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引言

 

許多行業(yè)包括商業(yè)、工業(yè)和國防領(lǐng)域都有大量雷達系統(tǒng)在應(yīng)用。雷達技術(shù)的應(yīng)用包括汽車防撞雷達、氣象雷達、空中交通管制（ATC） 雷達，以及國防應(yīng)用中的早期預(yù)警雷達和導(dǎo)彈跟蹤雷達。雷達的最終用途決定它的物理尺寸、工作頻率、波形、發(fā)射功率、天線孔徑和許多其他獨特的參數(shù)。每項系統(tǒng)參數(shù)和每個部件都將被測試以確保雷達性能。

 

雷達系統(tǒng)使用者更關(guān)注功能測試，即目標(biāo)探測和跟蹤。進行功能測試時，必須產(chǎn)生可以覆蓋全部無模糊距離、全部無模糊徑向速度、全部方位角和俯仰角的具有不同雷達散射截面（RCS） 的雷達目標(biāo)，以確保雷達系統(tǒng)的精度、分辨率、成功檢測率和虛警率滿足系統(tǒng)要求。外場測試可能非常費時、復(fù)雜和費用高昂，并會涉及難以實現(xiàn)的可重復(fù)條件。例如，為了測試戰(zhàn)斗機機載雷達在特定條件和距離的性能，需要部署一些人工目標(biāo)用于被戰(zhàn)斗機雷達探測和跟蹤。通過對比人工目標(biāo)的全球定位系統(tǒng)（GPS） 坐標(biāo)數(shù)據(jù)與相應(yīng)雷達探測數(shù)據(jù)以檢驗雷達性能。

 

因為雷達系統(tǒng)尚在開發(fā)期間定期進行外場測試費用可能過高，另一種方法是建立真實雷達測試模擬，包括許多不同類型目標(biāo)和場景模擬。雷達目標(biāo)生成能夠測試包括射頻的整個雷達功能，不需要昂貴的外場測試。雷達目標(biāo)生成器引入具有時間延遲、多普勒頻移和衰減的目標(biāo)。目標(biāo)生成器的幾種技術(shù)已經(jīng)具備，如同軸延遲線（Coaxial Delay Lines， CDL）、光纖延遲線（Fiber Optical Delay Lines， FODL） 或射頻數(shù)字存儲設(shè)備（Digital Radio Frequency Memory， DRFM）。現(xiàn)在，也可以使用商用化（Commercial Off-The-Shelf， COTS） 的測量設(shè)備。

 

雷達目標(biāo)生成器的性能和能力以及它們測試?yán)走_系統(tǒng)的可用性是關(guān)鍵，這主要取決于幾個技術(shù)參數(shù)。本文介紹不同雷達目標(biāo)生成器的架構(gòu)，闡明適合雷達系統(tǒng)性能測試的目標(biāo)生成器的設(shè)計要求和準(zhǔn)則，同時給出測量結(jié)果舉例。

 

雷達測試

 

在雷達系統(tǒng)投入使用并移交給使用者之前，必須先進行幾個不同層次的測量任務(wù)。在研究和開發(fā)期間，執(zhí)行主要硬件部件測試和測量。這些測試大多集中在發(fā)射機和接收機上，僅部分內(nèi)容涉及信號處理或系統(tǒng)功能。

 

測試和測量行業(yè)提供各種雷達測試設(shè)備。這類設(shè)備重點關(guān)注雷達的參數(shù)性能，可以在開發(fā)和生過產(chǎn)程中測量頻譜純度、發(fā)射功率或靈敏度。這僅測試了雷達部分性能，但如信號探測這種重要功能從來沒有在閉環(huán)運行中完整測試過。

 

要測試整個雷達系統(tǒng)（包含基帶和射頻） 并確保所有單元功能符合技術(shù)規(guī)格、滿足用戶要求，必須執(zhí)行更多的測試，如圖 1 所示。

必須通過進一步的測試和監(jiān)控功能以實現(xiàn)參數(shù)測量。例如，內(nèi)置測試設(shè)備（Built-In Test Equipment， BITE） 能夠監(jiān)控某些硬件部件和功能。雖然 BITE 能夠提供雷達的合格或不合格評估，但是它對獲得雷達性能信息不是必須的。如果雷達沒有探測到目標(biāo)，使用者怎么能知道雷達是否工作正常？

 

