雷達、電子戰(zhàn)和電子情報測試：確定共同的測試挑戰(zhàn)
隨著雷達系統(tǒng)的發(fā)展(通常指軍用雷達)，雷達信號包含的電子情報(ELINT)具有重要價值，可以幫助我們應(yīng)對雷達載體(艦船、飛機和導(dǎo)彈)可能帶來的潛在威脅。由此推動了電子戰(zhàn)(EW)—雷達相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。
不考慮系統(tǒng)復(fù)雜性，雷達、電子戰(zhàn)和電子情報系統(tǒng)面臨著許多共同的測試挑戰(zhàn)。
雷達基礎(chǔ)—設(shè)計權(quán)衡
大部分雷達使用射頻能量脈沖探測目標(biāo)。脈沖以接近光速的速度發(fā)射至目標(biāo)，有時該速度表示為“雷達英里”，即12.36μs/英里。初級雷達系統(tǒng)中，射頻信號由目標(biāo)反彈并返回至雷達，雷達將測量發(fā)送脈沖和接收回波之間的延遲。二次雷達與之類似，但使用置于目標(biāo)上的應(yīng)答機重新發(fā)射已接收的脈沖，以增加回波能量，并且通常會添加一些數(shù)據(jù)。
雷達脈沖通常是脈沖調(diào)制射頻載波形式的射頻能量猝發(fā)。雷達脈沖的重要特性包括脈寬(PW)、脈沖重復(fù)頻率(PRF)或脈沖重復(fù)間隔(PRI)、平均功率脈沖接通和平均信號功率。設(shè)計雷達系統(tǒng)時，脈寬是衡量雷達性能的關(guān)鍵參數(shù)。
圖1：雷達脈沖術(shù)語和權(quán)衡。
初級雷達在發(fā)射脈沖到接收回波過程中面臨信號嚴(yán)重損耗的問題。發(fā)射信號必須在未經(jīng)過放大的情況下由目標(biāo)反彈并傳輸回接收機?？朔盘枔p耗的一個方法是發(fā)射更長的脈沖，并整合接收回波中的總能量。
雷達“分辨率”也是一個與脈寬相關(guān)的重要特征。探測小尺寸物體的能力可以讓雷達提供更詳細的目標(biāo)信息?？梢蕴峁?米解析分辨率的雷達能夠提供更多信息，以描述正在接近的目標(biāo)。100米的分辨率可能無法區(qū)分密集的多個小目標(biāo)和大目標(biāo)。如果雷達脈寬較長，鄰近目標(biāo)的回波可能會同時反彈并在傳輸過程中疊加。然后，雷達將顯示一個大目標(biāo)，而非多個相鄰的小目標(biāo)。因此，為了獲得最佳的雷達分辨率，雷達設(shè)計需采用較窄的脈寬。
由上可知，最佳距離和分辨率相互矛盾。最大距離意味著使用長脈沖，最佳分辨率要求使用短脈沖。為解決距離與分辨率優(yōu)化問題，許多雷達系統(tǒng)采用了脈沖壓縮或調(diào)制技術(shù)。理論上，線性調(diào)頻是用于創(chuàng)建和解壓的簡單調(diào)制。使用線性斜坡電壓對雷達脈沖進行調(diào)頻(FM)可以創(chuàng)建線性調(diào)頻脈沖。然后，線性調(diào)頻脈沖被發(fā)射出去，就像發(fā)射未經(jīng)壓縮脈沖一樣。
脈沖壓縮或調(diào)制可以提供明確的優(yōu)勢。脈沖重復(fù)頻率可以幫助您了解這些優(yōu)勢。脈沖重復(fù)頻率取決于雷達的測距能力。在之前發(fā)射的脈沖返回前發(fā)出新脈沖將導(dǎo)致模糊的回波響應(yīng)。通常，發(fā)射脈沖，等待所有可能的回波響應(yīng)都已接收，然后發(fā)送新的脈沖。提供明確的距離響應(yīng)將確定連續(xù)脈沖之間的脈沖重復(fù)間隔或脈沖重復(fù)頻率。但是，較低的脈沖重復(fù)頻率在許多情況下會降低雷達的整體性能。例如，在跟蹤一架快速移動的飛行器時，為了獲得更高的顯示屏更新速度，雷達需要采用更高的脈沖重復(fù)頻率。此時，雷達的脈沖重復(fù)頻率將允許模糊響應(yīng)，以確保更新速率。去除關(guān)注距離以外回波雜波的一個方法是使用時間或距離選通。該方法將打開或關(guān)閉雷達接收機，忽略十分接近或超出關(guān)注距離的目標(biāo)回波。
如前所述，脈沖壓縮可用于消除連續(xù)脈沖之間的不確定性。為每個脈沖分別添加數(shù)字調(diào)制可確保相鄰脈沖具有獨特的編碼。使用雙相位編碼鍵控等數(shù)字調(diào)制技術(shù)編碼脈沖，以便使用脈沖的獨特編碼作為分離工具，精確并輕松測量每個脈沖的回波延遲。
