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(dá)系統(tǒng)在應(yīng)用。雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用包括汽車防撞雷達(dá)、氣象雷達(dá)、空中交通管制(ATC) 雷達(dá),以及國防應(yīng)用中的早期預(yù)警雷達(dá)和導(dǎo)彈跟蹤雷達(dá)。雷達(dá)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(dú)特的參數(shù)。每項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)和每個部件都將被測試以確保雷達(dá)性能。
雷達(dá)系統(tǒng)使用者更關(guān)注功能測試,即目標(biāo)探測和跟蹤。進(jìn)行功能測試時(shí),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(dá)散射截面(RCS) 的雷達(dá)目標(biāo),以確保雷達(dá)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(fèi)時(shí)、復(fù)雜和費(fèi)用高昂,并會涉及難以實(shí)現(xiàn)的可重復(fù)條件。例如,為了測試戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載雷達(dá)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(jī)雷達(dá)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(dá)探測數(shù)據(jù)以檢驗(yàn)雷達(dá)性能。
因?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)尚在開發(fā)期間定期進(jìn)行外場測試費(fèi)用可能過高,另一種方法是建立真實(shí)雷達(dá)測試模擬,包括許多不同類型目標(biāo)和場景模擬。雷達(dá)目標(biāo)生成能夠測試包括射頻的整個雷達(dá)功能,不需要昂貴的外場測試。雷達(dá)目標(biāo)生成器引入具有時(shí)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(dá)目標(biāo)生成器的性能和能力以及它們測試?yán)走_(dá)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(dá)目標(biāo)生成器的架構(gòu),闡明適合雷達(dá)系統(tǒng)性能測試的目標(biāo)生成器的設(shè)計(jì)要求和準(zhǔn)則,同時(shí)給出測量結(jié)果舉例。
雷達(dá)測試
在雷達(dá)系統(tǒng)投入使用并移交給使用者之前,必須先進(jìn)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(jī)和接收機(jī)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(dá)測試設(shè)備。這類設(shè)備重點(diǎn)關(guān)注雷達(dá)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(dá)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(yùn)行中完整測試過。
要測試整個雷達(dá)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。
圖1、在多用途雷達(dá)系統(tǒng)上執(zhí)行的雷達(dá)測試
必須通過進(jìn)一步的測試和監(jiān)控功能以實(shí)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(dá)的合格或不合格評估,但是它對獲得雷達(dá)性能信息不是必須的。如果雷達(dá)沒有探測到目標(biāo),使用者怎么能知道雷達(dá)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(dá)能力基線和測試整個雷達(dá)處理鏈,但是不能測試處理能力。有些雷達(dá)有數(shù)字輸入接口,可將場景輸入雷達(dá)處理器。外場測試給出有關(guān)雷達(dá)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_(dá)處理器能力。如前所述,外場測試費(fèi)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(dá)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(jìn)行;它們節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用,通過注入雷達(dá)目標(biāo),可測試整個處理鏈。
這些需求轉(zhuǎn)化為對雷達(dá)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(jì)上的優(yōu)勢傾向于實(shí)驗(yàn)室測試系統(tǒng),而非外場測試,雷達(dá)系統(tǒng)的功能性能驗(yàn)證必須通過綜合使用實(shí)驗(yàn)室測試和外場測試來實(shí)現(xiàn)。此外,由于雷達(dá)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中添加了電子防護(hù)防護(hù)(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(dá)目標(biāo)生成器
達(dá)目標(biāo)生成器對雷達(dá)信號運(yùn)用時(shí)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(shí)際雷達(dá)信號。其他系統(tǒng)能存儲的雷達(dá)波形,同過觸發(fā)進(jìn)行波形回放。各種雷達(dá)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(dá)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(dá)目標(biāo)生成器只工作于專用頻段,例如用于測試汽車?yán)走_(dá)傳感器的頻段[8]。
雷達(dá)目標(biāo)生成器的性能和能力,以及測試?yán)走_(dá)系統(tǒng)的能力取決于幾個經(jīng)濟(jì)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(shí)環(huán)境場景的靈活性和測試感興趣項(xiàng)目的可能性
雷達(dá)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(yuǎn)程監(jiān)視雷達(dá),S波段的ATC雷達(dá),X波段的海上監(jiān)視雷達(dá),一直到K/W波段的汽車?yán)走_(dá)傳感器。因此,雷達(dá)目標(biāo)生成器需要覆蓋極寬的頻譜。
帶寬決定雷達(dá)中的距離分辨率或頻率捷變雷達(dá)的運(yùn)行。更大帶寬不僅提供更高的距離分辨率,頻率捷變雷達(dá)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(shí)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?yàn)樾阅懿患鸦蛐盘柋U娑认陆禃鹬匕l(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(dá)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(dá)目標(biāo)生成器可能限制測試?yán)走_(dá)真實(shí)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(dá)目標(biāo)生成器中數(shù)字化是必不可少的。雷達(dá)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(jià)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 質(zhì)量的指標(biāo)。它對于接收輸入雷達(dá)信號和再現(xiàn)雷達(dá)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(dá)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(dá)工程師使用下列不同種類的雷達(dá)目標(biāo)生成器。
光纖延遲線(FDOL)
在雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)的相位噪聲,以及為無線電系統(tǒng)和雷達(dá)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(dá)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(jìn)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(dá)。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(shí)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(dá)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(shí)際生成移動目標(biāo)。
光纖延遲線有多個優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(shí)現(xiàn)。然而,光纖延遲線不能生成時(shí)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(dá)目標(biāo)模擬。這類系統(tǒng)以數(shù)字方式處理雷達(dá)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(shí)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(hù)干擾機(jī)(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(xiàng)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? GHz到35 GHz。單臺設(shè)備平均造價(jià)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(dá)40 GHz的頻率范圍,瞬時(shí)帶寬高達(dá)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(shí)實(shí)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(yuǎn)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(dá)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?yàn)檎沁@些因素主要決定了信號保真度。由于雷達(dá)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(diǎn)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(dá)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(dá)目標(biāo)。這類非常專業(yè)的設(shè)備常常價(jià)格不菲,并且由于靈活性受到限制而不能全面測試?yán)走_(dá)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(jì),單個射頻數(shù)字存儲設(shè)備模塊價(jià)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(dá)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(dá)目標(biāo)生成器由使用商用化測試和測量設(shè)備的接收機(jī)(射頻信號分析儀) 和發(fā)射機(jī)(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(dú)立設(shè)備。當(dāng)組合使用時(shí),這兩種儀器可作為雷達(dá)目標(biāo)生成器工作。
商用化雷達(dá)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(dá)160 MHz的帶寬接收任何類型的射頻雷達(dá)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(shí)間延遲、多普勒頻移和衰減。然后,由信號發(fā)生器將雷達(dá)回波信號重新發(fā)射到雷達(dá),如圖4所示。
圖4、典型商用化測試設(shè)備組成的實(shí)時(shí)雷達(dá)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(diǎn)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(jìn)行額外的雷達(dá)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(dá)目標(biāo)生成器,需要使用軟件定義雷達(dá)(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(dá)目標(biāo)生成器來分析軟件定義雷達(dá)的性能。
雷達(dá)目標(biāo)生成器生成單目標(biāo)并在軟件定義雷達(dá)(它充當(dāng)被測雷達(dá)) 中觀察。圖5顯示被測雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)目標(biāo)生成器能夠用不同距離-多普勒單元生成多達(dá)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_(dá)抗干擾特性,例如測試?yán)走_(dá)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(dá)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(dá)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(dá)測試結(jié)果
除了測試?yán)走_(dá)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(dá)中的現(xiàn)代電子防護(hù)措施。這可能是必須的,例如,2014年年中,在歐洲,當(dāng)幾架飛機(jī)突然從空中交通管制雷達(dá)屏幕上消失時(shí)[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(dá)波,如巴克碼,可用于測試?yán)走_(dá)信號處理的性能。在雷達(dá)目標(biāo)模擬器中,發(fā)射并延遲巴克碼。此雷達(dá)波有非常特殊的基帶波形,雷達(dá)接收機(jī)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(shí)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(shí)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(hù)的雷達(dá)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(dá)目標(biāo)生成器進(jìn)行評估。
圖7顯示處于測量開始階段的巴克碼雷達(dá)信號和幅度衰減大約50 dB的相應(yīng)雷達(dá)回波信號,以及相關(guān)的幅值捕獲。時(shí)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(dá)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(dá)目標(biāo)生成器測試整個雷達(dá)系統(tǒng)的方法,從天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī),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(jì)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(dá),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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(shí)。射頻數(shù)字存儲設(shè)備能克服這個缺點(diǎn)并提供額外的解決方案,尤其是當(dāng)涉及生成雷達(dá)回波信號時(shí)。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(jì)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(dá)目標(biāo)生成。測量設(shè)備的多用途優(yōu)點(diǎn)和靈活、模塊化方法(也可以用作雷達(dá)目標(biāo)生成器)增加了這類在測試實(shí)驗(yàn)室使用的設(shè)備的靈活性和有效性。
不同的雷達(dá)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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)
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注:文章發(fā)表于《微波雜志》(美國)
作者:Steffen Heuel,Darren McCarthy (羅德與施瓦茨公司)
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