CN105261265A - 一种电子对抗技术实验教学系统 - Google Patents

Abstract

一种应用于高等院校电子信息类专业电子对抗技术领域中的电子对抗技术实验教学系统，包括硬件和软件两部分，所述的电子对抗技术实验教学系统是通过定向接收天线接收信号，经过双工器送入低噪声小信号谐振放大器进行放大，再经过功率分配器分成4路信号，分别送入模拟混频器，下变频到模拟中频信号。每路相差30MHz混频输入都由直接数字频率合成器提供，这样就可以同时接收120MHz带宽信号；经模数转换变成数字信号后，送入信号分析处理器，进行分析处理，获得信号特征参数。该发明硬件电路采用双混频电路，可对双信道信号进行侦查和干扰，数字实验系统的可靠性高，后期的运行维护费用因而降低。

Description

一种电子对抗技术实验教学系统

技术领域

本发明涉及高等院校电子信息类专业电子对抗技术领域中的一种电子对抗技术实验教学系统，更具体地说是一种应用于高等院校电子信息类专业的电子对抗原理与方法教学实验系统，主要用于培养高等院校电子信息类专业学生对电子对抗系统的学习、应用、设计开发能力。

背景技术

目前，电子对抗就是敌对双方为削弱、破坏对方电子设备的使用效能、保障己方电子设备发挥效能而采取的各种电子措施和行动，又称电子战。电子对抗分3个方面：电子对抗侦察、电子干扰和电子防御。电子对抗按电子设备的类型可分为雷达对抗、无线电通信对抗、导航对抗、制导对抗、光电对抗和水声对抗等；按配置部位又可分为外层空间对抗、空中对抗、地面(包括海面)对抗和水下对抗。机载电子对抗系统是现代电子对抗的主要手段。随着弹道导弹和卫星的发展，外层空间是一个新的战场，电子对抗在未来的现代化战争中，将对战略攻防起到重要作用。

信息技术的发展，使得电子对抗技术成为了信息战争与防御技术及民用信息安全防护等方面的核心关键技术，在军事国防和国家安全等领域中占有重要的战略地位。很多高校虽然都开设了该课程，如北京理工大学、北京航空航天大学、南京理工大学、电子科技大学、桂林电子科技大学等。由于各个高校的培养目标不同，并没有开设较全面的、激发学生创新能力培养的实验课程。例如，对于比较注重实践能力培养的桂林电子科技大学也仅仅开设了接收机测距和灵敏度实验、目标积累门限检测和虚警概率实验、噪声调频干扰和噪声调幅干扰实验共三个实验。因此，设计和研制一套电子对抗技术实验教学系统是非常必要的。通过各种综合性、设计性、创新性实验，使学生掌握测频测向与定位技术、信号处理与电子侦察技术、电子干扰技术、隐身与硬摧毁技术和电子防护技术等技能，培养学生灵活、系统地运用所学知识分析问题和解决问题，提高实际设计能力，为毕业后进行相关系统设备的开发研制打下坚实的基础。该课程实验和课程设计需要培养学生实践能力和创新精神，使学生了解科技最新发展和学术前沿动态，激发科研兴趣，启迪科研思维，培养科研道德。目前的实验条件远远不能满足这方面的需要。虽然有很多高校已经开设了电子对抗技术课程，但是注重培养学生设计能力，创新能力的实验还较少。因此，研制一种电子对抗技术实验教学系统一直是急待解决的新课题。

发明内容

本发明的目的提供一种电子对抗技术实验教学系统，本发明是面向高等学校电子对抗技术课程，适应于信息对抗技术专业，拟设计一个电子干扰和电子抗干扰系统，提出的实验内容具有一定创新性，属于创新性实验，不仅可以支持电子对抗技术的教学实验和课程设计，还可以用于该专业学生的毕业设计。该实验系统可以对学生的动手设计能力、创新能力进行培养，提高学生的实践能力；该系统也可以用于大学生创新创业项目，培养学生的自主研发电子产品的能力；整个实验系统结构紧凑、功能多样，既能进行验证性、设计性实验，又能完成综合性、创新性实验，增强了学生的实际工程及产品设计能力；能够支持完成超外差接收机测频、比幅单脉冲测向、无源定位、雷达信号处理、电子干扰和抗干扰电子防护等多个创新性实验，又可以完成电子侦察系统、雷达信号处理系统、电子干扰系统等的综合性实验。

