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实时雷达目标生成
浏览次数:241     发布时间:2018-08-31    

转自:R&S作者:R&S-Steffen Heuel,Darren McCarthy

引言

许多行业包括商业、工业和国防领域都有大量雷达系统在应用。雷达技术的应用包括汽车防撞雷达、气象雷达、空中交通管制(ATC) 雷达,以及国防应用中的早期预警雷达和导弹跟踪雷达。雷达的最终用途决定它的物理尺寸、工作频率、波形、发射功率、天线孔径和许多其他独特的参数。每项系统参数和每个部件都将被测试以确保雷达性能。

雷达系统使用者更关注功能测试,即目标探测和跟踪。进行功能测试时,必须产生可以覆盖全部无模糊距离、全部无模糊径向速度、全部方位角和俯仰角的具有不同雷达散射截面(RCS) 的雷达目标,以确保雷达系统的精度、分辨率、成功检测率和虚警率满足系统要求。外场测试可能非常费时、复杂和费用高昂,并会涉及难以实现的可重复条件。例如,为了测试战斗机机载雷达在特定条件和距离的性能,需要部署一些人工目标用于被战斗机雷达探测和跟踪。通过对比人工目标的全球定位系统(GPS) 坐标数据与相应雷达探测数据以检验雷达性能。

因为雷达系统尚在开发期间定期进行外场测试费用可能过高,另一种方法是建立真实雷达测试模拟,包括许多不同类型目标和场景模拟。雷达目标生成能够测试包括射频的整个雷达功能,不需要昂贵的外场测试。雷达目标生成器引入具有时间延迟、多普勒频移和衰减的目标。目标生成器的几种技术已经具备,如同轴延迟线(Coaxial Delay Lines, CDL)、光纤延迟线(Fiber Optical Delay Lines, FODL) 或射频数字存储设备(Digital Radio Frequency Memory, DRFM)。现在,也可以使用商用化(Commercial Off-The-Shelf, COTS) 的测量设备。

雷达目标生成器的性能和能力以及它们测试雷达系统的可用性是关键,这主要取决于几个技术参数。本文介绍不同雷达目标生成器的架构,阐明适合雷达系统性能测试的目标生成器的设计要求和准则,同时给出测量结果举例。

雷达测试

在雷达系统投入使用并移交给使用者之前,必须先进行几个不同层次的测量任务。在研究和开发期间,执行主要硬件部件测试和测量。这些测试大多集中在发射机和接收机上,仅部分内容涉及信号处理或系统功能。

测试和测量行业提供各种雷达测试设备。这类设备重点关注雷达的参数性能,可以在开发和生过产程中测量频谱纯度、发射功率或灵敏度。这仅测试了雷达部分性能,但如信号探测这种重要功能从来没有在闭环运行中完整测试过。

要测试整个雷达系统(包含基带和射频) 并确保所有单元功能符合技术规格、满足用户要求,必须执行更多的测试,如图1所示。


图1、在多用途雷达系统上执行的雷达测试

必须通过进一步的测试和监控功能以实现参数测量。例如,内置测试设备(Built-In Test Equipment, BITE) 能够监控某些硬件部件和功能。虽然BITE能够提供雷达的合格或不合格评估,但是它对获得雷达性能信息不是必须的。如果雷达没有探测到目标,使用者怎么能知道雷达是否工作正常?

因此,可采用拖拽球的外场测试,来设定雷达能力基线和测试整个雷达处理链,但是不能测试处理能力。有些雷达有数字输入接口,可将场景输入雷达处理器。外场测试给出有关雷达性能和功能符合技术规格情况的全面结果,而数字输入测试能够测试雷达处理器能力。如前所述,外场测试费用昂贵,几乎不可重复且受制于某些目标的可用性。由于这些原因,雷达目标生成器用于替代某些外场测试,并使测试可重复进行;它们节省了时间和费用,通过注入雷达目标,可测试整个处理链。

这些需求转化为对雷达目标生成器的技术要求,并对目标生成系统的基础架构提出挑战。尽管一些经济上的优势倾向于实验室测试系统,而非外场测试,雷达系统的功能性能验证必须通过综合使用实验室测试和外场测试来实现。此外,由于雷达系统在设计中添加了电子防护防护(Electronic Protection, EP) 功能,这些新的系统要求可能需要新的测试方法。

