一种通用的机动式高精度电磁环境监测系统_洪闯.pdf

试验与评估航天电子对抗2023年第 1期一种通用的机动式高精度电磁环境监测系统洪闯1，张伟军2，刘海斌2，王志春3，张进3（1.中国人民解放军 95835部队，新疆 马兰 841200；2.中国人民解放军 95821部队，甘肃 酒泉 732750；3.中国航天科工集团 8511研究所，江苏 南京 210007）摘要：为实现电磁信号快速和高精度监测，在常规电磁环境监测系统硬件架构的基础上，采用实时频谱仪和示波器等仪器仪表，设计开发系统软件，并配套设计相应的标校分系统和事后处理分系统，形成一套完整的机动式电磁信号监测系统，实现了电磁信号幅度标校、电磁信号监测、特征分析等功能。实际使用结果表明：高端仪器仪表的使用，能够实现电磁信号时域与频域的快速捕获与分析；标校系统的使用，有利于系统测量准确度的提高；事后处理分系统的使用，能够实现对雷达信号与干扰信号精细化分析；整套系统能很好地满足复杂电磁环境信号监测的需要。关键词：仪器仪表；标校分系统；事后处理分系统；快速捕获；电磁环境信号监测中图分类号:TP319 文献标志码:ADesign and implementation of mobile highprecision electromagnetic environment monitoring systemHong Chuang1，Zhang Weijun2，Liu Haibin2，Wang Zhichun3，Zhang Jin3(1.Unit 95835 of PLA，Malan 841200，Xinjiang,China；2.Unit 95821 of PLA，Jiuquan 732750，Gansu,China；3.No.8511 Research Institute of CASIC,Nanjing 210007,Jiangsu,China)Abstract：In order to realize the rapid and high-precision monitoring of electromagnetic signal，based on the hardware architecture of conventional electromagnetic environment monitoring system，the system software is de-signed and developed by using instruments and meters such as real-time spectrometer and oscilloscope，and the corresponding calibration subsystem and post-processing subsystem are designed to form a complete set of mobile electromagnetic signal monitoring system，which realizes the functions of electromagnetic signal amplitude cali-bration，electromagnetic signal monitoring and identification.The practical application results show that the use of the calibration system is conducive to the improvement of the measurement accuracy of the system；the use of high-end instruments and meters can realize the rapid acquisition and analysis of electromagnetic signals in time domain and frequency domain；the use of post-processing subsystem can realize the fine analysis of radar signal and jamming signal；the whole system can well