本发明的目的是这样实现的：一种电子对抗技术实验教学系统，包括硬件和软件两部分，硬件部分由定向天线、双工器、低噪声小信号谐振放大器、模拟混频器、数字频率合成器、功率分配器、模数转换器、数模转换器、信号分析处理器、功率放大器、功率合成器、数据存储器、显示器组成；软件部分由FIR滤波器模块、信号分选模块、信号时域参数测量模块、信号脉内特征分析模块、信号识别模块、干扰信号产生模块组成，所述的电子对抗技术实验教学系统是通过定向接收天线接收信号，经过双工器送入低噪声小信号谐振放大器进行放大，再经过功率分配器分成4路信号，分别送入模拟混频器，下变频到模拟中频信号；每路相差30MHz混频输入都由直接数字频率合成器提供，这样就可以同时接收120MHz带宽信号；经模数转换变成数字信号后，送入信号分析处理器，进行分析处理，获得信号特征参数。把分析得到的信号特征参数进行存储、显示，并与数据库中综合参数数据进行相关处理，完成信号的识别；根据目标的特征，选用干扰策略，产生相应的电子干扰信号；经过数模转换，变成模拟信号输出，再经过模拟混频器，上变频到射频信号，经过功率合成器把4路信号合成到1路信号，经过功率放大器放大后，通过双工器送入定向天线，向外部发射；

所述的信号分析处理器硬件部分采用TMS320C6455芯片；所述的模数转换器采用AD80141芯片；所述的数模转换器采用AD9779芯片；所述的数字频率合成器采用AD9858芯片；所述的模拟混频器采用ADF4118芯片；

所述的信号分析处理器软件部分由FIR滤波器模块、信号分选模块、信号时域参数测量模块、信号脉内特征分析模块、信号识别模块、干扰信号产生模块组成，所述的FIR滤波器模块是采用积分梳状滤波器，实现带内滤波；所述的信号时域参数测量模块包括脉冲幅度测量、脉冲到达时间测量、脉冲宽度测量、脉冲到达角测量；所述的信号脉内特征分析模块是利用捕获的信号样本，基于信号处理技术，完成脉内调制参数测量，如幅度、频率、相位等，为后续的解调、识别和干扰信号生成提供必要的信息；所述的信号分选模块是利用辐射源信号的规律性，基于多参数联合分选方法，判读来自不同辐射源发送的脉冲信号，实现信号的分选；所述的信号识别模块是利用对辐射源信号参数测量以及脉内特征分析得到的数据，与信息数据库中的已知辐射源进行相关处理，利用比较查询、统计识别等方法，确定未知辐射源信息；所述的干扰信号产生模块是基于前面对辐射源信号的侦测与识别，针对辐射源信号的特点，来设计、产生适当的干扰信号，实现对该辐射源的干扰，降低其工作效率，或使其无法正常工作；

所述的电子对抗技术实验教学系统实现以下实验内容：

（1）超外差接收机测频实验；

（2）比幅单脉冲测向实验；

（3）无源定位实验；

（4）雷达信号处理实验；

（5）电子干扰实验；

（6）抗干扰电子防护实验；

（7）电子侦察系统综合性实验；

（8）雷达信号处理系统综合性实验；

（9）电子干扰系统综合性实验。

本发明的要点在于它的结构与工作原理。本发明基于电子对抗原理与方法，给出了实验系统的硬件和软件设计方案。硬件部分包括：定向天线、双工器、低噪声小信号谐振放大器、模拟混频器、数字频率合成器、功率分配器、模数转换器、数模转换器、信号分析处理器、功率放大器、功率合成器、数据存储器、显示器。软件部分包括：FIR滤波器模块、信号分选模块、信号时域参数测量模块、信号脉内特征分析模块、信号识别模块、干扰信号产生模块。通过对信号的分选、时域参数测量、脉内特征分析、信号识别以及产生压制干扰、欺骗干扰等信号，可以完成电子对抗侦察、电子干扰、电子抗干扰等多个实验内容。

