雷達的應用、配置以及基于散射參數的脈沖測量

當代社會(huì )對雷達的需求給雷達設計師及測試工程師帶來(lái)了諸多挑戰。為了滿(mǎn)足不斷涌現的各種新需求，可滿(mǎn)足不同應用的多用途/功能/模式自適應雷達應運而生。先進(jìn)的雷達系統必須具備更高的精確度，從而可以測量更窄的脈沖寬度，達到更高的分辨率，以便對脈內行為(包括一個(gè)脈沖壓縮信號內的上升/下降邊緣效應或波形)進(jìn)行檢測。為充分了解現代雷達的復雜設計，最好先回顧一下雷達系統和脈沖測量的基本原理。

本白皮書(shū)介紹了雷達系統的常見(jiàn)應用與類(lèi)型，雷達系統的關(guān)鍵要素及典型測試參數，以及三種常用的基于散射參數的脈沖測量方法。

雷達方程式

雷達是無(wú)線(xiàn)電偵測及測距的簡(jiǎn)稱(chēng)，其基本原理如下：當電磁波按照已知的功率及頻率向特定方向傳播時(shí)，遇到目標后會(huì )發(fā)生反射，即部分電磁波信號被目標反射回來(lái)，而被反射回來(lái)的電磁波信號則可以通過(guò)接收設備進(jìn)行測量。接收信號的功率(Pr)或雷達發(fā)射器與目標之間的距離(R)可以通過(guò)以下雷達方程式計算出來(lái)：

其中：

Pr = 接收信號的功率;

R = 雷達發(fā)射器與目標之間的距離;

Pt = 發(fā)射信號的功率;

G = 雷達天線(xiàn)增益;

σ = 目標的雷達截面;

Ae = 有效的天線(xiàn)孔徑;

λ = 發(fā)射信號的波長(cháng)。

除了測量距離，還能通過(guò)更改雷達系統參數來(lái)測量目標的其他信息，如速度和方向等。例如，采用高定向天線(xiàn)掃描某區域可以測量目標的方位角和高度，再通過(guò)這兩個(gè)參數就可以確定目標的方向，而通過(guò)測量接收信號的頻移則可以確定目標的速度。

基于用途的雷達分類(lèi)

測量目標距離是多數雷達系統的基本功能之一。然而，雷達系統的技術(shù)水平，包括制造工藝、所用的信號、獲取信息的范圍及所獲信息在各種應用中的用途等，已經(jīng)有了顯著(zhù)進(jìn)步。雷達廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域，具體用途包括(圖1)：

圖1：雷達用途廣泛(由雷神公司提供)。

· 監視(例如威脅識別、運動(dòng)物體探測或近炸引信制造);

· 探測與跟蹤(例如目標識別與追蹤或海上救援);

· 導航(例如汽車(chē)防撞或空中交通管制);

· 高清成像(例如地形地貌測繪或著(zhù)陸導航);

· 天氣情況跟蹤(例如暴風(fēng)雨避險或風(fēng)廓線(xiàn)數據獲取)。

以下是一些使用不同類(lèi)型信號的常見(jiàn)雷達系統(圖2)：

圖2：雷達根據具體用途而采用相應的信號。

· CW(多普勒)雷達：這種雷達系統按照恒定的頻率傳輸連續波信號。接收信號發(fā)生了多普勒頻移，而多普勒頻移可用于確定目標的速度。警方經(jīng)常使用這種雷達系統對交通情況進(jìn)行監控。

· FMCW雷達：這種雷達系統對CW信號進(jìn)行調頻，以生成定時(shí)基準。用戶(hù)可以根據定時(shí)基準確定目標的距離及速度?；贑W的雷達(與脈沖雷達系統相比)有一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢，即它們能夠提供連續的探測結果。航空器通常會(huì )安裝這種雷達系統，以便在著(zhù)陸過(guò)程中準確測量高度。

· 脈沖雷達：這是一種基本(非相干)的脈沖雷達系統，它們通過(guò)測量發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)計算目標的距離和方向。由于脈沖之間的相位雜亂無(wú)章，因此脈沖雷達系統屬于非相干雷達系統。這種雷達系統多用于遠距離空中監控。

· 脈沖多普勒雷達：這是一種相干雷達系統，可根據接收脈沖之間的相位差異測量目標的距離、方向以及速度。脈沖多普勒雷達系統一般采用高脈沖重復率(PRR)，因而能更準確地測量徑向速度，但在測量距離時(shí)準確性較低。這種雷達系統常用于探測移動(dòng)目標，同時(shí)抑制靜止雜波，在天氣監測應用中非常有效。

· 動(dòng)目標顯示(MTI)雷達：這種雷達也使用多普勒頻率將動(dòng)目標回波與靜止物體及雜波區分開(kāi)來(lái)。MTI雷達的波形為一連串低PRR脈沖，這種波形能夠避免距離模糊，但無(wú)法準確測算目標的速度。這類(lèi)雷達常用于地對空搜索和監控。