meet the needs of signal monitoring in complex electromagnetic environment.Key words：instrument；calibration subsystem；post processing subsystem；fast capture；electromagnetic en-vironment signal monitoring0 引言随着大量电子信息系统和装备的使用，试验区域的电磁环境越来越复杂，呈现电磁场实时改变、频谱无限宽广、能量密度不均、信号样式多样、携带信息复杂等特点，对被试装备的工作性能产生较大影响。为更好地完成试验任务，十分有必要使用高精度、高性能的机动式电磁环境监测系统对所关注区域的电磁信 号 进 行 监 测，以 提 供 试 验 任 务 所 需 的 电 磁 环 境收稿日期：20221202；20230120修回。作者简介：洪闯（1982-），男，工程师，主要研究方向为靶标与电子对抗。-19DOI:10.16328/j.htdz8511.2023.01.0032023，39（1）航天电子对抗数据。为了提高电磁环境监测系统测量精度和信号精细化分析能力，本文创造性地开展了一些改进工作：一是采用精度高、性能稳定可靠的商用高速频谱分析仪、示波器等仪器仪表，对接收的电磁信号在时域、频域同时进行分析处理；二是增加了标校分系统，通过标准信号标校监测系统的方式，来提高整个系统测量准确度；三是通过后处理分系统，对电磁监测系统采集的信号进行精细化处理与分析。最后在常规电磁环境监测硬件架构设计的基础上，开发了一套完整的机动式电磁环境监测系统，来验证本文的改进思路的有效性。1 系统结构及工作原理1.1系统结构机动式高精度电磁环境监测系统由电磁监测车、标校车以及后处理分系统 3 大部分组成，其中电磁监测车包括天伺馈分系统、信号接收分系统、中频信号采集分系统、信号监测录取分系统和载车，标校车包括标校分系统和载车，这 2部分组成框图如图 1所示。后处理分系统，主要由固定站（磁盘阵列）、交换机和数据事后处理软件等组成，组成框图如图 2所示。1.2工作原理电磁监测车具有标校与电磁环境监测 2种工作模式。当电磁监测车处于标校状态时，其主要工作原理是：在监测车内的计算机通过网线来控制标校车内的信号源，产生一定频率、功率的信号，经功率放大器放大后，由定向天线对准电磁监测车监测天线波束主瓣方向辐射；监测天线接收信号后，经过限幅器和低噪声放大器后进行变频，变频后的中频信号由频谱仪进行接收；根据实际传输路径的传播损耗以及线缆损耗，进行理论计算，获得到达监测车的信号真值，对比真值与实测值，获得对应的标校数据，并存储在标校数据表格中。重复上述步骤，直至形成全频段的标校表格。在实际监测时，系统软件调用该标校表格，对监测值进行标校，从而消除监测系统的系统误差，实图 1电磁监测车和标校车组成框图图 2数据后处理分系统组成框图-20试验与评估洪闯，等：一种通用的机动式高精度电磁环境监测系统2023，39（1）现对电磁信号的准确测量。当电磁监测车处于电磁信号监测状态时，其主要工作原理是：监测天线接收的信号经过限幅器和低噪声放大器后进行第一次变频形成第一中频信号，第一中频信号分为三路；其中一路第一中频信号经过幅度调理后进行第二次变频，第二中频信号由采集模块进行采样，数据保存到车载工作站，经快速处理后在软件界面进行显示；第二路第一中频信号由频谱仪进行接收，并在软件界面进行频域显示；第三路第一中频信号由示波器进行接收，在软件界面进行时域波形显示。当需要对所监测的电磁信号的细微特征进行提取时，可利用后处理分系统完成对信号的分选、信号调制域分析、信号参数统计分析等工作。2 系统设计2.1系统硬件设计1）天伺馈分系统天伺馈分系统主要实现电磁信号的接收、天线升降、方位和俯仰控制以及信号的传输等功能，主要由天线、天线升降机构、伺服、馈线等组成。其中天线采用分频段方式同时满足增益和波束宽度要求，其中 0.42 GHz 频道采用对数周期天线，218 GHz 频段采用喇叭天线；天线升降机构采用四桅柱式升降机构+稳定钢索形式；伺服采用多轴转台形式。2）信号接收分系统信号接收分系统对天线接收的电磁信号进行放大、滤波、变频、幅度调理、功分等处理，为后续信号采集和信号监测创造有利条件。