一种电子对抗技术实验教学系统与现有技术相比，具有如下特点：

（1）硬件电路采用双混频电路，可对双信道信号进行侦查和干扰；

（2）采用数字频率合成器提供连续变化的本振信号，可以实现对辐射源信号的快速搜索；

（3）多个实验内容只需一个硬件系统就可实现，可成倍地减小体积和整机功耗；

（4）本发明完全依据高等学校电子对抗技术课程要求，可以完成电子侦查、电子干扰、电子抗干扰等相关内容的多个设计型实验内容，并可以实现多个电子对抗综合性实验；

（5）虽然有很多高校已经开设了电子对抗技术课程实验，但是注重培养学生设计能力，创新能力的实验还较少。该实验系统可以对学生的动手设计能力、创新能力进行培养，提高学生的实践能力；

（6）数字实验系统的可靠性高，后期的运行维护费用因而降低；

将广泛的应用于高等院校电子信息类专业电子对抗技术领域中。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明电子干扰系统结构示意图。

图2是本发明电子抗干扰系统结构示意图。

图3是本发明电子对抗技术实验教学系统组成方框图。

图4是本发明模数转换器电路原理图。

图5是本发明数模转换器电路原理图。

图6是本发明模拟混频器电路原理图。

图7是本发明数字频率合成器电路原理图。

图8是本发明信号分析处理器工作原理图。

具体实施方式

本发明的保护范围及实施方式不仅局限于下列内容的表述。

参照附图，一种电子对抗技术实验教学系统，包括硬件和软件两部分，硬件部分由定向天线、双工器、低噪声小信号谐振放大器、模拟混频器、数字频率合成器、功率分配器、模数转换器、数模转换器、信号分析处理器、功率放大器、功率合成器、数据存储器、显示器组成；软件部分由FIR滤波器模块、信号分选模块、信号时域参数测量模块、信号脉内特征分析模块、信号识别模块、干扰信号产生模块组成，所述的电子对抗技术实验教学系统是通过定向天线接收信号，经过双工器送入低噪声小信号谐振放大器进行放大，再经过功率分配器分成4路信号，分别送入模拟混频器，下变频到模拟中频信号。每路相差30MHz混频输入都由直接数字频率合成器提供，这样就可以同时接收120MHz带宽信号；经模数转换变成数字信号后，送入信号分析处理器，进行分析处理，获得信号特征参数；把分析得到的信号特征参数进行存储、显示，并与数据库中综合参数数据进行相关处理，完成信号的识别；根据目标的特征，选用干扰策略，产生相应的电子干扰信号；经过数模转换，变成模拟信号输出，再经过模拟混频器，上变频到射频信号，经过功率合成器把4路信号合成到1路信号，经过功率放大器放大后，通过双工器送入定向天线，向外部发射。

所述的信号分析处理器硬件部分采用TMS320C6455芯片；所述的模数转换器采用AD80141芯片；所述的数模转换器采用AD9779芯片；所述的数字频率合成器采用AD9858芯片；所述的模拟混频器采用ADF4118芯片。

所述的信号分析处理器软件部分由FIR滤波器模块、信号分选模块、信号时域参数测量模块、信号脉内特征分析模块、信号识别模块、干扰信号产生模块组成，所述的FIR滤波器模块是采用积分梳状滤波器，实现带内滤波；所述的信号时域参数测量模块包括脉冲幅度测量、脉冲到达时间测量、脉冲宽度测量、脉冲到达角测量；所述的信号脉内特征分析模块是利用捕获的信号样本，基于信号处理技术，完成脉内调制参数测量，如幅度、频率、相位等，为后续的解调、识别和干扰信号生成提供必要的信息；所述的信号分选模块是利用辐射源信号的规律性，基于多参数联合分选方法，判读来自不同辐射源发送的脉冲信号，实现信号的分选；所述的信号识别模块是利用对辐射源信号参数测量以及脉内特征分析得到的数据，与信息数据库中的已知辐射源进行相关处理，利用比较查询、统计识别等方法，确定未知辐射源信息；所述的干扰信号产生模块是基于前面对辐射源信号的侦测与识别，针对辐射源信号的特点，来设计、产生适当的干扰信号，实现对该辐射源的干扰，降低其工作效率，或使其无法正常工作。