多數(shù)雷達的另一個重要特性在于測量移動目標(biāo)多普勒頻移的能力。測量射頻載波頻率變化或隨時間變化的相移可支持部分雷達準(zhǔn)確確定目標(biāo)的移動速度。
除了收集雷達及其承載平臺的電子情報信息之外，了解雷達相關(guān)知識可以改善并指導(dǎo)電子戰(zhàn)技術(shù)。例如，合成回波碼型并將其廣播至早期預(yù)警雷達接收機，以顯示某處并非實際存在的資產(chǎn)?，F(xiàn)代雷達和電子戰(zhàn)測試挑戰(zhàn)
現(xiàn)代雷達系統(tǒng)測試帶來了獨特的測試測量設(shè)備需求。測試中會面臨一些共同的挑戰(zhàn)。寬帶寬對許多雷達信號來說十分必要。線性調(diào)頻或調(diào)制脈沖要求GHz的帶寬，需要寬帶測試設(shè)備資源。
超低相位噪聲是對雷達測試設(shè)備的另一個普遍要求。使用多普勒頻移信息的雷達通常測量相移隨時間變化的速率，因為雷達脈沖的長度不足以積分頻率差周期。精確測量相變時必須保持非常低的相位噪聲，對測試儀器的相位噪聲性能提出了嚴(yán)格要求。同樣，動態(tài)范圍也是雷達測試系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。通常，雷達信號從發(fā)射到接收會經(jīng)歷嚴(yán)重的路徑損耗。
使用壓縮脈沖以改善分辨率并獲得明確的距離具有諸多優(yōu)勢，但這通常需要合成復(fù)雜的測試波形。為測速雷達添加多普勒頻移的需要將進一步提升對測試設(shè)備的要求。雷達系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的另一項挑戰(zhàn)在于軟件定義雷達系統(tǒng)的普遍使用。許多現(xiàn)代雷達不僅需要傳統(tǒng)模擬射頻制式的測試信號和測量，還需要數(shù)字制式的測試信號和測量。多制式測試將帶來數(shù)字信號測量和模擬測量平衡的問題。
全面的系統(tǒng)測試通常是雷達、電子情報和電子戰(zhàn)設(shè)備面臨的一個重要問題，測試資產(chǎn)的成本通常是問題的關(guān)鍵。例如，，仿真多普勒頻移、雜波以及其他信號元素以測試艦載火控雷達，可能需要一艘艦船和多架測試飛機。使用此類測試平臺精確測試目標(biāo)定位的性能需要高達數(shù)萬美元/小時的成本。
最后，許多雷達使用相控陣天線系統(tǒng)。這些天線系統(tǒng)擁有眾多天線端口，采用波前到達時間控制天線波束，需要測試信號和測量提供多通道相位相干和相位可調(diào)信號源或分析儀。所謂的多通道陣列測試系統(tǒng)將為雷達測試工程師帶來非常棘手的挑戰(zhàn)。
雷達系統(tǒng)設(shè)計和制造過程經(jīng)常需要微波信號發(fā)生器。測試源通常用于穩(wěn)定本地振蕩器(STALO)替代、相干振蕩器(COHO)測試以及雷達脈沖與回波合成等應(yīng)用。雷達測試的一個關(guān)鍵問題是生成可以精確描繪雷達接收信號類型的回波。假設(shè)某一刻雷達發(fā)射脈沖，回波到達時間將同時確定。實驗室或制造環(huán)境中很難仿真來自50英里外且具有微波延遲結(jié)構(gòu)的回波。作為替代方案，現(xiàn)代信號發(fā)生器和任意波形發(fā)生器使用數(shù)字技術(shù)合成帶有適當(dāng)延遲和路徑失真的回波，可以精確描述相距50英里的目標(biāo)。同樣，電子情報/電子戰(zhàn)設(shè)備需要能夠仿真真實信號和威脅的測試信號源。
共同的測試挑戰(zhàn)
任意波形發(fā)生器和信號源
微波任意波形發(fā)生器(AWG)引發(fā)了雷達系統(tǒng)測試的變革，能夠提供方便的雷達信號仿真方法。使用任意波形發(fā)生器可以輕松合成離散分布的雷達發(fā)射機和目標(biāo)，以仿真數(shù)百立方英里的雷達檢測范圍。任意波形發(fā)生器的真正優(yōu)勢在于合成幾乎所有存儲器中已編程波形的能力。但是，任意波形發(fā)生器存在很多限制。
此前，帶寬是限制任意波形發(fā)生器的關(guān)鍵因素，但新款發(fā)生器能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的帶寬要求。1.25GSa/s和4GSa/s的采樣率能夠提供500MHz和接近2GHz的無混疊帶寬。使用組合和轉(zhuǎn)換技術(shù)可以獲得更寬的無混疊帶寬。
