基于自适应技术的雷达频率控制系统设计

摘要：自适应雷达频率控制系统是针对有源压制性干扰的重要抗干扰措施。对该系统的工作原理、硬件组成及软件设计进行了介绍。该控制器以单片机为核心，通过频谱分析找出干扰最小的频点，然后控制发射机以该频点进行工作，达到抗干扰的目的。
关键词：雷达；MCU；自适应；抗干扰

0 引言
    在复杂干扰环境下抗干扰能力已成为雷达的重要性能之一。其中跳频技术具有很强的抗有源干扰能力，它是指雷达发射相邻脉冲或脉冲组的载频在一定范围内快速变化。然而，由于其工作频率是按某种特定的规律或无规律地变化，当在敌方强烈的广谱干扰下，跳频的频带宽度是不可能超出干扰的频带宽度的。单纯用跳频措施对抗有源压制干扰，其效果不理想。由于有源压制干扰频谱存在频谱凹点和凹区，因此，具有确定最佳频率或频段的分析功能的雷达，即自适应跳频雷达，由于可以自适应地在最佳频点上以定频工作，成为对抗广谱干扰的利器。
    在此基础上，本文根据雷达自适应抗干扰技术理论，设计自适应频率控制系统，对某型雷达抗干扰措施进行改进。

1 雷达自适应抗干扰原理
    雷达接收到的有源干扰信号的功率谱一般存在不均匀性，即在某些干扰的频点或区域出现频谱凹点或凹区，这个凹点或凹区产生的原因可能是干扰发射机自身的不完善、干扰发射天线的频率响应不均匀、电波传播的多路径效应、雷达天线旁瓣的频率特性等。
    雷达自适应频率控制系统重要技术就是具有对干扰信号频谱进行自动分析、判断干扰大小的功能，在复杂干扰情况下自动选取干扰最小的频率点发射雷达信号。该系统是一个具有16个频率点的火控雷达的自适应频率控制系统，该系统根据干扰频谱特性选择干扰最小的频率点进行发射。系统体系框架如图1所示。

    接收机带宽被分为16个频点。单片机控制压控振荡器从小到大按顺序输送出每个频点的频率，与干扰信号在混频器混频后，单片机对16个频率点的差频信号进行采集分析，比较每个频率点上的干扰大小，选择出干扰最小的频率点，然后单片机再控制压控振荡器在该频率点发射而使干扰影响最小。
2 自适应抗干扰频率控制系统的硬件设计
    该控制系统以单片机为核心，由频谱分析模块、模／数、数／模转换芯片和压控振荡器组成。单片机接收频谱分析模块送出的信息，来判断各频点干扰大小，并给压控振荡器发出控制指令。频谱采集分析模块是高频组件，在雷达定时测距组合协调下统一工作，负责干扰频率的频谱采集分析。压控振荡器接受单片机的指令，在干扰最小频率点下进行发射。
2．1 频谱采集分析模块组成及工作原理
    该型火控雷达的接收机同时也是一部干扰侦察接收机。对数放大器具有大的瞬时动态范围，是理想的干扰侦察接收机。利用两路对数通道输出的视频信号相加之后提供给频谱分析模块，进行干扰杂波强度分析。被检测信号(频率为fS)经过调理和高频放大后，输入混频器中和本振信号(频率为fL)进行混频，获得中频信号f1=fL-fS；经过前置中频放大器和对数放大与检波，得到一个和输入信号幅值成正比的波形，经放大后送到控制器内的A／D采样芯片上，供单片机进行分析。如图2所示。

    和一般的频谱分析仪不同的是，这里的本振是一个电压控制的数字本振，它可用一个D／A芯片和运算放大器产生的电压来调谐，使它的频率在一定范围内做线性变化。该锯齿波电压来自单片机和D／A芯片组成信号调理电路。由于本振产生的频率fL为16个离散量，而中放的频率f1是固定的，因此被检测信号中就有16个频率量fL顺序的变化到能满足f1=fL-fS的那一瞬间通过中放，并被单片机顺序采集。这样就得到了所需要的信号频谱值并使其与监测的频率值一一对应。
2．2 控制模块组成及其工作原理
    控制器硬件部分除包含了频谱采集分析模块，另外还有单片机系统及模／数转换器件以及相应的信号调理电路，如图3所示。

    单片机一次将频率控制字N从0～16输送给数／模转换芯片D／A。芯片D／A将单片机送来的频率控制字转化为0～5 V的离散的16个直流电压对应于扫频发生器输出的锯齿波电压值，该电压值的范围刚好使数字本振的输出频率fL范围对应于接收机的带宽。这就实现了单片机内部0～16的频率控制字与本振压控振荡器输出频率fL的一一对应。
    单片机每输出一个频率控制字，频率采集系统的本振就输出对应频率，当干扰噪声信号幅度大于门限电压时，被控制信号的波门选通，对已被选通的干扰噪声脉冲计数，在相同的单位时间内，计数值的大小，即说明干扰噪声的强弱(幅度和密度的综合)，调整门限电压能够在干扰噪声信号变化不大的情况下，区分出较弱的干扰噪声信号。单片机控制电路如图4所示。

3 控制器软件设计
    当某型火控雷达遇到宽带压制干扰后，可启动该控制器。如图5所示，单片机通过数／模转换芯片控制压控振荡器已预设的频点工作，高频组件将输出对应的干扰频率的频谱，单片机再通过模／数转换芯片对频谱进行采集。

    单片机控制压控振荡器依次工作在16个频点上，并采集对应的16个频率点上的干扰噪声值，并对噪声大小进行编码。在采集的过程中，分析模块将找出干扰噪声码最小的频点。然后单片机对压控振荡器发出控制指令，使发射机工作在该频点上。
    程序框图如图6所示。

    当接收到控制面板上的自适应跳频指令后，单片机初始化，设置频点控制字N=0，电压幅值控制字V=0。然后启动D／A，控制压控振荡器开始工作。单片机启动A／D，对干扰噪声的噪声进行编码，并将数值存入自己的累加器A。累加器A的数值与电压幅值控制字V内的数值进行比较，若A大，则V内保留原数值不变；反之，若A小，则将A内的数值赋给V，并将频点N放在控制字N。内保存。至此，一次采样分析结束。然后判断频点N是否到达最高频点16，若没有，则返回继续采集分析。否则，若到达最高频点，表明单片机已经完成了整个带宽内的干扰噪声侦察，此时根据频点控制字N。内所记载的最小干扰谱的频点，输出相应的控制指令，由单片机控制压控振荡器，使发射机工作在相应的频点上。

4 结语
    本文设计的雷达自适应抗干扰频率控制器是在雷达跳频抗干扰技术上进行改进设计的。所设计的自适应频率控制器具有结构简单、成本低廉、抗干扰性强的特点，在某型火控雷达上改装成本低，周期短，具有很高的实用价值。