其中滤波器采用高通滤波器和低通滤波器级联的方式组成带通滤波器，高通滤波器和低通滤波器均采用标准切比雪夫形式；低噪声放大器的设计重点在输入输出和级间匹配电路。为兼顾噪声系数和增益，一般低噪声放输入级按最佳噪声匹配设计，级间匹配和输出匹配按最大增益匹配设计。低噪声放大器由两级低噪声放大器级联来提高增益；一次变频模块和二次变频模块均为下变频器，属于频率搬移器件。3）中频信号采集分系统中频采集分系统主要对第二中频信号进行 A/D采集、数据存储以及数据处理，由实时高速 A/D 组合及控制单元、车载工作站等组成。其 中 A/D 组 合 控 制 单 元 设 计 成 ADC 子 卡 和PCIE 载卡：ADC 子卡主要由信号电平调整电路和模数转换电路组成。电平调整电路对输入的第二中频信号进行电平调整，实现自动增益控制功能；模数转换电路对信号进行模数转换，通过 FMC-HPC 接口发送至 PCIE 载卡的数据处理芯片；PCIE 载卡主要芯片为 FPGA 芯片，选用 Xilinx 公司的 V6 系列以上芯片，支持 PCIE2.0 标准，同车载工作站间数据速率最高可达 4 GB/s。PCIE 载卡上挂载 2 组低功耗 DDR3 存储芯片用于数据缓存，其容量可达 1 GB 以上。PCIE 载卡上扩展 IIC/SPI 接口和 JTAG 接口，便于调试并增强其扩展性和通用性。PCIE 载卡的结构图如 3所示。车载工作站采用货架产品。4）信号监测录取分系统信号监测录取分系统在频域和时域对信号进行参数测量、数据显示、保存、回放以及电磁态势显示，主要由测量设备、显控设备和信号监测录取分析软件组成，其中测量设备包括频谱分析仪、示波器，显控设备包括工控机、交换机等。其中频谱分析仪采用是德科技的 N9020A-RT1频谱分析仪，该分析仪具有 10 Hz26.5 GHz 的频率测量范围，并配备 85 MHz的分析带宽选件，能够快速扫 描；示 波 器 采 用 LECROY 的 WAVERUN-NER8404，工作频段高达 4 GHz。信号监测录取、显示及存储的设计思路是通过信号监测录取分析软件，实现监测参数设置、任务执行、结果记录等功能。通过光纤或以太网将监测车上存储的数据及波形等，快速传输到固定工作站，用于数图 3PCIE载卡结构图-212023，39（1）航天电子对抗据后分析处理。5）标校分系统标校分系统产生宽频带标校信号，对监测系统的测频精度、调制参数测量能力、功率密度测量精度、信号识别能力等性能进行标校，主要由定向发射天线、功率放大器、射频切换开关、信号源、控制终端、交换机、车辆平台等部分组成，该分系统标校信号频率范围为 0.426.5 GHz。6）数据后处理分系统数据后处理分系统实现信号分选、信号调制域分析、信号参数统计分析、多种雷达信号、噪声干扰信号的识别以及监测报告自动生成等功能，主要由磁盘阵列、工作站、交换机、台式机以及数据事后处理软件等组成。其中数据后处理软件主要由信号分选模块、信号调制域分析模块、雷达信号与噪声信号识别模块、信号参数统计分析模块、图像显示模块和监测报告生成模块等组成。2.2 系统软件设计机动式高精度电磁环境监测系统的核心软件是信号监测录取分析软件，该软件采用功能模块化技术，使各个模块独立完成各自功能，通过合理调用各个模块来实现监测功能。该软件主要由设备管理、信号监测与识别、统计分析、数据管理、地图操作等模块组成，如图 4所示。软件主要工作流程如图 5所示。3 试验结果与分析为了对本文提出的机动式高精度电磁环境监测系 统 主 要 性 能 进 行 验 证，需 要 构 建 试 验 场 景 进 行测试。3.1试验场景构建试验场景构建的基本原则是充分利用现有的试验资源，以产生较为复杂的电磁环境，即在一定的空域、时域、频域和功率域上多种电磁信号同时存在；电磁环境信号尽可能采用不同信号样式，包括常规脉冲信号、频率捷变、重频参差、重频抖动等信号，使电磁环境尽可能复杂。根据以上原则和资源分配方式，构建试验场景示意图如图 6所示。3.2试验方法和试验结果主要试验过程如下：1）将电磁环境监测车与 1 辆标校车相距 100 m，分别展开；将 1 辆地面干扰车和 2台便携式干扰机与标校车放置同一位置，展开架设好，使各自的天线将对准监测车天线；2）将监测车开图 4信号监测录取分析软件组成框图图 5软件工作流程图-22试验与评估洪闯，等：一种通用的机动式高精度电磁环境监测系统2023，39（1）机，处于信号监测状态；3）将监测信号标校车开机，输出中心频率为 f0的正弦波信号，记录监测车测量的频率值与功率大小，监测信号标校车一直保持信号输出状态；4）利用 2台便携式干扰机产生功率较小、信号样式各不相同的信号，以作为背景信号；利用 1辆地面干扰车，依次产生不同功率、不同带宽的阻塞干扰信号。