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引言

 

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

 

雷達系統使用者更關注功能測試，即目標探測和跟蹤。進行功能測試時，必須產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，以確保雷達系統的精度、分辨率、成功檢測率和虛警率滿足系統要求。外場測試可能非常費時、復雜和費用高昂，并會涉及難以實現的可重復條件。例如，為了測試戰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用于被戰斗機雷達探測和跟蹤。通過對比人工目標的全球定位系統（GPS） 坐標數據與相應雷達探測數據以檢驗雷達性能。

 

因為雷達系統尚在開發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和場景模擬。雷達目標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。雷達目標生成器引入具有時間延遲、多普勒頻移和衰減的目標。目標生成器的幾種技術已經具備，如同軸延遲線（Coaxial Delay Lines， CDL）、光纖延遲線（Fiber Optical Delay Lines， FODL） 或射頻數字存儲設備（Digital Radio Frequency Memory， DRFM）。現在，也可以使用商用化（Commercial Off-The-Shelf， COTS） 的測量設備。

 

雷達目標生成器的性能和能力以及它們測試雷達系統的可用性是關鍵，這主要取決于幾個技術參數。本文介紹不同雷達目標生成器的架構，闡明適合雷達系統性能測試的目標生成器的設計要求和準則，同時給出測量結果舉例。

 

雷達測試

 

在雷達系統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。在研究和開發期間，執行主要硬件部件測試和測量。這些測試大多集中在發射機和接收機上，僅部分內容涉及信號處理或系統功能。

 

測試和測量行業提供各種雷達測試設備。這類設備重點關注雷達的參數性能，可以在開發和生過產程中測量頻譜純度、發射功率或靈敏度。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運行中完整測試過。

 

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

必須通過進一步的測試和監控功能以實現參數測量。例如，內置測試設備（Built-In Test Equipment， BITE） 能夠監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，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。有些雷達有數字輸入接口，可將場景輸入雷達處理器。外場測試給出有關雷達性能和功能符合技術規格情況的全面結果，而數字輸入測試能夠測試雷達處理器能力。如前所述，外場測試費用昂貴，幾乎不可重復且受制于某些目標的可用性。由于這些原因，雷達目標生成器用于替代某些外場測試，并使測試可重復進行；它們節省了時間和費用，通過注入雷達目標，可測試整個處理鏈。

 

這些需求轉化為對雷達目標生成器的技術要求，并對目標生成系統的基礎架構提出挑戰。盡管一些經濟上的優勢傾向于實驗室測試系統，而非外場測試，雷達系統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。此外，由于雷達系統在設計中添加了電子防護防護（Electronic ProtecTIon， EP） 功能，這些新的系統要求可能需要新的測試方法。

 

雷達目標生成器

 

達目標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、處理和重新發射實際雷達信號。其他系統能存儲的雷達波形，同過觸發進行波形回放。各種雷達目標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生成單一目標，而其他生成器覆蓋很寬的頻譜，提供復雜的目標場景模擬。也有特定的雷達目標生成器只工作于專用頻段，例如用于測試汽車雷達傳感器的頻段［8］。

 

雷達目標生成器的性能和能力，以及測試雷達系統的能力取決于幾個經濟和技術參數。拋開效率和成本，需要考慮下述技術參數：

• 系統架構

• 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量

• 數字化性能、采樣率和量化采樣有效位數

• 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

• 觸發和 / 或連續操作

• 重現真實環境場景的靈活性和測試感興趣項目的可能性

 

雷達系統的工作頻率在非常寬的頻段范圍上變化。從工作在 HF 或 L 波段的遠程監視雷達，S 波段的 ATC 雷達，X 波段的海上監視雷達，一直到 K/W 波段的汽車雷達傳感器。因此，雷達目標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，頻率捷變雷達系統也需要高帶寬。因此，目標生成器的帶寬必須至少覆蓋忠實再現波形需要的帶寬。

 

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信號失真或產生額外相位噪聲。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。如果目標生成器有高附加相位噪聲，此雷達目標生成器可能限制測試雷達真實性能的能力。

 

為了模擬延遲和多普勒，在大多數現代雷達目標生成器中數字化是必不可少的。雷達信號被捕獲、數字化、處理、轉換成模擬信號并經適當衰減后被重新發射。有效位數（EffecTIve Number Of Bits， ENOB） 和無雜散動態范圍（Spurious-Free Dynamic Range， SFDR） 是定量評價模數轉換器（ADC） 質量的指標。它對于接收輸入雷達信號和再現雷達回波信號極為重要。

 

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

 

今天的雷達工程師使用下列不同種類的雷達目標生成器。

 

光纖延遲線（FDOL）

 

在雷達系統測試和測量中使用光纖延遲線（FODL） 已經有幾十年了，例如，用于測量雷達系統的相位噪聲，以及為無線電系統和雷達系統的戶外距離測試模擬可重復性信號。這些相對靈活、相位相干的小型系統將雷達的射頻信號轉換成光信號并借助一定長度的光纖線對其進行延遲，然后再將經過延遲的光信號重新轉換成射頻并發射給雷達。一些系統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，能夠實現皮秒（ps） 量級非常細微的距離范圍。光纖延遲線的帶寬非常高。它主要受限于多模光纖的模態色散，在 GHz/km 范圍。在單模光纖中調制帶寬受限于材料的色散，對于有非常低色散的波長，調制帶寬可達 100 GHz/km ［1］。在低射頻頻段動態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，無雜散動態范圍取決于其他參數，并且常常會有數十分貝的減小。雖然可將多普勒頻移調制到射頻信號上，光纖延遲（距離） 長度是恒定的，不能實際生成移動目標。