· 脈沖壓縮雷達：窄脈沖信號可以達到更好的距離分辨率，但測距有限。寬脈沖信號含有更多能量，測距更長(cháng)，但分辨率不佳。脈沖壓縮則結合了寬脈沖的功率優(yōu)勢與短脈沖的分辨率優(yōu)勢。通過(guò)調節發(fā)射信號的頻率(例如線(xiàn)性調頻)或相位(例如使用巴克碼)，可以按照調節信號寬度的倒數在接收器上對寬脈沖進(jìn)行壓縮(圖3)。很多天氣監測系統都已經(jīng)采用脈沖壓縮雷達。

圖3：脈沖壓縮結合了寬脈沖的功率優(yōu)勢與短脈沖的分辨率優(yōu)勢。

基于天線(xiàn)配置的雷達分類(lèi)

雷達系統可能會(huì )使用天線(xiàn)列陣，有時(shí)甚至會(huì )使用成千上萬(wàn)的天線(xiàn)元素。因此，依據天線(xiàn)配置，雷達系統可分為以下幾種類(lèi)型：

· 單站雷達：在這種雷達系統中，發(fā)射器和接收器采用時(shí)域多路復用技術(shù)，從而共用天線(xiàn)。

· 雙站雷達：如果雷達系統的發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)分開(kāi)部署(通常相距較遠或偏置角較大)，則屬于雙站雷達系統。雙站雷達系統多用于探測隱形目標，即那些為了防止向發(fā)射器所在方向反射雷達信號而使用隱形技術(shù)的目標。

· 機械掃描雷達：在最初的雷達設計中，通過(guò)轉動(dòng)雷達天線(xiàn)可形成天線(xiàn)輻射圖形。在這種雷達系統中，一旦發(fā)射器發(fā)生單點(diǎn)故障，可能會(huì )導致機械系統失能，所以它們通常更重、更容易發(fā)生故障。

· 相控陣雷達：在這種雷達系統中，通過(guò)精確控制每個(gè)天線(xiàn)元素的相位和振幅，可以控制或塑造天線(xiàn)陣列的整個(gè)波束圖形。由于相位陣列天線(xiàn)的單個(gè)或多個(gè)元素失效不會(huì )導致雷達系統整體失能，因此這種設計方案的可靠性更高。

· 無(wú)源相控陣雷達(PESA)：一般來(lái)說(shuō)，這種雷達系統先從單一信號源獲取信號，再將獲取的信號分解為上百個(gè)通道(每個(gè)通道終結于一個(gè)單獨的天線(xiàn))，并在部分通道中應用選定的時(shí)延衰減。

· 有源相控陣雷達(AESA)：在這種雷達系統中，天線(xiàn)陣列的每個(gè)元素都有獨立的發(fā)射/接收組件(TRM)(圖4)。這種配置大大提高了有源相控陣雷達系統的靈活性，使其能夠同時(shí)在多個(gè)頻率上運行并生成多種波束圖形，從而完成不同的探測任務(wù)等。有源相控陣雷達是目前最先進(jìn)戰斗機的基線(xiàn)裝備。

圖4：這一?；鵛波段(SBX)導彈防御有源相控陣雷達具有45056個(gè)收發(fā)組件，最大探測距離可達到4800公里。

雷達系統的要素及其對系統性能的影響

上文對雷達方程式、信號類(lèi)型以及天線(xiàn)配置進(jìn)行介紹時(shí)，提到雷達系統中很多的元素。表1總結了雷達系統的一些要素以及它們對系統性能的影響。

測試雷達

鑒于自身所扮演的角色，雷達系統必須按照預定目標運行，否則可能會(huì )造成嚴重的后果。因此，雷達系統必須經(jīng)過(guò)嚴格測試。其中，檢驗射頻鏈(圖5)的性能是雷達測試的重要組成部分。測試工作可以針對子系統(例如有源相控陣雷達的收發(fā)組件)或射頻鏈中的特定元件(例如發(fā)射器的功率放大器或接收器的低噪聲放大器)進(jìn)行。

圖5：有源相控陣雷達系統的簡(jiǎn)化框圖。

典型測試中包含的測量項目如下：

脈沖測量類(lèi)型

在雷達應用中，采用了很多常見(jiàn)的基于散射參數的測量類(lèi)型及脈沖成形測量技術(shù)。本節將討論其中三種最常用的測量方法。

脈沖內定點(diǎn)測量

脈沖內定點(diǎn)測量對在脈沖內任一時(shí)間點(diǎn)的散射參數數據進(jìn)行了量化。這類(lèi)測量采用頻率或功率掃描技術(shù)，并在測量后按要求進(jìn)行繪圖。當需要避免可能發(fā)生的脈沖邊緣效應時(shí)，這種測量方法較為適用。例如，放大器通常在脈沖開(kāi)始時(shí)起到穩定作用。