雷达目标生成器

达目标生成器对雷达信号运用时间延迟(作用距离)、多普勒频移(径向速度) 和衰减。它接收、处理和重新发射实际雷达信号。其他系统能存储的雷达波形,同过触发进行波形回放。各种雷达目标生成器有非常不同的性能,测试不同层次的功能;一些生成器仅在专用频段为非常特殊的雷达系统生成单一目标,而其他生成器覆盖很宽的频谱,提供复杂的目标场景模拟。也有特定的雷达目标生成器只工作于专用频段,例如用于测试汽车雷达传感器的频段[8]。

雷达目标生成器的性能和能力,以及测试雷达系统的能力取决于几个经济和技术参数。抛开效率和成本,需要考虑下述技术参数:
• 系统架构
• 频率覆盖范围和带宽
• 相位噪声性能、信号失真、杂散辐射和回波信号整体质量
• 数字化性能、采样率和量化采样有效位数
• 最大多普勒频移、多普勒步长
• 最大作用距离、最小作用距离、距离步长
• 触发和/或连续操作
• 重现真实环境场景的灵活性和测试感兴趣项目的可能性
雷达系统的工作频率在非常宽的频段范围上变化。从工作在HF或L波段的远程监视雷达,S波段的ATC雷达,X波段的海上监视雷达,一直到K/W波段的汽车雷达传感器。因此,雷达目标生成器需要覆盖极宽的频谱。

带宽决定雷达中的距离分辨率或频率捷变雷达的运行。更大带宽不仅提供更高的距离分辨率,频率捷变雷达系统也需要高带宽。因此,目标生成器的带宽必须至少覆盖忠实再现波形需要的带宽。

相位噪声性能和信号保真度非常重要,因为性能不佳或信号保真度下降会引起重发信号失真或产生额外相位噪声。例如,只有在良好的相位性能条件下,雷达才能探测到缓慢移动的目标。如果目标生成器有高附加相位噪声,此雷达目标生成器可能限制测试雷达真实性能的能力。

为了模拟延迟和多普勒,在大多数现代雷达目标生成器中数字化是必不可少的。雷达信号被捕获、数字化、处理、转换成模拟信号并经适当衰减后被重新发射。有效位数(Effective Number Of Bits, ENOB) 和无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range, SFDR) 是定量评价模数转换器(ADC) 质量的指标。它对于接收输入雷达信号和再现雷达回波信号极为重要。

其他技术参数,如最小/最大距离或多普勒、目标或测试场景数量,主要取决于雷达目标生成器的信号处理性能、架构和基带处理能力。

今天的雷达工程师使用下列不同种类的雷达目标生成器。

光纤延迟线(FDOL)

在雷达系统测试和测量中使用光纤延迟线(FODL) 已经有几十年了,例如,用于测量雷达系统的相位噪声,以及为无线电系统和雷达系统的户外距离测试模拟可重复性信号。这些相对灵活、相位相干的小型系统将雷达的射频信号转换成光信号并借助一定长度的光纤线对其进行延迟,然后再将经过延迟的光信号重新转换成射频并发射给雷达。一些系统能够引入多普勒频移,如图2所示。

图2、简化的光纤延迟线(FODL) 框图

光纤中光信号的相速率大约为5 μs/km,同时损耗在0.5 dB/km量级。因此,能够实现皮秒(ps) 量级非常细微的距离范围。光纤延迟线的带宽非常高。它主要受限于多模光纤的模态色散,在GHz/km范围。在单模光纤中调制带宽受限于材料的色散,对于有非常低色散的波长,调制带宽可达100 GHz/km [1]。在低射频频段动态范围受限于量子噪声,而在高射频频段受限于非线性过程[3],并随着信号带宽增加线性降低[1]。一旦加入多普勒频率,无杂散动态范围取决于其他参数,并且常常会有数十分贝的减小。虽然可将多普勒频移调制到射频信号上,光纤延迟(距离) 长度是恒定的,不能实际生成移动目标。

光纤延迟线有多个优点。它的延迟不随频率变化,对振动不敏感,能够在很大程度上屏蔽电磁干扰,此外光纤延迟不辐射能量。而且,可重复模拟、低系统成本和节约时间更是重要优势。需要极高近载波相位噪声性能的测试,如固定目标抑制(Fixed Target Suppression, FTS) 测试,能够通过光纤延迟线很好地实现。然而,光纤延迟线不能生成时变距离-多普勒目标,也不能提供连续距离设置或任意信号衰减和增益。