 

光纖延遲線有多個優點。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，可重復模擬、低系統成本和節約時間更是重要優勢。需要極高近載波相位噪聲性能的測試，如固定目標抑制（Fixed Target Suppression， FTS） 測試，能夠通過光纖延遲線很好地實現。然而，光纖延遲線不能生成時變距離 - 多普勒目標，也不能提供連續距離設置或任意信號衰減和增益。

 

射頻數字存儲設備（DRFM）

 

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

 

 

圖 3、簡化的射頻數字存儲設備（DRFM） 系統框圖

 

護干擾機（Airborne Self-ProtecTIon Jammer， ASPJ），由它引申出 Joint Vision 2010。它的研發始于 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，后來演變為從 1 GHz 到 35 GHz。單臺設備平均造價 1.27 百萬美元［4］。

 

目前可得到的有關射頻數字存儲設備的商業和公開信息顯示，這些系統可以覆蓋高達 40 GHz 的頻率范圍，瞬時帶寬高達 1.4 GHz、數字化位數為 12 位、最小延遲為 90 ns、無雜散輻射動態范圍為 65 dBc。然而，受技術能力限制，這些技術數據很難在單臺 DRFM 中同時實現。例如，大多數寬帶 DRFMs 都大大降低了信號保真度，使用的數字化遠低于 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轉換（ADC） 和數模轉換（DAC） 數模或模數轉換需要一定的周期并取決于帶寬和位數。此外，信號處理導致雷達回波信號需增加大量處理周期。現今典型的最小距離延遲范圍從低于 100 ns 到低于 1 μs。

 

在射頻數字存儲設備中，重要的是要知道模擬射頻信號在數字域中如何表示（幅度、相位、I/Q） 以及量化位數，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分目標信號和電子對抗（Electronic Counter Measure， ECM） 信號，Electronic Counter Measure 的另一個關鍵點是無雜散動態范圍（SFDR） （由 ADC 表征）。無雜散動態范圍取決于有效比特位數（ENOB） 以及部件的非線性和噪聲。

 

雖然帶有相干目標回波返回的高信號保真度射頻數字存儲設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生各種條件和場景雷達目標。這類非常專業的設備常常價格不菲，并且由于靈活性受到限制而不能全面測試雷達性能。DRFM 的技術性能規格和確切成本很難從商業市場上獲得。按照美國國防部（DoD） 估計，單個射頻數字存儲設備模塊價格從 15 萬美元到 70 萬美元，具體取決于它的性能［5］。

 

商用化（COTS） 測試和測量設備

 

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

 

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

 

商用化雷達目標生成系統工作在 100 kHz 到 40 GHz 頻率范圍，在規定的頻段以高達 160 MHz 的帶寬接收任何類型的射頻雷達信號，并將信號轉換成同相和正交相移數據（I/Q 數據）。I/Q 數據傳送到信號發生器的基帶輸入端，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，由信號發生器將雷達回波信號重新發射到雷達，如圖 4 所示。

 

 

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

 

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

 

測量

 

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

 

雷達目標生成器生成單目標并在軟件定義雷達（它充當被測雷達） 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、由商用化測試設備組成的雷達目標生成器生成的單個目標

 

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

 

圖 6 顯示同一雷達目標，不同處在于發射了第二個頻率調制連續波干擾信號，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果

 

除了測試雷達的功能性能，商用化測試設備組成的目標生成器也可以幫助評估雷達中的現代電子防護措施。這可能是必須的，例如，2014 年年中，在歐洲，當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字存儲設備的一個例子。

 

在下面的情況，相位調制雷達波，如巴克碼，可用于測試雷達信號處理的性能。在雷達目標模擬器中，發射并延遲巴克碼。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。產生不相關信號的原因可能有：存在以不同速率重復采樣的電子對抗（ECM）系統，從模擬到數字轉換中有效位過少，相位噪聲或目標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的回波信號保真度，取決于射頻數字存儲設備。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 的相應雷達回波信號，以及相關的幅值捕獲。時間旁瓣測量顯示預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，使用射頻數字存儲設備）的回波信號返回和相關的幅度捕獲，這又代表不同的信號保真度。回波信號的相關性有極大改變。

 

圖 7、巴克碼（初始）、相關幅度和相應的回波信號（40 μs 后）。

 

圖 8、有不同信號保真度的相同回波信號的“射頻數字存儲設備特征”。

 

總結

 

雷達系統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生成器測試整個雷達系統的方法，從天線、發射機和接收機，一直到信號處理。本文介紹了這些方法并解釋了它們的關鍵經濟和技術性能指標。

 

目標生成器的射頻性能必須優于被測雷達，它應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 - 多普勒相關目標時。射頻數字存儲設備能克服這個缺點并提供額外的解決方案，尤其是當涉及生成雷達回波信號時。然而，射頻數字存儲設備是非常專業的解決方案，可能非常昂貴，并且不一定被設計成用于測試的有靈活接口的設備。相比較而言，商用化測試和測量設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，到雷達目標生成。測量設備的多用途優點和靈活、模塊化方法（也可以用作雷達目標生成器）增加了這類在測試實驗室使用的設備的靈活性和有效性。

 

不同的雷達目標生成器方法都有它們各自的優勢，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雜性，通過提供高重復性減少了成本，并且改善了自動測試能力。

 

參考文獻