所述的电子对抗技术实验教学系统实现以下实验内容：

（1）超外差接收机测频实验；

（2）比幅单脉冲测向实验；

（3）无源定位实验；

（4）雷达信号处理实验；

（5）电子干扰实验；

（6）抗干扰电子防护实验；

（7）电子侦察系统综合性实验；

（8）雷达信号处理系统综合性实验；

（9）电子干扰系统综合性实验。

下面结合实施例进一步叙述本发明：

本发明拟设计的电子对抗技术实验教学系统将严格按照课程教学大纲要求，来开设各个实验内容。技术路线为：

（1）基于搜索式超外差测频原理，完成系统对辐射源的频率测量；

（2）基于相邻比幅单脉冲测向原理，实现系统对目标的测向；

（3）基于测向交叉定位技术，实现系统对目标的定位；

（4）分别测量辐射源脉冲信号的幅度、到达时间、宽度等参数测量，形成雷达脉冲描述字，完成对信号的分析、处理，为目标的识别提供依据；

（5）基于直接射频噪声干扰、噪声调频干扰以及噪声调相干扰原理，实现对目标的压制干扰，使其无法正常工作；

（6）基于频率选择抗干扰技术，采用频率捷变和频率分集的方法，来实现系统的抗干扰电子防护功能。另外，也可以考虑空间选择抗干扰、波形选择抗干扰、功率选择抗干扰等技术方法实现抗干扰电子防护功能。

拟计划设计两个系统：一、电子干扰系统，如图1所示；二、电子抗干扰系统，如图2所示。两个系统分别具有测频、测向、定位、信号处理、目标识别、压制干扰、频率捷变和频率分集等功能。在做实验时，学生可分为红和蓝两组，分别调试相应的电子干扰系统和电子抗干扰系统，来实现电子对抗的整个过程。学生可以自己设计、改进调试电路，不像以往采用电路模块的实验，仅仅是连接一下电路，测测数据。项目的实施本着调研、设计、调试、分析、改进设计、再调试分析的思路，经过多次的重复过程，直到实验系统达到设计要求。

附图1所示为电子干扰系统，主要包括电子侦查、干扰产生、系统管理和信息数据库四部分。电子侦查主要是实现对辐射源信号的捕获，获得其时域和频域各项参数，并分析其工作原理，为目标识别和干扰信号产生提供依据；干扰产生主要是根据对辐射源信号侦测和分析的结果，产生合适的干扰信号；系统管理主要是对整个电子对抗实验系统进行管理，对提供友好的人机接口界面；信息数据库也是系统的一个重要组成部分，对现有的各类辐射源信息储备量，是决定能否完成目标识别的关键。

附图2所示为电子抗干扰系统，主要包括空间选择抗干扰、频率选择抗干扰、波形选择抗干扰和功率选择抗干扰共4种技术方法。分别在空间、频率、波形、功率等4个方面上进行技术改进，提高辐射源抵抗敌方侦查、干扰的能力。

附图3所示为本发明的电子对抗实验教学系统组成方框图。主要包括定向天线、双工器、低噪声小信号谐振放大器、模拟混频器、数字频率合成器、功率分配器、模数转换器、数模转换器、信号分析处理器、功率放大器、功率合成器、数据存储器、显示器等功能模块。所述上行链路和下行链路通过双工器和定向天线相连。