射频数字存储设备(DRFM)

在测试和测量中射频数字存储设备可用于雷达目标模拟。这类系统以数字方式处理雷达信号。射频数字存储设备下变频、滤波和数字化收到的射频信号。数字化的信号接着被保存和/或修改。然后此数字信号被重新转换成模拟信号,并使用下变频时相同的本振(LO)混频到射频频率。信号经过放大后被重新发射出去,这就是整个信号处理链条。这种方法如图3所示。


图3、简化的射频数字存储设备(DRFM) 系统框图

护干扰机(Airborne Self-Protection Jammer, ASPJ),由它引申出Joint Vision 2010。它的研发始于1979年;然而在1992年项目被叫停[6]。ASPJ能够覆盖从0.7 GHz 到18 GHz的频段,后来演变为从1 GHz到35 GHz。单台设备平均造价1.27百万美元[4]。

目前可得到的有关射频数字存储设备的商业和公开信息显示,这些系统可以覆盖高达40 GHz的频率范围,瞬时带宽高达1.4 GHz、数字化位数为12位、最小延迟为90 ns、无杂散辐射动态范围为65 dBc。然而,受技术能力限制,这些技术数据很难在单台DRFM中同时实现。例如,大多数宽带DRFMs都大大降低了信号保真度,使用的数字化远低于12位,或者干脆仅为研究目的建造。

引入的最小延迟主要受限于模数转换(ADC) 和数模转换(DAC) 数模或模数转换需要一定的周期并取决于带宽和位数。此外,信号处理导致雷达回波信号需增加大量处理周期。现今典型的最小距离延迟范围从低于100 ns到低于1 μs。

在射频数字存储设备中,重要的是要知道模拟射频信号在数字域中如何表示(幅度、相位、I/Q) 以及量化位数,因为正是这些因素主要决定了信号保真度。由于雷达可以尝试区分目标信号和电子对抗(Electronic Counter Measure, ECM) 信号,Electronic Counter Measure的另一个关键点是无杂散动态范围(SFDR) (由ADC表征)。无杂散动态范围取决于有效比特位数(ENOB) 以及部件的非线性和噪声。

虽然带有相干目标回波返回的高信号保真度射频数字存储设备或许适合雷达测试,但它可能无法通过良好的用户界面来产生各种条件和场景雷达目标。这类非常专业的设备常常价格不菲,并且由于灵活性受到限制而不能全面测试雷达性能。DRFM的技术性能规格和确切成本很难从商业市场上获得。按照美国国防部(DoD) 估计,单个射频数字存储设备模块价格从15万美元到70万美元,具体取决于它的性能[5]。

商用化(COTS) 测试和测量设备

商用化测试和测量设备如今也能生成雷达目标,基本上采用射频数字存储设备所用类似的方式,通过射频下变频、基带数字处理和射频上变频。

该雷达目标生成器由使用商用化测试和测量设备的接收机(射频信号分析仪) 和发射机(射频信号发生器) 构成,它们通常用作分析或生成射频信号的独立设备。当组合使用时,这两种仪器可作为雷达目标生成器工作。

商用化雷达目标生成系统工作在100 kHz到40 GHz频率范围,在规定的频段以高达160 MHz的带宽接收任何类型的射频雷达信号,并将信号转换成同相和正交相移数据(I/Q数据)。I/Q数据传送到信号发生器的基带输入端,在基带,按照用户指定值添加时间延迟、多普勒频移和衰减。然后,由信号发生器将雷达回波信号重新发射到雷达,如图4所示。

图4、典型商用化测试设备组成的实时雷达目标生成器(R&S®SMW200A矢量信号发生器及R&S®FSW信号和频谱分析仪)。

这类测量设备的一个优点是优异的射频性能,这适合在研究、开发或生产期间进行额外的雷达参数测试。这种灵活、模块化的方法使得矢量信号发生器或信号和频谱分析仪还可用于其他的测试环境中。

