頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的仿真與測(cè)試

 任何雷達(dá)接收機(jī)接收到的回波信號(hào)都包含目標(biāo)回波和背景雜波。要在包含背景雜波的環(huán)境中探測(cè)目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)必須具有遠(yuǎn)距離和寬范圍的分辨能力。過去一般使用短脈沖波形和寬帶調(diào)頻脈沖來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。不過，這種方法需要采用非常復(fù)雜的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，而且由于用到寬帶接收機(jī)，所以實(shí)施成本較高。另一種方法是采用頻率步進(jìn)雷達(dá)(SFR)，它能夠在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的同時(shí)分辨遠(yuǎn)距離目標(biāo)，在無損測(cè)試和地面搜索應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

SFR可以在頻域中合成頻率步進(jìn)脈沖回波，以獲得更寬的信號(hào)帶寬;使用跳頻實(shí)現(xiàn)高分辨率和高信噪比。憑借高分辨率和低成本的優(yōu)勢(shì)，頻率步進(jìn)雷達(dá)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于商業(yè)與航空航天/國防(A/D)領(lǐng)域。不過，受地面、建筑物和植物等物體反射的背景雜波的影響，很難對(duì)SRF接收機(jī)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。因此，仿真變得尤為重要。它可幫助設(shè)計(jì)人員精確設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試真實(shí)環(huán)境中的SFR系統(tǒng)，因此，它是設(shè)計(jì)人員不可或缺的重要工具。

了解 SFR

為了更好地了解SFR為什么能提供如此先進(jìn)的能力，我們首先以圖1(最左側(cè)圖像)所示的脈沖雷達(dá)波形為例進(jìn)行說明。

圖1：左側(cè)是脈沖雷達(dá)波形，右側(cè)的圖像為SFR波形。

假定脈寬為τ，信號(hào)帶寬為f0 = 1/τ，那么根據(jù)下式可計(jì)算出距離分辨率Rs

其中，c 等于光速。

假設(shè)脈寬τ=0.25us，脈沖重復(fù)間隔T=10us，那么距離分辨率Rs=37.5m。要實(shí)現(xiàn)小于1m的分辨率，根據(jù)式(1)可知，必須減小脈寬，比如T=3.9ns。由此得到的距離分辨率將為0.58m，在不改變4MHz信號(hào)帶寬的情況下，新系統(tǒng)帶寬將比原始系統(tǒng)帶寬寬250ns/3.9ns=64倍。

為了實(shí)現(xiàn)0.58m的高分辨率，同時(shí)不縮短脈沖持續(xù)時(shí)間，可以使用SFR。如圖1所示，頻率步進(jìn)雷達(dá)以固定的脈沖重復(fù)頻率(而非固定的雷達(dá)頻率)發(fā)射N個(gè)脈沖序列。與脈沖信號(hào)不同，頻率步進(jìn)波形序列中的所有脈沖都具有相同的脈寬和持續(xù)時(shí)間，但載波頻率不同。該頻率可通過f_i=f_0+N×dF計(jì)算得出，其中 dF 指頻率增加量，表明使用了跳頻和時(shí)分。

假設(shè)使用N次步進(jìn)的頻率，脈寬和脈沖重復(fù)仍然是τ=0.25us和 T=10us，其N=64，與前面的例子一樣，dF=4MHz，那么得到的距離分辨率帶寬結(jié)果將為

從結(jié)果中顯然可以看出，SFR具有較高的距離分辨率(小于1m)。另外，它不必縮小分辨率，因而適合此情景中的脈沖雷達(dá)。

SFR設(shè)計(jì)與測(cè)試平臺(tái)

在SFR雷達(dá)中，雜波將會(huì)干擾目標(biāo)探測(cè)，增加發(fā)現(xiàn)實(shí)際數(shù)量目標(biāo)的難度，甚至使雷達(dá)無法探測(cè)到較小目標(biāo)。能夠在雜波條件下分析目標(biāo)探測(cè)的封閉式分析解決方案極其罕見。由于對(duì)這些類型的情景進(jìn)行分析極為重要，所以仿真成為關(guān)鍵，就像使用平臺(tái)解決方案仿真真實(shí)環(huán)境中的SFR系統(tǒng)一樣。該平臺(tái)還可用于對(duì)SFR系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。配有測(cè)試環(huán)境的仿真平臺(tái)必須包含回波信號(hào)雷達(dá)橫截面(RCS)和背景雜波，