因此，可采用拖拽球的外場測試，來設(shè)定雷達能力基線和測試整個雷達處理鏈，但是不能測試處理能力。有些雷達有數(shù)字輸入接口，可將場景輸入雷達處理器。外場測試給出有關(guān)雷達性能和功能符合技術(shù)規(guī)格情況的全面結(jié)果，而數(shù)字輸入測試能夠測試?yán)走_處理器能力。如前所述，外場測試費用昂貴，幾乎不可重復(fù)且受制于某些目標(biāo)的可用性。由于這些原因，雷達目標(biāo)生成器用于替代某些外場測試，并使測試可重復(fù)進行；它們節(jié)省了時間和費用，通過注入雷達目標(biāo)，可測試整個處理鏈。

 

這些需求轉(zhuǎn)化為對雷達目標(biāo)生成器的技術(shù)要求，并對目標(biāo)生成系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)提出挑戰(zhàn)。盡管一些經(jīng)濟上的優(yōu)勢傾向于實驗室測試系統(tǒng)，而非外場測試，雷達系統(tǒng)的功能性能驗證必須通過綜合使用實驗室測試和外場測試來實現(xiàn)。此外，由于雷達系統(tǒng)在設(shè)計中添加了電子防護防護（Electronic ProtecTIon， EP） 功能，這些新的系統(tǒng)要求可能需要新的測試方法。

 

雷達目標(biāo)生成器

 

達目標(biāo)生成器對雷達信號運用時間延遲（作用距離）、多普勒頻移（徑向速度） 和衰減。它接收、處理和重新發(fā)射實際雷達信號。其他系統(tǒng)能存儲的雷達波形，同過觸發(fā)進行波形回放。各種雷達目標(biāo)生成器有非常不同的性能，測試不同層次的功能；一些生成器僅在專用頻段為非常特殊的雷達系統(tǒng)生成單一目標(biāo)，而其他生成器覆蓋很寬的頻譜，提供復(fù)雜的目標(biāo)場景模擬。也有特定的雷達目標(biāo)生成器只工作于專用頻段，例如用于測試汽車?yán)走_傳感器的頻段［8］。

 

雷達目標(biāo)生成器的性能和能力，以及測試?yán)走_系統(tǒng)的能力取決于幾個經(jīng)濟和技術(shù)參數(shù)。拋開效率和成本，需要考慮下述技術(shù)參數(shù)：

• 系統(tǒng)架構(gòu)

• 頻率覆蓋范圍和帶寬

• 相位噪聲性能、信號失真、雜散輻射和回波信號整體質(zhì)量

• 數(shù)字化性能、采樣率和量化采樣有效位數(shù)

• 最大多普勒頻移、多普勒步長

• 最大作用距離、最小作用距離、距離步長

• 觸發(fā)和 / 或連續(xù)操作

• 重現(xiàn)真實環(huán)境場景的靈活性和測試感興趣項目的可能性

 

雷達系統(tǒng)的工作頻率在非常寬的頻段范圍上變化。從工作在 HF 或 L 波段的遠程監(jiān)視雷達，S 波段的 ATC 雷達，X 波段的海上監(jiān)視雷達，一直到 K/W 波段的汽車?yán)走_傳感器。因此，雷達目標(biāo)生成器需要覆蓋極寬的頻譜。

 

帶寬決定雷達中的距離分辨率或頻率捷變雷達的運行。更大帶寬不僅提供更高的距離分辨率，頻率捷變雷達系統(tǒng)也需要高帶寬。因此，目標(biāo)生成器的帶寬必須至少覆蓋忠實再現(xiàn)波形需要的帶寬。

 

相位噪聲性能和信號保真度非常重要，因為性能不佳或信號保真度下降會引起重發(fā)信號失真或產(chǎn)生額外相位噪聲。例如，只有在良好的相位性能條件下，雷達才能探測到緩慢移動的目標(biāo)。如果目標(biāo)生成器有高附加相位噪聲，此雷達目標(biāo)生成器可能限制測試?yán)走_真實性能的能力。

 

為了模擬延遲和多普勒，在大多數(shù)現(xiàn)代雷達目標(biāo)生成器中數(shù)字化是必不可少的。雷達信號被捕獲、數(shù)字化、處理、轉(zhuǎn)換成模擬信號并經(jīng)適當(dāng)衰減后被重新發(fā)射。有效位數(shù)（EffecTIve Number Of Bits， ENOB） 和無雜散動態(tài)范圍（Spurious-Free Dynamic Range， SFDR） 是定量評價模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 質(zhì)量的指標(biāo)。它對于接收輸入雷達信號和再現(xiàn)雷達回波信號極為重要。

 

其他技術(shù)參數(shù)，如最小 / 最大距離或多普勒、目標(biāo)或測試場景數(shù)量，主要取決于雷達目標(biāo)生成器的信號處理性能、架構(gòu)和基帶處理能力。