电磁环境监测车的监测结果分别如图 79所示。图 7 为只有标校车产生连续波信号情况下的监测数据，图 8为标校车产生连续波信号+2台便携式干扰机产生背景信号+1辆地面干扰车产生小功率宽带阻塞干扰的监测数据，图 9为标校车产生连续波信号+2台便携式干扰机产生背景信号+1辆地面干扰车产生大功率宽带阻塞干扰的监测数据。试验结果表明系统能对雷达信号和雷达干扰信号进行准确监测，具体表现为：在背景信号幅度较小时，监测系统能够对连续波信号频率与幅度进行准确监测；在宽带阻塞干扰信号幅度较大时，监测系统能够对宽带噪声干扰信号的中心频率、带宽、幅度等进行准确监测。4 结束语为更好满足试验区域复杂电磁环境信号监测的要求，需要利用测量速度快、测量精度高的机动式电磁环境监测系统。本文在常规电磁环境监测系统设计架构的基础上，提出了一种通用的机动式高精度电磁环境监测系统架构，具备同时在时域与频域对电磁信号进行采集、分析与处理等功能。通过配套的标校系统减小系统测量误差；通过后处理分系统提高对多种雷达信号、噪声干扰信号的识别和脉内特征分析的能力。实测结果表明本文提出的机动式电磁环境监测系统具有时频域数据同时监测功能，系统测量精度高、速度快、稳定性好，是一种能很好满足各种复杂电磁环境信号监测需要的通用系统。参考文献：1翁木云，吕庆晋.频谱管理与监测 M.北京：电子工业出版社，2017.2 陈东.无线电频谱监测 M.北京：解放军出版社，2007.图 6构建的试验场景示意图图 7监测数据 1图 8监测数据 2图 9监测数据 3（下转第 50页）-232023，39（1）航天电子对抗3 结束语本文设计并实现了一种大带宽数字信道化接收及重构系统。该系统利用高性能数据采集芯片直接进行射频采样，获得大瞬时带宽的同时优化了传统信道化处理步骤；使用了正交镜像滤波器，实现了信号的精确重构。该系统可实现多雷达信号同时收发，具有较高的工程应用价值。参考文献：1James T.宽带数字接收机 M.杨小牛，等译.北京：电子工业出版社，2002.2 龚仕仙，魏玺章，黎湘.宽带数字信道化接收机综述 J.电子学报，2013，41（5）：949-959.3赵前，罗通顶，陈彦丽，等.高性能数据采集系统核心器件国 产 化 水 平 研 究J.电 子 技 术 应 用，2022，48（5）：7-11，20.4Ni W，Zhang X.Optimized application of multi-UAV elec-tromagnetic deception jamming C 4th IEEE Informa-tion Technology，Networking，Electronic and Automation Control Conference，Chongqing，China，2020：1658-1662.5陈通，赵忠凯.基于数字信道化的雷达侦察与干扰系统设计 J.电子信息对抗技术，2020，35（4）：5-8，52.6Creusere CD，Mitra SK.A simple method for designing high-quality prototype filters for M-band pseudo QMF banks J.IEEE Trans.on Signal Processing，1995，43（4）：1005-1007.7Yin SS，Zhou Y，Chan SC.An efficient method for de-signing of modulated filter banks with causal-stable IIR fil-ters J.Journal of Signal Processing Systems，2015，78（2）：187-197.8王海生，黄振，葛宁.基于多相滤波结构的高效动态数字信道化接收机设计 J.电路与系统学报，2013，18（2）：1-5.Maze：Data-free model stealing attack 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