雷達的應用、配置以及基于散射參數(shù)的脈沖測量

當代社會對雷達的需求給雷達設計師及測試工程師帶來了諸多挑戰(zhàn)。為了滿足不斷涌現(xiàn)的各種新需求，可滿足不同應用的多用途/功能/模式自適應雷達應運而生。先進的雷達系統(tǒng)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(nèi)行為(包括一個脈沖壓縮信號內(nèi)的上升/下降邊緣效應或波形)進行檢測。為充分了解現(xiàn)代雷達的復雜設計，最好先回顧一下雷達系統(tǒng)和脈沖測量的基本原理。

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

雷達方程式

雷達是無線電偵測及測距的簡稱，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，遇到目標后會發(fā)生反射，即部分電磁波信號被目標反射回來，而被反射回來的電磁波信號則可以通過接收設備進行測量。接收信號的功率(Pr)或雷達發(fā)射器與目標之間的距離(R)可以通過以下雷達方程式計算出來：

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 = 雷達天線增益;

σ = 目標的雷達截面;

Ae = 有效的天線孔徑;

λ = 發(fā)射信號的波長。

除了測量距離，還能通過更改雷達系統(tǒng)參數(shù)來測量目標的其他信息，如速度和方向等。例如，采用高定向天線掃描某區(qū)域可以測量目標的方位角和高度，再通過這兩個參數(shù)就可以確定目標的方向，而通過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

測量目標距離是多數(shù)雷達系統(tǒng)的基本功能之一。然而，雷達系統(tǒng)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)有了顯著進步。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(jiān)視(例如威脅識別、運動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(例如汽車防撞或空中交通管制);

· 高清成像(例如地形地貌測繪或著陸導航);

· 天氣情況跟蹤(例如暴風雨避險或風廓線數(shù)據(jù)獲取)。

以下是一些使用不同類型信號的常見雷達系統(tǒng)(圖2)：

圖2：雷達根據(jù)具體用途而采用相應的信號。

· CW(多普勒)雷達：這種雷達系統(tǒng)按照恒定的頻率傳輸連續(xù)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(tǒng)對交通情況進行監(jiān)控。

· FMCW雷達：這種雷達系統(tǒng)對CW信號進行調(diào)頻，以生成定時基準。用戶可以根據(jù)定時基準確定目標的距離及速度?；贑W的雷達(與脈沖雷達系統(tǒng)相比)有一個顯著優(yōu)勢，即它們能夠提供連續(xù)的探測結(jié)果。航空器通常會安裝這種雷達系統(tǒng)，以便在著陸過程中準確測量高度。

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

· 脈沖多普勒雷達：這是一種相干雷達系統(tǒng)，可根據(jù)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(tǒng)一般采用高脈沖重復率(PRR)，因而能更準確地測量徑向速度，但在測量距離時準確性較低。這種雷達系統(tǒng)常用于探測移動目標，同時抑制靜止雜波，在天氣監(jiān)測應用中非常有效。

· 動目標顯示(MTI)雷達：這種雷達也使用多普勒頻率將動目標回波與靜止物體及雜波區(qū)分開來。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，但無法準確測算目標的速度。這類雷達常用于地對空搜索和監(jiān)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，但分辨率不佳。脈沖壓縮則結(jié)合了寬脈沖的功率優(yōu)勢與短脈沖的分辨率優(yōu)勢。通過調(diào)節(jié)發(fā)射信號的頻率(例如線性調(diào)頻)或相位(例如使用巴克碼)，可以按照調(diào)節(jié)信號寬度的倒數(shù)在接收器上對寬脈沖進行壓縮(圖3)。很多天氣監(jiān)測系統(tǒng)都已經(jīng)采用脈沖壓縮雷達。

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

基于天線配置的雷達分類

雷達系統(tǒng)可能會使用天線列陣，有時甚至會使用成千上萬的天線元素。因此，依據(jù)天線配置，雷達系統(tǒng)可分為以下幾種類型：

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

· 雙站雷達：如果雷達系統(tǒng)的發(fā)射天線和接收天線分開部署(通常相距較遠或偏置角較大)，則屬于雙站雷達系統(tǒng)。雙站雷達系統(tǒng)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，通過轉(zhuǎn)動雷達天線可形成天線輻射圖形。在這種雷達系統(tǒng)中，一旦發(fā)射器發(fā)生單點故障，可能會導致機械系統(tǒng)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(tǒng)中，通過精確控制每個天線元素的相位和振幅，可以控制或塑造天線陣列的整個波束圖形。由于相位陣列天線的單個或多個元素失效不會導致雷達系統(tǒng)整體失能，因此這種設計方案的可靠性更高。