 

今天的雷達工程師使用下列不同種類的雷達目標(biāo)生成器。

 

光纖延遲線（FDOL）

 

在雷達系統(tǒng)測試和測量中使用光纖延遲線（FODL） 已經(jīng)有幾十年了，例如，用于測量雷達系統(tǒng)的相位噪聲，以及為無線電系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)的戶外距離測試模擬可重復(fù)性信號。這些相對靈活、相位相干的小型系統(tǒng)將雷達的射頻信號轉(zhuǎn)換成光信號并借助一定長度的光纖線對其進行延遲，然后再將經(jīng)過延遲的光信號重新轉(zhuǎn)換成射頻并發(fā)射給雷達。一些系統(tǒng)能夠引入多普勒頻移，如圖 2 所示。

 

圖 2、簡化的光纖延遲線（FODL） 框圖

 

光纖中光信號的相速率大約為 5 μs/km，同時損耗在 0.5 dB/km 量級。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)皮秒（ps） 量級非常細(xì)微的距離范圍。光纖延遲線的帶寬非常高。它主要受限于多模光纖的模態(tài)色散，在 GHz/km 范圍。在單模光纖中調(diào)制帶寬受限于材料的色散，對于有非常低色散的波長，調(diào)制帶寬可達 100 GHz/km ［1］。在低射頻頻段動態(tài)范圍受限于量子噪聲，而在高射頻頻段受限于非線性過程［3］，并隨著信號帶寬增加線性降低［1］。一旦加入多普勒頻率，無雜散動態(tài)范圍取決于其他參數(shù)，并且常常會有數(shù)十分貝的減小。雖然可將多普勒頻移調(diào)制到射頻信號上，光纖延遲（距離） 長度是恒定的，不能實際生成移動目標(biāo)。

 

光纖延遲線有多個優(yōu)點。它的延遲不隨頻率變化，對振動不敏感，能夠在很大程度上屏蔽電磁干擾，此外光纖延遲不輻射能量。而且，可重復(fù)模擬、低系統(tǒng)成本和節(jié)約時間更是重要優(yōu)勢。需要極高近載波相位噪聲性能的測試，如固定目標(biāo)抑制（Fixed Target Suppression， FTS） 測試，能夠通過光纖延遲線很好地實現(xiàn)。然而，光纖延遲線不能生成時變距離 - 多普勒目標(biāo)，也不能提供連續(xù)距離設(shè)置或任意信號衰減和增益。

 

射頻數(shù)字存儲設(shè)備（DRFM）

 

在測試和測量中射頻數(shù)字存儲設(shè)備可用于雷達目標(biāo)模擬。這類系統(tǒng)以數(shù)字方式處理雷達信號。射頻數(shù)字存儲設(shè)備下變頻、濾波和數(shù)字化收到的射頻信號。數(shù)字化的信號接著被保存和 / 或修改。然后此數(shù)字信號被重新轉(zhuǎn)換成模擬信號，并使用下變頻時相同的本振（LO）混頻到射頻頻率。信號經(jīng)過放大后被重新發(fā)射出去，這就是整個信號處理鏈條。這種方法如圖 3 所示。

 

 

圖 3、簡化的射頻數(shù)字存儲設(shè)備（DRFM） 系統(tǒng)框圖

 

護干擾機（Airborne Self-ProtecTIon Jammer， ASPJ），由它引申出 Joint Vision 2010。它的研發(fā)始于 1979 年；然而在 1992 年項目被叫停［6］。ASPJ 能夠覆蓋從 0.7 GHz 到 18 GHz 的頻段，后來演變?yōu)閺?1 GHz 到 35 GHz。單臺設(shè)備平均造價 1.27 百萬美元［4］。

 

目前可得到的有關(guān)射頻數(shù)字存儲設(shè)備的商業(yè)和公開信息顯示，這些系統(tǒng)可以覆蓋高達 40 GHz 的頻率范圍，瞬時帶寬高達 1.4 GHz、數(shù)字化位數(shù)為 12 位、最小延遲為 90 ns、無雜散輻射動態(tài)范圍為 65 dBc。然而，受技術(shù)能力限制，這些技術(shù)數(shù)據(jù)很難在單臺 DRFM 中同時實現(xiàn)。例如，大多數(shù)寬帶 DRFMs 都大大降低了信號保真度，使用的數(shù)字化遠低于 12 位，或者干脆僅為研究目的建造。

 