测量

为了演示这种雷达目标生成器,需要使用软件定义雷达(Software Defined Radar, SDR) 和MATLAB®信号处理软件。在此演示系统中,使用有多目标分辨能力的波形和商用化测试设备组成的雷达目标生成器来分析软件定义雷达的性能。

雷达目标生成器生成单目标并在软件定义雷达(它充当被测雷达) 中观察。图5显示被测雷达的MATLAB®图形用户界面(GUI),其中包括频谱、距离-多普勒地图和目标列表。可观察到单个局部最大值,它的功率大于恒虚警率(Constant False Alarm Rate, CFAR) 门限值。通过测量差频可确定距离和径向速度。在雷达目标生成器中,生成距离R1 = 2000 m,多普勒频移vr1=?25 m/s。这是由该雷达精确测量得到的,参阅图5。

图5、由商用化测试设备组成的雷达目标生成器生成的单个目标

商用化测试设备组成的雷达目标生成器能够用不同距离-多普勒单元生成多达20个目标。此信号生成器也有多个射频信号输出口,从而也能够测试雷达抗干扰特性,例如测试雷达与LTE(Long Term Evolution)或其它无线业务共存[2]。

图6显示同一雷达目标,不同处在于发射了第二个频率调制连续波干扰信号,本底噪声大幅增加。目视仍可观察到雷达回波信号,但是对于自动检测恒虚警率门限值过高。


图6、软件定义雷达测试结果

除了测试雷达的功能性能,商用化测试设备组成的目标生成器也可以帮助评估雷达中的现代电子防护措施。这可能是必须的,例如,2014年年中,在欧洲,当几架飞机突然从空中交通管制雷达屏幕上消失时[7]。这或许是检测到存在被用作电子对抗的射频数字存储设备的一个例子。

在下面的情况,相位调制雷达波,如巴克码,可用于测试雷达信号处理的性能。在雷达目标模拟器中,发射并延迟巴克码。此雷达波有非常特殊的基带波形,雷达接收机能够使用相关滤波器检测回波信号的保真度,识别返回的回波是虚拟的还是真实的。产生不相关信号的原因可能有:存在以不同速率重复采样的电子对抗(ECM)系统,从模拟到数字转换中有效位过少,相位噪声或目标模拟器的放大器失真。生成的回波信号保真度很可能不同于来自真实目标的回波信号保真度,取决于射频数字存储设备。专注于电子防护的雷达处理可检测出不同保真度的回波差异。这种测量也可以用上述雷达目标生成器进行评估。

图7显示处于测量开始阶段的巴克码雷达信号和幅度衰减大约50 dB的相应雷达回波信号,以及相关的幅值捕获。时间旁瓣测量显示预期的相干回波返回延迟了40 μs。图8显示使用不同采样率(例如,使用射频数字存储设备)的回波信号返回和相关的幅度捕获,这又代表不同的信号保真度。回波信号的相关性有极大改变。


图7、巴克码(初始)、相关幅度和相应的回波信号(40 μs后)。


图8、有不同信号保真度的相同回波信号的“射频数字存储设备特征”

总结

雷达系统的期望可靠性要求极高,这就说明了为什么这些测试和测量非常重要。有几种使用雷达目标生成器测试整个雷达系统的方法,从天线、发射机和接收机,一直到信号处理。本文介绍了这些方法并解释了它们的关键经济和技术性能指标。

目标生成器的射频性能必须优于被测雷达,它应能提供各种测试场景配置。完美的性能平衡将许多外场测试带进实验室,降低了软件和硬件测试成本。光纤延迟线今天仍然在雷达测试中使用,但是在测试和测量中灵活性显得不够,例如在生成距离-多普勒相关目标时。射频数字存储设备能克服这个缺点并提供额外的解决方案,尤其是当涉及生成雷达回波信号时。然而,射频数字存储设备是非常专业的解决方案,可能非常昂贵,并且不一定被设计成用于测试的有灵活接口的设备。相比较而言,商用化测试和测量设备提供各种各样的测试解决方案,从信号和部件测试或分析,到雷达目标生成。测量设备的多用途优点和灵活、模块化方法(也可以用作雷达目标生成器)增加了这类在测试实验室使用的设备的灵活性和有效性。

不同的雷达目标生成器方法都有它们各自的优势,但是它们都将部分外场测试带进实验室从而降低了测试复杂性,通过提供高重复性减少了成本,并且改善了自动测试能力。


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