· 無源相控陣雷達(PESA)：一般來說，這種雷達系統(tǒng)先從單一信號源獲取信號，再將獲取的信號分解為上百個通道(每個通道終結(jié)于一個單獨的天線)，并在部分通道中應用選定的時延衰減。

· 有源相控陣雷達(AESA)：在這種雷達系統(tǒng)中，天線陣列的每個元素都有獨立的發(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(tǒng)的靈活性，使其能夠同時在多個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等。有源相控陣雷達是目前最先進戰(zhàn)斗機的基線裝備。

圖4：這一海基X波段(SBX)導彈防御有源相控陣雷達具有45056個收發(fā)組件，最大探測距離可達到4800公里。

雷達系統(tǒng)的要素及其對系統(tǒng)性能的影響

上文對雷達方程式、信號類型以及天線配置進行介紹時，提到雷達系統(tǒng)中很多的元素。表1總結(jié)了雷達系統(tǒng)的一些要素以及它們對系統(tǒng)性能的影響。

測試雷達

鑒于自身所扮演的角色，雷達系統(tǒng)必須按照預定目標運行，否則可能會造成嚴重的后果。因此，雷達系統(tǒng)必須經(jīng)過嚴格測試。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(tǒng)(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)進行。

圖5：有源相控陣雷達系統(tǒng)的簡化框圖。

典型測試中包含的測量項目如下：

脈沖測量類型

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

脈沖內(nèi)定點測量

脈沖內(nèi)定點測量對在脈沖內(nèi)任一時間點的散射參數(shù)數(shù)據(jù)進行了量化。這類測量采用頻率或功率掃描技術(shù)，并在測量后按要求進行繪圖。當需要避免可能發(fā)生的脈沖邊緣效應時，這種測量方法較為適用。例如，放大器通常在脈沖開始時起到穩(wěn)定作用。

對于脈沖內(nèi)定點測量來說，必須經(jīng)過長時間的測量才能獲取到數(shù)據(jù)，同時用戶需對同步脈沖指定相應的間隔，即T0(圖6)。該時間間隔一般通過時延(T1)和所需的測量時間窗口寬度來量化。通過調(diào)整測量時間窗口啟動時間的時延(T1)，可以避免初始效應，如放大器穩(wěn)定時間等?？梢允褂靡韵路匠淌絹泶_定最小測量時間窗口：

TMW≥1/IFBW

圖6：脈沖內(nèi)定點測量對在脈沖內(nèi)任一時間點的散射參數(shù)數(shù)據(jù)進行了量化。

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

如果需要額外的動態(tài)量程，可為此指定一個平均水平，從而通過多個脈沖對同一時間間隔進行分析，依據(jù)同一個相干時鐘對結(jié)果進行抽樣，并保持相位信息。

在無需對脈沖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和脈沖之間的差異進行分析，而只需在整體上對脈沖進行測量時，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(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(圖7)。脈沖成形測量在時域中進行，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，如過沖/下沖、波形頂降及邊緣響應(例如上升/下降時間)。

圖7：脈沖成形測量關(guān)注脈沖內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如過沖/下沖、波形頂降及邊緣響應。

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

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

在脈沖成形測量中，脈沖之間的差異往往不易察覺，因此測量結(jié)果可能是多個脈沖的平均值。然而，人們可以對測量過程進行設計，從某個絕對開始時間觀察脈沖的行為，同時不取平均值，從而觀察脈沖行為的整個演變過程。獲得測量數(shù)據(jù)后，通常會根據(jù)數(shù)據(jù)與時間的對應關(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(nèi)各脈沖之間的差異進行量化的過程。該測量也在時域中進行，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隨著時間的推移而發(fā)生變化。例如，高功率放大器可能會產(chǎn)生熱效應，而這會引起增益差異或相位差異。

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

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

在上文提到的幾種測量方法中，可用的測量時間窗口寬度和脈沖寬度范圍較廣，只要不超過記錄的最大寬度即可。其中，MS4640B矢量網(wǎng)絡分析儀上記錄的最大測量時間窗口寬度為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，通過循環(huán)使用各種頻率/功率進行測量。

總結(jié)

現(xiàn)代雷達系統(tǒng)對測量準確度的要求越來高?，F(xiàn)代測試方案要摒棄和突破脈沖測量中常見的折中和局限。安立MS4640B矢量網(wǎng)絡分析儀采用了高速數(shù)字轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，其分辨率和計時精度達到了業(yè)內(nèi)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，請參見安立公司白皮書(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(gòu)的更多信息，請參見安立公司白皮書(11410-00711A)—《VNA高速架構(gòu)提高了雷達脈沖測量的定時分辨率與精度》。

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