引入的最小延遲主要受限于模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC） 和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC） 數(shù)模或模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的周期并取決于帶寬和位數(shù)。此外，信號處理導(dǎo)致雷達回波信號需增加大量處理周期。現(xiàn)今典型的最小距離延遲范圍從低于 100 ns 到低于 1 μs。

 

在射頻數(shù)字存儲設(shè)備中，重要的是要知道模擬射頻信號在數(shù)字域中如何表示（幅度、相位、I/Q） 以及量化位數(shù)，因為正是這些因素主要決定了信號保真度。由于雷達可以嘗試區(qū)分目標(biāo)信號和電子對抗（Electronic Counter Measure， ECM） 信號，Electronic Counter Measure 的另一個關(guān)鍵點是無雜散動態(tài)范圍（SFDR） （由 ADC 表征）。無雜散動態(tài)范圍取決于有效比特位數(shù)（ENOB） 以及部件的非線性和噪聲。

 

雖然帶有相干目標(biāo)回波返回的高信號保真度射頻數(shù)字存儲設(shè)備或許適合雷達測試，但它可能無法通過良好的用戶界面來產(chǎn)生各種條件和場景雷達目標(biāo)。這類非常專業(yè)的設(shè)備常常價格不菲，并且由于靈活性受到限制而不能全面測試?yán)走_性能。DRFM 的技術(shù)性能規(guī)格和確切成本很難從商業(yè)市場上獲得。按照美國國防部（DoD） 估計，單個射頻數(shù)字存儲設(shè)備模塊價格從 15 萬美元到 70 萬美元，具體取決于它的性能［5］。

 

商用化（COTS） 測試和測量設(shè)備

 

商用化測試和測量設(shè)備如今也能生成雷達目標(biāo)，基本上采用射頻數(shù)字存儲設(shè)備所用類似的方式，通過射頻下變頻、基帶數(shù)字處理和射頻上變頻。

 

該雷達目標(biāo)生成器由使用商用化測試和測量設(shè)備的接收機（射頻信號分析儀） 和發(fā)射機（射頻信號發(fā)生器） 構(gòu)成，它們通常用作分析或生成射頻信號的獨立設(shè)備。當(dāng)組合使用時，這兩種儀器可作為雷達目標(biāo)生成器工作。

 

商用化雷達目標(biāo)生成系統(tǒng)工作在 100 kHz 到 40 GHz 頻率范圍，在規(guī)定的頻段以高達 160 MHz 的帶寬接收任何類型的射頻雷達信號，并將信號轉(zhuǎn)換成同相和正交相移數(shù)據(jù)（I/Q 數(shù)據(jù)）。I/Q 數(shù)據(jù)傳送到信號發(fā)生器的基帶輸入端，在基帶，按照用戶指定值添加時間延遲、多普勒頻移和衰減。然后，由信號發(fā)生器將雷達回波信號重新發(fā)射到雷達，如圖 4 所示。

 

 

圖 4、典型商用化測試設(shè)備組成的實時雷達目標(biāo)生成器（R&S®SMW200A 矢量信號發(fā)生器及 R&S®FSW 信號和頻譜分析儀）。

 

這類測量設(shè)備的一個優(yōu)點是優(yōu)異的射頻性能，這適合在研究、開發(fā)或生產(chǎn)期間進行額外的雷達參數(shù)測試。這種靈活、模塊化的方法使得矢量信號發(fā)生器或信號和頻譜分析儀還可用于其他的測試環(huán)境中。

 

測量

 

為了演示這種雷達目標(biāo)生成器，需要使用軟件定義雷達（Software Defined Radar， SDR） 和 MATLAB®信號處理軟件。在此演示系統(tǒng)中，使用有多目標(biāo)分辨能力的波形和商用化測試設(shè)備組成的雷達目標(biāo)生成器來分析軟件定義雷達的性能。

 

雷達目標(biāo)生成器生成單目標(biāo)并在軟件定義雷達（它充當(dāng)被測雷達） 中觀察。圖 5 顯示被測雷達的 MATLAB®圖形用戶界面（GUI），其中包括頻譜、距離 - 多普勒地圖和目標(biāo)列表。可觀察到單個局部最大值，它的功率大于恒虛警率（Constant False Alarm Rate， CFAR） 門限值。通過測量差頻可確定距離和徑向速度。在雷達目標(biāo)生成器中，生成距離 R1 = 2000 m，多普勒頻移 vr1=–25 m/s。這是由該雷達精確測量得到的，參閱圖 5。

 

圖 5、由商用化測試設(shè)備組成的雷達目標(biāo)生成器生成的單個目標(biāo)

 