低噪声小信号谐振放大器（简称低噪放）单元101，放大定向天线接收的下行信号，前端同双工器单元118相连，后端与功率分配器单元102相连。

功率分配器单元102将放大后的下行信号分成功率相等的两路信号，分别作为两路混频器1（103和104）的输入信号。

模拟混频器1单元103和104，将经低噪声小信号谐振放大器放大的射频信号下变频到模拟中频75MHz，并将其提供给模数转换单元105和106。其中数字频率合成器单元107提供本振信号给两路混频器。

模数转换器单元105和106，将模拟信号转换为数字信号后，发送到信号分析处理单元110。

信号分析处理器单元110对信号进行FIR数字滤波，去除干扰信号。然后，完成信号的时域参数测量和脉内特征分析，实现信号的分选，给出辐射源信号的性能参数。依据提供的性能参数，参照信息数据库，实现对目标的识别。最后，产生合适的干扰信号，提供给数模转换单元112和113。

数模转换器单元112和113将数字信号转换成模拟信号，提供给混频器２单元（114和115）。

混频器２单元（114和115）分别把两路信号上变频到射频信号，提供给功率合成器单元116。

功率合成器单元116把两路信号合成一路信号，提供给功率放大器单元117。

功率放大器单元117对信号进行功率放大，提供给双工器单元118。

双工器单元118用于输入/输出滤波和上下行信号隔离。最后通过定向天线将信号发射出去。

控制单元108对上下行模数转换器、数模转换器、数字频率合成器、信号分析处理器进行控制。

附图４为本发明模数转换器电路原理图，本电路采用高速模数转换器件AD80141芯片。主要参数：单通道，最大采样频率为Fs＝145MSPS，输出数据11位,工作温度：-40°C—85°C。

附图５为本发明数模转换器电路原理图，电路采用高速数模转换器件AD9779芯片。主要参数：IQ双通道，最大采样频率为1GSPS，输入有效位为16位，内部集成PLL及VCO单元，可供输入数据选择2、4、8倍插值操作，采用先进的0.18μmCMOS工艺制造，采用1.8V和3.3V电源供电，总功耗为1.0W，并采用100引脚TQFP封装。

附图６为本发明模拟混频器电路原理图，电路中的锁相环采用ADF4118芯片。主要参数：独立的电荷泵电源可在3V系统中提供扩展的调谐电压，三线式串行接口，数字锁定检测，具有快速锁定模式。

附图７为本发明数字频率合成器电路原理图，本电路采用AD9858芯片。AD9858内置一个10位DAC，工作速度最高达1GSPS。该器件采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能数模转换器，构成数字可编程的完整高频合成器，能够产生最高400MHz的频率捷变模拟输出正弦波。

附图8为本发明信号分析处理器工作原理图。本发明采用数字信号处理器TMS320C6455芯片。该芯片是世界上最大的DSP芯片商——德州仪器(TI)公司新推出的高端DSP芯片，也是目前单片处理能力最强的定点DSP。其时钟频率为1．2GHz，16位定点处理能力为9600MMAC／s，包含串行RapidIO，以二级缓存的内存组织形式集成了大量的片上资源。信号分析处理模块主要包括：FIR滤波、信号时域参数测量、信号脉内特征分析、信号分选、信号识别、干扰信号产生等功能模块。

FIR滤波器是有限长单位冲激响应滤波器,采用积分梳状滤波器结构，实现带内滤波。

信号时域参数测量是将未知辐射源信号下变频和检波，将其转换为包络脉冲信号，采用数字测量技术，实现对信号包络脉冲参数的测量。主要包括：

（1）脉冲幅度测量：主要通过计算脉冲顶部数据来完成对脉冲幅度的测量；

（2）脉冲到达时间测量：通过测量脉冲前沿的半功率点时间来完成脉冲到达时间的测量，采用固定门限法、自适应门限法等测量方法；

（3）脉冲宽度测量：通过测量脉冲前沿和后沿的半功率点之间时间来完成脉冲宽度的测量。

信号脉内特征分析主要完成信号调制类型自动识别和参数估计，采用的分析方法为时域自相关法、相位差分法和时频分析方法。

信号分选采用多参数联合分选的方法，可以将混合在一起的多个脉冲序列有效分离。

信号识别主要是利用对辐射源信号参数测量以及脉内特征分析得到的数据，与信息数据库中的已知辐射源进行相关处理，利用比较查询、统计识别等方法，确定未知辐射源信息。主要内容包括：