對于脈沖內定點(diǎn)測量來(lái)說(shuō)，必須經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的測量才能獲取到數據，同時(shí)用戶(hù)需對同步脈沖指定相應的間隔，即T0(圖6)。該時(shí)間間隔一般通過(guò)時(shí)延(T1)和所需的測量時(shí)間窗口寬度來(lái)量化。通過(guò)調整測量時(shí)間窗口啟動(dòng)時(shí)間的時(shí)延(T1)，可以避免初始效應，如放大器穩定時(shí)間等?？梢允褂靡韵路匠淌絹?lái)確定最小測量時(shí)間窗口：

TMW≥1/IFBW

圖6：脈沖內定點(diǎn)測量對在脈沖內任一時(shí)間點(diǎn)的散射參數數據進(jìn)行了量化。

如果使用安立(Anritsu)MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀選件035和042(PulseView)，其200MHz的中頻帶寬(IFBW)可以形成5ns的最小測量時(shí)間窗口(TMW)。

如果需要額外的動(dòng)態(tài)量程，可為此指定一個(gè)平均水平，從而通過(guò)多個(gè)脈沖對同一時(shí)間間隔進(jìn)行分析，依據同一個(gè)相干時(shí)鐘對結果進(jìn)行抽樣，并保持相位信息。

在無(wú)需對脈沖的內部結構和脈沖之間的差異進(jìn)行分析，而只需在整體上對脈沖進(jìn)行測量時(shí)，這種測量方式較為適用。

脈沖成形測量

脈沖成形測量關(guān)注脈沖內的數據結構(圖7)。脈沖成形測量在時(shí)域中進(jìn)行，期間頻率和功率保持不變。這種測量方法多用于確定脈沖的特征，如過(guò)沖/下沖、波形頂降及邊緣響應(例如上升/下降時(shí)間)。

圖7：脈沖成形測量關(guān)注脈沖內的數據結構，如過(guò)沖/下沖、波形頂降及邊緣響應。

為了具體體現成形脈沖的特征，需設定起始時(shí)間(Tstart)、終止時(shí)間(Tstop)以及與同步脈沖相關(guān)的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)，即T0(圖8)。必要時(shí)，測量工作可以在世界時(shí)與協(xié)調世界時(shí)之差(DUT)期間且在出現物理脈沖之前開(kāi)始，在DUT之后結束。測量時(shí)間窗口寬度已被指定，同時(shí)也可以在多脈沖之間取平均值。就脈沖內定點(diǎn)測量而言，其所允許的測量時(shí)間窗口寬度范圍較大。

圖8：為了具體體現成形脈沖的特征，需設定起始時(shí)間、終止時(shí)間以及與同步脈沖相關(guān)的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

在脈沖成形測量中，脈沖之間的差異往往不易察覺(jué)，因此測量結果可能是多個(gè)脈沖的平均值。然而，人們可以對測量過(guò)程進(jìn)行設計，從某個(gè)絕對開(kāi)始時(shí)間觀(guān)察脈沖的行為，同時(shí)不取平均值，從而觀(guān)察脈沖行為的整個(gè)演變過(guò)程。獲得測量數據后，通常會(huì )根據數據與時(shí)間的對應關(guān)系繪制圖形，因此還可以利用多種渠道或設置進(jìn)行更復雜的測量。

脈沖到脈沖測量

脈沖到脈沖測量就是對脈沖流內各脈沖之間的差異進(jìn)行量化的過(guò)程。該測量也在時(shí)域中進(jìn)行，期間頻率和功率保持不變。這種測量方法多用于確定脈沖特征是否會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而發(fā)生變化。例如，高功率放大器可能會(huì )產(chǎn)生熱效應，而這會(huì )引起增益差異或相位差異。

圖9顯示了針對三個(gè)脈沖的脈沖到脈沖測量。在測量過(guò)程中，通過(guò)同步脈沖(T0)設定了相應的時(shí)延(T1)，并對每個(gè)脈沖進(jìn)行單獨處理。

圖9：脈沖到脈沖測量就是對脈沖流內各脈沖之間的差異進(jìn)行量化，以了解高功率放大器產(chǎn)生的熱效應的過(guò)程。

在上文提到的幾種測量方法中，可用的測量時(shí)間窗口寬度和脈沖寬度范圍較廣，只要不超過(guò)記錄的最大寬度即可。其中，MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀上記錄的最大測量時(shí)間窗口寬度為0.5s。由此，即使是較寬或重復率較低的脈沖也能測量。另外，人們可以利用多種渠道或設置，通過(guò)循環(huán)使用各種頻率/功率進(jìn)行測量。

總結

現代雷達系統對測量準確度的要求越來(lái)高?，F代測試方案要摒棄和突破脈沖測量中常見(jiàn)的折中和局限。安立MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀采用了高速數字轉換器架構，其分辨率和計時(shí)精度達到了業(yè)內最高水平。欲了解有關(guān)脈沖測量測試摒棄折中的更多信息，請參見(jiàn)安立公司白皮書(shū)(11410-00709)—《摒棄和突破脈沖測量測試方案中的折中和局限》。欲了解有關(guān)MS4640B高速架構的更多信息，請參見(jiàn)安立公司白皮書(shū)(11410-00711A)—《VNA高速架構提高了雷達脈沖測量的定時(shí)分辨率與精度》。

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