商用化測試設(shè)備組成的雷達目標(biāo)生成器能夠用不同距離 - 多普勒單元生成多達 20 個目標(biāo)。此信號生成器也有多個射頻信號輸出口，從而也能夠測試?yán)走_抗干擾特性，例如測試?yán)走_與 LTE（Long Term EvoluTIon）或其它無線業(yè)務(wù)共存［2］。

 

圖 6 顯示同一雷達目標(biāo)，不同處在于發(fā)射了第二個頻率調(diào)制連續(xù)波干擾信號，本底噪聲大幅增加。目視仍可觀察到雷達回波信號，但是對于自動檢測恒虛警率門限值過高。

 

圖 6、軟件定義雷達測試結(jié)果

 

除了測試?yán)走_的功能性能，商用化測試設(shè)備組成的目標(biāo)生成器也可以幫助評估雷達中的現(xiàn)代電子防護措施。這可能是必須的，例如，2014 年年中，在歐洲，當(dāng)幾架飛機突然從空中交通管制雷達屏幕上消失時［7］。這或許是檢測到存在被用作電子對抗的射頻數(shù)字存儲設(shè)備的一個例子。

 

在下面的情況，相位調(diào)制雷達波，如巴克碼，可用于測試?yán)走_信號處理的性能。在雷達目標(biāo)模擬器中，發(fā)射并延遲巴克碼。此雷達波有非常特殊的基帶波形，雷達接收機能夠使用相關(guān)濾波器檢測回波信號的保真度，識別返回的回波是虛擬的還是真實的。產(chǎn)生不相關(guān)信號的原因可能有：存在以不同速率重復(fù)采樣的電子對抗（ECM）系統(tǒng)，從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換中有效位過少，相位噪聲或目標(biāo)模擬器的放大器失真。生成的回波信號保真度很可能不同于來自真實目標(biāo)的回波信號保真度，取決于射頻數(shù)字存儲設(shè)備。專注于電子防護的雷達處理可檢測出不同保真度的回波差異。這種測量也可以用上述雷達目標(biāo)生成器進行評估。

 

圖 7 顯示處于測量開始階段的巴克碼雷達信號和幅度衰減大約 50 dB 的相應(yīng)雷達回波信號，以及相關(guān)的幅值捕獲。時間旁瓣測量顯示預(yù)期的相干回波返回延遲了 40 μs。圖 8 顯示使用不同采樣率（例如，使用射頻數(shù)字存儲設(shè)備）的回波信號返回和相關(guān)的幅度捕獲，這又代表不同的信號保真度。回波信號的相關(guān)性有極大改變。

 

圖 7、巴克碼（初始）、相關(guān)幅度和相應(yīng)的回波信號（40 μs 后）。

 

圖 8、有不同信號保真度的相同回波信號的“射頻數(shù)字存儲設(shè)備特征”。

 

總結(jié)

 

雷達系統(tǒng)的期望可靠性要求極高，這就說明了為什么這些測試和測量非常重要。有幾種使用雷達目標(biāo)生成器測試整個雷達系統(tǒng)的方法，從天線、發(fā)射機和接收機，一直到信號處理。本文介紹了這些方法并解釋了它們的關(guān)鍵經(jīng)濟和技術(shù)性能指標(biāo)。

 

目標(biāo)生成器的射頻性能必須優(yōu)于被測雷達，它應(yīng)能提供各種測試場景配置。完美的性能平衡將許多外場測試帶進實驗室，降低了軟件和硬件測試成本。光纖延遲線今天仍然在雷達測試中使用，但是在測試和測量中靈活性顯得不夠，例如在生成距離 - 多普勒相關(guān)目標(biāo)時。射頻數(shù)字存儲設(shè)備能克服這個缺點并提供額外的解決方案，尤其是當(dāng)涉及生成雷達回波信號時。然而，射頻數(shù)字存儲設(shè)備是非常專業(yè)的解決方案，可能非常昂貴，并且不一定被設(shè)計成用于測試的有靈活接口的設(shè)備。相比較而言，商用化測試和測量設(shè)備提供各種各樣的測試解決方案，從信號和部件測試或分析，到雷達目標(biāo)生成。測量設(shè)備的多用途優(yōu)點和靈活、模塊化方法（也可以用作雷達目標(biāo)生成器）增加了這類在測試實驗室使用的設(shè)備的靈活性和有效性。

 

不同的雷達目標(biāo)生成器方法都有它們各自的優(yōu)勢，但是它們都將部分外場測試帶進實驗室從而降低了測試復(fù)雜性，通過提供高重復(fù)性減少了成本，并且改善了自動測試能力。

 

參考文獻