研制了AN/SLQ-32電子對抗系統，用于其水面艦艇防御。如今戰場上面臨的電磁威脅早已發生了翻天覆地的變化：各種新式雷達和反艦導彈的數量日益增加，雷達抗偵察抗干擾體制逐步完善，讓老式裝備捉襟見肘。因此在2002年美國海軍啟動了“水面電子戰改進項目(SEWIP)”，以增強電子戰作戰的能力，應對下一代雷達和反艦導彈的威脅。主要改進包括：

(1) 采用新型寬帶數字接收機替代老式SLQ-32的電子支援；

(2) 改進了電子支援天線，提高了天線的增益；

(3) 改進了信號處理算法；

(4) 采用VPX體系架構和標準化、模塊化設計方式，使未來的升級工作更加簡便[1]。

其中(1)、(2)的主要目的就是提高電子戰偵察設備的靈敏度。據網絡上了解，美軍寬帶偵察設備靈敏度已經達到-70 dBm。

匯總調查結果，國外新老SLQ-32偵察設備靈敏度指標如表1所示。

表1 新老SLQ-32偵察設備靈敏度指標比較

1.2 偵察靈敏度提高的瓶頸

對于偵察設備來說，靈敏度是由兩支路共同決定的，一個是測頻支路，另一個是測向支路，系統的靈敏度是由2個支路中靈敏度低的那個支路決定的。在每個支路中決定靈敏度高低的主要是三大分機：天線分機、微波分機和接收分機。

如果以美國新式SLQ-32為追趕目標，滿足-70 dB以上靈敏度的指標要求，老式的偵察設備需要做出很大的改進：首先瞬時測頻接收機由于體制原因，其靈敏度提升能力受限，并且同時到達信號功率相近時測頻容易出錯。因此選擇一個新式寬帶測頻接收機，才能適應新的偵察靈敏度需求。其次，提高天線增益，降低微波通路噪聲系數，同時在測向支路選擇靈敏度更高的檢波對數視頻放大器(DLVA)模塊等，也成了改善偵察靈敏度的關鍵所在。

2 靈敏度提升設計思路

根據偵察機靈敏度公式可知，偵察機靈敏度主要取決于以下幾個因素：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNR-D

(1)

式中:Prmin為接收機靈敏度，單位為dBm；B為接收機中頻帶寬，單位為MHz；F為微波前端噪聲系數，單位為dB；σSNR為檢測或處理所需要的最低信噪比，單位為dB；D為天線增益，單位為dB。

因此提升偵察機靈敏度有4種方式：

(1) 降低接收機的瞬時帶寬

其本質在于通過降低偵察的頻率截獲概率，提升接收機的靈敏度。通過公式(1)可知，在其他因素不變的條件下，接收機中頻帶寬B每下降50%則接收機靈敏度提升3 dB。因此若需要保持偵察機的頻率截獲概率不變，那么每增加3 dB靈敏度需要接收機鏈路硬件增加1倍。

(2) 降低微波鏈路的噪聲系數

降低微波鏈路噪聲系數一般需要微波鏈路前置、前級采用低噪聲放大器、超低溫傳導等方式來實現。一般來說用這種方式提升靈敏度的程度有限，難度較大，成本最高，對傳統設備改動較多，因此一般來說不是設計首選[2]。

(3) 降低檢測所需的最低信噪比

在一定帶寬范圍內，接收機一般采用時間積累的方式提升信號的信噪比，從而實現降低檢測所需要的信噪比。但是這種提升方式也有相應的缺陷，比如不適用于大帶寬、窄脈沖雷達信號，因此對于通用型雷達信號接收裝置提升程度有限。

(4) 增加天線的增益

由于提升天線增益的本質在于降低天線的波束寬度：天線增益每提升3 dB，天線波束寬度便下降50%。而天線波束寬度的降低會影響偵察機的空域截獲概率，因此若需要保持偵察機的空域截獲概率不變，那么每增加3 dB靈敏度需要偵察機鏈路硬件增加1倍。

通過以上分析可知，偵察機靈敏度的提升是一個多維度的權衡設計，需要充分考慮偵察機的使用需求、設計成本、現有約束后，采用較優的方式去實現。

3 一種寬帶偵察靈敏度提升方案設計

3.1 測頻支路方案選擇

圖1為寬帶偵察機測頻支路工作原理框圖。由1.2節可知，傳統的10 GHz超寬帶偵察測頻接收機靈敏度為-60 dBm左右，其中天線采用全向天線,增益為-5 dB，微波噪聲系數為6 dB，所采用瞬時測頻接收機需要的最低信噪比為3 dB。

圖1 寬帶偵察機測頻支路工作原理

為了以最小代價提升整機靈敏度，本文從測頻天線設計和接收機設計2個角度出發，提出一種新的設計方式，去改善偵察測頻鏈路靈敏度，具體方案選擇如下。

3.1.1 測頻天線的設計

測頻天線采用6只寬波束喇叭天線覆蓋360°空域。間隔180°的2個天線進行射頻合成，共合成3路輸出。測頻單元采用60°恒波束喇叭天線，天線示意圖如圖2所示。

圖2 寬波束喇叭天線模型

6只喇叭合路輸出示意圖如圖3所示。

圖3 測頻天線排列示意圖

寬波束喇叭天線計算增益大于8 dB，去除極化損耗，則天線增益大于5 dB。波束寬度則恒定在60°左右。兩路通過合路器合成，將會產生3.5～4 dB的功分損耗。綜上，測頻天線最終增益約為0～1 dB之間，相比全向天線增益提升5～6 dB。