（1）辐射源型号或类型识别；

（2）辐射源体制识别；

（3）携载平台目标识别。

干扰信号产生主要是基于前面对辐射源信号的侦测与识别，针对辐射源信号的特点，来设计、产生适当的干扰信号，实现对该辐射源的干扰，降低其工作效率，或使其无法正常工作。主要采用压制干扰和欺骗干扰两种形式。

Claims (5)

1.一种电子对抗技术实验教学系统，包括硬件和软件两部分，硬件部分由定向天线、双工器、低噪声小信号谐振放大器、模拟混频器、数字频率合成器、功率分配器、模数转换器、数模转换器、信号分析处理器、功率放大器、功率合成器、数据存储器、显示器组成；软件部分由FIR滤波器模块、信号分选模块、信号时域参数测量模块、信号脉内特征分析模块、信号识别模块、干扰信号产生模块组成，其特征在于：所述的电子对抗技术实验教学系统是通过定向接收天线接收信号，经过双工器送入低噪声小信号谐振放大器进行放大，再经过功率分配器分成4路信号，分别送入模拟混频器，下变频到模拟中频信号。

2.每路相差30MHz混频输入都由直接数字频率合成器提供，这样就可以同时接收120MHz带宽信号；经模数转换变成数字信号后，送入信号分析处理器，进行分析处理，获得信号特征参数；把分析得到的信号特征参数进行存储、显示，并与数据库中综合参数数据进行相关处理，完成信号的识别；根据目标的特征，选用干扰策略，产生相应的电子干扰信号；经过数模转换，变成模拟信号输出，再经过模拟混频器，上变频到射频信号，经过功率合成器把4路信号合成到1路信号，经过功率放大器放大后，通过双工器送入定向天线，向外部发射。

3.根据权利要求1所述的一种电子对抗技术实验教学系统，其特征在于：所述的信号分析处理器硬件部分采用TMS320C6455芯片；所述的模数转换器采用AD80141芯片；所述的数模转换器采用AD9779芯片；所述的数字频率合成器采用AD9858芯片；所述的模拟混频器采用ADF4118芯片。

4.根据权利要求1所述的一种电子对抗技术实验教学系统，其特征在于：所述的信号分析处理器软件部分由FIR滤波器模块、信号分选模块、信号时域参数测量模块、信号脉内特征分析模块、信号识别模块、干扰信号产生模块组成，所述的FIR滤波器模块是采用积分梳状滤波器，实现带内滤波；所述的信号时域参数测量模块包括脉冲幅度测量、脉冲到达时间测量、脉冲宽度测量、脉冲到达角测量；所述的信号脉内特征分析模块是利用捕获的信号样本，基于信号处理技术，完成脉内调制参数测量，如幅度、频率、相位等，为后续的解调、识别和干扰信号生成提供必要的信息；所述的信号分选模块是利用辐射源信号的规律性，基于多参数联合分选方法，判读来自不同辐射源发送的脉冲信号，实现信号的分选；所述的信号识别模块是利用对辐射源信号参数测量以及脉内特征分析得到的数据，与信息数据库中的已知辐射源进行相关处理，利用比较查询、统计识别等方法，确定未知辐射源信息；所述的干扰信号产生模块是基于前面对辐射源信号的侦测与识别，针对辐射源信号的特点，来设计、产生适当的干扰信号，实现对该辐射源的干扰，降低其工作效率，或使其无法正常工作。

5.根据权利要求1所述的一种电子对抗技术实验教学系统，其特征在于：所述的电子对抗技术实验教学系统实现以下实验内容：

（1）超外差接收机测频实验；

（2）比幅单脉冲测向实验；

（3）无源定位实验；

（4）雷达信号处理实验；

（5）电子干扰实验；

（6）抗干扰电子防护实验；

（7）电子侦察系统综合性实验；

（8）雷达信号处理系统综合性实验；

（9）电子干扰系统综合性实验。