選擇任意波形發(fā)生器時更需要關(guān)注的因素可能在于信號源的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。信號源的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是否具有足夠位數(shù)的分辨率以充分表現(xiàn)需要的信號？并且，變頻至微波頻率時無雜散動態(tài)范圍是否能夠保持？理論上，一位分辨率對應(yīng)6.02dB的無雜散動態(tài)范圍。
圖2：在這個具有雜波模型的情境中，Agilent SystemVue軟件用于分析脈沖多普勒目標(biāo)回波。集成于SystemVue的MATLAB支持以3D形式顯示結(jié)果。
除了位數(shù)和無雜散動態(tài)范圍的固有采樣功能損耗外，上變頻至微波頻率將帶來一系列問題，阻礙有用信號的創(chuàng)建。雷達、電子戰(zhàn)和電子情報合成接收機通常具有超過75dB的無雜散動態(tài)范圍，十分靈敏。雷達信號的路徑損耗通常是大多數(shù)通信信號的兩倍(即使通信信號的傳輸距離是雷達信號往返路程的兩倍)，因此需要大功率雷達發(fā)射機和十分靈敏的接收機。因此，許多雷達系統(tǒng)具有嚴(yán)苛的動態(tài)范圍要求。通常，大部分雷達系統(tǒng)在S頻段或X頻段運行，需要借助基帶任意波形發(fā)生器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成上變頻。
上變頻不可以通過信號源內(nèi)部完成，也不可以使用獨立器件外部實現(xiàn)。簡單來講，使用混頻器和一組配有固定本地振蕩器(LO)的濾波器可以輕松將信號上變頻至所需頻段。實際上，本地振蕩器諧波和雜散通常與需要的信號結(jié)合，會形成帶內(nèi)雜散信號，嚴(yán)重縮減無雜散動態(tài)范圍。
由于當(dāng)前最佳任意波形發(fā)生器具有超過75dB的無雜散動態(tài)范圍，多數(shù)測試專家發(fā)現(xiàn)，如果信號帶寬低于2GHz，添加外部上變頻器并不經(jīng)濟，購買具有內(nèi)置任意波形發(fā)生器和上變頻硬件的微波信號源更合適，對于關(guān)注相位噪聲的測量應(yīng)用尤其如此。
選擇帶有任意波形功能的信號源時，存儲器配置是一項重要參數(shù)。任意波形發(fā)生器播放存儲器中的數(shù)字數(shù)據(jù)以創(chuàng)建模擬波形。存儲器結(jié)構(gòu)以及排序和回放選件不會加強或限制發(fā)生器的功用。
如前所述，取決于雷達的應(yīng)用領(lǐng)域，雷達脈沖可具有廣泛的脈寬、脈沖重復(fù)頻率和調(diào)制類型。系統(tǒng)診斷將進一步增加測試?yán)走_脈沖合成的復(fù)雜性。測試速度測量功能是否需要多普勒頻移或脈沖間相移？測試電子情報系統(tǒng)的目的是根據(jù)天線掃描碼型確定脈沖源？所有這些因素都會影響波形數(shù)字合成軟件生成的脈沖碼型。鑒于制造商采用壓縮技術(shù)來改善分辨率和增大探測距離，同時降低模糊性，雷達脈沖分析面臨的挑戰(zhàn)日趨嚴(yán)峻，對分析設(shè)備提出了獨特要求：更寬的帶寬和更復(fù)雜多域顯示。壓縮脈沖調(diào)制分析變得越來越必要，軟件定義雷達體系結(jié)構(gòu)逐步成為雷達行業(yè)的趨勢，穩(wěn)定且靈活的數(shù)字實現(xiàn)迅速替代傳統(tǒng)模擬中頻和基帶信號處理技術(shù)。此外，隨著雷達信號制式和存取由基帶轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l，雷達測試挑戰(zhàn)更為棘手。
雷達、電子戰(zhàn)和電子情報工程師需要進行廣泛的日常測量。如前文所述，脈寬和脈沖重復(fù)頻率或脈沖重復(fù)間隔可提供關(guān)于雷達系統(tǒng)分辨率和測量距離的重要信息，以及潛在的重要情報信息。自動測量這些參數(shù)能夠大幅提高雷達診斷速度，同時提供豐富的電子戰(zhàn)信息。
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