為了更好地了解如何使用這種平臺(tái)來設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試SFR系統(tǒng)，下面提供了一個(gè)SFR設(shè)計(jì)模板。工程師可以為自有系統(tǒng)定制SFR設(shè)計(jì)模板，然后在平臺(tái)中運(yùn)行仿真，以測(cè)試設(shè)計(jì)的性能。當(dāng)設(shè)計(jì)仿真與測(cè)試設(shè)備結(jié)合使用時(shí)，仿真平臺(tái)也可充當(dāng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)SFR元器件硬件進(jìn)行測(cè)試。例如在設(shè)計(jì)SFR系統(tǒng)在地面雜波背景下探測(cè)兩個(gè)目標(biāo)回波時(shí)，可使用該平臺(tái)進(jìn)行仿真和硬件測(cè)試。

仿真SFR系統(tǒng)

以圖2所示的基本SFR設(shè)計(jì)為例。在信號(hào)發(fā)生器中，SFR信號(hào)源后面是射頻調(diào)制器，因此使用兩個(gè)目標(biāo)模型和一個(gè)雜波模型。在SFR接收機(jī)輸入端，接收到的信號(hào)包括目標(biāo)回波和雜波。

圖2：使用Agilent SystemVue電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)平臺(tái)執(zhí)行此SFR仿真實(shí)例。

如圖3所示，在SFR輸入端測(cè)量接收到的信號(hào)。請(qǐng)注意：圖3C的頻率與時(shí)間圖與預(yù)期的SFR信號(hào)(使用上述載波頻率計(jì)算方法)一致。展開相位也符合預(yù)期。此外，仿真顯示SFR接收機(jī)運(yùn)行良好。

圖3：接收機(jī)輸入端測(cè)得的已接收頻率步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)的頻譜(A)、反映目標(biāo)回波隨機(jī)特性以及雜波特性的波形幅度(B)、已接收信號(hào)的跳頻(C)和擴(kuò)展相位(D)。

圖4顯示，使用這個(gè)高分辨率頻率步進(jìn)雷達(dá)設(shè)計(jì)，我們可以輕松探測(cè)兩個(gè)緊鄰的目標(biāo)。要使用脈沖雷達(dá)探測(cè)同樣兩個(gè)目標(biāo)，脈寬必須至少增加8倍，導(dǎo)致系統(tǒng)成本大幅增加。

圖4：使用高分辨率頻率步進(jìn)雷達(dá)設(shè)計(jì)探測(cè)兩個(gè)相鄰的目標(biāo)。

SFR 系統(tǒng)測(cè)試

一旦建立好復(fù)制實(shí)際 SFR 系統(tǒng)的仿真模型，就可將其用于實(shí)際條件下(包含RCS 和背景雜波)的測(cè)試。此外，仿真平臺(tái)除了可用于設(shè)計(jì)高分辨率SFR系統(tǒng)之外，還可用于執(zhí)行硬件接收機(jī)測(cè)試。執(zhí)行此項(xiàng)測(cè)試需要使用SFR信號(hào)發(fā)生器。接收到的信號(hào)包含目標(biāo)回波以及背景雜波和噪聲等環(huán)境信號(hào)。

首先使用圖2中的設(shè)計(jì)生成測(cè)試信號(hào)，其中包含兩個(gè)相鄰目標(biāo)回波和雜波。然后將該信號(hào)下載到矢量信號(hào)發(fā)生器中，上變頻到射頻頻率。接著，使用信號(hào)分析儀對(duì)SFR接收機(jī)輸入端進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，使用信號(hào)分析軟件對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。

SFR發(fā)射機(jī)測(cè)試需要使用SFR接收機(jī)。SFR接收機(jī)可由仿真平臺(tái)創(chuàng)建。使用運(yùn)行矢量信號(hào)分析軟件的矢量信號(hào)分析儀來測(cè)量信號(hào)。然后將接收到的信號(hào)從信號(hào)分析儀下載到EDA軟件中進(jìn)行解調(diào)、檢波，還原成原始的目標(biāo)信號(hào)。使用創(chuàng)建的SFR軟件接收機(jī)和圖5中的測(cè)試裝置可對(duì)實(shí)際接收的SFR信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

圖5：用于SFR發(fā)射機(jī)和接收機(jī)硬件測(cè)試的測(cè)試裝置。

結(jié)論

平臺(tái)解決方案可仿真實(shí)際環(huán)境中的系統(tǒng)，是工程師設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的最佳工具。特別是在使用高分辨率頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)雜波環(huán)境中的目標(biāo)時(shí)(封閉式解決方案此時(shí)很難獲得滿意的分析結(jié)果)，它更具有重要作用。仿真平臺(tái)適用于SFR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試。在SFR系統(tǒng)測(cè)試中，可使用仿真的軟件接收機(jī)進(jìn)行發(fā)射機(jī)元器件測(cè)試，而使用仿真的軟件發(fā)射機(jī)進(jìn)行接收機(jī)元器件測(cè)試。