3.1.2 測頻接收機的設計

單比特數字化接收機是一種通過降低采樣比特位、簡化傅里葉變換計算以獲取大帶寬和實時信號處理能力的新型測頻接收機。由于其比特數很低，所以采樣率可以做得很高，采集數據由于只有1個比特位，所以可以把測頻過程中快速傅里葉變換(FFT)的乘法運算優化成加法運算，這樣就可以大大減少計算量，降低了接收機對硬件的需求，其工作原理如圖4所示。

圖4 單比特接收機工作原理

如圖4所示，首先把射頻信號通過變頻轉化成0～10 GHz的中頻信號；然后通過20 Gsps單比特采樣模塊輸出的高速采樣數據，在現場可編程門陣列(FPGA)中進行數據接收，數據接收包括對ADC產生數據加擾、幀對齊、降速等；得到的采樣數據流進MonibitFFT模塊進行256點的FFT運算(MonibitFFT運算是將核函數在近似圓上取8點簡化值)；接著在傅里葉變換結果中進行最大譜峰搜索，得到峰值譜線對應的位置，并將峰值譜線的復數信息選擇出來進行相位信息的提取，這個過程就相當于256通路的信道化；最后把信號所在信道的相位信息送給瞬時測頻模塊進行頻率測量。

由經驗可知，滿足測頻精度1 MHz以內、99%以上概率測頻正確，需要信噪比要大于15 dB[1]。256路信道化可以提升24 dB的信噪比(注：10lg(256)=24 dB)，那么單比特接收機輸入前端需要信號的信噪比只需要達到-9 dB，相比瞬時測頻接收機靈敏度提升了12 dB。

3.1.3 測頻支路靈敏度計算

將帶寬B=10 GHz，噪聲系數F=6 dB，檢測或處理所需要的最低信噪比σSNR=-9 dB，天線增益D=0 dB，代入整機靈敏度公式，得：

Prmin=-114+10lgB+F+σSNR-D=

-77(dBm)

因此整個鏈路的靈敏度為-77 dBm，相比傳統設計得到了明顯的提升。

3.2 測向支路方案選擇

圖5為寬帶偵察機測向支路工作原理框圖。由1.2節可知，傳統的超寬帶偵察測向接收機靈敏度為-69 dBm左右，其中天線采用多波束透鏡增益為8 dB，微波噪聲系數為6 dB，DLVA的檢測靈敏度為-70 dBm，測向接收機的檢測門限設定為3 dB。

圖5 寬帶偵察機測向支路工作原理

可見測頻支路的靈敏度提升大致有2種方式：

(1) 提高測向天線的增益，即提高測向天線的數量。

(2) 改善DLVA前端微波電路的噪聲系數。

提高測向天線增益帶來的靈敏度提升是最直接的。但是如果僅考慮在原有偵察設備基礎上改進，這個方案需要改變天線結構、微波鏈路、測向接收機等，經濟成本巨大，最多也就能為整機提高4 dB的靈敏度，性價比不高。而通過在前端添加低噪聲放大器和濾波器的形式可以有效提高DLVA的靈敏度。

3.2.1 微波鏈路的設計

通過分析原微波鏈路的缺陷，根據測試經驗綜合判定，原設計鏈路中至少有2～3 dB的信噪比可以提升。因此選擇在鏈路前增加低噪聲放大器和濾波器，達到微波鏈路整體提升。具體方案如圖6所示，其中前3個框為新添加的微波器件。

圖6 DLVA組件原理框圖

經過如上改進，整個微波鏈路靈敏度提升約3 dB，微波前端噪聲系數下降至3 dB。

3.2.2 測頻支路靈敏度計算

根據上節描述可知，改進后天線增益為8 dB，微波噪聲系數為3 dB，DLVA的靈敏度為-70 dB，接收機的檢測門限為高于靈敏度3 dB。因此整機的測頻鏈路靈敏度為：

Prmin=(-8)+(-70)+3+3=-72(dBm)

3.3 整機靈敏度總結

根據3.1和3.2節中的分析，整機測頻靈敏度為-78 dBm，測向鏈路的靈敏度為-72 dBm，因此整機靈敏度為-72 dBm，相比原設計提高12 dB。

4 測試結果

測試布置示意圖見圖7，測試轉臺根據測試需求控制其轉動，轉臺上放置了單舷的接收天線陣進行測試。

圖7 示意圖

輻射源距離天線座0.15 m左右，角度約為260°，信號源通過電纜連接到標準的3315喇叭上，喇叭正對著天線座。信號源發射信號通過調節信號源，漸漸降低信號源輻射功率(靈敏度附近0.5 dB一檔降低)，直到偵察設備偵收的五大參數中有任何參數不滿足指標要求,記錄最低的滿足要求的信號源功率。

測試結果統計圖如圖8所示。圖8中橫坐標為0～10 GHz帶寬內每個頻點，縱坐標為該頻點對應的接收機靈敏度?？梢?，10 GHz帶寬內的點均達到-70 dB以上的靈敏度。

圖8 靈敏度測試結果

5 結束語

本文首先介紹了國內外偵察設備的靈敏度現狀，分析了傳統設備靈敏度設計瓶頸；通過靈敏度公式分析了靈敏度提升的本質和基本思路；然后在多維度制約下，設計了一種性價比較高、提升幅度較大的寬帶偵察機靈敏度提升方案；在文章的最后給出了實物測試的方案和測試的結果，從而驗證了該方案的可行性。